钻井液性能与固井安全及顶替效率关系研究.ppt

钻井液性能与固井安全及顶替效率关系研究钻井液性能与固井安全及顶替效率关系研究 汇 报 提 纲 引言 1 钻井液性能调整的必要性 2 钻井液性能优化 3 认 识 与 结 论 5 钻井液和水泥浆不相容性初探 4 提高二界面胶结质量是保证固井质量的一个重要前提；提高二界面胶结质量是保证固井质量的一个重要前提； 顶替效率是影响二界面胶结的重要因素，而钻井液性能顶替效率是影响二界面胶结的重要因素，而钻井液性能 是影响顶替效率的关键因素之一；是影响顶替效率的关键因素之一； 长期以来，固井工作者为提高顶替效率进行了大量的室长期以来，固井工作者为提高顶替效率进行了大量的室 内研究及现场作业，但其影响因素较多且受工况影响复杂内研究及现场作业，但其影响因素较多且受工况影响复杂 ，效果并不明显。，效果并不明显。 1.引言 不可调：不可调：井身结构、井径扩大率、套管居中度等井身结构、井径扩大率、套管居中度等 可可 调：调：钻井液性能调整、前置液冲洗隔离双作用清洗、顶替流态设计等钻井液性能调整、前置液冲洗隔离双作用清洗、顶替流态设计等 水泥浆顶替钻井液的驱动力：水泥浆顶替钻井液的驱动力： (1)(1)泵压；泵压； (2)(2)流动的水泥浆对钻井液的粘滞力；流动的水泥浆对钻井液的粘滞力； (3)(3)水泥浆对钻井液的浮力。水泥浆对钻井液的浮力。 阻碍钻井液流动的阻力：阻碍钻井液流动的阻力： (1)(1)钻井液本身的粘度和切力；钻井液本身的粘度和切力； (2)(2)套管和井壁对钻井液的粘附力；套管和井壁对钻井液的粘附力； (3)(3)钻井液本身的重力。钻井液本身的重力。 因此，固井前钻井液地面流变性能调整有助于提高顶替效率。因此，固井前钻井液地面流变性能调整有助于提高顶替效率。 影响顶替效率的因素 钻井液粘度、切力高，会影响顶替效钻井液粘度、切力高，会影响顶替效 率率 钻井液性能不良，形成的泥饼厚而疏 松，不利于套管下入，并且影响二界 面胶结质量 调 整 钻 井 液 的 必 要 性 无论水基或是油基钻井液与水泥浆都是 不相容的，二者直接接触会产生严重的 化学干涉现象，影响施工安全和固井质 量 2.钻井液性能调整的必要性 调 整 钻 井 液 的 目 的 1、降低钻井液屈服值、塑性粘度降低钻井液屈服值、塑性粘度 、初终切，降低流动摩阻压力，防、初终切，降低流动摩阻压力，防 止顶替过程中泵压过高，压漏薄弱止顶替过程中泵压过高，压漏薄弱 地层地层 2、清除钻井液中的钻屑，预防电清除钻井液中的钻屑，预防电 测遇阻下小钻杆测遇阻下小钻杆 3、改善滤饼质量，提高第二改善滤饼质量，提高第二 界面胶结质量界面胶结质量 4、提高钻井液抗油井水泥浆提高钻井液抗油井水泥浆 钙侵污染的能力钙侵污染的能力 调整的前提是钻井液要形成薄而调整的前提是钻井液要形成薄而 韧的致密滤饼，钻井液降低一定韧的致密滤饼，钻井液降低一定 的粘切不会引起地层垮塌及井下的粘切不会引起地层垮塌及井下 工况复杂。工况复杂。 调整措施调整措施 抗钙稀释法：降低钻井液粘切的同时增加钻井液抗钙侵污染能力；抗钙稀释法：降低钻井液粘切的同时增加钻井液抗钙侵污染能力； 钻井液调整，忌用清水稀释 钻井液调整，忌用清水稀释 。 优点优点 （1 1）可使钻井液趋于牛顿流体，增加对虚滤饼的冲洗作用，降低钻井液）可使钻井液趋于牛顿流体，增加对虚滤饼的冲洗作用，降低钻井液 粘切，也可提高除砂效率，有效降低固含量；粘切，也可提高除砂效率，有效降低固含量； （ （2 2）在顶替过程中不可避免地会出现钻井液、前置液和水泥浆三者掺混）在顶替过程中不可避免地会出现钻井液、前置液和水泥浆三者掺混 段，抗钙调整后可增强钻井液的抗钙侵污染能力，有效降低泵压，避免顶替段，抗钙调整后可增强钻井液的抗钙侵污染能力，有效降低泵压，避免顶替 过程中的过程中的“假碰压假碰压” ” 现象。现象。 建议固井前钻井液调整措施：建议固井前钻井液调整措施： 单罐预先配制抗钙稀释胶液，通井循环时，以小排量向泥浆罐中连续加单罐预先配制抗钙稀释胶液，通井循环时，以小排量向泥浆罐中连续加 入抗钙稀释胶液，经泥浆罐混合均匀后泵入环空。入抗钙稀释胶液，经泥浆罐混合均匀后泵入环空。 3.