大位移井抗高溫低摩阻鉆井液室內(nèi)研究

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

侯珊珊，王佳，趙春艷

(荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

在大斜度井的鉆井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于水平位移長(zhǎng)、井斜大、鉆具與井壁或套管的接觸面積大，鉆井扭矩和摩阻隨之增大，鉆井托壓、劃眼、卡鉆等復(fù)雜事故極易發(fā)生[1～3]。在大位移井鉆井過(guò)程中，鉆井液性能優(yōu)劣對(duì)鉆井扭矩、摩阻及井壁穩(wěn)定性和井眼清潔均有著重要影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)大位移井水基鉆井液體系開(kāi)展了大量研究，但與國(guó)外相比還有一定差距，如抗高溫、潤(rùn)滑等性能較差，制約了水基鉆井液在大位移井中的應(yīng)用[4～7]。為此筆者通過(guò)試驗(yàn)研究，構(gòu)建了一套適合大位移井鉆井需要的水基鉆井液體系。該鉆井液體系解決了鉆井過(guò)程中的摩阻扭矩和高溫穩(wěn)定性問(wèn)題，可作為大位移井鉆井液進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 大位移井鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1.1 井壁穩(wěn)定性

油氣開(kāi)采過(guò)程中，鉆遇過(guò)的地層50%以上是泥頁(yè)巖地層，泥頁(yè)巖遇水容易出現(xiàn)水化膨脹，且隨著鉆井逐漸趨向大斜度井和水平井，水垂比越來(lái)越高，井下出現(xiàn)大段的懸空井段，更易引起井壁失穩(wěn)等復(fù)雜問(wèn)題。

1.2 高摩阻和大扭矩

大位移井由于水平位移長(zhǎng)、水垂比高，鉆具與井壁或套管質(zhì)檢的接觸和摩擦面積逐漸增大，加劇了鉆具與井壁間的摩阻扭阻力，此時(shí)鉆井液潤(rùn)滑效果不佳則會(huì)加大鉆井過(guò)程中的阻力，易引起憋扭矩、起下鉆困難等問(wèn)題。同時(shí)，大位移井的井斜角大、裸眼段長(zhǎng)，大井斜角在重力作用下井壁易形成巖屑床堆積，由于井眼四周應(yīng)力分布出現(xiàn)差異，可能造成井眼變形，加大鉆井過(guò)程中的摩擦阻力，影響鉆進(jìn)效率。

1.3 高溫穩(wěn)定性

大位移井逐漸向深井開(kāi)采，深井大位移井的目的層和水平段相對(duì)較深，地溫梯度高，井眼軌跡復(fù)雜，高溫特性對(duì)于鉆井液的性能提出了更高的要求和挑戰(zhàn)[8，9]。

2 潤(rùn)滑劑NC-1的制備與性能評(píng)價(jià)

2.1 潤(rùn)滑劑NC-1的制備及評(píng)價(jià)方法

高分子脂肪酸具有較好的潤(rùn)滑效果，為了獲得更好的潤(rùn)滑效果，通過(guò)對(duì)高分子脂肪酸改性，同時(shí)引入納米減摩劑和高溫穩(wěn)定劑，制備了具有高效潤(rùn)滑和強(qiáng)減摩效果且抗溫效果較好的潤(rùn)滑劑NC-1，構(gòu)建了一套潤(rùn)滑劑性能評(píng)價(jià)方法(包括基漿潤(rùn)滑系數(shù)降低率、抗磨能力、黏滯系數(shù)降低率)，綜合評(píng)價(jià)NC-1的潤(rùn)滑效果。性能評(píng)價(jià)方法如下：

1)基漿的配制 400mL淡水+6%專用鈉土，高速攪拌20min后養(yǎng)護(hù)24h待用。

2)潤(rùn)滑系數(shù)降低率 使用美國(guó)Fann潤(rùn)滑儀，按照SY/T 6094-94《鉆井液用潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)程序》對(duì)鉆井液進(jìn)行潤(rùn)滑性評(píng)價(jià)。潤(rùn)滑系數(shù)K和潤(rùn)滑系數(shù)降低率Kf計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：Dz、Ds分別為鉆井液和水在儀器表盤上的讀數(shù)；Kj、Ky分別為基漿和樣漿的潤(rùn)滑系數(shù)，1。

