水平井钻井液

1、水平井钻井液水平井钻井液前言 水平井钻井是钻井技术发展的必然产物，和钻直井相比涉及到新的工艺和新的技术措施，它对钻井液技 术提出了更高的要求，因此在水平井钻井液的设计和施工中，必须把握好钻井液的特性、分优钻井液性能、 钻井液参数的优选，这样才能安全、顺利的完成钻井任务，才可能取得更高的经济效益。从胜利油田钻水 平井的发展历史来看，套管结构在不断的简化，钻井周期在不断的降低，成本在不断的减少，当初钻二千 来米的水平井需三开完钻，现在钻将近五千米的水平井也只下两层套管，所取得的技术和经济效益是相当 可观的。所钻地层也由当初的较稳定的地层到现在的低压易漏失地层；钻井液的发展经历了水基、油基到 现在的

2、泡沫钻井液，水平井钻井液技术的持续、稳定发展，使我油田目前能钻各种类型、各种难度、不同井 深的水平井。一、水平井钻井液的发展 为提高水平井钻井液的携岩洗井效果，只有提高钻井液粘度和动切力，降低钻屑的下滑速度，避免岩屑 床的形成，但粘度太高不利于钻井的施工，提高动切力是有效的方法。为达到这个目的，胜利油田在最初 的几口水平井用聚腐粉 JFF 来改善钻井液这方面的性能，但 JFF 有它的局限性，作用时间不能持续长久， 处理量大时易使粘度迅速上升，在此基础上采用正电胶 MMH 来改善钻井液流变参数，可以大大地提高动 切力，施工方便、快捷。这两者处理剂实际上都是改善钻井液中粘土的性质，不同的只是JFF

3、 在施工时就已对粘土进行了处理，加入时同时会增加泥浆中的般土含量；而 MMH 是在施工之中进行，不可能增加钻 井中的般土含量 ,且作用时间长。润滑剂的种类可根据地质需要而选择不同的类型。二、钻屑在井下的运移状态 分析钻屑的运移情况，必须从钻井液的流变参数，当动切力越小，流型越显尖峰型，动切力越大，则呈 现平板型层流，以宾汉模式计算，钻井液的临界环空返速22 1/2Qc=D7716式中：Do 井眼直径（米）Di钻杆 钻井液密度（ Kg/m3）PV钻井液塑性粘度（ PaS）YP钻井液动切力（ Pa）从以上公式可以看出，当钻井液粘、切越高，越不易达到紊流。 水平井钻井液，要计算钻屑的滑落速度是相当困

4、难的，因为井下钻具始终是处于偏心状态的，钻井液的 流动主要是沿着井眼方向向上流，而很少沿着钻杆而呈螺旋性的流动。钻进中钻屑的滑落速度是钻井液性能、流变参数的函数，它主要与钻井液塑性粘度、岩屑密度、钻井 液密度和岩屑直径有关，而与钻井液动切力、静切力基本无关，钻井液动切力只改变钻井液流型，静切力 只是在钻井液静止的时候表现出钻井液的悬浮性能，流动壮态下基本表现不出来， Vs 计算方法较为复杂， 简单可表示为： Vs=0.706（Ds-D）2/D/PV）1/3 p式中： DS 钻屑密度（ Kg/m3） p 钻 屑等效直径： （米）因此，钻屑在井眼中的运动速度是环空上返速度和滑落速度的合速度，方向与

5、井眼的轴心有一个向下的 夹角，因此，当它运行一段距离后，会贴在井眼的下井壁而形成岩屑床。尽量避免岩屑床的形成，主要 有两方面的措施；一是提高钻井液动切力，改变钻井液流型，提高岩屑携带效果，使岩屑运动方向与井眼轴心的夹角尽可能的小，另一个是当钻井液静止时，应使钻井液呈 现出高的静切力，使滞留于钻井液中的钻屑不致于滑落于下井壁。 MMH 钻井液能较好的表现出这两方面 的性能，这就是水平井钻井液发展的产物。三、摩阻对钻井的影响钻具与井壁的摩阻 F=U XWXOOS 9U钻 具与井壁的摩擦系数W钻具重量9井斜角 钻井过程中，计算钻具与井壁间的摩擦力是相当复杂的，要精确计算几乎是不可能的，它主要以下几

