水基钻井液转油基钻井液顶替液优化技术

李思，赵素娟



水基钻井液转油基钻井液顶替液优化技术

李思，赵素娟

（江汉石油工程公司钻井一公司， 湖北 潜江 433121）

传统的水基钻井液转化成油基钻井液，直接是用油基钻井液驱替水基钻井液，这样不可避免的造成有油水混合物排出，造成环境污染，不利于环保。本文致力于寻找一种水基钻井液转换成油基钻井液的顶替液，该顶替液既能隔离水基钻井液和油基钻井液，又不会对油基钻井液造成干扰，不会影响油基体系的性能，试验表明用26%的氯化钙盐水作为顶替液，能够很好的隔离开水基钻井液和油基钻井液，而26%的氯化钙盐水在油基钻井液中作为水相，对油基钻井液影响不大，可以在以后的钻井液性能维护中慢慢调整过来。该前置液在焦页30、39平台六口井进行了成功试用，效果显著，做到了转化油基钻井液期间零排放，防止了环境污染，降低了环保处理成本。

水基钻井液转油基钻井液；环保；氯化钙盐水

自探明涪陵大块页岩气田以来，涪陵焦石开展页岩气大会战，效果显著，已投入商业开发。在钻探页岩气井时，对于长水平页岩段，采用油基钻井液对页岩稳定有关键作用，水基钻井液转化成油基钻井液时，直接用油基钻井液驱替出水基钻井液，为了对油基钻井液不造成污染，将一部分油基钻井液和水基钻井液混合物排出。油基体系本身含芳烃，不能被生物降解，这样会造成环境污染，环保治理成本增大。采用中间流体做为顶替液，将井筒中已有的水基流体顶替出去，不会产生水油混合物，可达到减少环境污染，降低环保处理成本的目的。

1 钻井液流体顶替原理

根据钻井液流体力学原理[1]，一种流体顶替另一种流体，影响的因素有:

a、钻杆的偏心度。为避免发生滞流，层流顶替时，摩阻压力梯度必须满足下式：

1为——钻杆居中度;

1、2——井径、钻杆直径;

不论是牛顿流体顶替非牛顿流体还是非牛顿流体顶替非牛顿流体。必须满足上述公式的条件。

b、两种流体的流变性。研究表明，顶替液的塑性粘度大，有利于顶替，如果顶替液屈服应力值低于钻井液临界屈服应力值，增加流量也可以使得钻井液流动。

c、两种流体的密度。顶替过程中，顶替液与钻井液间的密度差使得钻井液获得一个浮力，如果钻井液的密度小于顶替液的密度，所受浮力向上，有利于顶替，如果钻井液密度大于顶替液的密度，顶替效率会有所降低。

根据以上条件与因素，本文作者在室内开始筛选隔离液，并进行室内模拟实验。

2 顶替液优选实验

2.1 筛选CaO、CaCl2溶液对油基钻井液性能的影响

钻井井场，水基钻井液转化为油基钻井液时一般配制5~10方稠的油基钻井液顶替井筒流体，根据流体顶替原理，向500 mL油基钻井液中分别加入20 mL 26% CaCl2和石灰水（0.2%）测定其性能。

从表1可以看出加入26% CaCl2盐水对油基钻井液的影响不大，石灰水对其影响大于26% CaCl2盐水，且有研究表明CaCl2对油基钻井液来说是最佳的活度控制剂，因此选定CaCl2盐水做为顶替液。

2.2 氯化钙盐水对水基钻井液性能的影响

向500 mL水基钻井液注入20 mL 26% CaCl2搅拌测定其性能。

表1 CaO和CaCl2对油基钻井液性能的影响

注：测定温度：50 ℃

表2 氯化钙盐水对水基钻井液性能的影响

注：测定温度：50 ℃

其中水基钻井液配方2%~4%膨润土+0.1-0.3% Na2CO3+2-4%FT-388+1-1.5% K-HPAN+3-4% KCl+ 3 -4% PEG+0.5-1% LV-CMC+2-4% QS-2。

