小井眼提速钻井液体系

罗　刚，任坤峰，邢希金，舒福昌，向兴金

（1.湖北汉科新技术股份有限公司，湖北荆州 434000；2.中海油研究总院，北京 100027）

小井眼提速钻井液体系

罗刚1，任坤峰1，邢希金2，舒福昌1，向兴金1

（1.湖北汉科新技术股份有限公司，湖北荆州 434000；2.中海油研究总院，北京 100027）

罗刚等.小井眼提速钻井液体系[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：55-59.

小井眼钻井由于自身特点如环空间隙小等，对钻井工艺和钻井液性能提出了更高的特殊要求，不断提高钻井速度是钻井作业的一直追求，其中钻井液的作用至关重要。通过室内实验，研究出了针对小井眼钻井提速的钻井液配方，优选出了适合小井眼提速钻井液体系的增黏剂PLUS+流型调节剂、降滤失剂HFL-X+SPNH、提速剂HDS以及用甲酸钠和重晶石联合加重的方式。提速剂HDS是室内研制的，其具有良好的防黏附聚结能力和降低亚微米颗粒含量的效果。结果表明，该小井眼提速钻井液具有良好的润滑性、抑制性以及提高钻井速度的效果。现场应用结果表明，小井眼钻井液可以较好控制循环当量密度，并且具有显著的提高机械钻速的效果，能够满足小井眼钻井的要求。

小井眼钻井；提高钻速；钻井液；抑制性；综合性能

小井眼钻井技术的最主要特点是能够减少钻井成本，提高经济效益。但是其自身特点带来的一些特殊问题，如环空压耗的控制，井眼的净化、井壁稳定及漏失、润滑性等，也给钻井工艺和钻井液体系及工艺提出了更高的特殊要求[1-4]。对于小井眼钻井来说，不断提高钻井速度是小井眼钻井作业的一直追求，其中钻井液的作用至关重要。钻井液提高机械钻速，主要是通过处理剂在钻头等金属的表面定向吸附并形成一层润滑油膜来提高其润滑性，减小扭矩；钻井液处理剂能够吸附在岩石表面，可以向岩石的孔隙内部渗透，从而改变岩石表面和内部的润湿性，降低岩石的表面张力及毛细管力，使钻井液更容易渗入到钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中，黏土不吸附钻头、降低压持效应，进而可以提高钻速；降低岩石的瞬间强度，从而增加岩石的可钻性，提高机械钻速[5-6]。结合小井眼钻井对钻井液的要求以及钻井液提高钻速的原理，研究出了小井眼提速钻井液。该体系除了具有其他常规钻井液优良的性能外，还能提高钻井速度，能够保证小井眼钻井过程中的安全。

1　小井眼提速钻井液处理剂的优选

1.1增黏剂

小井眼钻井液除要具有较好的常规性能外，为了更好地携岩，还要求流性指数值保持在0.4～0.7之间；另外，稠度系数太小不利于携带岩屑，太大又会造成环空压耗的增加，所以小井眼钻井液要有适当稠度系数。室内首先评价了增黏剂的加量，见表1。由表1可以看出，经150 ℃老化16 h后，0.3%PLUS和0.25%的流型调节剂复配时，流性指数为0.62，稠度系数值为0.13，符合小井眼钻井液的特点，初步选择增黏剂为PLUS和流型调节剂复配。实验用钻井液基浆配方如下。

3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2%Na2CO3

表1　不同增黏剂对钻井液性能的影响

1.2降滤失剂

小井眼钻井液体系优选降滤失剂主要考虑钻井液滤失量的大小以及泥饼质量的好坏。为了保证较低的滤失量，将容易酸溶的碳酸钙作为基础降滤失剂，结果见表2，实验用基本配方如下。

3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2%Na2CO3+ 0.3%PLUS+0.25%流型调节剂+5%碳酸钙

表2　降滤失剂的优选

由表2可知，钻井液经150 ℃老化16 h后，2%HFL-X+2.5%SPNH复配时，高温高压滤失量为13.1 mL，初步选择HFL-X和SPNH作为降滤失剂，再加入一定的固相材料碳酸钙，达到进一步降低滤失量的目的。

1.3加重剂及加重方式

综合考虑成本、性能等因素影响，重点评价了重晶石、甲酸钠和甲酸钾以及它们之间复合使用的加重方式，实验结果见表3和表4。钻井液配方如下。

1#3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2% Na2CO3+0.6%PLUS+0.25%流型调节剂+2% HFL-X+1%PF-TEX+1%SPNH+5%CaCO3+3%KCl+ 2%抑制剂JLX-C+2%润滑剂HLB；重晶石加重至密度为1.50 g/cm3

2#3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2% Na2CO3+0.3%PLUS+0.25%流型调节剂+2% HFL-X+2.5%PF-TEX+2%SPNH+5%CaCO3+ 1%RHJ-1+2%HLB（甲酸钠加重至密度为1.25 g/cm3）