6、方面的影响：1、摩擦系数 转速：钻具在井下的摩擦系数受到转速的影响较大，即静摩擦力和动摩擦力的关系，在相同的负荷下，转速越大，其摩阻越小，但在高速情况下会发生钻具的磨损，有时会显得摩阻增大。泥饼质量： 泥饼质量直接关系到摩擦系数的大小，泥饼薄可减少钻具与井壁的接触面积，韧性较好时与之接触的旋转的 钻具不会使它产生皱叠，这样可大大降低摩擦阻力，反之则相反，可极大地增加摩擦阻力。2、地层因素 当钻遇易膨胀的地层时，地层吸水导致缩径，当起下钻时可引起遇阻和拔活塞，活动钻具不畅，易发生卡钻事故，当往上强拉时，处于造斜井段的钻具会吃入井壁，使上提拉力大部份都消耗在井壁上，这时 要解卡是相当困难的，同时，

7、在井身结构不好的定向井也容易发生该类情况。克服该类情况的产生需要工 程和钻井液紧密配合，一是降低钻井液滤失量，二是加强在该井段上下拉划，及时破坏已缩径的井壁和减 少井壁的膨胀。3、润滑剂的影响影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液中的固相含量（劣质固相、加重剂）、钻井液中使用的润滑剂及乳化剂和钻井液体系及处理剂。 其中使用润滑剂是减少钻具与井壁摩阻最有效的方法，对于不同的井别， 对它使用有一定的限制，使用的种类不同其效果也不尽相同，一般说来，润滑剂的主要成份分子量越高、 并与钻井液越能配伍，则效果越好，胜利油田为解决水平井润滑问题，发明和研究了SN-2 水平井钻井液，较好的解决了水平井的润滑防卡

8、问题， SN-2 是一种强乳化剂，它能把原油乳化并强烈的吸附在粘土表面而 形成一层油膜富集层，使钻具在起下或钻进中保持与油膜接触，实际就是钻具躺在油膜上运动，大降低了 钻机的动力负荷。4、处理剂的影响 钻井液处理剂的合理配伍也可较好的解决钻具润滑，任何有机处理剂都是由亲油基和亲水基组成，实际上是 HLB 值很低的表面活性剂，它在维护好钻井液胶体的基础上，对润滑性的贡献表现在亲水基团吸附 在粘土表面和钻井液水相，因此在粘土表面就有一层束缚水化膜，因而在井壁表面上就可以形成一层束缚 水化膜，减少了钻具与井壁间的摩阻，尤其是高分子聚合物，由于它的特殊结构能强烈的吸附粘土和水分 子，并且能形成较大的网

9、状结构，使摩阻得以很好的改善。四、钻井液的防塌1、水平井眼的不稳定原因 水平井钻井过程中，造成井眼不稳定并发生坍塌的原因是由岩石力学和钻井液化学反应共同作用的结果， 井眼不稳定的具体表现在：地层坍塌或泥、页岩水化膨胀，引起井径扩大或缩小。和直井相比，水平井的井眼坍塌压力提高了，而破裂压力梯度则降低了，使坍塌层段变得更加不稳定， 在造斜段和水平井段，井眼的上侧井壁处于悬空状态，仅靠钻井液的液柱压力平衡地层应力和上井壁的岩 石重力，当发生抽吸时，上井壁失去力的平衡，加剧了井眼的坍塌，水平井的施工中，由于要更换动力钻 具，施工时间比直井长，钻井液对易塌井段的浸泡时间也就相应增加，要在坍塌的极限时间内

10、完成钻井作业有时是不 可能的，因此，对水平井钻井液来讲，必须采用比直井更有效的防塌措施，消除或减缓井眼不稳定现象 的产生。2、井眼防塌技术 要正确的解决好钻井液的防塌技术，必须对所钻地区的直井钻井液使用情况、地质构造进行祥细的调查 研究， 并做好造斜段以下地层岩石的理化性能分析， 研究坍塌机理及解决办法。研究钻井液的防塌技术主要 有以下几点需要解决；（1）钻井液类型必须能适应地层岩石理化性质要求；（2）合理确定钻井液密度，钻井液密度应稍高于地层压力而低于地层破裂压力；（3）钻井液必须具有较强的抑制能力，能有效的防止井壁吸水膨胀、坍塌，同时防止钻屑分散，以降 低劣质固相含量；（4）在泥页岩微裂缝

