C04 重晶石沉降.doc

第四章 重晶石沉降 引言 在油田现场，“沉降”这一词描述了一个引起泥浆密度发生显著变化的过程。在泥浆持续长时间静止后，从返出泥浆中，可以观察到这一过程，特别是在起下钻过程中，这种“沉降”现象更为常见。事实上，在静止一段时间后，由于重晶石沉降，使得泥浆比重更易发生变化。过去，对这一段静止时间(其间发生了重晶石沉降现象)，曾使人们很难理解：是什么原因造成了泥浆比重的变化？通过流体流动环路试验已证明：泥浆密度的变化，主要是由于在斜井眼的低边，加重材料不断地沉降，而加重材料的沉降，使得在井壁上形成堆积物，在泥浆静止期间，这些堆积物又会从井壁上脱落。在实际钻井过程中，一些沉降物（由于受阻后沉降所引起的）可能而且确实也发生了这种脱落现象，但是，对于这些现象，却很难引起泥浆密度发生较大范围内变化。一些大型泥浆公司研究了控制重晶石沉降的参数，由此，在最近又进行了一次合作研究工作。从这些研究成果中，可得到下面一些结论：重晶石沉降是一个动态过程，在泥浆静止时，这种动态过程是不会发生的。在较低的环空返速下，会使重晶石沉降问题更严重。引起重晶石沉降的临界井斜率值是75。重晶石沉降现象会引起钻柱转速降低。在低切力情况下，泥浆流变性对控制重晶石沉降问题起着重要的作用。 通过试验结果，可以很清楚地表明：流速（在环空中的返速）、井斜角、钻柱转速和钻柱偏心率，它们是相互影响的。将这些因素结合在一起，可以解释：随着时间的推移，重晶石是如何持续进行沉降的。因此，必须采用正确的钻井作业程序，这样，可减少加重材料沉降形成沉积层的机率，并且可影响到任一沉积层的进一步发展。现象从实验室和油田所获得的数据，可以说明下列参数对重晶石沉降现象的作用。流速：在较低环空返速下，重晶石沉降现象更为严重，当钻柱同心，环空返速达到100英尺时，沉降现象是可以消除的。在钻柱偏心的情况下，如要消除重晶石沉降现象，所需要的环空返速会更高。泥浆流变性：实验室研究表明：提高低切力泥浆流变性，有助于降低重晶石沉降现象。根据实验室测试设备的测试结果表明：当屈服应力值达到15磅/英尺2时（该值是根据范氏粘度计在3和6转/分钟时测得的），实际上是可以消除重晶石沉降的。泥浆密度：在所测定泥浆的所有比重（11.616.0磅/加仑）范围内，重晶石的沉降现象都存在。从所测试比重范围的泥浆可知，泥浆的比重对重晶石沉降的影响程度并不严重。然而，在目前，对于BP的大多数油井而言，重晶石沉降现象都发生在泥浆比重大于13磅/加仑的油井中。井斜角：在3090的井斜角范围内，重晶石沉降现象都存在，然而，同6090的井斜角相比，在3050的井斜角范围内，发生重晶石沉降的趋势更小。而引起重晶石沉降最恶劣的井斜角值为75，如井斜角超过75时，在井壁上会形成稳定的重晶石沉积床，这时，出现井眼问题的可能性就小得多。在许多情况下，重晶石沉积床是可以通过环空返速和钻柱的旋转作用共同加以破坏清除的。钻柱旋转：在定向造斜或滑动钻进时，钻柱的静止更有利于重晶石沉降。在许多情况下，钻柱的旋转可以降低重晶石的沉降趋势，对于这种作用，在井斜范围为6075、重晶石易于大量沉降的地方，表现更为明显。如果使钻柱以150转/分钟的转速旋转，实际上是可以消除在各种条件下重晶石沉降现象的。偏心：当钻柱静止于井眼低边时，在许多流速情况下，重晶石沉降现象均可能发生，这是由于在偏心的井眼环空中，环空返速降低所造成的。然而，钻柱的旋转对于清除重晶石沉积床是非常有效的。时间：从流体环路试验的结果表明：对于多数井斜角而言，在重晶石沉降速度与沉积床清除速度之间，是可以建立起一个平衡的。通常，形成沉积床的时间随井斜角的增加而增加。然而，对于中等程度井斜角（6075），重晶石沉降速度会更快。在实验室的实验期内，沉降速度与沉积床清除速度是建立不起平衡的。重晶石沉降现象在油基（常规类与合成类）和水基泥浆中均会发生。征兆在井眼的关键段，对于井内与井外的泥浆比重，都可以以每15分钟的时间间隔进行测定。所测定泥浆样品，必须是处于恒温（例如50C）状态下，这样，可以减小热膨胀对泥浆比重的影响，对于油基泥浆，这一点显得尤为重要。利用加压泥浆比重计，可测得泥浆比重的准确值，在使用前，应保证该比重计是刚校正过的，并且操作方法是正确的。当出现某些重要变化，用其它原理又无法解释时，这可能暗示发生了重晶石沉降。在测定泥浆比重时，出现值大的点，可能与井眼循环段塞有关；值小的点，常常说明发生了重晶石沉降。立柱压力立柱压力随通过钻头水眼的泥浆比重的变化而波动，当流体静液柱压力（由U型管效应引起的）和摩擦力发生改变时，也会产生这种波动。扭矩和提升力在定向井中，沉降的重晶石在井壁上形成沉积床，它与岩屑床具有相似的作用。在上提钻柱时，如果遇阻过大,则表明重晶石在井眼的低边沉降后，形成了一个阻流区。泥浆损益在钻井作业中，应保证泥浆记录仪对循环池的泥浆量进行准确确的监测。在环空中，随着高比重泥浆到达垂直井眼段，以及静液柱压力的迅速增加，可能会出现一些意想不到的泥浆损失。