钻井液性能优化 钻井液循环时建议遵循以下作业原则：钻井液循环时建议遵循以下作业原则： （1 1）以低泵排量和低泵压开始循环；如果克服静切力所需的初始泵压和泵）以低泵排量和低泵压开始循环；如果克服静切力所需的初始泵压和泵 排量过高，就可能压裂地层，环形间隙较小时更容易发生这种情况；排量过高，就可能压裂地层，环形间隙较小时更容易发生这种情况； （2 2）慢慢增大泵排量，并记录泵压和泵排量；）慢慢增大泵排量，并记录泵压和泵排量； （3 3）逐渐接近顶替过程中预计的最大泵排量；）逐渐接近顶替过程中预计的最大泵排量； （4 4）注意检查回流，并观察是否有大块的滤饼或钻屑返出；）注意检查回流，并观察是否有大块的滤饼或钻屑返出； （5 5）循环）循环3 3周以上。周以上。 每周循环都应监控钻井液性能变化，当钻井液性能稳定地达到预期性能每周循环都应监控钻井液性能变化，当钻井液性能稳定地达到预期性能 时，可停止加入抗钙稀释胶液时，可停止加入抗钙稀释胶液。 3.钻井液性能优化 固井前钻井液性能优化现场实例 时间 出口温度 出口密度 g/cm3 旋转粘度计读值（格） s 10-3Pa.s o Pa n k Pa.sn 1 Pa 10 Pa 60030020010063 11：0550.51.59744736245427100.650.403.56.0 11：25511.5871463523542510.50.630.473.56.0 14：20511.597145342143269.50.660.4035 14：45511.6166423219322490.650.3724 15：20511.6152302516322240.790.111.52.5 表1 马G1-2井洗井循环试验钻井液流变性实测情况 （大港） 3.钻井液性能优化 测量项目 六速旋转粘度计读数 s mPa.s 0 Pa 1 pa 10 pa 36100200300600 电测前测量24152429461760.680.2312 下钻循环后测量2417253449159.50.530.5512 完钻后测量24152329451760.660.2312 固井前调整第1次测量24152430481860.680.2112 固井前调整第2次测量24132125401550.680.1712 在枣76-22洗井循环过程中小排量加入抗钙稀释胶液进行钻井液性能调整，钻井液流 性指数增加、稠度系数降低，未出现井下复杂情况。 表表2 2 枣枣76-2276-22井现场钻井液地面调整性能实测情况井现场钻井液地面调整性能实测情况 （大港）（大港） 固井前钻井液性能优化现场实例 3.钻井液性能优化 井号油套固井循环情况调整措施电测遇阻情况作业结果 马G1-1大排量4周稀释抗钙处理无优良 枣76-22低排量6周抗钙稀释处理无优良 马G1-2中排量3周稀释处理无合格 港深16-18大排量4周稀释处理无合格 固井前调整钻井液性能，降低粘切值，可有效冲刷井壁，改善滤饼质量及与水泥固井前调整钻井液性能，降低粘切值，可有效冲刷井壁，改善滤饼质量及与水泥 浆的相容性性，有利于提高固井质量。浆的相容性性，有利于提高固井质量。 固井前钻井液性能优化现场实例 表表3 3 试验井不同层次套管洗井记录试验井不同层次套管洗井记录 （大港）（大港） 3.钻井液性能优化 4.钻井液和水泥浆不相容性初探 u龙岗12井5寸尾管固井污染实验（龙岗20井类似） 钻井液、隔离液和水泥浆常规污染实验基本满足固井设计要求； 钻井液与水泥浆、隔离液与水泥浆HPHT稠化时间大幅度缩短。 u龙岗39井7寸尾管固井污染实验 隔离液对水泥浆HPHT稠化时间无不良影响； 钻井液导致水泥浆HPHT稠化时间大幅度缩短。 u龙岗28井5寸尾管固井污染实验 钻井液、隔离液和水泥浆常规污染实验基本满足固井设计要求； 钻井液与水泥浆、隔离液与水泥浆HPHT稠化时间大幅度缩短。 