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大位移井高效润滑钻井液的研究及应用

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位移 高效 润滑 钻井 研究 应用
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大位移井高效润滑钻井液的研究及应用1 前 言随着辽河油田勘探开发进入中后期,钻井工程施工的难度越来越大,大位移井、水平井越来越多,这给钻井液工作者提出了更高的要求,要求钻井液具有良好的润滑性能。在国内,钻大位移井和水平井一般采用水包油、油包水或全油钻井液体系,而采用水基钻井液体系的井往往因为钻井液润滑性能不佳给施工带来一定困难。本课题分析了大位移井钻井施工中钻井液方面的几个关键技术①降低摩阻技术②井眼清洗技术③井壁稳定技术,通过分析各关键技术难题的原因我们找到解决办法,并制定了相关的试验方案,研制了一种适合水基钻井液的新型高效润滑剂,解决了水基钻井液体系的润滑性能问题,同时确定了一种较稳定的油包水钻井液配方,为我公司下一步的科技发展贮备。2 摩阻产生的原因高摩阻产生的原因主要有:(1)随着井斜角的增大,钻柱对井壁的载荷增大,使钻柱运动阻力增大;(2)液柱压力与地层压力之差较大,易形成压差卡钻;(3)洗井效果差使井眼岩屑床形成严重,以及井壁坍塌掉块,容易产生砂桥卡钻;(4)井眼周围由于应力不平衡产生井眼变形,使起下钻阻力、钻井摩阻增大。眼清洗困难的原因在大位移井正常钻进过程中,钻屑脱离钻井液流向下井壁沉积,斜井中下井壁的钻屑沉积层在停泵时会整体下滑,使携岩困难,并易造成砂桥卡钻。在斜井段容易形成稳定岩屑沉积层,其厚度随井斜角增大而增厚。随着井斜角的增大,岩屑的运动方向逐步偏离轴向,而接近径向运移,形成岩屑床。同时,随着井斜角的增大,钻柱偏心躺在井筒的下井壁上,钻柱下测环空间隙变小,使岩屑床清除更为困难。壁不稳定的原因当井眼被钻开后,破坏了地层原有应力平衡,引起地层周围应力的重新分布,新的应力平衡受各种因素的影响,如时间、钻井液化学性能、地层岩石力学性能等。井壁不稳定问题既是力学问题,也是化学问题。3 择合适的钻井液体系据已查阅的文献报道来看,目前世界上多数大位移井是采用油基钻井液或合成基钻井液钻成的。这两种体系钻井液具有良好的润滑性能与防塌性能,但成本较高,有时还对环境造成一定的污染。水基钻井液在润滑性及防塌抑制性能方面尚有一定局限性,一般用于水平位移小于 5000m 的大位移井作业中。改善钻井液的润滑性大位移井对钻井液润滑性的基本要求是:钻井液润滑因数小于 饼摩擦因数小于 文献报道油水比对钻井液润滑性有较大的影响。如油水比 90:10 的油基钻井液与油水比68:32 的油基钻井液相比,其摩擦因数要低 40%以上。对于水基钻井液,可通过加入极压润滑剂与聚合醇等处理剂的方法,提高钻井液润滑性能,降低钻井摩阻。节钻井液的其它性能使用合理的降滤失剂用量、品种以及调整钻井液中的固相颗粒粒径分布,改善滤饼质量,减小滤饼厚度,降低了滤饼对钻柱的包角面积,从而使钻柱与滤饼接触面积降低。而且在短时间内快速形成低渗滤饼,降低裸眼井段液柱与地层之间的压力差对钻柱的影响,减少了压差卡钻的机会。加强井壁稳定措施,提高洗井效率,保证井眼规整,减少缩径和坍塌掉块现象,尽可能避免起下钻过程中钻柱与井壁的刮卡。同时加强洗井措施,提高井眼净化程度,减少岩屑床的形成,降低起下钻和钻井的摩阻。强固控降低钻井液中的有害固相含量,尤其减少微小粒径的有害固相。因为微小固相不仅对钻井液的性能有着极为不利影响,而且使滤饼质量变差,使钻柱与井壁滤饼的粘附力增大,增加了粘附卡钻的机会。4 效润滑剂的研究钻井液用润滑剂应满足几个基本要求:润滑剂必须能润滑金属表面,并在其表面形成边界膜和次生结构;与基浆有良好的配伍性,对钻井液的流变性和滤失性不产生不良影响;不降低岩石的破碎效率;具有良好的热稳定性和低温稳定性;不腐蚀金属,不损坏密封材料;不污染环境,易生物降解,价格合理,来源充足;低荧光或无荧光。润滑剂分液体和固体两类。