高密度鉆井液流變性調(diào)控技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：針對(duì)高密度鉆井液固相含量高、流變性難以控制這一難題，實(shí)驗(yàn)研究了加重材料的粒度級(jí)配與自由水對(duì)鉆井液流變性的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出密度高達(dá)2.60g/cm3的高密度鉆井液。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該高密度鉆井液具有良好的流動(dòng)性和懸浮穩(wěn)定性。河壩1-1D井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該高密度鉆井液性能優(yōu)良，完全能夠滿足大斜度段鉆井施工的需要。

關(guān)鍵詞：高密度鉆井液河壩1-1D井流變性自由水粒度級(jí)配

由于深井井底溫度高，高密度鉆井液流變性調(diào)控難度相當(dāng)大。一般而言，高密度鉆井液固相含量非高，當(dāng)鉆井液密度高達(dá)3.00g/cm3時(shí)，固相含量極高（若用重晶石作加重劑，其體積分?jǐn)?shù)將大于60%）。如果固相粒子分散性增強(qiáng)，巨大的固相粒子比表面積通過(guò)潤(rùn)濕和吸附作用使得整個(gè)體系的自由水含量大幅度減少，導(dǎo)致體系的鉆屑容量限降低，一旦遇到外來(lái)物的污染，固相粒子極易連接形成結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致體系粘切增高，體系的流變性和沉降穩(wěn)定性之間的矛盾十分突出[1，2]。為此開(kāi)展了高密度鉆井液流變調(diào)控技術(shù)的研究，并在河壩1-1D井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆進(jìn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，起下鉆沒(méi)有遇阻遇卡現(xiàn)象，滿足了安全快速鉆進(jìn)的需要，表明該套鉆井液完全能夠滿足大斜度井段鉆井需要。

1 粒度級(jí)配對(duì)流變性的影響

將重晶石粉用篩子分成粒徑分別為100目～400目和小于400目?jī)煞N，通過(guò)改變兩種不同粒徑重晶石粉的配比，探索粒度級(jí)配對(duì)鉆井液流變性的影響規(guī)律。所用重晶石粉的密度為4.20g/cm3。實(shí)驗(yàn)所用的鉆井液配方：基漿 +0.2%DriscalD+1%SD-101+2%SD-202+0.2%LV-CMC+1%KFT-II+重晶石，基漿為6%膨潤(rùn)土漿，約加重至密度2.40g/cm3。鉆井液配制后在150℃下老化24小時(shí)。粒度級(jí)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在顆粒粒度分布較為集中的1#和6#鉆井液的表觀黏度很高，隨著重晶石粉顆粒粒度分布范圍變寬，鉆井液的表觀黏度降低且存在最小值。

2 自由水對(duì)流變性的影響

自由水是指鉆井液體系中對(duì)流變性起積極作用的水。在穩(wěn)定的鉆井液體系中，在自然放置的條件下水很難析出。利用高速離心機(jī)把穩(wěn)定鉆井液體系中的自由水分離出來(lái)，而不影響處理劑、加重劑和其他固相表面的束縛水。通過(guò)改變高密度鉆井液配方中膨潤(rùn)土、處理劑和重晶石粉的含量，分別考察組分對(duì)高密度鉆井液自由水含量以及流變性的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，隨著自由水含量的降低，表觀粘度逐漸增加。這表明鉆井液中自由水含量與流變性關(guān)系密切。自由水量相對(duì)越多，鉆井液的流變性越容易控制。另外，影響因素分析表明，重晶石加量對(duì)自由水量影響最大，其次是Driscal D。重晶石加量越多，單位體積鉆井液中自由水含量越少，固相表面積越大，因此被束縛住的水分子就越多，同時(shí)也可以看出大分子的Driscal D也參與了對(duì)自由水的束縛。

3 高密度鉆井液配方優(yōu)化

對(duì)高密度鉆井液而言，固相含量往往高達(dá)40％以上，保持合理的黏度、切力是流變性控制的難點(diǎn)。高密度鉆井液流變性的調(diào)控技術(shù)措施為：①控制膨潤(rùn)土含量在合適的范圍，在滿足鉆井液性能要求的前提下，盡可能降低膨潤(rùn)土含量；②在滿足鉆井液密度的前提下，調(diào)整不同粒徑重晶石的比例；③應(yīng)用抗高溫流型調(diào)節(jié)劑控制其加量[3-5]。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)超高密度高溫鉆井液配方進(jìn)一步優(yōu)化，最終得到鉆井液配方如下：4%膨潤(rùn)土+0.25%Driscal D+1.5%SD-101+2%SD-202+0.3%LV-CMC+1.5%KFT-II+重晶石，重晶石中粒徑為100～400目的顆粒比例為30%，粒徑小于400目顆粒的比例為70%。優(yōu)選出的鉆井液配方具有非常好的流變性，如表3所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

