油田低鹽度高性能水基鉆井液改善鉆井性能方法研究

張和

摘 ? ? ?要： 近年來，在某油田A小層鉆探中，井下復(fù)雜情況不斷增加。在該油田以往的鉆井中，曾使用過各種非水載流體（NAF）和水基泥漿（WBM）解決鉆井問題，但均未得到較好的效果。隨后，研究人員對鉆井液的選取進(jìn)行了廣泛的研究，以期獲得最佳鉆井性能。通過現(xiàn)場測試以及分析，對各參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試，使得這些油井的性能不斷提高，最終確定了較好的性能指標(biāo)。新型高性能水基泥漿體系的優(yōu)越性使其成為該油田中間井段鉆井的首選體系。本文對新型高性能水基泥漿進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)概述，并將新型高性能水基泥漿與非水載流體和水基泥漿進(jìn)行試驗比較。結(jié)果表明：新型高性能水基泥漿可以有效解決井壁坍塌、鉆頭泥包和井壁穩(wěn)定等問題。

關(guān) ?鍵 ?詞：非水載流體;新型高性能水基泥漿;鉆井液性能;井眼穩(wěn)定

中圖分類號：TE254 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）04-0668-04

Abstract： In recent years， during the drilling of A small layer in an oilfield， the downhole complexity is increasing. In the past， various non water carrying fluids （NAF） and water-based mud （WBM） were used to solve the drilling problems， but they did not achieve good results. Subsequently， the researchers carried out extensive research on the selection of drilling fluid in order to obtain the best drilling performance. Through the field test and analysis， the parameters were continuously debugged to improve the performance of these wells， and finally the better performance indicators were determined. The advantages of the new high-performance water-based mud system make it become preferred drilling system in the middle section of the oilfield. In this paper， the technology of new high performance water-based mud was summarized in detail， and the new high performance water-based mud was compared with non-aqueous fluid and water-based mud. The results showed that the new high-performance water-based mud could effectively solve the problems of wellbore collapse， bit balling and borehole instability.

Key words： non-flow carrier; new high-performance water-based mud; drilling fluid performance; wellbore stability

隨著石油和天然氣開采業(yè)的回暖，國內(nèi)外都在加大油氣勘探開發(fā)的力度[1]。盡管現(xiàn)階段在某些特定區(qū)塊或?qū)佣蔚你@井中仍然存在著較大的技術(shù)挑戰(zhàn)和風(fēng)險[2]，但是隨著國內(nèi)外對大位移井和水平鉆井技術(shù)研究的不斷深入[3-5]，這些風(fēng)險在不斷地得到規(guī)避。

在某油田之前鉆遇的地層中所使用的各種抑制性水基泥漿都取得了一定的成功。但當(dāng)使用水基泥漿分散劑時，鉆井速度（ROP）雖有所提高，然而同時也伴隨著有井眼失穩(wěn)、起下鉆遇阻和井漏等情況發(fā)生。此后，研究人員嘗試使用高性能抑制體系，雖然保證了頁巖、黏土和鉆屑的穩(wěn)定性，但也導(dǎo)致了鉆井速度的降低。

隨后，研究人員通過嘗試使用非水載流體來提高流體性能。雖然有效地減少了鉆桿內(nèi)的積垢并導(dǎo)致鉆井速度的增加，但會發(fā)生坍塌和井漏事件，因此使用非水載流體鉆井還存在一些問題。

在對偏移井進(jìn)行分析并對頁巖特征和流體設(shè)計進(jìn)行完整的研究后發(fā)現(xiàn)，可以選擇新型高性能水基泥漿體系用于鉆遇研究區(qū)地層。該體系的設(shè)計目的在于與常規(guī)水基泥漿相比，在提高了鉆速和井筒穩(wěn)定性的同時還減少了扭矩和阻力[6]。

1 ?非水載流體在該油田的應(yīng)用

高性能流體（HPF）是指用于鉆進(jìn)具有挑戰(zhàn)性和固有成本較高的油井的鉆井液。通過卓越的技術(shù)性能以降低成本是給固定井選擇合適的高性能流體的關(guān)鍵因素。非水載流體是一種高性能流體，主要特點包括：頁巖穩(wěn)定性、對黏土和巖屑的抑制、提高鉆井速度、防止鉆頭泥包、減少扭矩和阻力。

該油田A小層頁巖約占鉆遇地層的75%，約有90%以上的井眼垮塌問題都與頁巖的不穩(wěn)定性有

關(guān)[7]。外來流體的侵入打破了油氣藏原有的穩(wěn)定狀態(tài)，保持頁巖穩(wěn)定性的最重要指標(biāo)是保持壓力的平衡，當(dāng)流體侵入導(dǎo)致的壓力被消除或強(qiáng)烈減小且井壁上的壓差不變時，頁巖得以更加穩(wěn)定[8]。可采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小壓力值的改變，如堵塞微孔隙、使侵入流體更黏稠、平衡液壓等。堵塞微孔隙可提高頁巖的膜效率，溶質(zhì)移動速率越慢，膜效率越高，再加上存在滲透壓差，這可能會增強(qiáng)滲透回流效

