適用于連續(xù)管鉆井的無固相鹵水鉆井液體系

王曉軍，余婧，孫云超，楊超，蔣立洲，劉暢

（1. 中國石油長城鉆探工程有限公司工程技術研究院，遼寧盤錦 124010；2. 中國石油遼河油田公司，遼寧盤錦 124012；3. 中國石油遼河石化分公司，遼寧盤錦 124022）

0 引言

連續(xù)管鉆井技術具有地面設備占地少、起下鉆速度快、操作人員少且壓力控制能力強等優(yōu)點，是老井側鉆、小井眼鉆井和欠平衡鉆井的重要手段[1-3]。然而，連續(xù)管施工過程中，多余長度的油管纏繞在滾筒上，管內(nèi)循環(huán)壓力損失高達 50%以上，不利于水力能量的有效利用；連續(xù)管剛性差，易發(fā)生彎曲，導致鉆壓傳遞困難；其鉆井方式自始至終為滑動鉆進，容易生成巖屑床，引發(fā)黏卡和鉆頭泥包[4-7]。通常連續(xù)管鉆井施工中選擇鉆井液體系類型時只著重考慮地質因素，不僅經(jīng)常發(fā)生常規(guī)鉆井中存在的井眼凈化難、托壓和卡鉆等問題，也會出現(xiàn)泵壓過高、上提過程溜管以及鉆頭泥包等特殊現(xiàn)象。因此，鑒于連續(xù)管鉆井工藝的特殊性，本文研究與連續(xù)管鉆井工藝相匹配的鉆井液體系，以減少復雜事故并提高連續(xù)管鉆井效益。

1 配方優(yōu)選

無固相鹵水鉆井液體系本身沒有任何固相顆粒，流變性和觸變性好，屬于典型的弱凝膠體系，可較大程度地降低管內(nèi)壓耗[8]。同時，該體系還具有性價比高、密度可調范圍大、抗污染能力強、生物毒性小、環(huán)境相容性好等特點。因此，針對連續(xù)管鉆井施工技術難點，以鹵水為基液，通過加入流型調節(jié)劑、高效潤滑劑、鉆頭清潔劑及其他處理劑形成無固相鹵水鉆井液體系，以滿足連續(xù)管特殊鉆井工藝的施工要求。

1.1 關鍵處理劑的優(yōu)選

1.1.1 流型調節(jié)劑的優(yōu)選

本體系采用的鹵水為海水制鹽后的母液，主要成分有MgCl2、CaSO4、CaCl2及NaCl等多種鹽類，密度為1.27 g/cm3。室內(nèi)以400 mL鹵水+0.2% NaOH為基漿，分別在基漿中加入0.8 g流型調節(jié)劑HT-XC、HPMC和HEC，在20 ℃下測試鉆井液熱滾（120 ℃，16 h）前后的流變性。

由表1可知，添加HPMC后體系動塑比偏低，塑性黏度高，小尺寸鉆具中管內(nèi)循環(huán)壓耗大，不利于設備維護和保養(yǎng)；添加HEC的鉆井液體系觸變性較差，開泵時激動壓力高，易導致井漏事故；基漿中加入HT-XC后，體系的黏切適中，能較快形成弱凝膠結構，并且API濾失量在熱滾前后均較低。因此，選擇HT-XC作為無固相鹵水鉆井液體系的流型調節(jié)劑。

表1 不同流型調節(jié)劑性能對比實驗結果

1.1.2 抗鹽降濾失劑的優(yōu)選

無固相鹵水鉆井液體系礦化度較高且不添加任何固相，因此濾失控制難度較大。室內(nèi)以400 mL鹵水+0.2% NaOH+0.2% HT-XC為基漿，分別稱量8 g無熒光丙烯酸類降濾失劑（KH-931）、褐煤樹脂類降濾失劑（SPNH）和改性淀粉類抗鹽降濾失劑（YLJ-1）與基漿攪拌均勻，在20 ℃下測試熱滾（120 ℃，16 h）前后的濾失量，結果見表2。