11、发育的井段，因其渗透强、易水化膨胀，因此钻井液要有在短时间内能有效封堵 泥、页岩微裂缝的作用；（5）降低钻井液滤失量、提高泥饼质量，使形成的泥饼成为一层井壁保护膜；（6）调整适当的钻井液流型、采用适当的钻井液环空返速，尽量降低钻井液对井壁的冲蚀；尤其是在 胶结性差的地层和砾石稠油层，应避免较高的环空返速；五、固控固相控制对钻井液的正常维护和处理是极其重要的，最大限度地减少地层造浆可对钻井液获得如下效益：（1）降低钻井的扭矩和摩阻；（2）降低抽吸压力和压力激动；（3）降低压差卡钻倾向；（4）增强井眼稳定性；（5）减少钻井液的排放，提高环境保护；（6）降低钻井液费用；当固相加入进水基钻井液后，钻井

12、液中的一些自由水以化学方式结合到上面。这样就减少了自由水含量， 从而提高了钻井液的粘度。 一定量的固体所吸附的水量取决于下列四个因素；固体颗粒尺寸、固体颗粒的活 性、液体的种类和钻井液所含的化学添加剂的种类和数量。这四者同时作用，其结果就是钻井液的粘度。合适的钻井液粘度是钻水平井成功的前提，过高的粘度会造成以下不利因素；（1）降低钻速；从而增加钻井液对井壁的浸泡时间；（2）增加泵的机械负荷；（3）不利于固相的清除。在水平井钻进中，由于钻屑容易沉积在下井壁，当钻具旋转和上下活动时，加剧了对它的研磨，使之进 一步分散，尽管增加处理剂加强了对它的抑制，但仍是不可避免的，对于起下钻，钻具都躺在下井壁，

13、不 可避免的刮落地层粘土进入钻井液，尤其是当钻井液失水过大，以上因素的重复作用，使得大量粘土呈亚 微米状态，使用三级固控设备难于除去，因此水平井一般都要求使用四级固控设备。六、油气层保护能力钻井的目的就是生产出商业的石油，因此，最重要的是正确的评价地层，以便更好的部署整个油区的勘 探开发计划，取得更高的经济效益。而当侵入的滤液过多和泥饼很厚时，造成地层孔隙被钻井液堵塞和滤 液与地层作用而形成的堵塞，不仅使评价地层变得困难，而且油气资源也被堵死在油层中，地层损害主要 集中在井壁周围，把井口和周围的地层分成若干个扁区，就会发现它象若干个漏斗，当漏斗底部被堵死， 油气自然也就不会被采出来。所以，钻水

14、平井是获得高产的工业油气流，如果不采取好的油气层保护技术， 则会造成投入多而产出少的情况。1、水平井与直井油气层保护的区别 直井中，钻屑运移比较简单，钻井液的粘切可以适当的低一些，但是水平井钻井液必须保持较高的粘 切，这就导致较高的循环压耗，也就是提高了钻井液的当量循环密度。钻井液的当量循密度D'为：D' =D+Pa/10H其中环空压耗 Pa 与与井深 H 成正比；因此，水平井钻进中，随着水平位移的增加，井底压力也随之逐渐增加，而地层压力基本上同垂直井深 保持一致，对同种类型的钻井液来说，水平位移越大，对油气层的损害就越大。为保证斜井中处于悬空状态 的上井壁的稳定， 有时需要较

15、高的钻井液密度， 这就进一步使得水平井的井底压力超过同类直井的井底压力， 如果不解决好，可能引起油气层损害。而直井的的井底压力与地层压力成线性关系，不存在井底压力过大 的情况，相对的对油气层保护较好解决。2、油气层保护的具体措施 油基钻井液油基钻井液对油气保护具有独特的优点：它的液相与油气性质一致，不会与地层和油气发生作用而形成 贾敏效应的孔道堵塞、它含胶质成份多，具有较低的滤失量，胶质成份能溶于油气，不对油形成损害、能很好的抑制泥页 岩水化分散、有较好的润滑作用和防腐作用。所以它常用于强水敏性地层和塔里木油田“稀井高产”的水平井钻进，并且见到了很好的效果。屏蔽暂堵技术 不分散聚合物钻井液七、钻井液的现场维护方法井漏方法的处理：1、降低钻井液密度以达到减少钻井液液柱的压力，该类井通常发生在草桥油田的砾石易漏地层。2、循环时尽量以低泵压循环，以达到降低井底当量循环密度。3、适当提高钻井液的悬浮稳定性，改善其携岩能力，保持井眼清洁，避免沉砂而引起的憋泵再导致把 地层憋漏。4、 适当提高钻井液粘度，加入各种堵漏剂（如单向压力暂堵剂） ，并配合适