水平井钻井液

水平井钻井液4.1水平井应用范围水平井技术在油气田开发中除能大大增加油气井产量外，还能解决许多直井或普通定向井无法实现的目标。目前水平井常用在下面几个方面：1） 天然破碎性油藏；2） 存在水锥、气锥的储层；3） 薄的产层；4） 低渗透油藏；5） 非均质复杂地层；6） 低能量油藏；7） 增加油气采收率。4.2水平井分类根据造斜井段的曲率半径，一般把水平井分为三大类:水平井类型造斜率曲率半径长半径水平井1o—6o/30m300—900m中半径水平井8o—20o/30m90—210m短半径水平井150o一6—12m300o/30m4.3水平井钻井液的选择要求对直井钻井液的要求同样适用于水平井，除此之外，水平井钻井液还需特别注意以下几个方面：1） 储层保护；2） 井眼清洁；3） 润滑性；4） 抑制性；5） 适当的密度；6） 经济性；7） 环境问题。4.4水平井的井眼净化随着井斜的增加，钻井液中的固相颗粒因偏心力的作用而向下井壁沉降产生钻屑床，给清除钻屑带来困难。井眼净化的一般规律是：环空流速是影响钻屑输送的关键因素，在不超出泵排量或流动限制的前提下尽可能提高流速有利于改善钻屑的清除效率。在层流条件下，提高动塑比有利于清除钻屑；而在紊流下，泥浆的流变性对钻屑的清除影响不大，这一点适用于各种斜度的井。钻杆偏心时，因环空窄的部分泥浆流动速度下降而使钻屑的输送更困难。如果环空流态为层流，可用稀的紊流清扫液接稠的塞流携带液洗井，前面的稀液搅起钻屑再由后面稠液带出井眼，这种方法对井眼清洁很有帮助。机械作用能够弥补水力学清洗井眼的不足。循环洗井时，在可能的前提下，保持钻柱一边旋转一边上下活动，可以扰动钻屑床，使钻屑的清除效率得到提高。井斜角是影响井眼净化的基木因素，井斜角从0o到90o，可分为三个井斜角区段，每个区段的井眼净化存在一些差异。0~30o区段：用高动塑比层流携砂具有最佳清洁井眼的效果。在木区段，钻屑床开始在低井壁上形成。30o~60o区段：层流和紊流具有相同的清洁效果，层流时，动塑比越高净化效果越好；紊流时，泥浆流变性对钻屑输送影响甚微。此井斜区段，钻屑床有向井底滑动的可能。60o〜90o区段：紊流提供最佳的钻屑输送能力，而高动塑比则有利于改善层流携砂时的能力。钻屑床在此井斜区段不会向井底滑动。注意：选择流态时必须考虑地层的承受能力。4.5水平井的扭矩与摩阻在大斜度井眼中，钻杆与井壁接触之间存在显著的运动摩擦阻力。当摩阻足够大时，它就成了水平井或大位移延伸井的制约因素。由于影响扭矩和摩阻的因素很多，因此要判定引起井下阻力增加的原因有时是很困难的。解决水平井的扭矩和摩阻问题应从钻井工艺和钻井液两方面着手。此处仅限于钻井液方面。通过降低钻井液的API和HTHP滤失量，形成薄而韧的可压缩泥饼，使用润滑性能优良的钻井液体系，有助于降低水平井的摩阻问题。大部分油基泥浆的润滑系数在0.08〜0.09之间，各种水基钻井液的润滑系数在0.2〜0.35之间，在加入适当的润滑剂后水基泥浆的润滑系数可下降到0.10以下。为保持较好的摩阻控制，水平井钻井液的润滑系数必须保持在0.10以下。水基钻井液润滑性的改善，可以通过添加润滑剂的方法来实现。惰性固体润滑剂：主要有石墨、炭球、塑料小球、玻璃微珠及坚果圆粒等，它们的作用似滚珠，存在于井壁和钻柱之间，将滑动摩擦变为滚动摩擦，大幅度降低扭矩和阻力。