小井眼提速鉆井液體系

羅　剛，任坤峰，邢希金，舒福昌，向興金

（1.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司，湖北荊州 434000；2.中海油研究總院，北京 100027）

小井眼提速鉆井液體系

羅剛1，任坤峰1，邢希金2，舒福昌1，向興金1

（1.湖北漢科新技術(shù)股份有限公司，湖北荊州 434000；2.中海油研究總院，北京 100027）

羅剛等.小井眼提速鉆井液體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：55-59.

小井眼鉆井由于自身特點(diǎn)如環(huán)空間隙小等，對鉆井工藝和鉆井液性能提出了更高的特殊要求，不斷提高鉆井速度是鉆井作業(yè)的一直追求，其中鉆井液的作用至關(guān)重要。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究出了針對小井眼鉆井提速的鉆井液配方，優(yōu)選出了適合小井眼提速鉆井液體系的增黏劑PLUS+流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑HFL-X+SPNH、提速劑HDS以及用甲酸鈉和重晶石聯(lián)合加重的方式。提速劑HDS是室內(nèi)研制的，其具有良好的防黏附聚結(jié)能力和降低亞微米顆粒含量的效果。結(jié)果表明，該小井眼提速鉆井液具有良好的潤滑性、抑制性以及提高鉆井速度的效果。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，小井眼鉆井液可以較好控制循環(huán)當(dāng)量密度，并且具有顯著的提高機(jī)械鉆速的效果，能夠滿足小井眼鉆井的要求。

小井眼鉆井；提高鉆速；鉆井液；抑制性；綜合性能

小井眼鉆井技術(shù)的最主要特點(diǎn)是能夠減少鉆井成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。但是其自身特點(diǎn)帶來的一些特殊問題，如環(huán)空壓耗的控制，井眼的凈化、井壁穩(wěn)定及漏失、潤滑性等，也給鉆井工藝和鉆井液體系及工藝提出了更高的特殊要求[1-4]。對于小井眼鉆井來說，不斷提高鉆井速度是小井眼鉆井作業(yè)的一直追求，其中鉆井液的作用至關(guān)重要。鉆井液提高機(jī)械鉆速，主要是通過處理劑在鉆頭等金屬的表面定向吸附并形成一層潤滑油膜來提高其潤滑性，減小扭矩；鉆井液處理劑能夠吸附在巖石表面，可以向巖石的孔隙內(nèi)部滲透，從而改變巖石表面和內(nèi)部的潤濕性，降低巖石的表面張力及毛細(xì)管力，使鉆井液更容易滲入到鉆頭沖擊井底巖層時(shí)所形成的微裂縫中，黏土不吸附鉆頭、降低壓持效應(yīng)，進(jìn)而可以提高鉆速；降低巖石的瞬間強(qiáng)度，從而增加巖石的可鉆性，提高機(jī)械鉆速[5-6]。結(jié)合小井眼鉆井對鉆井液的要求以及鉆井液提高鉆速的原理，研究出了小井眼提速鉆井液。該體系除了具有其他常規(guī)鉆井液優(yōu)良的性能外，還能提高鉆井速度，能夠保證小井眼鉆井過程中的安全。

1　小井眼提速鉆井液處理劑的優(yōu)選

1.1增黏劑

小井眼鉆井液除要具有較好的常規(guī)性能外，為了更好地?cái)y巖，還要求流性指數(shù)值保持在0.4～0.7之間；另外，稠度系數(shù)太小不利于攜帶巖屑，太大又會(huì)造成環(huán)空壓耗的增加，所以小井眼鉆井液要有適當(dāng)稠度系數(shù)。室內(nèi)首先評價(jià)了增黏劑的加量，見表1。由表1可以看出，經(jīng)150 ℃老化16 h后，0.3%PLUS和0.25%的流型調(diào)節(jié)劑復(fù)配時(shí)，流性指數(shù)為0.62，稠度系數(shù)值為0.13，符合小井眼鉆井液的特點(diǎn)，初步選擇增黏劑為PLUS和流型調(diào)節(jié)劑復(fù)配。實(shí)驗(yàn)用鉆井液基漿配方如下。

3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2%Na2CO3

表1　不同增黏劑對鉆井液性能的影響

1.2降濾失劑

小井眼鉆井液體系優(yōu)選降濾失劑主要考慮鉆井液濾失量的大小以及泥餅質(zhì)量的好壞。為了保證較低的濾失量，將容易酸溶的碳酸鈣作為基礎(chǔ)降濾失劑，結(jié)果見表2，實(shí)驗(yàn)用基本配方如下。

