王曉軍，余婧，孫云超，楊超，蔣立洲，劉暢

（1. 中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤(pán)錦 124010；2. 中國(guó)石油遼河油田公司，遼寧盤(pán)錦 124012；3. 中國(guó)石油遼河石化分公司，遼寧盤(pán)錦 124022）

0 引言

連續(xù)管鉆井技術(shù)具有地面設(shè)備占地少、起下鉆速度快、操作人員少且壓力控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是老井側(cè)鉆、小井眼鉆井和欠平衡鉆井的重要手段[1-3]。然而，連續(xù)管施工過(guò)程中，多余長(zhǎng)度的油管纏繞在滾筒上，管內(nèi)循環(huán)壓力損失高達(dá) 50%以上，不利于水力能量的有效利用；連續(xù)管剛性差，易發(fā)生彎曲，導(dǎo)致鉆壓傳遞困難；其鉆井方式自始至終為滑動(dòng)鉆進(jìn)，容易生成巖屑床，引發(fā)黏卡和鉆頭泥包[4-7]。通常連續(xù)管鉆井施工中選擇鉆井液體系類(lèi)型時(shí)只著重考慮地質(zhì)因素，不僅經(jīng)常發(fā)生常規(guī)鉆井中存在的井眼凈化難、托壓和卡鉆等問(wèn)題，也會(huì)出現(xiàn)泵壓過(guò)高、上提過(guò)程溜管以及鉆頭泥包等特殊現(xiàn)象。因此，鑒于連續(xù)管鉆井工藝的特殊性，本文研究與連續(xù)管鉆井工藝相匹配的鉆井液體系，以減少?gòu)?fù)雜事故并提高連續(xù)管鉆井效益。

1 配方優(yōu)選

無(wú)固相鹵水鉆井液體系本身沒(méi)有任何固相顆粒，流變性和觸變性好，屬于典型的弱凝膠體系，可較大程度地降低管內(nèi)壓耗[8]。同時(shí)，該體系還具有性價(jià)比高、密度可調(diào)范圍大、抗污染能力強(qiáng)、生物毒性小、環(huán)境相容性好等特點(diǎn)。因此，針對(duì)連續(xù)管鉆井施工技術(shù)難點(diǎn)，以鹵水為基液，通過(guò)加入流型調(diào)節(jié)劑、高效潤(rùn)滑劑、鉆頭清潔劑及其他處理劑形成無(wú)固相鹵水鉆井液體系，以滿足連續(xù)管特殊鉆井工藝的施工要求。

1.1 關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選

1.1.1 流型調(diào)節(jié)劑的優(yōu)選

本體系采用的鹵水為海水制鹽后的母液，主要成分有MgCl2、CaSO4、CaCl2及NaCl等多種鹽類(lèi)，密度為1.27 g/cm3。室內(nèi)以400 mL鹵水+0.2% NaOH為基漿，分別在基漿中加入0.8 g流型調(diào)節(jié)劑HT-XC、HPMC和HEC，在20 ℃下測(cè)試鉆井液熱滾（120 ℃，16 h）前后的流變性。

由表1可知，添加HPMC后體系動(dòng)塑比偏低，塑性黏度高，小尺寸鉆具中管內(nèi)循環(huán)壓耗大，不利于設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)；添加HEC的鉆井液體系觸變性較差，開(kāi)泵時(shí)激動(dòng)壓力高，易導(dǎo)致井漏事故；基漿中加入HT-XC后，體系的黏切適中，能較快形成弱凝膠結(jié)構(gòu)，并且API濾失量在熱滾前后均較低。因此，選擇HT-XC作為無(wú)固相鹵水鉆井液體系的流型調(diào)節(jié)劑。

表1 不同流型調(diào)節(jié)劑性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.1.2 抗鹽降濾失劑的優(yōu)選

無(wú)固相鹵水鉆井液體系礦化度較高且不添加任何固相，因此濾失控制難度較大。室內(nèi)以400 mL鹵水+0.2% NaOH+0.2% HT-XC為基漿，分別稱(chēng)量8 g無(wú)熒光丙烯酸類(lèi)降濾失劑（KH-931）、褐煤樹(shù)脂類(lèi)降濾失劑（SPNH）和改性淀粉類(lèi)抗鹽降濾失劑（YLJ-1）與基漿攪拌均勻，在20 ℃下測(cè)試熱滾（120 ℃，16 h）前后的濾失量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同降濾失劑性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)效果較好的 3種降濾失劑中，KH-931和SPNH在高礦化度的無(wú)固相鉆井液中控制濾失效果都不理想，而 YLJ-1降濾失效果明顯，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。因此，優(yōu)選 YLJ-1作為無(wú)固相鹵水鉆井液體系的降濾失劑。