其中塑料小球优点最多，它不溶于水和油，密度1.03-1.05g/cm3，可耐温205oC以上，可与水基和油基钻井液配伍使用。粒度从8日到100日，粗细应搭配使用，一般来说粗颗粒的润滑作用更好，但易被筛除。塑料小球的加量一般为1〜2%，可降低扭矩35%左右，降低起下钻阻力20%左右。极压润滑剂:在高压下极压润滑剂可在金属表面形成一层坚固的化学膜，以降低金属接触界面的摩阻，故更适应水平井钻柱对井壁在高的侧压力情况下的降摩阻需要。PF-LUBE、BIT-LUBE均是极压润滑剂，加量一般为0.5—1.0%。无毒润滑剂：是一种不含双键的有机物，无生物毒性，不污染环境，不丁扰地质录井，润滑作用相似于极压油基润滑剂，可用于环境敏感地区的钻井作业。此类润滑剂如PF-JLX，加量一般为1〜3%。4.6水平井井眼稳定水平井井眼稳定受力学和化学两个方面的影响。井眼失稳是压缩或拉伸破坏造成的结果，地层破裂源于拉伸破坏，而井眼缩小和井役扩大源于压缩破坏。当井眼内压力超过周围岩石张力强度时，井眼被压裂。当井眼内压力过低，周围岩石的挤压力超过它时，井璧就可能坍塌。正确选择钻井液密度使其既能满足支撑井璧防止坍塌的要求，又要防止密度过大压裂地层，这是解决井眼稳定力学问题的主要途径。对垂直井而言传统的密度选择方法是根据地层孔隙流体压力和地层岩石破裂压力，在孔隙流体压力的基础上附加一个合理的压力值来确定泥浆的密度。对水平井来说，除孔隙流体压力外，还应考虑水平井状态下岩层失去平衡的那部分支撑负荷即井眼坍塌压力，它随井斜角增大而变大。井眼坍塌压力梯度可根据原始地层应力岩石强度和孔隙流体压力估算出来。为了使估算比较准确，需要进行岩石压裂实验通过实验数据来估算地层原始应力和岩石强度。水平井的钻井液密度应由井眼坍塌压力和破裂压力确定。在其它条件相同的情况下，随着井斜角增大，钻井液的密度选择范围将变窄既坍塌压力与破裂压力更接近。水平井的井眼稳定还受井眼走向的影响，在地壳构造应力区，若地壳构造应力中一个横向地层原始应力大于另一个横向地层原始应力，井眼沿最小地层原始应力方向倾斜比沿大的构造应力方向钻进，井眼更稳定。模拟实验还表明，岩石的坍塌次序是碳酸盐最易坍塌，其次是页岩，而砂岩最稳定。从井眼深度看，一般是井眼越深越易坍塌。化学因素引起的井眼不稳定，主要是由于钻井液的浸泡使井眼周围的岩石强度变弱而使井眼变得容易坍塌。在易坍塌层钻进，由于斜井或水平井比直井的井段更长，在直井中不出现坍塌的地层，在斜井或水平井中也可能出现坍塌。对于这样的问题，解决井眼不稳定的途径有两个：一方面从钻井工艺上，改长曲率半径井为中短曲率半径井，可减少易塌裸眼井段的长度；另一方面是从钻井液的性能上加以改善，使钻井液具有更强的抑制性和良好的造壁性，水平井钻井液的HTHP滤失量应控制在10ml以内。4.7水平井漏失问题4.7.1水平井井漏的原因：钻井过程中发生井漏必然具备两个条件，一是要有足够大的岩石裂缝（应大于钻井液中最大固相颗粒的粒径）；二是有比地层孔隙压力大的井眼液柱压力即存在压差。水平井钻井因为一些特殊的原因，使得钻井过程中发生井漏的机会比直井大得多，因为开发后期的储层（能量已降低）和裂缝性储层往往是选择水平井开发的主要类型，而这两类地层恰恰是容易发生井漏的地层。