水平井鉆井液

水平井鉆井液4.1水平井應用范圍水平井技術(shù)在油氣田開發(fā)中除能大大增加油氣井產(chǎn)量外，還能解決許多直井或普通定向井無法實現(xiàn)的目標。目前水平井常用在下面幾個方面：1） 天然破碎性油藏；2） 存在水錐、氣錐的儲層；3） 薄的產(chǎn)層；4） 低滲透油藏；5） 非均質(zhì)復雜地層；6） 低能量油藏；7） 增加油氣采收率。4.2水平井分類根據(jù)造斜井段的曲率半徑，一般把水平井分為三大類:水平井類型造斜率曲率半徑長半徑水平井1o—6o/30m300—900m中半徑水平井8o—20o/30m90—210m短半徑水平井150o一6—12m300o/30m4.3水平井鉆井液的選擇要求對直井鉆井液的要求同樣適用于水平井，除此之外，水平井鉆井液還需特別注意以下幾個方面：1） 儲層保護；2） 井眼清潔；3） 潤滑性；4） 抑制性；5） 適當?shù)拿芏龋?） 經(jīng)濟性；7） 環(huán)境問題。4.4水平井的井眼凈化隨著井斜的增加，鉆井液中的固相顆粒因偏心力的作用而向下井壁沉降產(chǎn)生鉆屑床，給清除鉆屑帶來困難。井眼凈化的一般規(guī)律是：環(huán)空流速是影響鉆屑輸送的關(guān)鍵因素，在不超出泵排量或流動限制的前提下盡可能提高流速有利于改善鉆屑的清除效率。在層流條件下，提高動塑比有利于清除鉆屑；而在紊流下，泥漿的流變性對鉆屑的清除影響不大，這一點適用于各種斜度的井。鉆桿偏心時，因環(huán)空窄的部分泥漿流動速度下降而使鉆屑的輸送更困難。如果環(huán)空流態(tài)為層流，可用稀的紊流清掃液接稠的塞流攜帶液洗井，前面的稀液攪起鉆屑再由后面稠液帶出井眼，這種方法對井眼清潔很有幫助。機械作用能夠彌補水力學清洗井眼的不足。循環(huán)洗井時，在可能的前提下，保持鉆柱一邊旋轉(zhuǎn)一邊上下活動，可以擾動鉆屑床，使鉆屑的清除效率得到提高。井斜角是影響井眼凈化的基木因素，井斜角從0o到90o，可分為三個井斜角區(qū)段，每個區(qū)段的井眼凈化存在一些差異。0~30o區(qū)段：用高動塑比層流攜砂具有最佳清潔井眼的效果。在木區(qū)段，鉆屑床開始在低井壁上形成。30o~60o區(qū)段：層流和紊流具有相同的清潔效果，層流時，動塑比越高凈化效果越好；紊流時，泥漿流變性對鉆屑輸送影響甚微。此井斜區(qū)段，鉆屑床有向井底滑動的可能。60o?90o區(qū)段：紊流提供最佳的鉆屑輸送能力，而高動塑比則有利于改善層流攜砂時的能力。鉆屑床在此井斜區(qū)段不會向井底滑動。注意：選擇流態(tài)時必須考慮地層的承受能力。4.5水平井的扭矩與摩阻在大斜度井眼中，鉆桿與井壁接觸之間存在顯著的運動摩擦阻力。當摩阻足夠大時，它就成了水平井或大位移延伸井的制約因素。由于影響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時是很困難的。解決水平井的扭矩和摩阻問題應從鉆井工藝和鉆井液兩方面著手。此處僅限于鉆井液方面。通過降低鉆井液的API和HTHP濾失量，形成薄而韌的可壓縮泥餅，使用潤滑性能優(yōu)良的鉆井液體系，有助于降低水平井的摩阻問題。大部分油基泥漿的潤滑系數(shù)在0.08?0.09之間，各種水基鉆井液的潤滑系數(shù)在0.2?0.35之間，在加入適當?shù)臐櫥瑒┖笏酀{的潤滑系數(shù)可下降到0.10以下。為保持較好的摩阻控制，水平井鉆井液的潤滑系數(shù)必須保持在0.10以下。水基鉆井液潤滑性的改善，可以通過添加潤滑劑的方法來實現(xiàn)。惰性固體潤滑劑：主要有石墨、炭球、塑料小球、玻璃微珠及堅果圓粒等，它們的作用似滾珠，存在于井壁和鉆柱之間，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大幅度降低扭矩和阻力。