鉆井液技術規范研究制定與應用

劉自廣，馬文英，孫林峰

1.中國石化中原石油工程有限公司 鉆井二公司（河南 濮陽457001）2.中國石化中原石油工程有限公司 鉆井工程技術研究院（河南 濮陽457001）3.中國石化中原石油工程有限公司 物資采辦中心（河南 濮陽457001）

1 鉆井液技術規范研究的必要性分析

鉆井液是鉆井的血液，鉆井液技術決定著鉆井能否安全、順利、高效進行。雖然經過多年的積累，對鉆井液研究及施工有著一定的經驗，但目前現場技術人員多是根據各自習慣選用處理劑，鉆井液配方、配制維護工藝等沒有統一規范，現場應用效果相差較大，且被做為降低成本的主要途徑，缺乏預處理的意識，導致處理難度提高。同時鉆井液與地質、鉆井工程結合不緊密，導致鉆井液技術無法有效保障現場高效鉆井施工。

目前鉆井液專業的各級相關標準，基本都是鉆井液用原材料和處理劑以及測試程序等標準，關于鉆井液體系的現行有效標準僅有3項[1-3]，涉及油包水鉆井液、無固相鉆井液完井液和油基鉆井液；也有技術手冊[4]，但總體來講編寫存在內容不全面、重點不突出等問題，如鉆井液的配制、維護處理方法等重點內容闡述過于簡單，操作性不強；安全環保健康方面的提示太少。對常用的聚合物鉆井液、飽和鹽水鉆井液、聚磺鉆井液等沒有制定標準，也未形成規范，無法有效指導現場施工。

針對目前鉆井液體系標準少、標準內容不全面、現場施工過程簡單、鉆井液體系涵蓋不完全等問題，從鉆井液設計、處理劑選擇、現場實施過程以及環境保護等方面考慮，依據目的性、適用性、技術性、安全性原則制定鉆井液技術規范，以滿足地層巖性和鉆井工程需要；提高鉆井液應用的針對性和適應性；強化鉆井液的預處理（流變性、濾失量、井壁穩定等），對可能出現問題預測；減少處理劑的品種及復配產品，降低因質量導致的不利影響（處理費用、處理難度增加）；鉆井液性能滿足需要的前提下，盡可能降低處理劑用量（采用高效處理）；滿足現場要求的鉆井液性能有與之匹配的鉆井液成本。

通過研究形成了包括飽和鹽水鉆井液、聚磺鉆井液等10種鉆井液體系在內的一套鉆井液技術規范。現場實施該規范后，有效解決了鉆井液配制不規范，性能調整難度大、處理劑使用量大的問題，為鉆井液現場施工提供了技術保障。鉆井液技術規范的制定對實現提質、提效和技術進步，提升鉆井液精細化管理水平，實現鉆井液技術規范化、品牌化，提高市場競爭力具有重要意義。

2 鉆井液技術規范研究

根據對國內外資料的分析，結合已有的鉆井液相關技術規程文獻，按照技術規程制定原則，提出鉆井液技術規程應包含的內容。其中，鉆井液性能是決定所配制的鉆井液能否滿足現場施工的關鍵，對其檢測是重要環節，常用鉆井液性能測試執行國家規定的鉆井液現場測試標準及檢測方法[5-7]。

對于鉆井液，原材料及處理劑是基礎，對鉆井液性能起著決定作用。目前國家標準、石油天然氣行業標準以及石油公司一級企業標準大多是這一類，制定的標準基本可覆蓋，通過對標準項目和技術指標進行分析，確定執行的標準即可。配制工藝是關鍵環節，關鍵處理劑含量是鉆井液特殊性能的體現，決定著鉆井液的性能是否滿足安全、順利、高效鉆井的需要，需要通過實驗研究確定。

2.1 原材料及處理劑質量控制

原材料和鉆井液用處理劑是配制鉆井液的基礎物質，處理劑的選擇滿足流變性、濾失量控制等基本需要，滿足潤滑、高溫等特殊需要，滿足預防井壁失穩、漏失等復雜需要；處理劑的質量是保證鉆井液性能的關鍵，因此原材料和處理劑質量應達到相關標準及使用要求。