1.1.3 高效潤(rùn)滑劑的優(yōu)選

連續(xù)管鉆具剛性差，在連續(xù)造斜井段會(huì)大面積黏附在井壁上，因此連續(xù)管鉆井對(duì)鉆井液的潤(rùn)滑性能要求更高。連續(xù)管鉆機(jī)由傳動(dòng)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)力從一根軸傳遞到鏈條上的夾持塊，并通過(guò)夾持塊與連續(xù)管之間的靜摩擦力提升或下放連續(xù)管。鉆井液中若添加固體潤(rùn)滑劑，會(huì)降低夾持塊處的靜摩擦力，影響連續(xù)管的提升和下放，給鉆井施工帶來(lái)隱患。因此，只能優(yōu)選液體潤(rùn)滑劑來(lái)降低鉆具與套管之間及鉆具與裸眼井壁之間的摩阻。以400 mL鹵水+0.2% NaOH+0.2% HT-XC+2% YLJ-1為基漿，分別向基漿中加入12 g極壓潤(rùn)滑劑SD-505、HY-168和FG-2，在20 ℃下測(cè)定熱滾（120 ℃，16 h）前后的流變性、潤(rùn)滑性及生物毒性。

從表3可以看出，3種性價(jià)比較高的潤(rùn)滑劑均能不同程度地降低摩阻，但是基漿添加潤(rùn)滑劑FG-2后出現(xiàn)高溫增稠現(xiàn)象，對(duì)流變性影響較大；HY-168生物毒性較大，不符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；潤(rùn)滑劑SD-505生物毒性小，對(duì)鉆井液流變性影響小，符合安全環(huán)保理念，故選為無(wú)固相鹵水鉆井液體系的潤(rùn)滑劑。

表3 不同潤(rùn)滑劑性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.1.4 鉆頭清潔劑的優(yōu)選

連續(xù)管鉆井方式自始至終為滑動(dòng)鉆進(jìn)，在軟泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。以400 mL鹵水+0.2% NaOH+0.2% HT-XC+2% YLJ-1+3% SD-505為基漿，分別向基漿中加入4 g鉆頭清潔劑SDNR、GW-COL和DET，取遼河油田冷42區(qū)塊館陶組黏性大的軟泥巖巖屑，將直徑和長(zhǎng)度固定的鋼棒與泥巖巖屑濃度高達(dá)20%的鉆井液裝入老化罐中，120 ℃條件下滾動(dòng) 16 h后取出，觀察鋼棒上巖屑吸附狀態(tài)，然后分別將吸附在不同鋼棒上的巖屑烘干稱(chēng)重（見(jiàn)表4）。

不同配方鉆井液中的鋼棒對(duì)軟泥巖吸附量不一樣，添加SDNR后顯現(xiàn)出更有效的防泥巖黏附和聚結(jié)特性，這是因?yàn)镾DNR在金屬表面快速吸附形成的潤(rùn)滑油膜不但能提高金屬表面潤(rùn)滑性，還可減少鉆屑在鉆頭表面的吸附量，防止鉆頭泥包事故。

表4 不同鉆頭清潔劑性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 無(wú)固相鹵水鉆井液配方

以滿足連續(xù)管鉆井施工工藝為前提，室內(nèi)經(jīng)過(guò)關(guān)鍵處理劑的優(yōu)選，以及最優(yōu)加量的確定，最終形成了密度在1.03～1.50 g/cm3的無(wú)固相鹵水鉆井液，其基本配方為：鹵水+（0.1%～0.2%）NaOH+（0.2%～0.4%）HT-XC+（2.0%～3.0%）YLJ-1+（0.5%～2.0%）SDNR+（1.0%～2.5%）防塌封堵劑（FT-1A）+（1.0%～5.0%）SD-505+復(fù)合鹽密度調(diào)節(jié)劑。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 基本性能

在20 ℃下測(cè)試無(wú)固相鹵水鉆井液熱滾（120 ℃，16 h）前后的基本性能，結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，無(wú)固相鹵水鉆井液老化前后黏度和切力適中，觸變性強(qiáng)，濾失量低，而且流變性不隨密度變化發(fā)生較大波動(dòng)，這是因?yàn)闊o(wú)固相鹵水鉆井液所用的加重劑是可溶解的復(fù)合鹽，其加量對(duì)鉆井液流變性的影響相對(duì)較小。