3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2%Na2CO3+ 0.3%PLUS+0.25%流型調(diào)節(jié)劑+5%碳酸鈣

表2　降濾失劑的優(yōu)選

由表2可知，鉆井液經(jīng)150 ℃老化16 h后，2%HFL-X+2.5%SPNH復(fù)配時(shí)，高溫高壓濾失量為13.1 mL，初步選擇HFL-X和SPNH作為降濾失劑，再加入一定的固相材料碳酸鈣，達(dá)到進(jìn)一步降低濾失量的目的。

1.3加重劑及加重方式

綜合考慮成本、性能等因素影響，重點(diǎn)評價(jià)了重晶石、甲酸鈉和甲酸鉀以及它們之間復(fù)合使用的加重方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。鉆井液配方如下。

1#3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2% Na2CO3+0.6%PLUS+0.25%流型調(diào)節(jié)劑+2% HFL-X+1%PF-TEX+1%SPNH+5%CaCO3+3%KCl+ 2%抑制劑JLX-C+2%潤滑劑HLB；重晶石加重至密度為1.50 g/cm3

2#3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2% Na2CO3+0.3%PLUS+0.25%流型調(diào)節(jié)劑+2% HFL-X+2.5%PF-TEX+2%SPNH+5%CaCO3+ 1%RHJ-1+2%HLB（甲酸鈉加重至密度為1.25 g/cm3）

3#3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2% Na2CO3+0.3%PLUS+0.25%流型調(diào)節(jié)劑+2% HFL-X+1%PF-TEX+1%SPNH+5%CaCO3+2%HLB（甲酸鈉加重到密度為1.25 g/cm3，再用甲酸鉀加重至密度為1.50 g/cm3）

表3　不同加重方式鉆井液的性能

由表3和表4可知，用重晶石加重鉆井液的黏度和環(huán)空壓耗均比較高；若采用甲酸鈉和甲酸鉀加重，無論在黏度上還是在環(huán)空壓耗上都是最低的，最適用于小井眼鉆井，且重晶石加重體系的潤滑性、固相含量都會(huì)嚴(yán)重影響鉆井速度；甲酸鹽還能提高聚合物的抗溫能力，但在高密度條件下，甲酸鉀的加入會(huì)大幅度增加鉆井液成本。因此，選擇用甲酸鈉與重晶石聯(lián)合加重。

表4　不同密度調(diào)節(jié)劑對鉆井液性能的影響

1.4提速劑

鉆井液提速劑的作用機(jī)理為：①鉆井液提速劑能夠滲入并潤滑鉆屑的薄鱗片間剪切面，減弱薄鱗片間的鍵結(jié)，縮小鉆屑的尺寸，以利于鉆屑脫落；②阻止鉆屑相互聚集；③在鉆頭、BHA（即井底鉆具組合）等金屬表面形成一層憎水性薄膜，起到潤滑鉆頭和鉆具的效果，并防止親水性的鉆屑黏附于鉆頭、BHA上發(fā)生泥包；④控制黏土膨脹及孔隙壓力的傳遞，以保持井壁穩(wěn)定性[3]。根據(jù)以上機(jī)理，室內(nèi)研制出了提速劑HDS。在常用提速劑聚甘油的基礎(chǔ)上，合成出一種新型聚甘油衍生物，將合成的新型聚甘油衍生物、脂肪醇類表面活性劑和水溶性稀釋劑按一定的比例混合，在50 ℃水浴中攪拌均勻，即得提速劑HDS。通過防黏附聚結(jié)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和降低亞微米顆粒含量實(shí)驗(yàn)評價(jià)幾種提速劑，提速劑HDS的效果最好。