4.1典型深井现场污染实验概况 温度：92 压力： 0.1 MPa 时间：5 hour 水泥浆浆钻钻井液隔离液 常流(cm)高流(cm) 设计设计实测实测设计设计实测实测 20%70%10%1818.51216 70%20%10%1816.51211 1/31/31/318191217.5 50%50%0实测实测19实测实测18 70%30%0实测实测19实测实测15.5 30%70%0实测实测18实测实测17 100%0018231224 0100%01822.51223 00100%18221223 5%095%18221223 95%05%18211219 钻井液、隔离液以及水泥浆两相和 三相常规污染实验基本满足固井设 计要求。 4.1.1龙岗12井5寸尾管固井相容性实验 表4 龙岗12井5寸尾管固井相容性实验 12390MPa70min 水泥浆配方调整：缓凝剂FS-31L加量从2.88%增加至3.36%； 隔离液配方调整：添加2%FS-31L； 冲洗液调整：缓凝水中补加缓凝剂至4%FS-31L； 钻井液调整：1%Na2CO3+1%SMT。 水泥浆浆钻钻井液隔离液缓缓凝水初始稠度70Bc时间时间 70%030%08Bc140min 70%20%10%016Bc130min 70%30%0014.5Bc125min 70%30%(调调整搅搅拌1h)0012Bc128min 70%30%(调调整搅搅拌2h)0013Bc135min 70%030%(调调整)014Bc 360min/17.2Bc (温度最高145) 70%(调调整)20%(调调整)10%(调调整)10%11.2Bc269min 4.1.1龙岗12井5寸尾管固井污染实验 表5 龙岗12井5寸尾管固井相容性实验 钻井液和隔离液导致污染稠化实验时间缩短原因初步判断分析 表6 缓凝水泥浆现场大样稠化实验 p该缓凝剂加量与水泥浆稠化时间不呈线性规律，存在一过渡区，导致加量超过一 定范围后稠化时间延长2小时30分钟，而在一定加量范围内无变化； p钻井液和隔离液与水泥浆污染稠化实验时间缩短的主要原因可能是两种浆体均消 耗了部分缓凝剂（吸附导致水泥浆中缓凝剂浓度降低）。 次序FS-31L加量40Bc时间时间100Bc时间时间备备注 第1次2.23%347min350min 第2次2.34%305min307min时间缩时间缩 短 第3次2.7%345min347min时间时间同第1次相比不变变 第4次2.88%360min363min时间时间延长长不明显显 第5次3.36%495min498min时间时间明显显延长长 4.1.1龙岗12井5寸尾管固井相容性实验 90 0.1 MPa 5h 序号水泥浆浆隔离液钻钻井液常流(cm)高流(cm) 设计设计实测实测设计设计实测实测 170%20%10%18131213 270%10%20%1810129 31/31/31/318131215 470%30%实测实测15实测实测16 55%95%1812129 695%5%18151216 750%50%实测实测14.5实测实测11 870%30%实测实测13.5实测实测14 930%70%实测实测14实测实测12.5 1090%10%实测实测13实测实测12 11100%18221225 12100%18231225 13100%18221223 4.1.2龙岗39井7寸尾管固井相容性实验 表7 龙岗39井7寸尾管固井相容性实验 10380MPa60min 水泥浆浆钻钻井液隔离液缓缓凝水实验结实验结 果 70%20%(9.10先导浆导浆)10%5% 初稠28Bc 245min/100Bc 稠度一直维维持在高限， 施工安全无法保证证。 70%30%(9.10先导浆导浆)00 初稠35 Bc 6min/100Bc 70%30%(井浆浆)00 初稠75 Bc 5min/100Bc 70%030%0 初稠17 Bc 300min/15.5Bc 70%10%(井浆浆)20%0 初稠30 Bc 7min/100Bc 70%20%(9.11先导浆导浆)10%5% 初稠28 Bc 24min/100Bc 70%30%(9.12先导浆导浆小样样)00 初稠14.5 Bc 300min/14.5Bc(现场现场小样样 ) 4.1.2龙岗39井7寸尾管固井相容性实验 表8 龙岗39井7寸尾管固井相容性实验 10380MPa60min 水泥浆浆先导浆导浆井浆浆隔离液缓缓凝水稠化实验结实验结 果 70%10%5%10%5% 初稠14.5Bc 300min/12Bc 70%10%020%0 初稠16.7Bc 300min/11Bc 70%30%000 初稠22Bc 300min/15.5Bc 70%10%5%10%5% 初稠16Bc 300min/14.5Bc 均能满足安全 作业要求！ ！ 4.1.2龙岗39井7寸尾管固井相容性实验 表9 龙岗39井7寸尾管固井相容性实验 920.1MPa300min 水泥浆浆钻钻井液隔离液 常流（cm)高流（cm) 设计设计实测实测设计设计实测实测 70%20%10%18191212 20%70%10%18181213.5 1/31/31/318181216 50%50%0实测实测16.5实测实测13.5 30%70%0实测实测18实测实测16 70%30%0实测实测21实测实测15 95%05%18201221 5%095%18221220 100%0018211221 0100%018221224 00100%1822.51225 070%（井浆浆）30%-21-20 030%（井浆浆）70%-20.5-19 都满足固井设计要求！ 4.1.3龙岗28井5寸尾管固井相容性实验 表10 龙岗28井5寸尾管固井相容性实验 12880MPa 65min 水泥浆浆先导浆导浆隔离液冲洗液实验结实验结 果 70%20%10%0 初稠16Bc 142min/70Bc 70%030%0 初稠14Bc 162min/100Bc 70%30%00 初稠10Bc 144min/100Bc 70%20%10%5%(8%FS-31L) 初稠15Bc 242min/70Bc u钻井液、隔离液均导致水泥浆稠化时间大幅度缩短。 4.1.3龙岗28井5寸尾管固井相容性实验 表11 龙岗28井5寸尾管固井相容性实验 水泥浆浆先导浆导浆隔离液(调调整)冲洗液实验结实验结 果 70%20%10%5%(8%FS-31L)210min/70Bc（小样样） 70%030%0300min/14Bc（小样样） 70%030%0300min/16Bc（大样样） 70%20%10% 5% (清水+4%FS-31L) 210min/70Bc 70%20%10% 5% (清水+8%FS-31L) 210min/70Bc 70%20%10%8%清水 初稠10Bc 263min/40Bc 268min/70Bc 对隔离液进行处理，加入2%FS-31L和0.3%SD21（w/v） 在一定程度上也证 明了缓凝剂在一定 加量内不起作用！ 4.1.3龙岗28井5寸尾管固井相容性实验 表12 龙岗28井5寸尾管固井相容性实验 4.2钻井液与水泥浆化学不兼容原因初探 u污染实验不达标原因推测 pp钻井液处理剂引起水泥浆中某些处理剂响应，导致稠化时间钻井液处理剂引起水泥浆中某些处理剂响应，导致稠化时间 大幅度缩短；大幅度缩短； pp缓凝剂加量存在敏感区间，加入隔离液或钻井液后，二者吸缓凝剂加量存在敏感区间，加入隔离液或钻井液后，二者吸 附消耗了水泥浆中的部分缓凝剂，致使稠化时间缩短；附消耗了水泥浆中的部分缓凝剂，致使稠化时间缩短； pp水泥浆中加入的纤维组分影响了浆体均匀性，吸附缠绕导致水泥浆中加入的纤维组分影响了浆体均匀性，吸附缠绕导致 稠化实验样品传热不均匀造成包心，热惯性引起稠化曲线和稠化实验样品传热不均匀造成包心，热惯性引起稠化曲线和 温度与压力曲线波动。温度与压力曲线波动。 为找出因钻井液与水泥浆化学不兼容导致现场污染稠化实验难以达 标的原因，以龙岗39井为例，将该井使用的各种钻井液处理剂加入水泥 浆中开展污染稠化实验，探索二者化学不兼容的原因。 4.2.1实验目的 开展污染稠化实验时，均参照现场污染稠化实验时最严重的一组进 行（即70%水泥浆+30%钻井液），水泥浆中钻井液处理剂的加量是根据 30%钻井液中钻井液处理剂的有效含量进行添加。例如：设水泥浆总体 积为650mL（相当于70%水泥浆），在水泥浆中按照279mL体积的钻井 液（相当于30%钻井液）添加配方设计浓度的钻井液某种处理剂加量。 4.2.2实验样品 p 龙岗39井7寸尾管固井作业现场大样灰； p 龙岗39井7寸尾管固井作业现场大样缓凝水； p 自配缓凝水：新都自来水+1.9%SD32+6.0%SD10+0.32%SD21（与 现场大样缓凝水配方一致）； p 龙岗39井钻井液处理剂：润湿反转剂JY-1、固壁润滑剂RLC-101 润滑剂CA-8、 表面活性剂SP-80、 表面活性剂OP-10、降失水剂DR-2。 