綜合分析原材料及處理劑的現有標準情況，水基鉆井液配漿用的膨潤土、聚陰離子纖維素（LVPAC和HV-PAC）等只有1項現行有效標準，執行即可，但有的原材料或處理劑有多個有效標準，比如重晶石粉，有2項現行有效標準[8-9]，鉆井液技術規程研究中實驗使用的重晶石粉應該選用什么技術指標。因此對此類原材料和處理劑的多個標準進行分析，遵循實驗方法科學性、檢測項目全面性、技術指標先進性的原則，根據質量從高的要求，最終確定原材料及處理劑質量控制應執行的標準，具體見表1。

2.2 實驗研究

制定某種鉆井液體系的技術規范[10-15]，除了選擇合適的處理劑，鉆井液還應滿足不同的地層條件，比如溫度、壓力條件，并且測定其性能可以滿足要求。水基鉆井液配制時需要使用預水化膨潤土漿，其性能好壞對配制成的鉆井液性能影響很大；其次是配制工藝，比如處理劑加入的先后順序，攪拌速度等；另外是決定鉆井液性能的關鍵指標監測，比如氯化鉀鉆井液中的K+、鈣處理鉆井液中的Ca2+等。

表1 原材料及處理劑質量控制要求

續表1

上述影響因素均需通過實驗確定，經室內實驗研究，預水化膨潤土漿配制時，如果水中Cl-含量高于500 mg∕L、Ca2+和Mg2+含量高于150 mg∕L，則配制的膨潤土漿出現絮凝或不造漿等現象，因此在配漿、配液前對鉆井液用水需進行軟化處理，或者轉運符合配漿要求的清水。

下面就配制工藝和關鍵處理劑有效含量監測進行說明。

2.2.1 配制工藝

配制工藝是決定鉆井液性能高低的關鍵環節，不同的工藝得到不同的結果，比如油包水鉆井液、水包油鉆井液，如果工藝不合適可能導致無法形成穩定的乳狀液；再如飽和鹽水鉆井液，使用淡水、加入護膠劑充分護膠后再加鹽，或直接使用鹽水配制，最終都能得到飽和鹽水鉆井液，但直接用鹽水配制的鉆井液配制維護成本卻高出許多，且維護處理周期縮短。

以飽和鹽水配制程序為例，考察不同的配制方法對飽和鹽水鉆井液性能的影響，配制方法見表2。其中膨潤土漿指已加入純堿的預水化膨潤土漿，實驗結果見表3。由表3數據可見，先加鹽再加處理劑時鉆井液黏切低，濾失量大，處理劑的降濾失效果較差。分析其原因，飽和鹽水鉆井液中NaCl溶解于水中電離出Na+，壓縮了黏土表面的雙電層，使擴散層厚度減小，這種情況下，黏土顆粒間的靜電斥力減小，水化膜變薄，顆粒的分散度降低，產生絮凝，導致鉆井液性能變差。因此在加入NaCl之前先加入處理劑，使其與黏土顆粒充分作用并將其包裹起來，再加入NaCl時，Na+與黏土顆粒的接觸減少，可降低其對鉆井液性能的影響，因此配制飽和鹽水鉆井液時應采用先加處理劑再加鹽的順序。

2.2.2 關鍵處理劑有效含量監測

通過實驗研究及多年現場經驗[16-20]，鉆井液濾液分析測定的Cl-、K+、Ca2+等是表征鉆井液性能的關鍵技術指標，如Cl-表明鉆井液的含鹽量，飽和鹽水鉆井液濾液中Cl-應超過18×104mg∕L，Ca2+濃度則根據Ca2+作用要求進行，如果用于處理污染，可控制在較低濃度，如果用于防塌穩定井壁則應不低于1 000 mg∕L。氯化鉀作為最常用的抑制劑，在易發生井壁失穩的地層應用取得良好效果，目前使用量較大，多用于配制氯化鉀聚合物、氯化鉀聚磺鉆井液等，實驗研究了鉆井液中鉀離子含量對井壁穩定的作用。