應(yīng)[9-10]。

非水載流體是鉆井作業(yè)的首選流體，結(jié)合PDC鉆頭能夠顯著提高鉆井速度。非水載流體雖然能提高鉆井速度，但其技術(shù)成本較高，環(huán)保問題較嚴(yán)重，井漏風(fēng)險也較大。此外，在微裂縫地層中使用非水載流體保持井筒穩(wěn)定性可能比較困難。非水載流體滲透到頁巖中的微裂縫中可以潤滑這些裂縫，并使這些裂縫中的孔隙壓力與泥漿壓力平衡，從而失去過度平衡的有效泥漿壓力支撐。

2 ?新型高性能水基泥漿在該油田的應(yīng)用

如上所述，通過減弱孔隙壓力傳遞，使得新型高性能水基泥漿中的頁巖穩(wěn)定性較好。新型高性能水基泥漿通過機(jī)械和化學(xué)共同作用增強(qiáng)了自然滲漏膜，從而產(chǎn)生了一種更具選擇性的半透膜。首先，一種微米級的可變形聚合物被用于封堵易剝落頁巖上的微孔隙和微裂縫，即使在高鹽濃度的情況下，聚合物也可保持穩(wěn)定的粒徑分布，聚合物的粒徑和可變形性可形成一種內(nèi)部橋堵[11]。其次，通過鋁酸鹽化學(xué)法沉淀在頁巖孔隙和裂縫中生成氫氧化鋁沉淀，有效增強(qiáng)了井壁的穩(wěn)定性。鋁酸鹽絡(luò)合物可溶于泥漿，但在進(jìn)入頁巖基質(zhì)時，由于pH值降低，會與多價陽離子發(fā)生反應(yīng)而沉淀。對頁巖中孔隙壓力傳遞和膜效率的研究表明，鋁酸鹽（和硅酸鹽）能使常規(guī)水基泥漿的膜效率最高。通過比較新型高性能水基泥漿與傳統(tǒng)常規(guī)水基泥漿和非水載流體在膜效率和孔隙壓力傳遞方面的影響，發(fā)現(xiàn)與高鹽度轉(zhuǎn)化非水載流體相比，新型高性能水基泥漿體系具有防止泥漿壓力滲透以及防止頁巖水化的特性。

此外，新型高性能水基泥漿還使用了黏土水化抑制劑（CHS），通過陽離子交換方式吸附黏土上帶水化膜的陽離子，降低黏土親水能力，使其穩(wěn)定。黏土水化抑制劑可抑制高活性黏土的水化和塑性以降低鉆頭泥包的可能性。水基泥漿中還加入了防聚結(jié)劑，以降低黏土水化，可對鉆頭和鉆柱進(jìn)行潤滑。新型高性能水基泥漿中還包含了一種能使鉆井速度加快和防止黏土在鉆具側(cè)面堆積的添加劑，可有效減小黏土水化和鉆頭泥包的概率[12]。

3 ?鉆井液體系的比較實驗

研究人員在研究區(qū)進(jìn)行了一系列以新型高性能水基泥漿流體替代常規(guī)的水基泥漿的研究，并比較了新型高性能水基泥漿流體和該油田之前使用的3種常規(guī)水基泥漿。測試包含以下幾種鉆井液的評估：1#水基泥漿、2#水基泥漿、3#水基泥漿、新型高性能水基泥漿（20% NaCl）、新型高性能水基泥漿（0.4% NaCl）、80/20非水載流體。

利用X射線衍射得知，先前鉆探的A段的巖屑樣品的深度分別為1 430、2 900、3 400 m，跨越3個地層（分別為Laguna、La Rosa和Icotea地層）。X射線衍射數(shù)據(jù)表明，地層中高嶺石含量高，混合層黏土含量低（表1）。其后，加熱至82 ℃，對不同鉆井液進(jìn)行穩(wěn)定性測試，結(jié)果見表2。結(jié)果表明：20% NaCl的高性能水基泥漿中，黏土水化分散、膨脹和硬度的變化范圍不大，與其他水基泥漿液相比，各項指標(biāo)最佳。使用20% NaCl配制的高性能水基泥漿的性能指標(biāo)與非水載流體相似。

4 ?新型高性能水基泥漿的比較試驗

以上實驗表明，使用新型高性能水基泥漿能較好地代替常規(guī)的水基泥漿。

在針對1#井進(jìn)行的實驗中，為了在評估過程中與NAF進(jìn)行比較，故第一口井采用20% Nacl-新型高性能水基泥漿鉆井液。在研究區(qū)的鉆井工作中，發(fā)現(xiàn)1#井的復(fù)雜性較高，某井段部分的性能指標(biāo)是在鉆井開始之前確定的，并參考了其他4口井進(jìn)行對比比較。