从表2可以看出，氯化钙盐水对水基钻井液有影响，粘切增大，失水增大表现出钙侵现象。

2.3 顶替室内模拟

下面分析氯化钙盐水作为顶替液的可行性。使用油基钻井液顶替氯化钙盐水，完全符合顶替条件。接下来主要考虑氯化钙盐水作为顶替液能否有效的隔离水基钻井液与油基钻井液，两种流体的顶替流动是非常复杂，除了它们表现出不同牛顿特性和非牛顿特性外，更主要的是在于它们交接面复杂的物理、化学及力学特性，氯化钙盐水与钻井液的交接面，正是因为交接面上受到“钙侵”的钻井液，粘度增大，屈服应力大于钻井液的屈服应力，从而有利于整个顶替活动的进行。

图1 驱替效果

注 ：左为油基直接驱替水基效果，造成水油混合物，右为用氯化钙驱替水基效果，有效隔离水基泥浆和油基泥浆

因此通过以上的分析，说明，在适当的排量下，氯化钙盐水都可以作为水基钻井液转化为油基钻井液的顶替液。

试验仪器：微型水泵，自制模拟装置。

从图1中可以看出，室内简易装置模拟现场试验说明，用氯化钙盐水做为顶替隔离液可有效隔离油基钻井液和水基钻井液。可驱替井筒中的水基钻井液。

3 现场应用

焦页30-4井钻至井深2 416 m二开中完，套管下至2 509 m。6月14日5:00下钻至2 487 m探得水泥塞面，准备转化油基钻井液。

转浆前提前配制油基钻井液80 m3。配方为： 2% 主乳化剂+1%辅乳化剂+1% 碱度调节剂+1.5%有机土+1.5% 增粘剂+3% 降失水剂+3% 液体沥青+15% 氯化钙盐水（26% 浓度）。

5:25泵入26% 浓度氯化钙盐水5 m3（密度1.25 g/cm3），单泵45冲开始转化油基钻井液。6:50发现排出水颜色稍有变化，并测得密度由1.03 g/cm3增至1.18 g/cm3，最后为1.25 g/cm3。证明氯化钙盐水已经返出，井筒内水基钻井液已完全替除。转浆完成。

图2 焦页30-4井井筒水基钻井液排出（左）氯化钙盐水排出（右）

在顶替的过程中，氯化钙盐水有效的隔离了油基钻井液和水基钻井液，从表3可以看出，转浆后，钻井液的粘切升高，是因为氯化钙盐水的加入降低了油基钻井液的油水比，可通过适当提高油水比，达到降低粘切的目的。

4 结论与建议

（1）用氯化钙盐水作为顶替隔离液可有效隔离油基钻井液和水基钻井液，在水基钻井液转化为油基钻井液期间，做到油水混合物零排放。

表3 焦页30-4转浆前后油基钻井液性能对比

注：测定温度50 ℃

（2）该方法操作简单，氯化钙盐水顶替液配制简单，现场易操作，价格比油基钻井液便宜。

（3）目前本方案在焦页30、39平台6口井成功应用，减少了环境污染，降低了环保治理费用。

（4）井工厂模式下，由于连续打几口井的三开，泵的上水管线会残留油基钻井液，导致替浆时，当水基钻井液和氯化钙盐水混浆返出时会伴有少量的油基钻井液排出，但不会影响顶替效果。建议转浆前，尽量清干上水管线的油基钻井液，可减少污染。

［1］陈家琅. 钻井液流动原理［M］. 北京: 石油工业出版社, 1997．

［2］马贵阳, 刘晓国, 郑平. 管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报，2007（1）.

Spacer FluidTechnology forDisplacing WBM With OBM

,

（Jianghan Petroleum Engineering Company NO.1 Drilling Company, Hubei Qianjiang 433121，China）

In displacing the water base mud, a solution with certain concentration of calcium chloride was added into the spacer fluid in an effort to avoid mixture discharge of OBM and WBM which would increase the cost of treatment in contrast with water fluid alone. Since calcium chloride was the composition of OBM, adding 26% concentration of calcium chloride directly into the spacer fluid didn’t almost affect properties of the displacing fluid, the properties of OBM were proved to be stable by successful operation of well drilling platforms in Jiaoye 30 and 39 fields.

displacing WBM with OBM; environmental protection; calcium chloride brine

2017-09-22

李思（1984-），男，工程师，湖北省孝感市人，2008年毕业于长江大学应用化学专业，研究方向：从事钻井液技术研究工作。

赵素娟（1984-），女，工程师，2012年获长江大学应用化学专业硕士学位，研究方向：从事钻井液方面的研究工作。

TE 254

A

1004-0935（2017）11-1135-03