表2 不同降濾失劑性能對比實驗結果

由表2可見，目前行業(yè)內(nèi)公認效果較好的 3種降濾失劑中，KH-931和SPNH在高礦化度的無固相鉆井液中控制濾失效果都不理想，而 YLJ-1降濾失效果明顯，能夠滿足現(xiàn)場使用要求。因此，優(yōu)選 YLJ-1作為無固相鹵水鉆井液體系的降濾失劑。

1.1.3 高效潤滑劑的優(yōu)選

連續(xù)管鉆具剛性差，在連續(xù)造斜井段會大面積黏附在井壁上，因此連續(xù)管鉆井對鉆井液的潤滑性能要求更高。連續(xù)管鉆機由傳動系統(tǒng)將驅動力從一根軸傳遞到鏈條上的夾持塊，并通過夾持塊與連續(xù)管之間的靜摩擦力提升或下放連續(xù)管。鉆井液中若添加固體潤滑劑，會降低夾持塊處的靜摩擦力，影響連續(xù)管的提升和下放，給鉆井施工帶來隱患。因此，只能優(yōu)選液體潤滑劑來降低鉆具與套管之間及鉆具與裸眼井壁之間的摩阻。以400 mL鹵水+0.2% NaOH+0.2% HT-XC+2% YLJ-1為基漿，分別向基漿中加入12 g極壓潤滑劑SD-505、HY-168和FG-2，在20 ℃下測定熱滾（120 ℃，16 h）前后的流變性、潤滑性及生物毒性。

從表3可以看出，3種性價比較高的潤滑劑均能不同程度地降低摩阻，但是基漿添加潤滑劑FG-2后出現(xiàn)高溫增稠現(xiàn)象，對流變性影響較大；HY-168生物毒性較大，不符合環(huán)保標準；潤滑劑SD-505生物毒性小，對鉆井液流變性影響小，符合安全環(huán)保理念，故選為無固相鹵水鉆井液體系的潤滑劑。

表3 不同潤滑劑性能對比實驗結果

1.1.4 鉆頭清潔劑的優(yōu)選

連續(xù)管鉆井方式自始至終為滑動鉆進，在軟泥巖地層鉆進時極易發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。以400 mL鹵水+0.2% NaOH+0.2% HT-XC+2% YLJ-1+3% SD-505為基漿，分別向基漿中加入4 g鉆頭清潔劑SDNR、GW-COL和DET，取遼河油田冷42區(qū)塊館陶組黏性大的軟泥巖巖屑，將直徑和長度固定的鋼棒與泥巖巖屑濃度高達20%的鉆井液裝入老化罐中，120 ℃條件下滾動 16 h后取出，觀察鋼棒上巖屑吸附狀態(tài)，然后分別將吸附在不同鋼棒上的巖屑烘干稱重（見表4）。

不同配方鉆井液中的鋼棒對軟泥巖吸附量不一樣，添加SDNR后顯現(xiàn)出更有效的防泥巖黏附和聚結特性，這是因為SDNR在金屬表面快速吸附形成的潤滑油膜不但能提高金屬表面潤滑性，還可減少鉆屑在鉆頭表面的吸附量，防止鉆頭泥包事故。

表4 不同鉆頭清潔劑性能對比實驗結果

1.2 無固相鹵水鉆井液配方

以滿足連續(xù)管鉆井施工工藝為前提，室內(nèi)經(jīng)過關鍵處理劑的優(yōu)選，以及最優(yōu)加量的確定，最終形成了密度在1.03～1.50 g/cm3的無固相鹵水鉆井液，其基本配方為：鹵水+（0.1%～0.2%）NaOH+（0.2%～0.4%）HT-XC+（2.0%～3.0%）YLJ-1+（0.5%～2.0%）SDNR+（1.0%～2.5%）防塌封堵劑（FT-1A）+（1.0%～5.0%）SD-505+復合鹽密度調節(jié)劑。

