王平雙,邢希金,劉書杰(中海油研究總院,北京 100027)
羅剛,舒福昌(荊州市漢科新技術研究所,湖北 荊州 434000)
一般認為井筒中大于90%的井眼直徑小于7in(1in=2.54cm)或70%的井眼直徑小于6in的井稱為小井眼井。但周煌輝等認為穿透目的層的井段是用小于7in鉆頭鉆成的井眼也可以稱為小井眼[1]。
小井眼鉆井的關鍵技術是環(huán)空水力學。它不僅涉及到環(huán)空鉆屑舉升、環(huán)空壓耗、井壁穩(wěn)定、鉆具與井壁的潤滑等,還與正確選擇鉆井工藝參數(shù)有關[2]。環(huán)空壓力損失很高,成為小井眼水力學研究中必須首先研究的核心問題[3]。筆者根據(jù)海上某井的井身結構,結合小井眼對鉆井液的要求,研究出了適合該井的小井眼鉆井液。該體系既具有常規(guī)鉆井液良好的綜合性能,又很好地控制了鉆井液的當量循環(huán)密度(ρec),從而保證小井眼鉆井施工的安全。
室內通過大量處理劑的優(yōu)選以及處理劑加量對鉆井液性能影響規(guī)律的研究,最終研究出了適合海上某井小井眼鉆井液的配方,其基本配方為:
100ml海水+0.2gNa2CO3+0.3g包被劑PF-PLH +0.2g流型調節(jié)劑PF-XC+2g降濾失劑 HFL-X+2g頁巖防塌劑PF-TEX+2g潤滑劑HLB+2g防水鎖劑HAR-D,甲酸鈉加重到1.25g/cm3,重晶石加重到1.50g/cm3。
該配方鉆井液的基本性能見表1。
表1 小井眼鉆井液基本性能
配方:100ml海水+0.2gNa2CO3+0.3g包被劑PF-PLH +0.2g流型調節(jié)劑PF-XC+2g降濾失劑HFL-X+2g頁巖防塌劑PF-TEX+2g潤滑劑 HLB+2g防水鎖劑 HAR-D,甲酸鈉加重到1.25g/cm3,重晶石加重至所需密度。
表2 不同密度小井眼鉆井液性能
從表2中數(shù)據(jù)可以看出,隨著密度的增大,體系τd和μp均有所增加,體系總體性能變化不大。說明研制的小井眼鉆井液體系流變性能穩(wěn)定,在一定的密度范圍可調。
小環(huán)空間隙致使鉆具容易發(fā)生卡鉆,鉆井液應能抑制地層造漿以防止塑性泥頁巖地層水化膨脹產生縮徑,維護井壁穩(wěn)定,避免發(fā)生井塌、卡鉆等復雜情況。室內對研制的小井眼鉆井液抑制能力進行了評價,主要從巖屑的150℃條件下熱滾回收率和16h線性膨脹率兩個方面來進行評價,熱滾回收率高和線性膨脹率小,說明體系的抑制性能好。結果表明:鉆屑在小井眼鉆井液體系中的熱滾回收率高達92%,16h的線性膨脹率僅為9.5%,說明研制的小井眼鉆井液體系具有很強的抑制黏土水化能力。
由于小井眼的環(huán)空間隙小,要求鉆井液必須具備良好的潤滑性以改善摩阻和減小鉆具黏卡機會。室內采用E-P極壓潤滑儀分別測定潤滑劑HLB不同質量濃度的極壓潤滑系數(shù),結果見表3。由表3結果表明,潤滑劑HLB加入后,體系極壓潤滑值明顯降低,說明極壓潤滑劑加入后能夠明顯地改變體系的潤滑性能,有助于降低鉆井過程中的摩阻、降低扭矩,能夠有利于減少井下復雜情況的發(fā)生。
表3 小井眼鉆井液的潤滑能力
環(huán)空間隙小是小井眼井身結構的一個主要特點,所以鉆井液密度的使用范圍變窄。小間隙環(huán)空的存在極易造成井漏、壓差卡鉆及喪失循環(huán)等情況的出現(xiàn)。因此合理控制ρec,是解決小井眼鉆井液密度窗口的安全以及快速鉆井的關鍵問題。
研究和實踐表明,鉆井液的ρec可定義為鉆井液的當量靜態(tài)密度與鉆井液流動造成環(huán)空壓力損失轉化的密度之和[4],其計算方法可用如下方程表示:
式中:ρec為當量循環(huán)密度,g/cm3;ρes為鉆井液靜態(tài)密度,g/cm3;Δp 為環(huán)空壓耗,Pa;g 為重力加速度,9.8m/s2;H 為井深,m。
海上某井主要采取四開結構,斜深4546.0m,垂深3887.0m。其中三開和四開的套管程序為7in×3700m+6in×816m,鉆桿程序為5in×3700m+4in×816m,具體井身結構見圖1。