而对于低比重泥浆，则会出现相反的情况，这种情况可能会引起井涌。预防和补救措施 钻井设计 井型最易出问题的井是大位移井，在这种井中，所存在介于孔隙压力与地层破裂压力梯度之间的安全系数较，它是很小。在这些井中，泥浆的最大流变性，它受到所需的泥浆当量循环密度的限制。井眼环境在做泥浆设计时，温度和压力是两个关键的参数。高温会使得泥浆变稀，从而增加了重晶石颗粒沉降的机率。因此，应确保在高温高压条件下，泥浆服务公司对泥浆流变性进行了测定。对易出问题的井，应考虑在平台上作高温高压流变性的测试。井斜角剖面在井斜角大于30的各种井中，均有可能发生重晶石沉降现象，而当井斜角为6075时，是发生重晶石沉降的最关键井段。套管设计在套管设计时，应避免出现低环空返速情况。应该认识到，通过7尾管钻6井眼时，在井眼环空（套管与钻柱间）越高处，重晶石沉降的潜在可能性就越大。井眼尺寸在各种环空返速和井斜角的情况下，重晶石沉降现象都会发生。在现场，许多问题都发生在12 1/4和8 1/2井眼段。泥浆性能和测试 流变性提高低切力（由范氏粘度计在3和6转/分钟及静切力时测得）泥浆体系流变性，有助于减少重晶石的沉降。有证据表明：在油基泥浆体系中，要提高低切力泥浆流变性，粘土型处理剂比脂肪酸低切力增强剂单独作用的效果更好。在北海油田作业中已证明：粘土与改良剂以大约2：1的比例进行配制使用，其效果是很好的。最近，在泥浆中使用亲油绿坡缕石时，已取得了相当大的成功。即使是进行了提粘后处理，在提前用稀释剂处理的泥浆中，重晶石也易发生下沉。在现场中的一些作业表明：处理泥浆时，不使用专门的稀释剂，使用油湿剂，效果会更好。屈服应力为了使重晶石保持良好的悬浮状态，必须要求泥浆具有一个最低的屈服应力值。根据一些有效数据表明，最低屈服应力值（根据范氏粘度计在3和6转/分钟时测得）应保持在715磅/100平方英尺范围内。测试根据Jefferson试验，要维持泥浆比重差异小于1磅/加仑，应对泥浆性能进行优化。在高温使用时，需要使用大斜度垂降测试器，在这种设备中，钻井液可以在与井内相似的井斜角与温度条件下进行老化测试，泥浆性能可以按一定的规律（如每10分钟测一次）进行试验，测定时间应大于16小时，然后利用所测得数据对时间作图，由此，可求得沉降系数。在这些试验中，泥浆都是处于长时间的静止状态。因此，实验室试验也应该是在可比较的时间比例尺下进行。颗粒尺寸重晶石颗粒越小，其沉降的趋势也越小。比如象Micromax（锰的四氯化物）这种物质是可以“消除”重晶石沉降的。在使用一些颗粒尺寸分布较广的混合物（例如重晶石与碳酸钙或重晶石与Micromax）时,已取得了一些成功。通常，在油田使用Micromax处理剂之前，必须对其一些潜在的不利因素进行分类统计，这些包括：成本、质量控制、泥浆损失特征、潜在地层伤害及HSE matters。油与水的比例增加油的含量，容易使泥浆粘度降低，增加重晶石沉降机率。表面活性剂浓度在油基泥浆中，润湿剂的含量必须能有效地阻止重晶石凝聚成大块。避免对泥浆进行过度处理，从而出现所不期望的粘度降低现象。降滤失剂关于降滤失剂方面的资料虽然很有限，但是，在油基泥浆中，使用比重大于4磅/桶的Soltex时，所出现的问题是值得注意的。这些问题主要是由于这种处理剂降粘效应所引起的。如果希望通过使用Soltex来提高泥浆的其它性能（如滤失性和润滑性），那么通过提前制定计划或者是制定亲油粘土的补救措施，则可避免出现这些潜在的问题。实际作业滑移与旋转当钻柱处于静止状态时，从所测得的数据可以清楚表明，沉降现象是非常严重的，特别是对于井斜角为6075的井眼来说，这种现象更易发生。在这种井眼中，即使环空返速很高，也不能消除重晶石沉降现象。因此，对于这种井段，应尽可能地减少钻柱的滑移。如果钻柱长时间处于非旋转滑移状态，则应调节钻井液的流变性，使其屈服应力值大于10。通过旋转钻柱来破坏岩屑床在钻柱持续滑移较长时间后，起出一柱立根，并以150转/分钟的转速旋转钻柱在设计钻具组合时，应考虑到使用这种高速旋转的情况。旋转划眼起下钻在持续长时间进行钻具滑移后，要破坏任何已形成的重晶石沉积床，应考虑使用旋转划眼起下钻的方法。起下钻时间应该认识到，随时间的推移，沉降现象也会变得更严重，这种现象在6075的井眼中，表现得更为明显。在井眼中，为了减少已沉降的重晶石，及其它加重材料对泥浆性能的冲击影响，在进行长时间起下钻后，有必要进行分段循环。泥浆性能的调整在地面，如果观察到泥浆密度出现过分波动，则应停下来调整泥浆性能。为了使调整更有效，至少应保持有两周的泥浆循环量，以便对泥浆进行化学处理，从而确保泥浆密度的各种波动都可以得以消除。固井前泥浆性能调整在下套管和固井以前，应避免对泥浆进行过分处理。在油基泥浆中，过分的稀释或化学处理，都可能增加重晶石沉降的可能性。由于在井底条件下，同120F温度(标准温度)的地表试验相比，泥浆通