2 性能評價

2.1 基本性能

在20 ℃下測試無固相鹵水鉆井液熱滾（120 ℃，16 h）前后的基本性能，結果如表5所示。

由表5可以看出，無固相鹵水鉆井液老化前后黏度和切力適中，觸變性強，濾失量低，而且流變性不隨密度變化發(fā)生較大波動，這是因為無固相鹵水鉆井液所用的加重劑是可溶解的復合鹽，其加量對鉆井液流變性的影響相對較小。

表5 無固相鹵水鉆井液基本性能

2.2 抗溫性能

將密度為 1.50 g/cm3的無固相鹵水鉆井液分別在不同溫度下熱滾 16 h，測定老化后鉆井液的流變性和高溫高壓濾失量（見圖1）。

在25～150 ℃內(nèi)，密度為1.50 g/cm3的無固相鹵水鉆井液始終保持適中的黏切和較低的濾失量，說明該鉆井液有良好的高溫穩(wěn)定性。國內(nèi)單滾筒能纏繞的最長連續(xù)油管為3 500 m，以地溫梯度為4 ℃/100 m計算，無固相鹵水鉆井液抗溫性能完全滿足連續(xù)管鉆井要求。

2.3 攜巖性能

圖1 無固相鹵水鉆井液抗溫性能評價

研究與實驗表明，當井斜角為45°～60°時易出現(xiàn)巖屑床[9]，導致井眼凈化難度大。因此，利用多功能井筒流動模擬實驗設備，在井斜角為 45°～60°的情況下，室內(nèi)進行了無固相鹵水鉆井液攜巖效率的評價實驗。實驗參數(shù)為：套管內(nèi)徑124.26 mm，鉆桿外徑73.05 mm，轉速0，環(huán)空返速0.6～1.4 m/s，鉆井液密度1.05 g/cm3，漏斗黏度45～60 s，動塑比0.4～0.8。

由圖2可知，攜巖效率隨著環(huán)空返速和動塑比的增加而增加。當環(huán)空返速達0.8 m/s以上時，攜巖效率隨環(huán)空返速的增加明顯變小，當動塑比達到0.5以上時，攜巖效率隨動塑比的增加明顯變小。因此，當環(huán)空返速不低于0.8 m/s、鉆井液漏斗黏度為45～60 s、動塑比達到0.5以上時，無固相鹵水鉆井液完全滿足連續(xù)管鉆井井眼凈化要求（即攜巖效率達70%以上）。

圖2 無固相鹵水鉆井液井眼凈化性能評價

2.4 抑制性能

遼河油田淺井普遍采用抑制造漿效果好、性價比高的有機硅鉆井液，而在易坍塌、掉塊的油頁巖地層，采用全油基鉆井液以取得良好的井壁穩(wěn)定效果。將取自遼河油田大民屯凹陷沙四段下亞段的油頁巖巖屑過2.00 mm（10目）篩，分別加入有機硅鉆井液、全油基鉆井液和無固相鹵水鉆井液中，然后用毛細吸水時間測定儀器測試鉆井液濾液的毛細吸水時間（CST），并測試 150 ℃下滾動 16 h后巖屑的回收率（見表6）。CST值越小、回收率越高，表明鉆井液抑制巖屑水化分散的能力越強[10]。

表6 3種鉆井液對巖屑的抑制性比較

由表6可以看出，無固相鹵水鉆井液的CST值明顯低于有機硅鉆井液，滾動回收率略低于全油基鉆井液，表明無固相鹵水鉆井液抑制巖屑水化分散的能力僅次于全油基鉆井液。

采用頁巖膨脹儀測試頁巖在上述 3種鉆井液中的線性膨脹率，結果如圖 3所示。頁巖在無固相鹵水鉆井液中的膨脹率與其在全油基鉆井液中的膨脹率相差不大，說明二者抑制頁巖水化膨脹的能力相近。

