油田低盐度高性能水基钻井液改善钻井性能方法研究

2020-08-24张和

当代化工 2020年4期

张和

摘要：近年来，在某油田A小层钻探中，井下复杂情况不断增加。在该油田以往的钻井中，曾使用过各种非水载流体（NAF）和水基泥浆（WBM）解决钻井问题，但均未得到较好的效果。随后，研究人员对钻井液的选取进行了广泛的研究，以期获得最佳钻井性能。通过现场测试以及分析，对各参数进行不断调试，使得这些油井的性能不断提高，最终确定了较好的性能指标。新型高性能水基泥浆体系的优越性使其成为该油田中间井段钻井的首选体系。本文对新型高性能水基泥浆进行了详细的技术概述，并将新型高性能水基泥浆与非水载流体和水基泥浆进行试验比较。结果表明：新型高性能水基泥漿可以有效解决井壁坍塌、钻头泥包和井壁稳定等问题。

关键词：非水载流体;新型高性能水基泥浆;钻井液性能;井眼稳定

中图分类号：TE254 文献标识码： A 文章编号： 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

随着石油和天然气开采业的回暖，国内外都在加大油气勘探开发的力度[1]。尽管现阶段在某些特定区块或层段的钻井中仍然存在着较大的技术挑战和风险[2]，但是随着国内外对大位移井和水平钻井技术研究的不断深入[3-5]，这些风险在不断地得到规避。

在某油田之前钻遇的地层中所使用的各种抑制性水基泥浆都取得了一定的成功。但当使用水基泥浆分散剂时，钻井速度（ROP）虽有所提高，然而同时也伴随着有井眼失稳、起下钻遇阻和井漏等情况发生。此后，研究人员尝试使用高性能抑制体系，虽然保证了页岩、黏土和钻屑的稳定性，但也导致了钻井速度的降低。

随后，研究人员通过尝试使用非水载流体来提高流体性能。虽然有效地减少了钻杆内的积垢并导致钻井速度的增加，但会发生坍塌和井漏事件，因此使用非水载流体钻井还存在一些问题。

在对偏移井进行分析并对页岩特征和流体设计进行完整的研究后发现，可以选择新型高性能水基泥浆体系用于钻遇研究区地层。该体系的设计目的在于与常规水基泥浆相比，在提高了钻速和井筒稳定性的同时还减少了扭矩和阻力[6]。

1 非水载流体在该油田的应用

高性能流体（HPF）是指用于钻进具有挑战性和固有成本较高的油井的钻井液。通过卓越的技术性能以降低成本是给固定井选择合适的高性能流体的关键因素。非水载流体是一种高性能流体，主要特点包括：页岩稳定性、对黏土和岩屑的抑制、提高钻井速度、防止钻头泥包、减少扭矩和阻力。

该油田A小层页岩约占钻遇地层的75%，约有90%以上的井眼垮塌问题都与页岩的不稳定性有

关[7]。外来流体的侵入打破了油气藏原有的稳定状态，保持页岩稳定性的最重要指标是保持压力的平衡，当流体侵入导致的压力被消除或强烈减小且井壁上的压差不变时，页岩得以更加稳定[8]。可采取适当的措施来减小压力值的改变，如堵塞微孔隙、使侵入流体更黏稠、平衡液压等。堵塞微孔隙可提高页岩的膜效率，溶质移动速率越慢，膜效率越高，再加上存在渗透压差，这可能会增强渗透回流效

应[9-10]。

非水载流体是钻井作业的首选流体，结合PDC钻头能够显著提高钻井速度。非水载流体虽然能提高钻井速度，但其技术成本较高，环保问题较严重，井漏风险也较大。此外，在微裂缝地层中使用非水载流体保持井筒稳定性可能比较困难。非水载流体渗透到页岩中的微裂缝中可以润滑这些裂缝，并使这些裂缝中的孔隙压力与泥浆压力平衡，从而失去过度平衡的有效泥浆压力支撑。