其中塑料小球優(yōu)點最多，它不溶于水和油，密度1.03-1.05g/cm3，可耐溫205oC以上，可與水基和油基鉆井液配伍使用。粒度從8日到100日，粗細應搭配使用，一般來說粗顆粒的潤滑作用更好，但易被篩除。塑料小球的加量一般為1?2%，可降低扭矩35%左右，降低起下鉆阻力20%左右。極壓潤滑劑:在高壓下極壓潤滑劑可在金屬表面形成一層堅固的化學膜，以降低金屬接觸界面的摩阻，故更適應水平井鉆柱對井壁在高的側(cè)壓力情況下的降摩阻需要。PF-LUBE、BIT-LUBE均是極壓潤滑劑，加量一般為0.5—1.0%。無毒潤滑劑：是一種不含雙鍵的有機物，無生物毒性，不污染環(huán)境，不丁擾地質(zhì)錄井，潤滑作用相似于極壓油基潤滑劑，可用于環(huán)境敏感地區(qū)的鉆井作業(yè)。此類潤滑劑如PF-JLX，加量一般為1?3%。4.6水平井井眼穩(wěn)定水平井井眼穩(wěn)定受力學和化學兩個方面的影響。井眼失穩(wěn)是壓縮或拉伸破壞造成的結(jié)果，地層破裂源于拉伸破壞，而井眼縮小和井役擴大源于壓縮破壞。當井眼內(nèi)壓力超過周圍巖石張力強度時，井眼被壓裂。當井眼內(nèi)壓力過低，周圍巖石的擠壓力超過它時，井璧就可能坍塌。正確選擇鉆井液密度使其既能滿足支撐井璧防止坍塌的要求，又要防止密度過大壓裂地層，這是解決井眼穩(wěn)定力學問題的主要途徑。對垂直井而言傳統(tǒng)的密度選擇方法是根據(jù)地層孔隙流體壓力和地層巖石破裂壓力，在孔隙流體壓力的基礎(chǔ)上附加一個合理的壓力值來確定泥漿的密度。對水平井來說，除孔隙流體壓力外，還應考慮水平井狀態(tài)下巖層失去平衡的那部分支撐負荷即井眼坍塌壓力，它隨井斜角增大而變大。井眼坍塌壓力梯度可根據(jù)原始地層應力巖石強度和孔隙流體壓力估算出來。為了使估算比較準確，需要進行巖石壓裂實驗通過實驗數(shù)據(jù)來估算地層原始應力和巖石強度。水平井的鉆井液密度應由井眼坍塌壓力和破裂壓力確定。在其它條件相同的情況下，隨著井斜角增大，鉆井液的密度選擇范圍將變窄既坍塌壓力與破裂壓力更接近。水平井的井眼穩(wěn)定還受井眼走向的影響，在地殼構(gòu)造應力區(qū)，若地殼構(gòu)造應力中一個橫向地層原始應力大于另一個橫向地層原始應力，井眼沿最小地層原始應力方向傾斜比沿大的構(gòu)造應力方向鉆進，井眼更穩(wěn)定。模擬實驗還表明，巖石的坍塌次序是碳酸鹽最易坍塌，其次是頁巖，而砂巖最穩(wěn)定。從井眼深度看，一般是井眼越深越易坍塌?；瘜W因素引起的井眼不穩(wěn)定，主要是由于鉆井液的浸泡使井眼周圍的巖石強度變?nèi)醵咕圩兊萌菀滋?。在易坍塌層鉆進，由于斜井或水平井比直井的井段更長，在直井中不出現(xiàn)坍塌的地層，在斜井或水平井中也可能出現(xiàn)坍塌。對于這樣的問題，解決井眼不穩(wěn)定的途徑有兩個：一方面從鉆井工藝上，改長曲率半徑井為中短曲率半徑井，可減少易塌裸眼井段的長度；另一方面是從鉆井液的性能上加以改善，使鉆井液具有更強的抑制性和良好的造壁性，水平井鉆井液的HTHP濾失量應控制在10ml以內(nèi)。4.7水平井漏失問題4.7.1水平井井漏的原因：鉆井過程中發(fā)生井漏必然具備兩個條件，一是要有足夠大的巖石裂縫（應大于鉆井液中最大固相顆粒的粒徑）；二是有比地層孔隙壓力大的井眼液柱壓力即存在壓差。水平井鉆井因為一些特殊的原因，使得鉆井過程中發(fā)生井漏的機會比直井大得多，因為開發(fā)后期的儲層（能量已降低）和裂縫性儲層往往是選擇水平井開發(fā)的主要類型，而這兩類地層恰恰是容易發(fā)生井漏的地層。