水平井漏失因钻井液方面的原因归纳起来有：在垂直井深和地层孔隙压力相同的情况下，水平井钻井液的循环压降随井眼的延伸而增加，增大了钻井液的循环当量密度；水平井容易形成钻屑床，环空岩屑浓度高使环空流动通道变窄，引起流动阻力增大，增大了对地层的压差；为了改善井眼净化条件，水平井常采用增大批量和提高钻井液粘度的措施，因而产生更大的流动阻力，增大了钻井液的循环当量密度；水平井钻井由于地层受力的变化，常常需要比直井更高的钻井液密度才能稳定井璧，这就产生了更大的钻井液液柱压力，增大了压差；随着井斜角增加，地层的坍塌压力一般是随之增大，而地层的破裂压力却是随之降低，这样就使钻井液密度实际的可调范围变窄，更容易发生井漏。4.7.2防漏堵漏措施：确定合理的钻井液密度，使钻井液的循环当量密度小于地层的破裂压力梯度;确保井眼净化，环空钻屑浓度不应超过5%,应着重从提高钻井液的携岩能力入手，避免因提高返速增大的井漏危险；控制钻井液的流变性能，减少钻井液的环空循环压降；减少压力激动的影响；运用屏蔽暂堵技术来加固井璧防止井漏；采用低密度流体钻进。4.8水平井的储层保护由于水平井在产层中钻进的井段很长，钻井液与储层接触的面积和时间大大的增加，钻井液对储层损害的机会也相应地增大。钻水平井的目的是要提高油气井的产量，为了使水平井达到尽可能高的产能，就必须使水平井钻井液具有保护储层的能力，使储层损害控制在最低程度，为此，选择用于水平井的钻井液，必须测试它与储层岩心的相容性，只有那些渗透率恢复值至少大于80%的钻井液，才可用于水平井钻井，渗透率恢复值小于80%的钻井液必须进行改造，使其达到80%以上，否则应避免使用。引起储层损害的原因有：钻井液中的固相颗粒堵塞储层的孔喉;地层中粘土矿物的水化；地层中微粒的运移；储层岩石润湿性反转；产生不溶解的沉淀物；水锁；乳化堵塞4.9水平井钻井液体系根据水平井钻井特殊性对钻井液的要求，选择或设计水平井钻井液首先应有利于保护油气层并容易转化成完井液，其次是钻井液有较好的抑制性、较好的润滑性、较好的流变性、较好的悬浮携屑能力和防漏能力并被环境所接受。4.9.1油基钻井液体系油基钻井液具有许多优点：它对储层损害最轻；有很好的润滑性，可显著降低起下管柱时的摩擦阻力和钻进时的扭矩；对井眼的稳定能力最高；受外界因素影响较小；性能可保持长期稳定。因此，在水平井钻井中油基泥浆被优先考虑使用。油基钻井液存在的不足是成木较高，易产生环境污染，携屑和井眼清洁能力较差。4.9.2合成基钻井液体系合成基钻井液解决了传统油基泥浆的环境污染问题，它的优点和不足与传统油基泥浆相似，而且它的润滑性能甚至超过了传统油基泥浆，但成木也比传统油基泥浆高。4.9.3聚合醇水基钻井液体系聚合醇水基钻井液（PEM泥浆）是在传统的水基聚合物泥浆中加入聚合醇添加剂，使水基钻井液的润滑性和抑制性得到显著提高，性能上达到接近油基钻井液的水平。水基钻井液中加入5%的聚合醇处理剂（如PF-JLX），钻井液润滑系数可下降80%以上。聚合醇水基钻井液体系可代替油基钻井液用于环境敏感的地区。4.9.4水基聚合物钻井液体系这类体系如KCl/PHPA钻井液、阳离子聚合物钻井液等，主要用于砂岩储层的水平井钻进。优点：环境污染小，成木较低，性能易调节，有利于井漏的预防和处理。缺点：润滑性欠佳，保护油气层能力不够，洗井能力不足。4.9.5无粘土盐水钻井液体系该体系由无机盐（KCl、N