表2 鉆井液配制方法

表3 NaCl加入順序對鉆井液性能影響

配制氯化鉀聚磺鉆井液，基礎配方為：4%預水化膨潤土漿+0.5%LV-CMC+0.7%COP-HFL+3%SMP-Ⅱ+3%SMC+3%FT-1+0.3%NaOH+KCl，120℃∕16h滾動老化后，壓制濾液，測定不同加量氯化鉀條件下濾液中K+含量。同樣條件下進行滾動回收率實驗，巖心為馬12井2 760 m處巖心，清水回收率為10.6%。由表4中實驗數據可知，濾液中K+含量為5 200 mg∕L時，一次滾動回收率較低，僅48.6%，含量超過16 000 mg∕L后一次滾動回收率超過90%，且相對回收率也達到90%以上，說明其抑制性較好，才能滿足穩定井壁的需要。需要說明的是，濾液中K+含量與氯化鉀加量沒有線性對應關系，其與鉆井液中其他處理劑的類型、分子結構、膨潤土含量甚至地層巖性等有關系，因為K+可以與膨潤土中的Na+發生晶格置換，處理劑分子也可與K+發生絡合、螯合等作用，K+與地層中的泥巖發生置換，這些均可降低其含量，因此不能僅根據鉆井液中氯化鉀的加量判斷能否滿足井壁穩定需要，必須進行濾液中K+含量的監測。

表4 濾液中鉀離子含量對滾動回收率影響

2.3 形成規范

通過確定各鉆井液技術規程的內容，對組成鉆井液的原材料和處理劑進行優選使用并確定加量范圍，研究配制工藝以及維護處理要點，提出HSE要求等內容，形成鉆井液體系技術規范，內容主要包括定義、適用范圍、原材料及處理劑質量控制、配方、技術指標、實驗方法、技術關鍵、配制方法或工藝、維護處理、固相控制、后處理、HSE要求等。形成后的技術規范發往中石化所屬地區工程公司征求意見，結合各工程公司的意見，最終形成10項鉆井液技術規程。其中，水基鉆井液和油基鉆井液在各工區應用較多，對于現場使用的規范性具有重要意義；氣基鉆井流體和氣液混合鉆井流體雖然應用相對較少，但由于沒有相應的技術規程，施工工藝不完善，可能出現復雜情況，因此制定該類鉆井流體的技術規程，可提高對現場施工的指導性。

3 驗證應用

為了驗證制定的鉆井液體系技術規范的效果，在鉆井液施工現場執行該規范。在東濮、新疆、四川等工區的30多口井應用，使用了飽和鹽水鉆井液、聚合物鉆井液、氯化鉀聚磺鉆井液等常用鉆井液體系。以飽和鹽水鉆井液為例，應用結果表明，采用規范中的配制工藝進行鉆井液配制維護，在鉆井液性能滿足安全施工的前提下，處理劑用量減少5%～10%，縮減了鉆井液成本，降低了工人勞動強度，提高了工作效率。下面是實施規范前（衛81-1井）和實施規范后（衛81-2井）鉆井液情況。

3.1 基本情況

衛81-1井和衛81-2井的井身結構示意圖如圖1和圖2，可以看出，2口井的井身結構基本一致，二開都是從350 m開始，衛81-1井的設計井深為3 079 m，衛81-2井設計井深為3 044 m。2口井的鹽膏層位置基本相同，衛81-1井鹽膏層段（衛城鹽）垂深2 360～2 520 m、2 610～2 680 m；衛81-2井鹽膏層段（衛城鹽）垂深為2 355～2 515 m、2 555～2 600 m。

3.2 鉆井液配制維護

衛81-1井和衛81-2井均在鉆至鹽膏層前50 m轉換成飽和鹽水鉆井液，鉆井液配方為：3%～5%預水化膨潤土漿+0.5%～1.0%LV-CMC+2.0%～4.0%SMP-Ⅱ+0.2%～0.3%HP+0.5%～1.0%銨鹽+1.0%～2.0%PZ-7+1.0%～2.0%FT+0.5%～1.0%COP-LFL∕HFL+工業氯化鈉，用NaOH調節pH值為9～10，Cl-含量1.8×104mg∕L以上，密度為1.43～1.45 g∕cm3。進入目的層，鉆井液濾失量控制在5 mL以下，使用SMP-Ⅱ、SMC、COP-LFL、COP-HFL鹽水膠液進行日常維護處理，原則以“護膠為主，稀釋為輔”。