圖3 頁巖在不同鉆井液中的膨脹率曲線

通過上述實驗可以看出，無固相鹵水鉆井液具有較好的控制泥頁巖水化膨脹和分散的能力。這是因為鹵水中的無機陽離子會壓縮黏土顆粒表面的擴散雙電層，使水化膜變薄，Zeta電位下降，從而引起黏土晶片邊-面乃至面-面聚結，有效抑制地層黏土水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定[11]。

2.5 抗鉆屑污染性能

在密度為 1.50 g/cm3的無固相鹵水鉆井液中加入不同質量分數(shù)的油頁巖鉆屑（取自坨62井沙四段杜家臺油層），在150 ℃條件下熱滾16 h后測定其塑性黏度、動切力和高溫高壓濾失量，結果如圖4所示。

圖4 無固相鹵水鉆井液抗巖屑性能

由圖 4可見，隨加入鉆屑質量分數(shù)的增大，無固相鹵水鉆井液的塑性黏度和動切力有所升高，加入鉆屑質量分數(shù)達 25%時，其塑性黏度、動切力和高溫高壓濾失量仍能滿足要求，說明該鉆井液具有較好的抗鉆屑污染性能。由于該鉆井液體系本無任何固相，對外來固相容量較大，同時體系具有極強的抑制性，混入鉆井液中的鉆屑水化程度小，不會對鉆井液性能產(chǎn)生明顯影響。

2.6 潤滑性能

采用TC-EP-2A極壓潤滑儀和NZ-3泥餅黏滯系數(shù)測定儀，對比密度為1.50 g/cm3的無固相鹵水鉆井液與全油基鉆井液在150 ℃下熱滾16 h前后的潤滑性能，潤滑劑加量為5%。測定結果如表7所示，可以看出無固相鹵水鉆井液具有優(yōu)良的潤滑性能，能夠滿足連續(xù)管鉆井工藝需求。

表7 2種鉆井液潤滑性能對比

3 現(xiàn)場應用

無固相鹵水鉆井液成功應用在遼河油田 3口連續(xù)管側鉆井中：錦2-丙5-215C井是遼河油田第1口成功實施的連續(xù)管側鉆井，純機械鉆速6.07 m/h，比鄰井提高了21.7%以上；錦2-7-307C井裸眼進尺只用了兩趟鉆，純機械鉆速5.54 m/h，井徑擴大率2.1%；前22-17C井在國內(nèi)連續(xù)管側鉆井中完鉆井深最深（1 759 m）且裸眼井段最長（707 m）。以前22-17C井為例，詳細介紹無固相鹵水鉆井液在連續(xù)管鉆井施工中的應用情況。

前22-17C井為118 mm小井眼側鉆井。開窗點位置1 052 m，完鉆井深1 763 m（常規(guī)鉆具通井到底加深4 m口袋），井身剖面設計采用增—穩(wěn)—降—直4段制，井眼軌跡呈“S”型，泥巖鉆遇率86%以上，施工難度較大。采用無固相鹵水鉆井液鉆進，其配方為：鹵水+ 0.1% NaOH + 0.4% HT-XC + 2.5% YLJ-1 + 1.5%SDNR+2.5% FT-1A（防塌封堵劑）+（1.0%～5.0%）SD-505+（0.5%～2.0%）YDW-1（無滲透處理劑）+復合鹽密度調節(jié)劑（密度1.23～1.32 g/cm3）。

在實鉆過程中，無固相鹵水鉆井液性能優(yōu)良，取得了較好的應用效果。

3.1 鉆井液性能

由表8可以看出，無固相鹵水鉆井液在整個實鉆過程中流變性能穩(wěn)定，濾失量低，摩阻較小，完全滿足現(xiàn)場施工需求。這是由于該體系具有很強的抑制性，返出巖屑棱角規(guī)則，有害固相侵入少、污染小，故鉆井液性能十分穩(wěn)定。

表8 前22-17C井無固相鹵水鉆井液性能

3.2 井眼凈化能力

前22-17C井鉆進采用的鉆井液泵型號是F800，排量和泵壓額定值相對較低，而3 000 m的連續(xù)管內(nèi)壓耗遠高于常規(guī)鉆具。該井套管內(nèi)徑124.2 mm、連續(xù)管外徑73.05 mm，在泵壓承受范圍內(nèi)，鉆井液在套管內(nèi)的環(huán)空返速在0.8 m/s以下，這就要求鉆井液必須具備較強的井眼清潔能力。