2 新型高性能水基泥浆在该油田的应用

如上所述，通过减弱孔隙压力传递，使得新型高性能水基泥浆中的页岩稳定性较好。新型高性能水基泥浆通过机械和化学共同作用增强了自然渗漏膜，从而产生了一种更具选择性的半透膜。首先，一种微米级的可变形聚合物被用于封堵易剥落页岩上的微孔隙和微裂缝，即使在高盐浓度的情况下，聚合物也可保持稳定的粒径分布，聚合物的粒径和可变形性可形成一种内部桥堵[11]。其次，通过铝酸盐化学法沉淀在页岩孔隙和裂缝中生成氢氧化铝沉淀，有效增强了井壁的稳定性。铝酸盐络合物可溶于泥浆，但在进入页岩基质时，由于pH值降低，会与多价阳离子发生反应而沉淀。对页岩中孔隙压力传递和膜效率的研究表明，铝酸盐（和硅酸盐）能使常规水基泥浆的膜效率最高。通过比较新型高性能水基泥浆与传统常规水基泥浆和非水载流体在膜效率和孔隙压力传递方面的影响，发现与高盐度转化非水载流体相比，新型高性能水基泥浆体系具有防止泥浆压力渗透以及防止页岩水化的特性。

此外，新型高性能水基泥浆还使用了黏土水化抑制剂（CHS），通过阳离子交换方式吸附黏土上带水化膜的阳离子，降低黏土亲水能力，使其稳定。黏土水化抑制劑可抑制高活性黏土的水化和塑性以降低钻头泥包的可能性。水基泥浆中还加入了防聚结剂，以降低黏土水化，可对钻头和钻柱进行润滑。新型高性能水基泥浆中还包含了一种能使钻井速度加快和防止黏土在钻具侧面堆积的添加剂，可有效减小黏土水化和钻头泥包的概率[12]。

3 钻井液体系的比较实验

研究人员在研究区进行了一系列以新型高性能水基泥浆流体替代常规的水基泥浆的研究，并比较了新型高性能水基泥浆流体和该油田之前使用的3种常规水基泥浆。测试包含以下几种钻井液的评估：1#水基泥浆、2#水基泥浆、3#水基泥浆、新型高性能水基泥浆（20% NaCl）、新型高性能水基泥浆（0.4% NaCl）、80/20非水载流体。

利用X射线衍射得知，先前钻探的A段的岩屑样品的深度分别为1 430、2 900、3 400 m，跨越3个地层（分别为Laguna、La Rosa和Icotea地层）。X射线衍射数据表明，地层中高岭石含量高，混合层黏土含量低（表1）。其后，加热至82 ℃，对不同钻井液进行稳定性测试，结果见表2。结果表明：20% NaCl的高性能水基泥浆中，黏土水化分散、膨胀和硬度的变化范围不大，与其他水基泥浆液相比，各项指标最佳。使用20% NaCl配制的高性能水基泥浆的性能指标与非水载流体相似。

4 新型高性能水基泥浆的比较试验

以上实验表明，使用新型高性能水基泥浆能较好地代替常规的水基泥浆。

在针对1#井进行的实验中，为了在评估过程中与NAF进行比较，故第一口井采用20% Nacl-新型高性能水基泥浆钻井液。在研究区的钻井工作中，发现1#井的复杂性较高，某井段部分的性能指标是在钻井开始之前确定的，并参考了其他4口井进行对比比较。

在试验井中采用高盐度泥浆体系，该体系在实验室评估中表现良好。在实际工作开展后，研究人员对其性能进行了评估，并对配方进行更改和优化，使其完全符合钻井性能和环境指标，并采用低固相泥浆（LSND）体系对该井段的A1处进行钻进。在LSND体系中，研究人员首次使用钻井速度增强剂，使钻速提高了50%。随后，在1 950 m井段处使用新型高性能水基泥浆，井扭矩降低到2 789 N·m。这口井在钻进到2 226 m都未出现问题，钻头和近钻头处也未出现泥包现象。图1从侧面显示了钻速与测量深度的关系，1#井的平均钻速为23 m/h。选择该体系的另一个关键因素是其能减小页岩产生的坍塌现象。