水平井漏失因鉆井液方面的原因歸納起來有：在垂直井深和地層孔隙壓力相同的情況下，水平井鉆井液的循環(huán)壓降隨井眼的延伸而增加，增大了鉆井液的循環(huán)當量密度；水平井容易形成鉆屑床，環(huán)空巖屑濃度高使環(huán)空流動通道變窄，引起流動阻力增大，增大了對地層的壓差；為了改善井眼凈化條件，水平井常采用增大批量和提高鉆井液粘度的措施，因而產(chǎn)生更大的流動阻力，增大了鉆井液的循環(huán)當量密度；水平井鉆井由于地層受力的變化，常常需要比直井更高的鉆井液密度才能穩(wěn)定井璧，這就產(chǎn)生了更大的鉆井液液柱壓力，增大了壓差；隨著井斜角增加，地層的坍塌壓力一般是隨之增大，而地層的破裂壓力卻是隨之降低，這樣就使鉆井液密度實際的可調(diào)范圍變窄，更容易發(fā)生井漏。4.7.2防漏堵漏措施：確定合理的鉆井液密度，使鉆井液的循環(huán)當量密度小于地層的破裂壓力梯度;確保井眼凈化，環(huán)空鉆屑濃度不應超過5%,應著重從提高鉆井液的攜巖能力入手，避免因提高返速增大的井漏危險；控制鉆井液的流變性能，減少鉆井液的環(huán)空循環(huán)壓降；減少壓力激動的影響；運用屏蔽暫堵技術(shù)來加固井璧防止井漏；采用低密度流體鉆進。4.8水平井的儲層保護由于水平井在產(chǎn)層中鉆進的井段很長，鉆井液與儲層接觸的面積和時間大大的增加，鉆井液對儲層損害的機會也相應地增大。鉆水平井的目的是要提高油氣井的產(chǎn)量，為了使水平井達到盡可能高的產(chǎn)能，就必須使水平井鉆井液具有保護儲層的能力，使儲層損害控制在最低程度，為此，選擇用于水平井的鉆井液，必須測試它與儲層巖心的相容性，只有那些滲透率恢復值至少大于80%的鉆井液，才可用于水平井鉆井，滲透率恢復值小于80%的鉆井液必須進行改造，使其達到80%以上，否則應避免使用。引起儲層損害的原因有：鉆井液中的固相顆粒堵塞儲層的孔喉;地層中粘土礦物的水化；地層中微粒的運移；儲層巖石潤濕性反轉(zhuǎn)；產(chǎn)生不溶解的沉淀物；水鎖；乳化堵塞4.9水平井鉆井液體系根據(jù)水平井鉆井特殊性對鉆井液的要求，選擇或設計水平井鉆井液首先應有利于保護油氣層并容易轉(zhuǎn)化成完井液，其次是鉆井液有較好的抑制性、較好的潤滑性、較好的流變性、較好的懸浮攜屑能力和防漏能力并被環(huán)境所接受。4.9.1油基鉆井液體系油基鉆井液具有許多優(yōu)點：它對儲層損害最輕；有很好的潤滑性，可顯著降低起下管柱時的摩擦阻力和鉆進時的扭矩；對井眼的穩(wěn)定能力最高；受外界因素影響較??；性能可保持長期穩(wěn)定。因此，在水平井鉆井中油基泥漿被優(yōu)先考慮使用。油基鉆井液存在的不足是成木較高，易產(chǎn)生環(huán)境污染，攜屑和井眼清潔能力較差。4.9.2合成基鉆井液體系合成基鉆井液解決了傳統(tǒng)油基泥漿的環(huán)境污染問題，它的優(yōu)點和不足與傳統(tǒng)油基泥漿相似，而且它的潤滑性能甚至超過了傳統(tǒng)油基泥漿，但成木也比傳統(tǒng)油基泥漿高。4.9.3聚合醇水基鉆井液體系聚合醇水基鉆井液（PEM泥漿）是在傳統(tǒng)的水基聚合物泥漿中加入聚合醇添加劑，使水基鉆井液的潤滑性和抑制性得到顯著提高，性能上達到接近油基鉆井液的水平。水基鉆井液中加入5%的聚合醇處理劑（如PF-JLX），鉆井液潤滑系數(shù)可下降80%以上。聚合醇水基鉆井液體系可代替油基鉆井液用于環(huán)境敏感的地區(qū)。4.9.4水基聚合物鉆井液體系這類體系如KCl/PHPA鉆井液、陽離子聚合物鉆井液等，主要用于砂巖儲層的水平井鉆進。優(yōu)點：環(huán)境污染小，成木較低，性能易調(diào)節(jié)，有利于井漏的預防和處理。缺點：潤滑性欠佳，保護油氣層能力不夠，洗井能力不足。4.9.5無粘土鹽水鉆井液體系該體系由無機鹽（KCl、N