1.4.1防黏附聚結(jié)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法的步驟如下：①配制鉆井液，3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2%Na2CO3+0.3% PLUS+0.25%流型調(diào)節(jié)劑+2%降濾失劑HFL-X+ 2.5%PF-TEX+2%SPNH+5%CaCO3+1%RHJ-1+2%潤滑劑HLB，甲酸鈉加重到1.25 g/cm3，再用重晶石加重至1.50 g/cm3。在鉆井液中加入40 g細(xì)目泥巖鉆屑粉和5 g鉆井液提速劑HDS。②將稱重后的干凈鋼管放入裝有鉆井液的老化罐中，在120 ℃下老化12 h。③取出老化罐冷卻一段時(shí)間后，用鑷子取出鋼管靜置1～2 min，等鋼管表面上的鉆井液不再明顯滴出時(shí)，稱量黏附有鉆井液的鋼管重量，計(jì)算黏附量，結(jié)果見表5。由表5可以看出，提速劑QUK防鉆屑黏附聚結(jié)效果最差，其余提速劑HEC、KSZJ-1、SJX具有一定的防黏附聚結(jié)能力，而提速劑HDS防鉆屑黏附聚結(jié)效果最好。

表5　提速劑防黏附聚結(jié)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)評價(jià)結(jié)果

1.4.2降低亞微米顆粒含量實(shí)驗(yàn)評價(jià)

考察了優(yōu)選的1%提速劑HDS對3%海水膨潤土漿顆粒分布的影響，結(jié)果見圖1和圖2。由此可知，在未加提速劑之前，3%膨潤土漿5 μm以下粒子累積分布為44%左右，1 μm以下的粒子累積分布為5.05%；當(dāng)其中加入1%HDS后，5 μm以下粒子累積分布下降到20%左右，1 μm以下的粒子累積分布下降到1.79%。說明HDS的加入可以減少體系中微米和亞微米等細(xì)小粒子含量，從而可以提高鉆速。

圖1　3%海水膨潤土漿的粒徑分布

圖2　3%海水膨潤土漿+1%HDS的粒徑分布

1.5小井眼提速鉆井液配方的確定

通過對處理劑的優(yōu)選以及處理劑加量對鉆井液性能影響規(guī)律的研究，確定了小井眼提速鉆井液的配方，先用甲酸鈉加重至1.25 g/cm3，再用重晶石調(diào)節(jié)至合適密度，其基本配方如下。

3%海水膨潤土漿+0.2%燒堿+0.2% Na2CO3+0.3%PLUS+0.25%流型調(diào)節(jié)劑+2% HFL-X+2.5%PF-TEX+2%SPNH+5%CaCO3+ 1%RHJ-1+2%HLB+1%HDS

2　小井眼提速鉆井液性能評價(jià)

2.1潤滑性能

采用E-P極壓潤滑儀評價(jià)HLB和RHJ-1的潤滑性能，見表6。由表6可知，加入HLB和RHJ-1后，潤滑系數(shù)降低明顯，說明體系具備良好的潤滑性能。

表6　小井眼提速鉆井液的潤滑能力

2.2抑制性能

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知，頁巖在蒸餾水中的回收率為31.3%，在小井眼提速鉆井液中的回收率為94.6%。室內(nèi)采用頁巖回收和黏土膨脹實(shí)驗(yàn)評價(jià)體系的抑制性，結(jié)果見表7。由此可知，研制的小井眼提速鉆井液具有很強(qiáng)的抑制黏土水化能力。

表7　黏土水化膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3對鉆井速度的提高

體系具備一定的潤濕反轉(zhuǎn)能力，可以提高機(jī)械鉆速。具有一定的潤濕反轉(zhuǎn)能力是指能夠把巖石表面的親水性改變?yōu)橛H油或者介于親油親水之間的狀態(tài)。一般巖石的表面均帶有負(fù)電荷，具有很強(qiáng)的親水能力，帶有正電荷的提速劑分子如果與巖石表面接觸，就會(huì)有規(guī)律地吸附在巖石的表面，使巖石的表面改變?yōu)橛H油性[7-8]。通過測定接觸角的變化來表征提速劑的性能。用HARKE-SPCA視頻接觸角測定儀，考察了提速劑HDS加量對鉆井液接觸角的影響，結(jié)果見表8。由表8可以看出，加入提速劑后，濾液與巖石表面的接觸角變大，巖石的表面張力變小，并且隨著HDS加量的增加，接觸角逐漸增大；由拉普拉斯方程可知，接觸角增大后毛管阻力就會(huì)降低，會(huì)使鉆井液進(jìn)入地層微裂縫中的阻力減小，進(jìn)而能夠減小壓持效應(yīng)，從而有利于機(jī)械鉆速的提高[5]。

