水平井钻井液

水平井钻井液

前言

水平井钻井是钻井技术发展的必然产物，和钻直井相比涉及到新的工艺和新的技术措施，它对钻井液技术提出了更高的要求，因此在水平井钻井液的设计和施工中，必须把握好钻井液的特性、分优钻井液性能、钻井液参数的优选，这样才能安全、顺利的完成钻井任务，才可能取得更高的经济效益。从胜利油田钻水平井的发展历史来看，套管结构在不断的简化，钻井周期在不断的降低，成本在不断的减少，当初钻二千来米的水平井需三开完钻，现在钻将近五千米的水平井也只下两层套管，所取得的技术和经济效益是相当可观的。所钻地层也由当初的较稳定的地层到现在的低压易漏失地层；钻井液的发展经历了水基、油基到现在的泡沫钻井液，水平井钻井液技术的持续、稳定发展，使我油田目前能钻各种类型、各种难度、不同井深的水平井。

一、水平井钻井液的发展

为提高水平井钻井液的携岩洗井效果，只有提高钻井液粘度和动切力，降低钻屑的下滑速度，避免岩屑床的形成，但粘度太高不利于钻井的施工，提高动切力是有效的方法。为达到这个目的，胜利油田在最初的几口水平井用聚腐粉JFF来改善钻井液这方面的性能，但JFF有它的局限性，作用时间不能持续长久，处理量大时易使粘度迅速上升，在此基础上采用正电胶MMH来改善钻井液流变参数，可以大大地提高动切力，施工方便、快捷。这两者处理剂实际上都是改善钻井液中粘土的性质，不同的只是JFF在施工时就已对粘土进行了处理，加入时同时会增加泥浆中的般土含量；而MMH是在施工之中进行，不可能增加钻井中的般土含量,且作用时间长。润滑剂的种类可根据地质需要而选择不同的类型。

二、钻屑在井下的运移状态

分析钻屑的运移情况，必须从钻井液的流变参数，当动切力越小，流型越显尖峰型，动切力越大，则呈现平板型层流，以宾汉模式计算，钻井液的临界环空返速

321.49 (Do+Di)(PV+(PV2+YP(Do-Di)2D) 1/2

Qc= D 7716

式中：Do井眼直径（米）

Di 钻杆内径（米）

D 钻井液密度（Kg/m3)

PV 钻井液塑性粘度（PaS)

YP 钻井液动切力（Pa)

从以上公式可以看出，当钻井液粘、切越高，越不易达到紊流。

水平井钻井液，要计算钻屑的滑落速度是相当困难的，因为井下钻具始终是处于偏心状态的，钻井液的流动主要是沿着井眼方向向上流，而很少沿着钻杆而呈螺旋性的流动。

钻进中钻屑的滑落速度是钻井液性能、流变参数的函数，它主要与钻井液塑性粘度、岩屑密度、钻井液密度和岩屑直径有关，而与钻井液动切力、静切力基本无关，钻井液动切力只改变钻井液流型，静切力只是在钻井液静止的时候表现出钻井液的悬浮性能，流动壮态下基本表现不出来，Vs计算方法较为复杂，简单可表示为：Vs=0.706((Ds-D)2/D/PV)1/3ϕp

式中：D S钻屑密度（Kg/m3)

ϕp钻屑等效直径：（米）

因此，钻屑在井眼中的运动速度是环空上返速度和滑落速度的合速度，方向与井眼的轴心有一个向下的夹角，因此，当它运行一段距离后，会贴在井眼的下井壁而形成岩屑床。尽量避免岩屑床的形成，主要有两方面的措施；一是提高钻井液动切力，改变钻井液流型，提高岩屑携带效果，使岩屑运动方向与井眼轴心的夹角尽可能的小，另一个是当钻井液静止时，应使钻井液呈现出高的静切力，使滞留于钻井液中的钻屑不致于滑落于下井壁。MMH钻井液能较好的表现出这两方面的性能，这就是水平井钻井液发展的产物。

三、摩阻对钻井的影响

钻具与井壁的摩阻F=U×W×COSθ

U钻具与井壁的摩擦系数

W钻具重量

θ井斜角

钻井过程中，计算钻具与井壁间的摩擦力是相当复杂的，要精确计算几乎是不可能的，它主要以下几方面的影响：

1、摩擦系数

转速：钻具在井下的摩擦系数受到转速的影响较大，即静摩擦力和动摩擦力的关系，在相同的负荷下，转速越大，其摩阻越小，但在高速情况下会发生钻具的磨损，有时会显得摩阻增大。

泥饼质量：泥饼质量直接关系到摩擦系数的大小，泥饼薄可减少钻具与井壁的接触面积，韧性较好时与之接触的旋转的钻具不会使它产生皱叠，这样可大大降低摩擦阻力，反之则相反，可极大地增加摩擦阻力。

2、地层因素

当钻遇易膨胀的地层时，地层吸水导致缩径，当起下钻时可引起遇阻和拔活塞，活动钻具不畅，易发生卡钻事故，当往上强拉时，处于造斜井段的钻具会吃入井壁，使上提拉力大部份都消耗在井壁上，这时要解卡是相当困难的，同时，在井身结构不好的定向井也容易发生该类情况。克服该类情况的产生需要工程和钻井液紧密配合，一是降低钻井液滤失量，二是加强在该井段上下拉划，及时破坏已缩径的井壁和减少井壁的膨胀。

3、润滑剂的影响

影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液中的固相含量（劣质固相、加重剂）、钻井液中使用的润滑剂及乳化剂和钻井液体系及处理剂。其中使用润滑剂是减少钻具与井壁摩阻最有效的方法，对于不同的井别，对它使用有一定的限制，使用的种类不同其效果也不尽相同，一般说来，润滑剂的主要成份分子量越高、并与钻井液越能配伍，则效果越好，胜利油田为解决水平井润滑问题，发明和研究了SN-2水平井钻井液，较好的解决了水平井的润滑防卡问题，SN-2是一种强乳化剂，它能把原油乳化并强烈的吸附在粘土表面而形成一层油膜富集层，使钻具在起下或钻进中保持与油膜接触，实际就是钻具躺在油膜上运动，大降低了钻机的动力负荷。

4、处理剂的影响

钻井液处理剂的合理配伍也可较好的解决钻具润滑，任何有机处理剂都是由亲油基和亲水基组成，实际上是HLB值很低的表面活性剂，它在维护好钻井液胶体的基础上，对润滑性的贡献表现在亲水基团吸附在粘土表面和钻井液水相，因此在粘土表面就有一层束缚水化膜，因而在井壁表面上就可以形成一层束缚水化膜，减少了钻具与井壁间的摩阻，尤其是高分子聚合物，由于它的特殊结构能强烈的吸附粘土和水分子，并且能形成较大的网状结构，使摩阻得以很好的改善。

四、钻井液的防塌

1、水平井眼的不稳定原因

水平井钻井过程中，造成井眼不稳定并发生坍塌的原因是由岩石力学和钻井液化学反应共同作用的结果，井眼不稳定的具体表现在：地层坍塌或泥、页岩水化膨胀，引起井径扩大或缩小。

和直井相比，水平井的井眼坍塌压力提高了，而破裂压力梯度则降低了，使坍塌层段变得更加不稳定，在造斜段和水平井段，井眼的上侧井壁处于悬空状态，仅靠钻井液的液柱压力平衡地层应力和上井壁的岩石重力，当发生抽吸时，上井壁失去力的平衡，加剧了井眼的坍塌，水平井的施工中，由于要更换动力钻具，施工时间