实验条件：10380MPa60min。 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g现场大样缓凝水+1%JY-1（2.79g重量体积比w/v钻井液） 图1 稠化曲线（曲线编号20080923-01） 初稠13.6Bc，45min/21Bc， 101min/23.7Bc，294min/30Bc， 295min/40Bc，305min/50Bc， 310min/60Bc，311min/70Bc。 温度波动，最高上冲14，且随时间延长波动幅度呈增加趋势，分析其原因为 润湿反转剂JY-1导致水泥浆包心。拆浆杯后照片见图2（证实了包心现象）。 图2 加入JY-1后拆浆杯照片 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g现场大样缓凝水+4%CA-8（11.16g重量体积比w/v钻井液） 图3 稠化曲线（曲线编号20080923-02） CA-8对水泥浆稠化时间无不良影响 ，不包心。 初始稠度13.4Bc，306min/30Bc， 315min/40Bc，318min/50Bc， 318min/60Bc，320min/70Bc。 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g自配缓凝水+4%RLC-101（11.16g重量体积比w/v钻井液） 图4 稠化曲线（曲线编号20080924-01） 初始稠度19.7Bc，81min/30Bc，82min/40Bc，82min/50Bc，83min/60Bc，84min/70Bc。 温度曲线波动，仍包心。 4.2.3实验结果 图5 加入RLC-101后拆浆杯照片 浆体已经成形，但强度很低，说明该处理剂致使水泥浆处理剂响应，并 非水泥浆真正开始凝结硬化。 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g自配缓凝水+0.5%SP-80（1.4g重量体积比w/v钻井液） 开展污染稠化实验20分钟后取出浆杯发现包心，拆浆杯后照片见图6（证实 了包心现象）。 图6 加入SP-80后拆浆杯照片 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g自配缓凝水+2%DR-2（5.58g重量体积比w/v钻井液） 加入DR-2后水泥浆配制困难，高速搅拌浆体仍很稠，往稠化浆杯中 倒浆困难，水泥浆流动性明显变差。 图7 加入DR-2后水泥浆状态 4.2.3实验结果 图8 稠化曲线（曲线编号20080924-02） 2min19s/60Bc，7min43s/70Bc。 4.2.3实验结果 图9 加入DR-2后拆浆杯照片 浆体已经成形，但强度很低，充分说明该处理剂也致使水泥浆处理剂响应。 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g自配缓凝水+0.5%OP-10（1.4g重量体积比w/v钻井液） 图10 稠化曲线（曲线编号20080924-05） 加入OP-10后对水泥浆稠化时间无明显不良影响 初始稠度13.3Bc， 133min/30Bc，135min/40Bc， 138min/50Bc，141min/60Bc， 141min/70Bc。 4.2.3实验结果 832g现场大样灰+376g自配缓凝水 图11 稠化曲线（曲线编号20080924-04） 初始稠度10.6Bc，122min/30Bc ，143min/40Bc，144min/50Bc ，144min/60Bc，145min/70Bc 。 温度曲线波动，纤维 缠绕浆叶导致包心。 复核欧美科和井下大温差试验也 证实了纤维缠绕浆叶导致包心。 4.2.3实验结果 4.3小结 水泥浆和钻井液化学不兼容的主要原因是钻井液中某些处理剂引起水 泥浆处理剂反向，污染稠化时间大幅度缩短，凝胶效应导致浆体稠