表8　提速劑HDS加量對鉆井液體系接觸角的影響

3　現(xiàn)場應(yīng)用

3.1海上某油田A4、A2井的基本情況

海上某油田A4、A2井主要采取四開結(jié)構(gòu)，斜深為3 910 m、4 051 m，垂深為3 656 m、3 919 m。其中三開和四開的程序A4井為套管φ177.8 mm× 3 165 m+鉆頭φ152.4 mm×714 m，A2井的為套管φ177.8 mm×3 430 m+鉆頭φ152.4 mm×600 m，鉆桿程序?yàn)棣?27 mm×3 165 m+φ101.6 mm×714 m和φ127 mm×3 430 m+φ101.6 mm×600 m。根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)分析，海上某油田A4、A2井四開井段破裂壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.8 g/cm3、1.95 g/cm3，這就要求下部四開φ152.4 mm井眼鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度必須小于1.8 g/cm3、1.95 g/cm3，才能保證安全施工的要求。

3.2A4井鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度的計(jì)算

A4井現(xiàn)場使用小井眼提速鉆井液，在轉(zhuǎn)速為100 r/min、泵排量為0.8 m3/min、偏心度為0.1的條件下，對A4井的環(huán)空壓耗和循環(huán)當(dāng)量密度進(jìn)行了計(jì)算[8-10]，結(jié)果見表9。

表9　A4井環(huán)空壓耗及循環(huán)當(dāng)量密度

由表9可以看出，海上某油田A4井使用該小井眼提速鉆井液后，循環(huán)當(dāng)量密度比較小，說明構(gòu)建的小井眼提速鉆井液體系對環(huán)空壓耗和循環(huán)當(dāng)量密度有很好的控制，保證了鉆井作業(yè)過程中不會(huì)因循環(huán)當(dāng)量密度過高而導(dǎo)致復(fù)雜情況。

3.3提速效果對比

A2井使用常規(guī)聚合物鉆井液鉆進(jìn)，A4井使用該小井眼提速鉆井液。對四開φ152.4 mm井眼段的平均鉆井速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到A2井的平均鉆井速度為12.5 m/h，A4井的平均鉆井速度為14.8 m/h。由此可知，使用小井眼提速鉆井液體系的A4井平均鉆井速度比使用常規(guī)聚合物鉆井液體系的A2井提高了18.4%，具有較好的提速效果。

4　結(jié)論

1.優(yōu)選出了適合小井眼提速鉆井液體系的增黏劑（PLUS+流型調(diào)節(jié)劑）、降濾失劑（HFL-X+ SPNH）、提速劑（HDS）以及用甲酸鈉和重晶石聯(lián)合加重的方式，其中提速劑HDS具有良好的防黏附聚結(jié)能力和降低亞微米顆粒含量的效果。

2.研制并評價(jià)了密度為1.50 g/cm3的小井眼提速鉆井液配方，該體系表現(xiàn)出了良好的潤滑性、抑制性和提高鉆井速度等綜合性能。

3.現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，小井眼提速鉆井液體系對循環(huán)當(dāng)量密度具有較好的控制，并且可以顯著提高機(jī)械鉆速。

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Drilling Fluid Technology for ROP Enhancement in Slim Hole Drilling

LUO Gang1, REN Kunfeng1, XING Xijin2, SHU Fuchang1, XIANG Xingjin1
(1. Hubei Hanc New-Technology Co. Ltd., Jingzhou, Hubei 434000, China; 2. Research Institute of CNOOC, Beijing 100027, China)

Slim hole drilling， because of the narrow annulus， imposes more strict requirements on drilling engineering and drilling fluid. Drilling fluid plays an important role in fast drilling of slim holes. A drilling fluid formulation for slim hole drilling has been developed in laboratory， and drilling fluid additives suitable for slim hole drilling are engineered. These additives include viscosifier PLUS，flow pattern control agent， filter loss reducer HFL-X and SPNH， ROP enhancer HDS， and weighting material sodium formate used in combination with barite. HDS has been developed in laboratory for the preventing bit balling and reducing the content of submicron particles. HDS has good lubricity， inhibitive capacity and the ability to increase ROP. Field application has proved that this drilling fluid formulation controlled ECD fairly well and notably enhanced ROP， satisfying the needs for slim hole drilling.

Slim hole drilling； ROP enhancement； Drilling fluid； Inhibitive capacity； General performance

TE254.3

A

1001-5620（2016）02-0055-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.012

羅剛，高級工程師，現(xiàn)在從事油田化學(xué)技術(shù)研究工作。電話 （0716）8327103；E-mail：luogang8658 @163.com。

（2015-12-28；HGF=1601C13；編輯王超）