表5 無(wú)固相鹵水鉆井液基本性能

2.2 抗溫性能

將密度為 1.50 g/cm3的無(wú)固相鹵水鉆井液分別在不同溫度下熱滾 16 h，測(cè)定老化后鉆井液的流變性和高溫高壓濾失量（見(jiàn)圖1）。

在25～150 ℃內(nèi)，密度為1.50 g/cm3的無(wú)固相鹵水鉆井液始終保持適中的黏切和較低的濾失量，說(shuō)明該鉆井液有良好的高溫穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)單滾筒能纏繞的最長(zhǎng)連續(xù)油管為3 500 m，以地溫梯度為4 ℃/100 m計(jì)算，無(wú)固相鹵水鉆井液抗溫性能完全滿足連續(xù)管鉆井要求。

2.3 攜巖性能

圖1 無(wú)固相鹵水鉆井液抗溫性能評(píng)價(jià)

研究與實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)井斜角為45°～60°時(shí)易出現(xiàn)巖屑床[9]，導(dǎo)致井眼凈化難度大。因此，利用多功能井筒流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在井斜角為 45°～60°的情況下，室內(nèi)進(jìn)行了無(wú)固相鹵水鉆井液攜巖效率的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：套管內(nèi)徑124.26 mm，鉆桿外徑73.05 mm，轉(zhuǎn)速0，環(huán)空返速0.6～1.4 m/s，鉆井液密度1.05 g/cm3，漏斗黏度45～60 s，動(dòng)塑比0.4～0.8。

由圖2可知，攜巖效率隨著環(huán)空返速和動(dòng)塑比的增加而增加。當(dāng)環(huán)空返速達(dá)0.8 m/s以上時(shí)，攜巖效率隨環(huán)空返速的增加明顯變小，當(dāng)動(dòng)塑比達(dá)到0.5以上時(shí)，攜巖效率隨動(dòng)塑比的增加明顯變小。因此，當(dāng)環(huán)空返速不低于0.8 m/s、鉆井液漏斗黏度為45～60 s、動(dòng)塑比達(dá)到0.5以上時(shí)，無(wú)固相鹵水鉆井液完全滿足連續(xù)管鉆井井眼凈化要求（即攜巖效率達(dá)70%以上）。

圖2 無(wú)固相鹵水鉆井液井眼凈化性能評(píng)價(jià)

2.4 抑制性能

遼河油田淺井普遍采用抑制造漿效果好、性價(jià)比高的有機(jī)硅鉆井液，而在易坍塌、掉塊的油頁(yè)巖地層，采用全油基鉆井液以取得良好的井壁穩(wěn)定效果。將取自遼河油田大民屯凹陷沙四段下亞段的油頁(yè)巖巖屑過(guò)2.00 mm（10目）篩，分別加入有機(jī)硅鉆井液、全油基鉆井液和無(wú)固相鹵水鉆井液中，然后用毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀器測(cè)試鉆井液濾液的毛細(xì)吸水時(shí)間（CST），并測(cè)試 150 ℃下滾動(dòng) 16 h后巖屑的回收率（見(jiàn)表6）。CST值越小、回收率越高，表明鉆井液抑制巖屑水化分散的能力越強(qiáng)[10]。

表6 3種鉆井液對(duì)巖屑的抑制性比較

由表6可以看出，無(wú)固相鹵水鉆井液的CST值明顯低于有機(jī)硅鉆井液，滾動(dòng)回收率略低于全油基鉆井液，表明無(wú)固相鹵水鉆井液抑制巖屑水化分散的能力僅次于全油基鉆井液。

采用頁(yè)巖膨脹儀測(cè)試頁(yè)巖在上述 3種鉆井液中的線性膨脹率，結(jié)果如圖 3所示。頁(yè)巖在無(wú)固相鹵水鉆井液中的膨脹率與其在全油基鉆井液中的膨脹率相差不大，說(shuō)明二者抑制頁(yè)巖水化膨脹的能力相近。

圖3 頁(yè)巖在不同鉆井液中的膨脹率曲線

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出，無(wú)固相鹵水鉆井液具有較好的控制泥頁(yè)巖水化膨脹和分散的能力。這是因?yàn)辂u水中的無(wú)機(jī)陽(yáng)離子會(huì)壓縮黏土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，Zeta電位下降，從而引起黏土晶片邊-面乃至面-面聚結(jié)，有效抑制地層黏土水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定[11]。

