仿油基钻井液体系研究与应用.doc

仿油基钻井液体系研究与应用#张杰1，林秋雨1，周成华2，张珍2*（1. 西南石油大学石油工程学院，油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；5101520253035402. 中石化西南钻井院，四川 德阳 618000）摘要：针对泥岩地层易水化分散膨胀导致缩径、垮塌、卡钻等井壁失稳技术难题，室内实验以强化抑制性为原则，通过处理剂优选，室内实验研究出一种抑制性和润滑性良好，有利于储层和环境保护的类似油基钻井液性能优点的 MEG 钻井液体系。通过水平井 YH 井现场应用表明，仿油基钻井液抑制性能好，能有效解决井壁失稳的技术难题，为解决井壁失稳等难题提出了新的解决思路。关键词：钻井液；防塌；水平井；仿油基；抑制性中图分类号：TE927Research and Application on MEG Drilling fluid systemZHANG Jie1, LIN Qiuyu1, ZHOU Chenghua2, ZHANG Zhen2(1. The State Key Laboratory of Oil and Gas Reseroir Geology and Exploitation PetroleumEngneering School, Southwest Petroleum University, ChengDu 610500;2. Drilling Research Institute of Southweat Branch, SiChuan DeYang 618000)Abstract: In some area, the lithologic character is mainly mudstone, so it is easy to stratigraphichydratable dispersion expansion leading to reducing, collapse, sticking and sidewall instability andso on. Therefore, with inhibitory as principle research MEG drilling fluid system with goodinhibitory and lubricity, which is helpful for reservoir and environmental protection and is similaroil-base drilling fluid performance advantages. Through field application in the horizontal wellXH shows that MEG drilling fluid inhibition performance is good, can effectively solve thesidewall instability and put forward a new solution for solving sidewall instability problem in westSichuan area.Keywords: Drilling fluid; Prvent-Caving; Horizontal Well; MEG drilling fluid; Inhibition0 引言目前国内各大油田主要采用的是水基钻井液体系，由于泥岩地层易水化膨胀而造成井壁掉块和坍塌。在钻进过程中，大量的掉块通常引起钻进困难、蹩跳严重、上提遇阻、下钻困难、长井段划眼、卡钻等复杂情况，由于部分井段掉块严重形成了“大肚子”造成完钻后测井遇阻，延长了地层浸泡时间，造成储层污染，减少了开采率。钻井过程中井壁失稳的问题，一直是制约国内外油田勘探开发的瓶颈。虽然油基钻井液可以有效的避免泥岩地层水化膨胀并有效维持井壁稳定，但其带来的环境污染难以治理，尤其在海洋油气开发过程中造成的污1MEG 钻井液体系能满足稳定井壁的需要，其性能明显优于水基钻井液体系，几乎可与油基钻井液相比拟，该钻井液可以形成理想的半透膜，能有效地抑制泥页岩水化，维持井眼稳定，还具有良好的润滑性、抗污染能力及高温稳定性，并且毒性低，易生物降解，因而对环境造成的污染很小，有利于储层保护和环境保护2-4。基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目（20095121120005）；国家自然科学基金面上项目（51274168）；国家重点基础研究发展计划（973 计划）课题（2013CB228003）作者简介：张杰，男，（1976-），重庆开县人，副教授；现从事定向井、欠平衡等特殊工艺钻井技术的基础理论和应用研究。 E-mail: -1-染更为严重 。1 MEG 单体作用机理MEG 是聚糖类高分子物质的单体衍生物，是一种具有独特环状结构的四羟基多元醇，MEG 分子结构上有一个亲油的甲氧基和四个亲水的羟基。