3#3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2% Na2CO3+0.3%PLUS+0.25%流型调节剂+2% HFL-X+1%PF-TEX+1%SPNH+5%CaCO3+2%HLB（甲酸钠加重到密度为1.25 g/cm3，再用甲酸钾加重至密度为1.50 g/cm3）

表3　不同加重方式钻井液的性能

由表3和表4可知，用重晶石加重钻井液的黏度和环空压耗均比较高；若采用甲酸钠和甲酸钾加重，无论在黏度上还是在环空压耗上都是最低的，最适用于小井眼钻井，且重晶石加重体系的润滑性、固相含量都会严重影响钻井速度；甲酸盐还能提高聚合物的抗温能力，但在高密度条件下，甲酸钾的加入会大幅度增加钻井液成本。因此，选择用甲酸钠与重晶石联合加重。

表4　不同密度调节剂对钻井液性能的影响

1.4提速剂

钻井液提速剂的作用机理为：①钻井液提速剂能够渗入并润滑钻屑的薄鳞片间剪切面，减弱薄鳞片间的键结，缩小钻屑的尺寸，以利于钻屑脱落；②阻止钻屑相互聚集；③在钻头、BHA（即井底钻具组合）等金属表面形成一层憎水性薄膜，起到润滑钻头和钻具的效果，并防止亲水性的钻屑黏附于钻头、BHA上发生泥包；④控制黏土膨胀及孔隙压力的传递，以保持井壁稳定性[3]。根据以上机理，室内研制出了提速剂HDS。在常用提速剂聚甘油的基础上，合成出一种新型聚甘油衍生物，将合成的新型聚甘油衍生物、脂肪醇类表面活性剂和水溶性稀释剂按一定的比例混合，在50 ℃水浴中搅拌均匀，即得提速剂HDS。通过防黏附聚结动态实验和降低亚微米颗粒含量实验评价几种提速剂，提速剂HDS的效果最好。

1.4.1防黏附聚结动态实验

动态实验方法的步骤如下：①配制钻井液，3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2%Na2CO3+0.3% PLUS+0.25%流型调节剂+2%降滤失剂HFL-X+ 2.5%PF-TEX+2%SPNH+5%CaCO3+1%RHJ-1+2%润滑剂HLB，甲酸钠加重到1.25 g/cm3，再用重晶石加重至1.50 g/cm3。在钻井液中加入40 g细目泥岩钻屑粉和5 g钻井液提速剂HDS。②将称重后的干净钢管放入装有钻井液的老化罐中，在120 ℃下老化12 h。③取出老化罐冷却一段时间后，用镊子取出钢管静置1～2 min，等钢管表面上的钻井液不再明显滴出时，称量黏附有钻井液的钢管重量，计算黏附量，结果见表5。由表5可以看出，提速剂QUK防钻屑黏附聚结效果最差，其余提速剂HEC、KSZJ-1、SJX具有一定的防黏附聚结能力，而提速剂HDS防钻屑黏附聚结效果最好。

表5　提速剂防黏附聚结动态实验评价结果

1.4.2降低亚微米颗粒含量实验评价

考察了优选的1%提速剂HDS对3%海水膨润土浆颗粒分布的影响，结果见图1和图2。由此可知，在未加提速剂之前，3%膨润土浆5 μm以下粒子累积分布为44%左右，1 μm以下的粒子累积分布为5.05%；当其中加入1%HDS后，5 μm以下粒子累积分布下降到20%左右，1 μm以下的粒子累积分布下降到1.79%。说明HDS的加入可以减少体系中微米和亚微米等细小粒子含量，从而可以提高钻速。

图1　3%海水膨润土浆的粒径分布

图2　3%海水膨润土浆+1%HDS的粒径分布

1.5小井眼提速钻井液配方的确定

通过对处理剂的优选以及处理剂加量对钻井液性能影响规律的研究，确定了小井眼提速钻井液的配方，先用甲酸钠加重至1.25 g/cm3，再用重晶石调节至合适密度，其基本配方如下。

3%海水膨润土浆+0.2%烧碱+0.2% Na2CO3+0.3%PLUS+0.25%流型调节剂+2% HFL-X+2.5%PF-TEX+2%SPNH+5%CaCO3+ 1%RHJ-1+2%HLB+1%HDS

2　小井眼提速钻井液性能评价

2.1润滑性能

采用E-P极压润滑仪评价HLB和RHJ-1的润滑性能，见表6。由表6可知，加入HLB和RHJ-1后，润滑系数降低明显，说明体系具备良好的润滑性能。

表6　小井眼提速钻井液的润滑能力

2.2抑制性能

通过室内实验可知，页岩在蒸馏水中的回收率为31.3%，在小井眼提速钻井液中的回收率为94.6%。室内采用页岩回收和黏土膨胀实验评价体系的抑制性，结果见表7。由此可知，研制的小井眼提速钻井液具有很强的抑制黏土水化能力。