在試驗井中采用高鹽度泥漿體系，該體系在實驗室評估中表現(xiàn)良好。在實際工作開展后，研究人員對其性能進(jìn)行了評估，并對配方進(jìn)行更改和優(yōu)化，使其完全符合鉆井性能和環(huán)境指標(biāo)，并采用低固相泥漿（LSND）體系對該井段的A1處進(jìn)行鉆進(jìn)。在LSND體系中，研究人員首次使用鉆井速度增強(qiáng)劑，使鉆速提高了50%。隨后，在1 950 m井段處使用新型高性能水基泥漿，井扭矩降低到2 789 N·m。這口井在鉆進(jìn)到2 226 m都未出現(xiàn)問題，鉆頭和近鉆頭處也未出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。圖1從側(cè)面顯示了鉆速與測量深度的關(guān)系，1#井的平均鉆速為23 m/h。選擇該體系的另一個關(guān)鍵因素是其能減小頁巖產(chǎn)生的坍塌現(xiàn)象。

在針對1#ST井進(jìn)行的實驗中研究人員發(fā)現(xiàn)，來自1#井的約50%的泥漿被用于鉆1號側(cè)鉆井。這口井定向鉆至2 654 m的深度，平均鉆速為90 m/h。在每個接頭處收集扭矩信息，采用離底旋轉(zhuǎn)扭矩（ROB）傳遞扭矩，計算摩擦系數(shù)。表4從側(cè)面比較了測量深度和摩擦系數(shù)的關(guān)系。研究表明，摩擦系數(shù)隨著深度的增加而減小，這是由于鉆井速度增強(qiáng)劑濃度的增加和添加了少量的非水載流體使其潤滑性增加的結(jié)果。該井段的平均摩擦系數(shù)為0.28，而水基泥漿先前預(yù)測的平均摩擦系數(shù)為0.40。

起下鉆過程中的井下指標(biāo)表明井筒較穩(wěn)定，沒有使用頂驅(qū)或泥漿泵。該井最終鉆至2 980 m深，井筒進(jìn)行高流速循環(huán)以利于鉆孔清潔，并在無需旋轉(zhuǎn)泵或泥漿泵的情況下，可以將組件從井眼中卸下。

5 ?參數(shù)調(diào)整后的研究

對1#井和1#ST井進(jìn)行對比分析，在鉆遇目標(biāo)層時需要注意以下幾點：

（1）通過使用鉆井速度增強(qiáng)劑，使鉆井速度提高50%;

（2）使用新型高性能水基泥漿后立即減小井下扭矩;

（3）利用隨鉆測量數(shù)據(jù)的液壓模型監(jiān)測井眼清潔情況;

（4）使用低鹽度新型高性能水基泥漿進(jìn)行鉆遇;

（5）使用環(huán)保型潤滑劑以增加扭矩和減小阻力。

2#井是對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后鉆遇的井。由于該油田地層含鹽量較大，因此低鹽度新型高性能水基泥漿更適合油田的開發(fā)。使用低鹽度20%氯化鈉的新型高性能水基泥漿也降低了廢鉆井液和巖屑的處理成本。新型高性能水基泥漿體系在使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具鉆至井深超過1 830 m的井段時，所有參數(shù)都達(dá)到了最優(yōu)。同時，在使用了石墨、有機(jī)表面活性劑和高分子脂肪酸化合物的混合物的情況下，可以使新型高性能水基泥漿具有優(yōu)良的潤滑性能，有助于減少扭矩和阻力，測試效果較好，井眼的穩(wěn)定性良好，井壁無坍塌等現(xiàn)象。

3#井是第二次將低鹽度新型高性能水基泥漿應(yīng)用于試驗井的中間層段，同時使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在深度超過1 050 m的井段鉆進(jìn)，通過使用球形彈性石墨和補(bǔ)充潤滑劑來減小扭矩和阻力，該體系同樣滿足所有性能要求。這口井由于使用了新型高性能水基泥漿，其鉆井周期得到了改善，與2#井相比3#井的新型高性能水基泥漿的鉆井周期減少了17%。

4#井是低鹽度新型高性能水基泥漿的第三次應(yīng)用，從3#井留下的約145 m3新型高性能水基泥漿被回收用于該井。該體系在2#井和3#井中取得較好的效果，在4#井中，雖然井筒暴露時間延長，但仍然具有較好的效果，即使在最壞情況下也能保持其穩(wěn)定的效果。該低鹽度新型高性能水基泥漿體系滿足了鉆井中對泥漿的性能要求。研究表明，在完井中能較好地起出和下入套管，能保證在無循環(huán)的情況下井眼在72 h內(nèi)不堵塞。

6 ?結(jié) 論

（1）新型高性能水基泥漿在該油田進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試結(jié)果較好，可大范圍應(yīng)用。

（2）可以通過對鉆井液各參數(shù)的調(diào)整以獲得最佳性能指標(biāo);與高鹽度體系相比，使用低鹽度的新型高性能水基泥漿體系效果更好，可以廣泛使用。

（3）采用石墨等環(huán)保型潤滑劑可顯著降低摩擦和扭矩。

（4）新型高性能水基泥漿體系設(shè)定了新的性能指標(biāo)，較常規(guī)鉆井有顯著提高;通過調(diào)整相關(guān)鉆井液性能參數(shù)，可以解決井壁坍塌、鉆頭泥包和井壁穩(wěn)定等問題，可在該油田中推廣。

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