这些羟基可以吸附在井壁岩石和钻屑上，而亲油基则朝外，可在井壁上形成一层类似油包水钻井液那样的半透膜，使 MEG45钻井液具有类似油基钻井液的优良润滑性、抑制性和良好的储层保护效果，它还具有热稳定性好，无环境污染、无荧光等特点5。2 MEG 钻井液体系室内配方研究2.1MEG 钻井液体系配方初选针对泥岩地层易水化分散膨胀导致缩径、垮塌、卡钻等技术难题，室内实验以强化抑制5055性为原则，通过处理剂优选，得出了强抑制性的处理剂：增粘类为两性聚合物 FA-367 和生物聚合物 XC（适当提高切力），降失水类处理剂为低分子聚合物 LV-PAC 和磺化处理剂 SMC复配，降粘剂为两性离子聚合物 XY-27，NH-1 作为防塌抑制剂，使用 FT-342 增强钻井液的封堵性。针对水平井钻井液技术难点，通过优选得出了强抑制强润滑性的钻井液基本配方 1为：2%膨润土0.1%-0.2%XC0.2%-0.3%FA-3670.2%-0.3%XY-270.6%NH-10.5%-1%LV-PAC4%FT-3422%SMC。2.2MEG 加量优选MEG钻井液体系同油基钻井液体系一样，能够抑制泥页岩地层水化膨胀，这是由于适当浓度的MEG会使得MEG钻井液体系中水活度（Aw）低于泥页岩水活度，从而避免了泥页岩水化660同。以配方 1 作为基浆，加入不同加量的 MEG，通过大量的室内实验，测定了钻井液的综合性能，确定 MEG 的最佳加量。表 1 不同加量的 MEG 对钻井液性能影响Tab.1 The impact of different amount of MEG on drilling fluid performanceMEG-1加量FL7.5minmLpH值PVmPasYPPaG10s/10minPa泥饼摩阻系数 Kf16h 膨胀率/% 7.6 7.5 18 1.5 0/3 0.1380 17.0110% 6.2 9 20 1 0.5/6 0.1324 14.7912% 6.0 9 20 2 0.5/7.5 0.1224 10.2415% 5.6 9 20 3 0.5/9.5 0.1296 10.7717% 5.6 9 21 2.5 1.5/10 0.1296 9.2620% 4.2 9 23 3 2/13 0.1483 9.1022% 3.8 9 25 4 2/15 0.1530 8.8165注：实验浆体加热到 40下测试；测试膨胀率岩屑为泥页岩，16%清水清水膨胀率为 91.56%。从表中数据看出，加入 15%和 17% MEG 后钻井液失水量及流变性能都有所改善，并基本一致，但加量达到 20%后，润滑性能变差，从页岩膨胀率来看，加入 12%和 15%的 MEG也优于加入 17%、20%的钻井液性能，因此，综合考虑 MEG 的最佳加量为 12%。702.3润滑剂优选水平井钻井过程中使用混油钻井液体系，以增强钻井液的润滑能力，保证在水平井钻井液施工的润滑能力的特殊性，选用固体润滑剂和液体润滑剂复配，固液协同提高钻井液的润滑性。通过材料优选，使用机油、抗高温润滑剂 RH-220、极压润滑剂 RH102 作为润滑剂。-2-膨胀导致井壁失稳 。对于不同的泥页岩，其水活度不同，所以最适当MEG含量也会有所不实验对三种材料进行优化，配合使用 SP-80 作为乳化剂，实验以配方 1+12%MEG 基础上优75选润滑剂，实验结果如表 2 所示。表 2润滑剂优化配方Tab.2Lubricant optimization泥饼摩阻系数 Kf配方 1 0.1224配方 1+1%机油+0.2%SP-80 0.1044配方 1+3%机油+0.5%SP-80 0.0944配方 1+5%机油+0.8%SP-80 0.0864配方 1+2%RH102 0.1084配方 1+4%RH102 0.0984配方 1+6%RH102 0.0924配方 1+2%RH-220 0.1104配方 1+3%RH-220 0.0964配方 1+4%RH-220 0.0944配方 1+3%RH-2204%RH-102+3%机油+0.5%OP-10 0.0524注 ： 配 方1 ： 2% 膨 润 土 +0.1%-0.2%XC 0.2%-0.3%FA-367 0.2%-0.3%XY-27 800.6%NH-1+0.5%-1%LV-PAC+4%FT-342+2%SMC，实验条件：120 ，热滚 16h，测试温度 60 。由表 2 可以得出，在配方 1 基础上，优选出的液体润滑剂原油、RH-220 和极压润滑剂对钻井液的极压润滑系数均有显著的降低。其中，使用固液协同钻井液的润滑性能强于单独使用固体润滑剂或液体润滑剂，因此优化出固液协同润滑剂加量为 3%机油、4%RH102、3%RH-220，配合使用 0.4%SP-80 作为乳化剂。852.4MEG 钻井液性能室内评价通过大量的室内实验，确定了 MEG 钻井液的配方 2 为：2%膨润土0.1%-0.2%XC0.2%-0.3%FA-3670.2%-0.3%XY-270.6%NH-10.5-1%LV-PAC4%FT-3422%SMC12%MEG3%RH-2204%RH-1023%机油0.5%OP-10重晶石。