在针对1#ST井进行的实验中研究人员发现，来自1#井的约50%的泥浆被用于钻1号侧钻井。这口井定向钻至2 654 m的深度，平均钻速为90 m/h。在每个接头处收集扭矩信息，采用离底旋转扭矩（ROB）传递扭矩，计算摩擦系数。表4从侧面比较了测量深度和摩擦系数的关系。研究表明，摩擦系数随着深度的增加而减小，这是由于钻井速度增强剂浓度的增加和添加了少量的非水载流体使其润滑性增加的结果。该井段的平均摩擦系数为0.28，而水基泥浆先前预测的平均摩擦系数为0.40。

起下钻过程中的井下指标表明井筒较稳定，没有使用顶驱或泥浆泵。该井最终钻至2 980 m深，井筒进行高流速循环以利于钻孔清洁，并在无需旋转泵或泥浆泵的情况下，可以将组件从井眼中卸下。

5 参数调整后的研究

对1#井和1#ST井进行对比分析，在钻遇目标层时需要注意以下几点：

（1）通过使用钻井速度增强剂，使钻井速度提高50%;

（2）使用新型高性能水基泥浆后立即减小井下扭矩;

（3）利用随钻测量数据的液压模型监测井眼清洁情况;

（4）使用低盐度新型高性能水基泥浆进行钻遇;

（5）使用环保型润滑剂以增加扭矩和减小阻力。

2#井是对相关参数进行调整后钻遇的井。由于该油田地层含盐量较大，因此低盐度新型高性能水基泥浆更适合油田的开发。使用低盐度20%氯化钠的新型高性能水基泥浆也降低了废钻井液和岩屑的处理成本。新型高性能水基泥浆体系在使用旋转导向工具钻至井深超过1 830 m的井段时，所有参数都达到了最优。同时，在使用了石墨、有机表面活性剂和高分子脂肪酸化合物的混合物的情况下，可以使新型高性能水基泥浆具有优良的润滑性能，有助于减少扭矩和阻力，测试效果较好，井眼的稳定性良好，井壁无坍塌等现象。

3#井是第二次将低盐度新型高性能水基泥浆应用于试验井的中间层段，同时使用旋转导向工具在深度超过1 050 m的井段钻进，通过使用球形弹性石墨和补充润滑剂来减小扭矩和阻力，该体系同样满足所有性能要求。这口井由于使用了新型高性能水基泥浆，其钻井周期得到了改善，与2#井相比3#井的新型高性能水基泥浆的钻井周期减少了17%。

4#井是低盐度新型高性能水基泥浆的第三次应用，从3#井留下的约145 m3新型高性能水基泥浆被回收用于该井。该体系在2#井和3#井中取得较好的效果，在4#井中，虽然井筒暴露时间延长，但仍然具有较好的效果，即使在最坏情况下也能保持其稳定的效果。该低盐度新型高性能水基泥浆体系满足了钻井中对泥浆的性能要求。研究表明，在完井中能较好地起出和下入套管，能保证在无循环的情况下井眼在72 h内不堵塞。

6 结论

（1）新型高性能水基泥浆在该油田进行了现场测试，测试结果较好，可大范围应用。

（2）可以通过对钻井液各参数的调整以获得最佳性能指标;与高盐度体系相比，使用低盐度的新型高性能水基泥浆体系效果更好，可以广泛使用。

（3）采用石墨等环保型润滑剂可显著降低摩擦和扭矩。

（4）新型高性能水基泥浆体系设定了新的性能指标，较常规钻井有显著提高;通过调整相关钻井液性能参数，可以解决井壁坍塌、钻头泥包和井壁稳定等问题，可在该油田中推广。

参考文献：

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