河壩1-1D井是川東北通南巴構(gòu)造帶的一口大斜度開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井，以嘉陵江組二段、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組為主要目的層。該井自四開(kāi)嘉陵江組以下存在異常高壓，現(xiàn)場(chǎng)采用高密度聚磺鉆井液，鉆井液密度最高達(dá)2.20g/cm3，斜井段長(zhǎng)，施工時(shí)間長(zhǎng)，鉆井液維護(hù)處理難度大。

4.1 四開(kāi)（3932～5263m）

本井段自4029m開(kāi)始定向，鉆至井深4400m，鉆井液密度逐漸提高至2.2g/cm3。采取的主要流變性控制措施：①用大分子聚合物提高鉆井液體系的抑制性，減少?gòu)?qiáng)分散性處理劑和稀釋劑的加量；②使用120目細(xì)目振動(dòng)篩，適當(dāng)使用除砂器、除泥器，清除低密度巖屑顆粒；③隨著密度的增加，逐漸降低膨潤(rùn)土含量；④增加鉆井液自由水含量，適當(dāng)增加鉆井液濾失量；⑤用SD-102、LV-CMC為降失水劑，配合SMT，調(diào)整流變性能。通過(guò)以上措施，四開(kāi)鉆井液漏斗黏度均控制在60s以下，塑性黏度控制在40mPa·s左右，動(dòng)切力控制在15～19Pa。既降低了泵壓負(fù)荷，又防止了巖屑床的形成。

4.2 五開(kāi)（5263～5810m）

五開(kāi)小井眼高密度鉆井液技術(shù)關(guān)鍵是流變性控制。將鉆井液漏斗黏度控制在57～65s、動(dòng)切力14～17Pa、初切/終切8～9/10～12Pa、HTHP失水12mL。即較低的黏度減少循環(huán)壓耗，較高的切力增加對(duì)巖屑的懸浮能力，接近的初切終切減少開(kāi)泵壓力激動(dòng)。通過(guò)以上措施的實(shí)施，五開(kāi)裸眼段泵壓18～22MPa，排量8.6～10.2L/s，保證了安全快速鉆進(jìn)。

通過(guò)配方的合理調(diào)配和鉆井液的科學(xué)維護(hù)處理，與鄰井相比，河壩1-1D井的鉆井速度得到很大提高，如表4所示。

5 結(jié)論

5.1 重晶石粉粒度級(jí)配實(shí)驗(yàn)研究表明：鉆井液的表觀粘度和塑性粘度隨＜400目顆粒的配比增加先降低后升高，鉆井液動(dòng)切力隨＜400目顆粒配比的增加逐漸降低。

5.2 高密度鉆井液自由水試驗(yàn)探索結(jié)果表明：自由水含量與鉆井液粘度緊密相關(guān)，重晶石加量對(duì)自由水含量影響最大。

5.3 研制出了密度為2.60g/cm3的高密度鉆井液，具有良好的流動(dòng)性和懸浮穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該高密度鉆井液完全能夠滿足大斜度段鉆井施工的需要。

參考文獻(xiàn):

[1]徐同臺(tái)，陳樂(lè)亮，羅平亞.深井泥漿[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

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[3]趙勝英，鄢捷年，丁彤偉等.抗高溫高密度水基鉆井液高溫高壓流變性研究[J].天然氣工業(yè)，2007，27（5）：78～81．

[4]蒲曉林，黃林基，羅興樹(shù).深井高密度水基鉆井液流變性、造壁性控制原理.天然氣工業(yè)，2001，21（6）：48-53.

[5]王富華，王力，張煒徽.深井水基鉆井液流變性調(diào)控機(jī)理研究.斷塊油氣田，2007，14（5）：61-64.

項(xiàng)目支持：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“超深井鉆井技術(shù)研究”（編號(hào)：2006AA06A19-5）部分研究成果。