将所研制的 MEG 钻井液加重到 1.2g/cm3、1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3 和 1.6g/cm3，90并对它们的流变性、失水量、切力及极压润滑系数和页岩膨胀率进行测试。同时测试了不同密度的 MEG 钻井液在 120/16h 老化后的各种性能参数，主要从抑制性能方面评价该钻井液的抗温能力。实验结果见表 3 和表 4。95Tab.3表 3 各个配方钻井液常规性能Conventional performance of the differernt drilling fluid formul a密度实验条件FL7.5minmLPVmPasYPPaG10s/10minPa1.51.6老化前 2.4 20 6120/16h 3 21 4老化前 2.2 21 7120/16h 3 22 4.5老化前 2.2 24 8.5120/16h 3.2 26 5老化前 2 29 11120/16h 3.6 36 5老化前 1.8 35 10120/16h 3.6 26 61.5/31.5/2.52/32/2.52/4.52/42/4.51.5/42/41.5/4注：老化前将钻井液加热到 80后在 45下测试，老化后冷却到 45时测试。从表 3 可以看出，MEG 钻井液在 1.21.6g/cm3 密度范围内，老化前后均具有良好的流变性及切力，老化前失水量在 2.0ml 左右，老化后失水量也都小于 4ml。-3-100表 4各个配方钻井液润滑及抑制性能Tab.4 Lubrication performance and inhibition performance of the differernt drilling fluid formul a密度g/cm3测试条件泥饼摩阻系数 Kf页岩膨胀率/%8h 16h1.2 120/16h 0.0554 6.61 9.861.3 120/16h 0.0582 6.93 10.031.4 120/16h 0.0603 7.09 11.001.5 120/16h 0.0364 9.01 13.711.6 120/16h 0.0520 7.85 12.37注：极压润滑系数及页岩膨胀率均在室温下测定；测试膨胀率岩屑为泥岩，16%清水清水膨胀率为 91.56% 。从表 4 中数据可以看出，不同密度的 MEG 钻井液在 120下老化 16h 以后，其 8h 的页105岩膨胀率小于 10%，且 16h 后的页岩膨胀率也能保持在 14%以下；极压润滑系数也都小于0.0603。2.5MEG 钻井液抗污染实验MEG 钻井液体系具有抑制泥页岩水化膨胀的能力，也基于 MEG 与适量无机盐的共同的作用，在一定程度上在 MEG 体系中加入适量的无机盐可有效降低 MEG 体系的水活度（Aw），使1101157MEG 钻井液体系的性能造成负面影响。在整个钻井过程中，钻井液不可避免地会溶入一些无机盐、劣质土等污染物，引起钻井液的性能发生变化，如果变化较大，势必会影响钻井的安全进行。室内对该体系的抗污染性能进行了评价，评价内容主要包括抗无机盐污染以及抗劣质土污染等内容。在配方 2 的基础上，取加量中限，用重晶石加重至 1.4g/cm3，对该配方进行抗污染能力实验，实验结果如表 5 所示。（1）抗 NaCl 污染实验表 5 MEG 钻井液体系抗 NaCI 能力评价Tab.5 NaCI resistance ability evaluation of MEG drilling fluid systemNaCl 加量PV/mPas YPa/Pa G10s/10minFLAPI/ml配方 2 22 9 5.5/112.21205氯化钠8氯化钠10氯化钠注：实验条件 100/16h。25 12 7/1423 9 6/1223 10 6/132.02.22.2从表 5 实验数据可以看出，随 NaC1 加量的增加，聚胺钻井液的塑性粘度、切力及滤失量均变化不大，表明钻井液体系抗 NaCl 污染的能力较好。（2）抗钻屑污染实验125130室内将钻屑烘干后粉碎，过 100 目筛网，然后添加到聚胺钻井液体系中，在一定条件下老化后考察前后性能变化情况，判断聚胺钻井液体系的抗钻屑污染能力。在配方 2 的基础上，取加量中限，用重晶石加重至 1.4g/cm3，对该配方进行抗污染能力实验，实验结果如表 6 所示。表 6 MEG 钻井液体系抗岩屑污染评价Tab.6 Debris pollution resistance ability evaluation of MEG drilling fluid system钻屑加量PV/mPas YPa/Pa G10s/10minFLAPI/ml配方 2（密度 1.4g/cm3）1钻屑3钻屑5钻屑22 9 5.5/11 2.223 9.5 6/12 2.225 10 7/13 2.226 11 7/14 2.0注：实验条件 100/16h。-4-其低于泥页岩水活度，从而形成有效的半透膜保持井壁稳定 。然而，不适量的无机盐会对从抗钻屑侵能力评价实验数据可以看出，随劣质土加量的增加，钻井液体系的表观黏度、切力的变化不大，滤失量也变化很小。这表明钻井液体系有很好抗劣质土污染的能力。