前22-17C井硬脆性泥頁巖段短起下到底后返出的小部分巖屑粒徑在5～10 mm，棱角分明，說明巖屑在井底未經(jīng)碾壓和磨損，迅速被鉆井液帶至地面。充分證明了強抑制無固相鹵水鉆井液在返速較低的情況下仍能保證巖屑的攜帶，避免了巖屑重復研磨導致鉆速低以及其他復雜事故的發(fā)生。

3.3 潤滑防卡效果

前22-17C井為了防碰及提高泄油面積，井身采用“S”型軌跡設計。下直段裸眼進尺的增加，會使拐角處貼在井壁上的鉆具面積增大。但無固相鹵水鉆井液良好的潤滑性和金屬成膜性保證了707 m裸眼段的順利鉆進，最大程度地減輕了連續(xù)管屈曲程度，施工過程中未出現(xiàn)鉆壓傳遞困難、鉆頭泥包和黏卡影響鉆進的情況。圖5是起出井口的鉆完303 m下直段進尺的單牙輪鉆頭，從不同角度觀察可以看出，鉆頭清潔無泥包，牙齒無任何脫落，磨損程度低。

3.4 機械鉆速

圖5 起出井口的單牙輪鉆頭

前 22-17C井采用連續(xù)管鉆進的機械鉆速為 5.54 m/h，鄰井前 22-19C井在鉆壓、排量和轉速更高的條件下同層位鉆進機械鉆速僅為3.96 m/h。平均機械鉆速提高了39.9%，平均日進尺提高了37.92 m，鉆井綜合成本明顯降低。由于無固相鹵水鉆井液良好的攜巖效果減少了重復破巖，強抑制性避免了泥巖水化導致的地層可鉆性變差以及鉆頭泥包事故，優(yōu)良的潤滑性能更好地保證了鉆壓傳遞，使鉆進參數(shù)在不占優(yōu)勢的情況下產(chǎn)生更快的機械鉆速。

3.5 井壁穩(wěn)定性

從圖6中可以看出，前22-17C井側鉆井段井徑規(guī)則，由于無固相鹵水鉆井液的超強抑制性、封堵性和超低濾失量，無縮徑井段且井徑擴大率僅為8.1%。起下鉆作業(yè)安全順利，無任何刮卡現(xiàn)象，鉆井過程未發(fā)生任何復雜事故；后續(xù)完井作業(yè)中9趟電測自由下放均一次性到底，單扶通井、下套管作業(yè)均一次性成功，表明無固相鹵水鉆井液體系抑制性強，具有突出的井壁穩(wěn)定效果。

圖6 前22-17C井井徑曲線

4 結論

根據(jù)連續(xù)管鉆井工藝技術特點，以鹵水為基液，針對性地對流型調節(jié)劑、高效潤滑劑、抗鹽降濾失劑和鉆頭清潔劑進行了篩選，形成了適合連續(xù)管鉆井施工的無固相鹵水鉆井液體系，其基本配方為：鹵水+（0.1%～0.2%）NaOH+（0.2%～0.4%）HT-XC+（2.0%～3.0%）YLJ-1+（0.5%～2.0%）SDNR+（1.0%～2.5%）FT-1A+（1.0%～5.0%）SD-505+復合鹽密度調節(jié)劑。研制的無固相鹵水鉆井液具有較強的高溫穩(wěn)定性、抑制性及抗污染能力，同時具有良好的潤滑性及井眼凈化效果。無固相鹵水鉆井液在連續(xù)管鉆井現(xiàn)場施工中流變性穩(wěn)定易調整，攜砂能力強，潤滑防卡效果好，有助于機械鉆速提高，井徑規(guī)則，防止復雜事故，完全滿足連續(xù)管鉆井工藝要求。