3)抗磨能力 使用KMY201-1A抗磨試驗(yàn)機(jī)，在不斷加砝碼的過(guò)程中，鋼球與滑塊抱死卡停，通過(guò)加壓砝碼的塊數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑減阻能力。

4)黏滯系數(shù)降低率 使用NZ-3A黏滯系數(shù)測(cè)定儀。在工作滑板傾斜條件下，放在泥餅上的滑塊受向下的重力作用，當(dāng)克服黏滯力后開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，滑板對(duì)應(yīng)的傾斜角度即反映相應(yīng)的摩擦系數(shù)。按照函數(shù)表查得與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)值，即泥餅的黏滯系數(shù)。黏滯系數(shù)降低率的計(jì)算同潤(rùn)滑系數(shù)降低率。

2.2 潤(rùn)滑系數(shù)降低率和抗磨能力評(píng)價(jià)

分別向6%淡水膨潤(rùn)土漿和6%海水膨潤(rùn)土漿中加入2% NC-1，高速攪拌20min后于常溫下使用極壓潤(rùn)滑儀、抗磨試驗(yàn)機(jī)和黏滯系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試鉆井液的性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1數(shù)據(jù)可知，加入NC-1后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)明顯下降，潤(rùn)滑系數(shù)降低率高達(dá)90%以上；當(dāng)基漿中分別加入10%NaCl和10%KCl時(shí)，體系降低率仍達(dá)到80%和70%以上，表明該劑抗無(wú)機(jī)鹽NaCl、KCl效果較好；同時(shí)，鉆井液抗磨能力都達(dá)到了10塊，表明NC-1具有較好的抗磨能力。

表1 潤(rùn)滑劑在基漿中性能評(píng)價(jià)

注：抗磨試驗(yàn)機(jī)砝碼最高只能達(dá)到10塊。

2.3 潤(rùn)滑效果對(duì)比評(píng)價(jià)

筆者將NC-1與常用潤(rùn)滑劑的各項(xiàng)潤(rùn)滑性能進(jìn)行對(duì)比，所用基漿均為6%膨潤(rùn)土漿，老化溫度為150℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，隨著潤(rùn)滑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鉆井液潤(rùn)滑效果逐漸升高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)基本穩(wěn)定，其中NC-1的潤(rùn)滑效果最佳，優(yōu)于其他常用潤(rùn)滑劑。

2.4 抗溫性評(píng)價(jià)

向6%淡水膨潤(rùn)土漿中加入2% NC-1，高速攪拌20min后分別于100、120、140、160℃下老化16h后測(cè)定潤(rùn)滑性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著老化溫度升高，加了NC-1的潤(rùn)滑性緩慢下降，160℃時(shí)潤(rùn)滑系數(shù)降低率和黏滯系數(shù)降低率分別在85%和75%以上，但仍具有較好的潤(rùn)滑效果；抗磨能力可達(dá)9塊砝碼，表明該潤(rùn)滑劑抗溫性較好。

圖1 NC-1與常用潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑效果對(duì)比 圖2 潤(rùn)滑劑抗溫性評(píng)價(jià)

3 大位移井鉆井液體系優(yōu)化與性能評(píng)價(jià)

針對(duì)大位移井地層特點(diǎn)，在研制高效潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選出聚胺抑制劑，同時(shí)輔以無(wú)機(jī)鹽KCl、NaCl進(jìn)一步加強(qiáng)鉆井液體系的抑制性；由于大位移井的地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜及高溫特性，對(duì)鉆井液體系的其他處理劑具有較高要求。室內(nèi)優(yōu)選抗高溫樹(shù)脂類為大位移井鉆井液用降濾失劑，優(yōu)選了封堵防塌劑、黃原膠XC和部分水解聚丙烯酸酰胺PLUS為增黏包被劑。