3 YH 井现场应用1353.1基本情况该井一开使用 316.5mm 钻头钻进至井深 302m，套管下入 300m；二开使用 241.3mm钻头钻进至井深 1395m，套管下深 1393m，其中，二开 800m 开始造斜，钻进至 1148m 中 A靶点；三开使用 152.4mm 钻头水平段钻进至井深 2092m 后裸眼完井（最大井斜角：91.7/1867.70m）。1403.2三开钻井液技术难点（1）目的层岩性以泥岩、砂岩为主，极易水化分散膨胀，稳定性较差，易发生井壁掉块和坍塌。因此保持井壁稳定，做好润滑防卡、井眼清洁和井控工作是该井段钻井液施工的难点和重点。（2）三开为长水平段，段长 944m，且同时由于使用 152.4mm 钻头、88.9mm 钻杆钻进，145150属于水平段小井眼钻进，钻进过程中排量小（4-19L/s），为防止低排量下形成岩屑床，对钻井液的携砂能力要求很高。（3）三开完井采用裸眼完井方式，完井下入 152.4mm 液压裸眼完井封隔器，后期完井作业对井径规则度要求高。（4）水平段钻进过程中，由于重力的作用，钻具与下井壁接触面积大，易于泥饼相粘附，在压差的作用下，易造成起下钻遇阻和卡钻。（5）水平段钻井过程中，因钻具偏心弯曲变形，导致滑动钻进摩阻很大、转动钻进扭矩打，钻压传递非常困难，造成托压，严重影响钻进速度。3.3钻井液处理与维护二开中完、固井结束后，根据室内实验配方 1 加量低限，重晶石加重密度值 1.35g/cm3，155160配制好三开钻井液（三开全为水平段）。三开时，替入新配制聚胺钻井液体系开钻。钻进过程中，主要处理和维护措施为：（1）采用 LV-PAC、XC 等聚合物调整钻井液流变性能，保持漏斗粘度在 48-55s 范围内，在保证钻井液良好流变性能基础上，提高钻井液切力及动塑比，保证动塑比在 0.40 以上，保持钻井液良好的携屑能力，同时防止岩屑床的形成，保证了井眼清洁。（2）及时对现场钻井液进行抑制性实验评价，补充 MEG 维持钻井液的强抑制。（3）加入机油、极压润滑剂 RH102、防卡润滑剂 RH-220 来满足钻井液润滑性能的需求，并根据进尺快慢采取“少吃多餐”的方法及时补充处理剂含量，确保泥饼“薄而韧”，水平井段 Kf 值保持在 0.0699-0.0524，保证了施工的顺利进行。1653.4MEG 钻井液体系使用效果分析YH 井三开使用 MEG 钻井液体系进行长水平段钻进，在钻进过程中，钻井液性能稳定（如表 6 所示），与同区块的其它井相比，YH 井泥饼摩擦系数小，优质的薄、密、韧泥饼质量保证了钻进中未出现托压现象，抑制性能好保证了井壁稳定。全井段起下钻作业安全，顺利，无遇阻现象，水平段起下钻摩阻不超过 8T，无复杂情况发生，三次测井均一趟顺利-5-完成，较好的满足了水平井钻井施工需要。YH 井水平段全性能如表 7 所示。170表 7 YH 井三开钻井液全性能表Tab.7 All porformance of the drilling fluid used in the third spudding of YH Well井深mFVs密度g/cm3FLAPImlpHPVmPasYPPaG10s/10minPaCs%Vs%MBTg/LKf1376143715341589169917631899196020292092484650515052535451531.36 2.8 9.5 19 9 6/12 0.2 19 28.51.41 1.8 9.5 16 7 3.5/7 0.1 20 251.41 1.8 9 22 10 6.5/13 0.1 20 251.43 1.8 9.5 21 11 6/13 0.1 20 251.43 2.0 9.5 19 9 4.5/16.5 0.1 20 251.45 1.8 9.5 23 12 7/14 0.1 20 291.44 1.8 9.5 23 12 6.5/14 0.1 21 28.51.45 1.8 9.5 23 21 7/14 0.1 21 28.51.45 1.6 9.5 21 7 4/15.5 0.1 21 25.61.45 1.6 9.5 23 9 6.5/13 0.1 21 25.60.06120.06120.06120.06120.05240.05240.06990.06990.05240.05244 结论与建议175180185190195（1）MEG 钻井液中的各种外加剂，如抑制剂 MEG、降失水剂、增粘剂等的加量配比是经过大量的室内实验对比分析的基础上确定的，室内实验得出它具有良好的流变性、润滑性及抑制性能。（2）针对地层情况，室内实验已研究出 MEG 钻井液的密度在 1.21.6g/cm3 范围内可调，且在温度在不大于 120及 pH 值控制在 9 以上的条件下仍具有良好的钻井液性能。（3）通过 YH 井现场应用表明，MEG 钻井液抑制性能好，能有效解决水平井井壁失稳的技术难题，为该地区解决井壁失稳等难题提出了新的解决思路。参考文献 (References)1 Peng Chunyao, Feng Wenqiang, et al. Offshore Benign Water-Based Drilling Fluid Can