2.5 抗鉆屑污染性能

在密度為 1.50 g/cm3的無(wú)固相鹵水鉆井液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油頁(yè)巖鉆屑（取自坨62井沙四段杜家臺(tái)油層），在150 ℃條件下熱滾16 h后測(cè)定其塑性黏度、動(dòng)切力和高溫高壓濾失量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 無(wú)固相鹵水鉆井液抗巖屑性能

由圖 4可見(jiàn)，隨加入鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，無(wú)固相鹵水鉆井液的塑性黏度和動(dòng)切力有所升高，加入鉆屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 25%時(shí)，其塑性黏度、動(dòng)切力和高溫高壓濾失量仍能滿足要求，說(shuō)明該鉆井液具有較好的抗鉆屑污染性能。由于該鉆井液體系本無(wú)任何固相，對(duì)外來(lái)固相容量較大，同時(shí)體系具有極強(qiáng)的抑制性，混入鉆井液中的鉆屑水化程度小，不會(huì)對(duì)鉆井液性能產(chǎn)生明顯影響。

2.6 潤(rùn)滑性能

采用TC-EP-2A極壓潤(rùn)滑儀和NZ-3泥餅黏滯系數(shù)測(cè)定儀，對(duì)比密度為1.50 g/cm3的無(wú)固相鹵水鉆井液與全油基鉆井液在150 ℃下熱滾16 h前后的潤(rùn)滑性能，潤(rùn)滑劑加量為5%。測(cè)定結(jié)果如表7所示，可以看出無(wú)固相鹵水鉆井液具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，能夠滿足連續(xù)管鉆井工藝需求。

表7 2種鉆井液潤(rùn)滑性能對(duì)比

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

無(wú)固相鹵水鉆井液成功應(yīng)用在遼河油田 3口連續(xù)管側(cè)鉆井中：錦2-丙5-215C井是遼河油田第1口成功實(shí)施的連續(xù)管側(cè)鉆井，純機(jī)械鉆速6.07 m/h，比鄰井提高了21.7%以上；錦2-7-307C井裸眼進(jìn)尺只用了兩趟鉆，純機(jī)械鉆速5.54 m/h，井徑擴(kuò)大率2.1%；前22-17C井在國(guó)內(nèi)連續(xù)管側(cè)鉆井中完鉆井深最深（1 759 m）且裸眼井段最長(zhǎng)（707 m）。以前22-17C井為例，詳細(xì)介紹無(wú)固相鹵水鉆井液在連續(xù)管鉆井施工中的應(yīng)用情況。

前22-17C井為118 mm小井眼側(cè)鉆井。開(kāi)窗點(diǎn)位置1 052 m，完鉆井深1 763 m（常規(guī)鉆具通井到底加深4 m口袋），井身剖面設(shè)計(jì)采用增—穩(wěn)—降—直4段制，井眼軌跡呈“S”型，泥巖鉆遇率86%以上，施工難度較大。采用無(wú)固相鹵水鉆井液鉆進(jìn)，其配方為：鹵水+ 0.1% NaOH + 0.4% HT-XC + 2.5% YLJ-1 + 1.5%SDNR+2.5% FT-1A（防塌封堵劑）+（1.0%～5.0%）SD-505+（0.5%～2.0%）YDW-1（無(wú)滲透處理劑）+復(fù)合鹽密度調(diào)節(jié)劑（密度1.23～1.32 g/cm3）。

在實(shí)鉆過(guò)程中，無(wú)固相鹵水鉆井液性能優(yōu)良，取得了較好的應(yīng)用效果。

3.1 鉆井液性能

由表8可以看出，無(wú)固相鹵水鉆井液在整個(gè)實(shí)鉆過(guò)程中流變性能穩(wěn)定，濾失量低，摩阻較小，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。這是由于該體系具有很強(qiáng)的抑制性，返出巖屑棱角規(guī)則，有害固相侵入少、污染小，故鉆井液性能十分穩(wěn)定。

表8 前22-17C井無(wú)固相鹵水鉆井液性能

3.2 井眼凈化能力

前22-17C井鉆進(jìn)采用的鉆井液泵型號(hào)是F800，排量和泵壓額定值相對(duì)較低，而3 000 m的連續(xù)管內(nèi)壓耗遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆具。該井套管內(nèi)徑124.2 mm、連續(xù)管外徑73.05 mm，在泵壓承受范圍內(nèi)，鉆井液在套管內(nèi)的環(huán)空返速在0.8 m/s以下，這就要求鉆井液必須具備較強(qiáng)的井眼清潔能力。