表7　黏土水化膨胀实验结果

2.3对钻井速度的提高

体系具备一定的润湿反转能力，可以提高机械钻速。具有一定的润湿反转能力是指能够把岩石表面的亲水性改变为亲油或者介于亲油亲水之间的状态。一般岩石的表面均带有负电荷，具有很强的亲水能力，带有正电荷的提速剂分子如果与岩石表面接触，就会有规律地吸附在岩石的表面，使岩石的表面改变为亲油性[7-8]。通过测定接触角的变化来表征提速剂的性能。用HARKE-SPCA视频接触角测定仪，考察了提速剂HDS加量对钻井液接触角的影响，结果见表8。由表8可以看出，加入提速剂后，滤液与岩石表面的接触角变大，岩石的表面张力变小，并且随着HDS加量的增加，接触角逐渐增大；由拉普拉斯方程可知，接触角增大后毛管阻力就会降低，会使钻井液进入地层微裂缝中的阻力减小，进而能够减小压持效应，从而有利于机械钻速的提高[5]。

表8　提速剂HDS加量对钻井液体系接触角的影响

3　现场应用

3.1海上某油田A4、A2井的基本情况

海上某油田A4、A2井主要采取四开结构，斜深为3 910 m、4 051 m，垂深为3 656 m、3 919 m。其中三开和四开的程序A4井为套管φ177.8 mm× 3 165 m+钻头φ152.4 mm×714 m，A2井的为套管φ177.8 mm×3 430 m+钻头φ152.4 mm×600 m，钻杆程序为φ127 mm×3 165 m+φ101.6 mm×714 m和φ127 mm×3 430 m+φ101.6 mm×600 m。根据力学试验分析，海上某油田A4、A2井四开井段破裂压力当量钻井液密度为1.8 g/cm3、1.95 g/cm3，这就要求下部四开φ152.4 mm井眼钻井液当量循环密度必须小于1.8 g/cm3、1.95 g/cm3，才能保证安全施工的要求。

3.2A4井钻井液当量循环密度的计算

A4井现场使用小井眼提速钻井液，在转速为100 r/min、泵排量为0.8 m3/min、偏心度为0.1的条件下，对A4井的环空压耗和循环当量密度进行了计算[8-10]，结果见表9。

表9　A4井环空压耗及循环当量密度

由表9可以看出，海上某油田A4井使用该小井眼提速钻井液后，循环当量密度比较小，说明构建的小井眼提速钻井液体系对环空压耗和循环当量密度有很好的控制，保证了钻井作业过程中不会因循环当量密度过高而导致复杂情况。

3.3提速效果对比

A2井使用常规聚合物钻井液钻进，A4井使用该小井眼提速钻井液。对四开φ152.4 mm井眼段的平均钻井速度进行统计，得到A2井的平均钻井速度为12.5 m/h，A4井的平均钻井速度为14.8 m/h。由此可知，使用小井眼提速钻井液体系的A4井平均钻井速度比使用常规聚合物钻井液体系的A2井提高了18.4%，具有较好的提速效果。

4　结论

1.优选出了适合小井眼提速钻井液体系的增黏剂（PLUS+流型调节剂）、降滤失剂（HFL-X+ SPNH）、提速剂（HDS）以及用甲酸钠和重晶石联合加重的方式，其中提速剂HDS具有良好的防黏附聚结能力和降低亚微米颗粒含量的效果。

2.研制并评价了密度为1.50 g/cm3的小井眼提速钻井液配方，该体系表现出了良好的润滑性、抑制性和提高钻井速度等综合性能。

3.现场应用情况表明，小井眼提速钻井液体系对循环当量密度具有较好的控制，并且可以显著提高机械钻速。

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Drilling Fluid Technology for ROP Enhancement in Slim Hole Drilling

LUO Gang1, REN Kunfeng1, XING Xijin2, SHU Fuchang1, XIANG Xingjin1
(1. Hubei Hanc New-Technology Co. Ltd., Jingzhou, Hubei 434000, China; 2. Research Institute of CNOOC, Beijing 100027, China)

Slim hole drilling， because of the narrow annulus， imposes more strict requirements on drilling engineering and drilling fluid. Drilling fluid plays an important role in fast drilling of slim holes. A drilling fluid formulation for slim hole drilling has been developed in laboratory， and drilling fluid additives suitable for slim hole drilling are engineered. These additives include viscosifier PLUS，flow pattern control agent， filter loss reducer HFL-X and SPNH， ROP enhancer HDS， and weighting material sodium formate used in combination with barite. HDS has been developed in laboratory for the preventing bit balling and reducing the content of submicron particles. HDS has good lubricity， inhibitive capacity and the ability to increase ROP. Field application has proved that this drilling fluid formulation controlled ECD fairly well and notably enhanced ROP， satisfying the needs for slim hole drilling.

Slim hole drilling； ROP enhancement； Drilling fluid； Inhibitive capacity； General performance

TE254.3

A

1001-5620（2016）02-0055-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.012

罗刚，高级工程师，现在从事油田化学技术研究工作。电话 （0716）8327103；E-mail：luogang8658 @163.com。

（2015-12-28；HGF=1601C13；编辑王超）