圖1 衛81-1井身結構示意圖

圖2 衛81-2井身結構示意圖

配制維護工藝分別如下。

3.2.1 衛81-1井

1）化驗配漿水，不符合配漿要求則需進行處理或轉運清水。

2）充分清理鉆井液循環罐，往循環罐內加入所需量的清水，加入所需量的工業氯化鈉，充分溶解，Cl-含量達到要求。

3）配制4%膨潤土漿，攪拌老化24 h。

4）從混合漏斗加入配方量的處理劑，循環均勻至充分溶解。

5）檢測鉆井液性能符合設計要求，否則調整性能。

3.2.2 衛81-2井

1）化驗配漿水，不符合配漿要求則需進行處理或轉運清水。

2）充分清理鉆井液循環罐，往循環罐內加入所需量的清水。

3）配制4%膨潤土漿，攪拌老化24 h。

4）從混合漏斗加入2∕3配方量的處理劑，循環均勻至充分溶解。

5）加入工業氯化鈉，充分溶解，Cl-含量達到要求。

6）檢測鉆井液性能符合設計要求，否則調整性能。

3.3 鉆井液性能及處理劑用量

衛81-1井和衛81-2井分別從2 310 m和2 305 m轉換為飽和鹽水鉆井液，直至完井，使用井段長度分別為1 769 m和1 725 m。鉆井過程中鉆井液性能穩定，施工順利，下套管、測井一次到底。衛81-1井和衛81-2井分段鉆井液性能分別見表5和表6。由表5、表6數據可知，雖然2口井的處理劑用量有差別、鉆井液配制工藝不同，但鉆井液性能基本相同。由此可見，先用清水配制預水化膨潤土，處理劑護膠，最后加工業氯化鈉的配制工藝，較以前使用鹽水配漿的工藝，可在減少處理劑用量的同時保證鉆井液性能滿足鉆井要求；在鉆井過程中發現，衛81-2井鉆井液性能較衛81-1井鉆井液性能更易于調整。

對比衛81-1井和衛81-2井飽和鹽水鉆井液主要原材料和處理劑用量，見表7。由表7數據可知，兩口井的工業氯化鈉、氫氧化鈉、銨鹽及重晶石用量相當，但降濾失劑、增黏劑等材料用量明顯降低，說明先配制預水化膨潤土漿、處理劑護膠、最后加鹽的配制工藝，在滿足鉆井液性能的前提下，可降低處理劑的用量。統計飽和鹽水鉆井液總成本，分別為58.5萬元和53.4萬元，衛81-2井鉆井液成本較衛81-1井降低了8.72%。處理劑用量降低率按下式計算：用量降低率=（衛81-1井用量-衛81-2井用量）∕衛81-1井用量×100%。

表5 衛81-1井分段鉆井液性能

表6 衛81-2井分段鉆井液性能

4 結論與認識

1）研究制定了一套鉆井液技術規范，執行該規范進行鉆井液現場施工，可提高鉆井液的配制效果，降低了處理劑用量。統計飽和鹽水鉆井液施工的十余口井，處理劑使用量降低了5%～10%，有效降低了鉆井液成本。

2）該規范經過中原石油工程公司應用，取得良好的應用效果，擬經過應用進一步完善補充，將現有鉆井液體系均進行統一規范，由10種鉆井液體系擴充至10類24種鉆井液體系。該規范可轉化為中石化石油工程技術服務有限公司的《鉆井液技術規范》，對提升國際市場競爭力具有重要意義。

3）該規范解決了現場鉆井液配方及配制維護工藝不統一，鉆井液性能有差異，現場應用效果相差大的問題。該規范的推廣應用可為鉆井液的現場施工提供技術保障，具有顯著的社會和經濟效益，推廣應用前景廣闊。

表7 衛81-1井和衛81-2井飽和鹽水鉆井液主要處理劑用量

4）膨潤土是配制鉆井液的基礎材料，其質量決定著鉆井液性能好壞，而目前國內原礦品質差異大，應研究形成具有統一性能的鉆井用膨潤土，利于鉆井液規范的實施。常規鉆井液濾液中Cl-、K+、Ca2+等離子測定在國標中有規定，但關于胺基聚醚鉆井液、烷基糖苷鉆井液等新型鉆井液體系，關鍵處理劑胺基聚醚和烷基糖苷等有效含量測定尚無方法，應開展這方面的研究工作。