以包被劑、聚胺抑制劑、潤(rùn)滑劑、降濾失劑、防塌劑為試驗(yàn)因素開(kāi)展正交試驗(yàn)，以表觀黏度、API濾失量、高溫高壓濾矢量、潤(rùn)滑系數(shù)為影響因素做出極差分析，對(duì)各個(gè)處理劑的加量進(jìn)行確定，最終建立了抗高溫低摩阻鉆井液體系配方，該體系配方如下：2%膨潤(rùn)土漿+0.3%燒堿+0.2%NaCO3+0.4%PLUS+0.3%XC+3%SMP-2+3%SPNH+5%KCl+10%NaCl+2%NC-1+3%聚胺+3%防塌劑+重晶石(以上配方均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

3.1 流變性能和濾失性能評(píng)價(jià)

以構(gòu)建的鉆井液體系為基礎(chǔ)配方，進(jìn)行該鉆井液體系不同密度下的流變性能和濾失性能評(píng)價(jià)，老化溫度為160℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2數(shù)據(jù)可知，隨著密度的增加，表觀黏度、塑性黏度逐漸增加，當(dāng)密度達(dá)到1.6g/cm3時(shí)表觀黏度較大，但仍具有較好的流變性能；API濾失量均小于4mL，高溫高壓濾失量隨密度增加緩慢增加，總體均小于12mL，各項(xiàng)性能良好。

表2 鉆井液流變性能和濾失性能評(píng)價(jià)(老化溫度160℃)

3.2 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)測(cè)定了大位移抗高溫低摩阻鉆井液體系經(jīng)160℃老化16h后的潤(rùn)滑系數(shù)、黏滯系數(shù)和抗磨能力。該鉆井液體系老化后潤(rùn)滑系數(shù)低至0.07，黏滯系數(shù)低至0.09，抗磨能力達(dá)到10塊砝碼，綜合潤(rùn)滑效果較好。

3.3 抑制性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)配制鉆井液350mL，選取6～10目的泥巖鉆屑50g測(cè)定鉆井液的滾動(dòng)回收率；另外配制鉆井液配方的膠液，通過(guò)中壓濾失儀取得濾液10mL，使用離心管測(cè)定膨潤(rùn)鈉土的體積防膨率；同時(shí)壓得濾液300mL，將其與清水進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)其對(duì)黏土巖心的高溫高壓線性防膨率。優(yōu)選配方滾動(dòng)回收率和體積防膨率均達(dá)到95%以上，高溫高壓線性防膨率達(dá)80%以上，抑制黏土水化膨脹的能力顯著。

3.4 抗溫性評(píng)價(jià)

配制密度為1.6g/cm3的低摩阻鉆井液，分別是100、120、140、160℃下老化16h后測(cè)定鉆井液體系性能，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3數(shù)據(jù)可知，100～140℃老化溫度時(shí)，鉆井液體系高溫高壓濾矢量低于10mL，各項(xiàng)性能良好；隨著溫度的升高，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度有所降低，濾失量緩慢增大，160℃時(shí)體系流變性和濾失性能仍在合理的控制范圍內(nèi)，說(shuō)明該鉆井液體系能抗160℃高溫。

表3 鉆井液抗溫性能評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)高分子脂肪酸改性同時(shí)引入納米減摩劑和高溫穩(wěn)定劑制備了具有高效潤(rùn)滑、強(qiáng)減摩效果且抗溫效果較好的潤(rùn)滑劑NC-1，別入2% NC-1后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)90%以上，抗磨能力達(dá)到10塊砝碼。

2)針對(duì)大位移井高摩阻、大扭矩問(wèn)題，構(gòu)建了一套適合大位移井鉆井需要的水基鉆井液體系，該體系潤(rùn)滑系數(shù)低至0.07，黏滯系數(shù)低至0.09，抗磨能力達(dá)到10塊砝碼，滾動(dòng)回收率和體積防膨率均達(dá)到95%，潤(rùn)滑、抑制效果顯著。

3)160℃老化下鉆井液體系流變性和降濾矢效果良好，抗高溫性好。