液体类一般选用植物油类,既无荧光和毒性,又易生物降解,且来源较广,较适合做润滑剂的材料,可选用的植物油有豆油、蓖麻油、亚麻油、棉子油等。固体润滑剂也是钻井液中常用的润滑剂,这类润滑剂产品主要有塑料小球、石墨、碳黑、玻璃微珠及坚果圆粒等。塑料小球无毒、无臭、无荧光、抗压、耐酸、耐碱,降摩阻效果好,但成本较高,玻璃微珠虽然也能达到塑料小球的效果,但易被破坏和变形,并且这类润滑剂易被固控设备清除,因此,在使用上受到一定的限制。石墨粉具有抗高温、无荧光、降摩阻效果明显、加量少、不影响钻井液流变性的特点,最近,一种新的多功能固体润滑剂——弹性石墨,已在路易斯安那州、得克萨斯州、俄克拉荷马州、墨西哥湾、北海等地成功应用。弹性石墨无毒无腐蚀,在高浓度下不阻塞钻井泵,不影响钻井液性能,它可以牢固的吸附在井壁和钻具上,降低摩阻,同时还能封堵井壁微孔隙,兼具降滤失和保护油层的作用。 基于以上要求,本课题决定通过对植物油的改性,增加吸附基,形成较强的吸附膜,从而增加其润滑、抗压能力和稳定性,达到满足大位移井钻井需要,同时植物油中的双键发生加成反应而荧光性降低。基钻井液的研究根据现有的资料及文献统计,大位移井多数使用油基钻井液或合成基钻井液钻成,虽然配制成本较高,但可以重复利用,并且具有良好的润滑性及抑制性,可减少井下复杂情况,机械钻速比水基泥浆快 50%以上,综合钻井成本并不比水基钻井液高。油基钻井液、合成基钻井液也是当今世界针对地质条件复杂的、钻井难度较大的井应用的主流体系,英国北海、挪威 基钻井液一般以柴油和各种低毒矿物油作为基础油,以含一定量 盐水做油基钻井液的水相,选用 (即亲水亲油平衡值)在 之间的表面活性剂做乳化剂,选择叔胺盐或季胺盐做润湿剂,选亲油的有机土做亲油胶体,用石灰控制 。本项目通过对配浆土、乳化剂、降滤失剂的选择和配比优化,控制钻井液的流变性,形成一套适合现场应用的钻井液配方,达到满足大位移井的施工要求。验设备三口烧瓶 水浴装置 纸 压摩阻仪 搅拌器 玻璃棒 豆油 蓖麻油 浓硫酸 高效润滑剂的制备本试验以豆油(1#)和蓖麻油(3#)为原料,用浓硫酸酸解磺化,制得 2#和 4#样品。滑剂的润滑效果评价配制基浆,分别加入 1%、2%的 1#~4#,用 压润滑仪测定摩阻系数,160℃老化 16 小时后再测定摩阻系数,结果见表 1:表 1 润滑剂在钻井液中的润滑系数从表 1 可以看出,常温时 2#、4#样品加量为 1%时降摩阻率高于 1%加量的原油品,且相当于 2%加量的原油品,2%加量时其效果与 1%加量时变化不大;老化后 2#、4#仍具有较好润滑效果。这说明 2#、4#润滑效果优于原油品,两者相比 2#略好于 4#。但是在加入 2#和 4#后基浆出现增稠和起泡现象,需要添加一些辅助剂来消除影响。滑剂的荧光检测分取 1#~4#样品,用荧光灯检测荧光性,发现 1#和 2#没有荧光,3#和 4#呈弱荧光性。试验设备缸子 搅拌器 量筒 天平 纸 秒表 电稳定性仪 柴油 水 十六烷基三甲基溴化铵油酸 包水钻井液体系配制选用 0#柴油做油相,用 20% 液做水相,选用 90:10 的油水比,选用油酸和烷基磺酸钠做乳化剂,季胺盐做润湿剂,搅拌,静止后分层。改用油酸和 乳化剂,用石灰控制 ~10,加入有机土调节粘度和降低滤失量。包水钻井液体系稳定性用电稳定仪测定配制的油包水钻井液破乳电压为 182V,其稳定性不是太好,油水比和乳化剂还需进一步的改进。包水钻井液体系性能测定油包水钻井液的全套性能,如表 2:表 2 油包水钻井液性能表从性能上看,90:10 油包水钻井液体系基本能满足钻井需要,但其滤失量不是太理想,有待改进。物油经过改性后润滑效果优于原油品,1%加量相当于 2%原油品加量,且能抗 120℃高温。加浓硫酸时要缓慢,避免油品被浓硫酸碳化,若选用 试验装置较复杂;目前方法无法定量的检测样品荧光级别,只能用照荧光灯法判断荧光性有无强弱;包水钻井液的油水比和乳化剂还可以进一步的优化以增强体系稳定性。包水钻井液的滤失量较大,应选择一种合适的降滤失剂。
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