前22-17C井硬脆性泥頁(yè)巖段短起下到底后返出的小部分巖屑粒徑在5～10 mm，棱角分明，說(shuō)明巖屑在井底未經(jīng)碾壓和磨損，迅速被鉆井液帶至地面。充分證明了強(qiáng)抑制無(wú)固相鹵水鉆井液在返速較低的情況下仍能保證巖屑的攜帶，避免了巖屑重復(fù)研磨導(dǎo)致鉆速低以及其他復(fù)雜事故的發(fā)生。

3.3 潤(rùn)滑防卡效果

前22-17C井為了防碰及提高泄油面積，井身采用“S”型軌跡設(shè)計(jì)。下直段裸眼進(jìn)尺的增加，會(huì)使拐角處貼在井壁上的鉆具面積增大。但無(wú)固相鹵水鉆井液良好的潤(rùn)滑性和金屬成膜性保證了707 m裸眼段的順利鉆進(jìn)，最大程度地減輕了連續(xù)管屈曲程度，施工過(guò)程中未出現(xiàn)鉆壓傳遞困難、鉆頭泥包和黏卡影響鉆進(jìn)的情況。圖5是起出井口的鉆完303 m下直段進(jìn)尺的單牙輪鉆頭，從不同角度觀察可以看出，鉆頭清潔無(wú)泥包，牙齒無(wú)任何脫落，磨損程度低。

3.4 機(jī)械鉆速

圖5 起出井口的單牙輪鉆頭

前 22-17C井采用連續(xù)管鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速為 5.54 m/h，鄰井前 22-19C井在鉆壓、排量和轉(zhuǎn)速更高的條件下同層位鉆進(jìn)機(jī)械鉆速僅為3.96 m/h。平均機(jī)械鉆速提高了39.9%，平均日進(jìn)尺提高了37.92 m，鉆井綜合成本明顯降低。由于無(wú)固相鹵水鉆井液良好的攜巖效果減少了重復(fù)破巖，強(qiáng)抑制性避免了泥巖水化導(dǎo)致的地層可鉆性變差以及鉆頭泥包事故，優(yōu)良的潤(rùn)滑性能更好地保證了鉆壓傳遞，使鉆進(jìn)參數(shù)在不占優(yōu)勢(shì)的情況下產(chǎn)生更快的機(jī)械鉆速。

3.5 井壁穩(wěn)定性

從圖6中可以看出，前22-17C井側(cè)鉆井段井徑規(guī)則，由于無(wú)固相鹵水鉆井液的超強(qiáng)抑制性、封堵性和超低濾失量，無(wú)縮徑井段且井徑擴(kuò)大率僅為8.1%。起下鉆作業(yè)安全順利，無(wú)任何刮卡現(xiàn)象，鉆井過(guò)程未發(fā)生任何復(fù)雜事故；后續(xù)完井作業(yè)中9趟電測(cè)自由下放均一次性到底，單扶通井、下套管作業(yè)均一次性成功，表明無(wú)固相鹵水鉆井液體系抑制性強(qiáng)，具有突出的井壁穩(wěn)定效果。

圖6 前22-17C井井徑曲線

4 結(jié)論

根據(jù)連續(xù)管鉆井工藝技術(shù)特點(diǎn)，以鹵水為基液，針對(duì)性地對(duì)流型調(diào)節(jié)劑、高效潤(rùn)滑劑、抗鹽降濾失劑和鉆頭清潔劑進(jìn)行了篩選，形成了適合連續(xù)管鉆井施工的無(wú)固相鹵水鉆井液體系，其基本配方為：鹵水+（0.1%～0.2%）NaOH+（0.2%～0.4%）HT-XC+（2.0%～3.0%）YLJ-1+（0.5%～2.0%）SDNR+（1.0%～2.5%）FT-1A+（1.0%～5.0%）SD-505+復(fù)合鹽密度調(diào)節(jié)劑。研制的無(wú)固相鹵水鉆井液具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性、抑制性及抗污染能力，同時(shí)具有良好的潤(rùn)滑性及井眼凈化效果。無(wú)固相鹵水鉆井液在連續(xù)管鉆井現(xiàn)場(chǎng)施工中流變性穩(wěn)定易調(diào)整，攜砂能力強(qiáng)，潤(rùn)滑防卡效果好，有助于機(jī)械鉆速提高，井徑規(guī)則，防止復(fù)雜事故，完全滿足連續(xù)管鉆井工藝要求。