根據(jù)力學試驗分析,海上某井始新統(tǒng)平湖組中段及以后破裂壓力對應的鉆井液當量密度為2.1g/cm3。這就要求下部四開6in井眼鉆井液的ρec必須小于2.1g/cm3才能保證安全施工的要求。
在小井眼鉆井過程中,機械轉速、泵排量、鉆具的偏心度以及鉆屑入侵等都會影響到ρec值,分別對各影響因素的ρec值進行了計算,從而驗證室內研制的小井眼鉆井液體系是否滿足海上某井鉆井作業(yè)要求。
1)轉速對ρec的影響 在鉆井施工的過程中,鉆桿的機械轉速對小井眼的水力參數(shù)有非常大的影響。室內以泵排量 0.8m3/min為條件,對密度為1.50g/cm3的小井眼鉆井液在不同轉速下的ρec進行了計算,結果見圖2。由圖2看出,轉速增加鉆井液的ρec隨之增加,當機械轉速在60~160r/min變化時,ρec在1.667~1.704g/cm3之間變化,沒有超過目標井位井漏發(fā)生的極限ρec,說明研制的小井眼鉆井液不會因為機械轉速過高引起ρec劇烈上升而壓漏地層。
2)泵排量對ρec的影響 在鉆井施工的過程中,不同的泵排量對小井眼的水力參數(shù)有很大的影響。室內以轉速100r/min為條件,對密度為1.50g/cm3的小井眼鉆井液在不同泵排量下的ρec進行了計算,結果見圖3。由圖3看出,隨著泵排量的增加,鉆井液的環(huán)空壓耗及ρec隨之增加,當泵排量在0.6~1.2m3/min變化時,ρec在1.668~1.717g/cm3之間變化,沒有超過目標井位井漏發(fā)生的極限ρec,說明研制的小井眼鉆井液不會因為現(xiàn)場泵排量過高引起ρec劇烈上升而壓漏地層。
圖1 海上某井的井身結構示意圖
圖2 機械轉速對ρec的影響
圖3 泵排量對ρec的影響
3)偏心度對ρec的影響鉆具的偏心度也對小井眼的水力參數(shù)會造成一定的影響。室內以轉速100r/min和泵排量0.8m3/min為條件下,對密度為1.50g/cm3的小井眼鉆井液在不同泵排量下的ρec進行了計算,結果見圖4。由圖4看出,隨著鉆具偏心度的增加,鉆井液的ρec隨之減小,當偏心度在0~0.4之間變 化 時,ρec在 1.686 ~1.682g/cm3之間變 化,沒有超過目標井位井漏發(fā)生的極限ρec。
圖4 鉆具偏心度對ρec的影響
圖5 鉆屑污染對ρec的影響
4)鉆屑污染量對ρec的影響 在鉆井過程中,因為各種原因,鉆屑侵入鉆井液是不可避免的,從而導致鉆井液固相含量增加,影響環(huán)空壓耗及ρec。室內以轉速100r/min和泵排量0.8m3/min為條件,計算了鉆屑侵入對ρec的影響,結果見圖5。由圖5看出,隨著鉆屑侵入量的增加,鉆井液的ρec隨之增加,當鉆屑污染量為10%時,ρec僅僅由1.50g/cm3增加到1.691g/cm3,說明鉆屑的侵入對所研制的小井眼鉆井液的ρec影響很小。
1)室內研制出了適合密度為1.50g/cm3的小井眼鉆井液的配方。
2)通過對所研制的小井眼鉆井液體系常規(guī)綜合性能的評價,發(fā)現(xiàn)該體系表現(xiàn)出了良好的流變性、高溫濾失量、抑制性和潤滑性等綜合性能。
3)結合海上某井的具體情況,對研制的小井眼鉆井液體系在不同情況下的ρec進行了計算,結果表明該體系的ρec得到了良好的控制,不會超過井底破裂壓力,從而保證了施工安全。
[1]周煜輝,趙凱民 .小井眼鉆井技術 [J].石油鉆采工藝,1994,16(2):16~24.
[2]李少池,周煜輝 .小井眼環(huán)空水力學評述 [J].石油鉆采工藝,1997,19(5):27~31.
[3]汪海閣,白仰民,高振果,等 .小井眼環(huán)空壓耗的室內實驗研究 [J].石油鉆采工藝,1998,20(4):9~15.
[4]趙勝英,鄢捷年,李懷科,等 .高溫深井鉆井液當量循環(huán)密度預測模型 [J].鉆井液與完井液,2009,26(2):31~34.