小井眼钻井液性能研究

王平双，邢希金，刘书杰（中海油研究总院，北京 100027）

罗刚，舒福昌（荆州市汉科新技术研究所，湖北 荆州 434000）

一般认为井筒中大于90%的井眼直径小于7in（1in＝2.54cm）或70%的井眼直径小于6in的井称为小井眼井。但周煌辉等认为穿透目的层的井段是用小于7in钻头钻成的井眼也可以称为小井眼［1］。

小井眼钻井的关键技术是环空水力学。它不仅涉及到环空钻屑举升、环空压耗、井壁稳定、钻具与井壁的润滑等，还与正确选择钻井工艺参数有关［2］。环空压力损失很高，成为小井眼水力学研究中必须首先研究的核心问题［3］。笔者根据海上某井的井身结构，结合小井眼对钻井液的要求，研究出了适合该井的小井眼钻井液。该体系既具有常规钻井液良好的综合性能，又很好地控制了钻井液的当量循环密度（ρec），从而保证小井眼钻井施工的安全。

1 体系的基本配方及基本性能

室内通过大量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，最终研究出了适合海上某井小井眼钻井液的配方，其基本配方为：

100ml海水＋0.2gNa2CO3＋0.3g包被剂PF－PLH ＋0.2g流型调节剂PF－XC＋2g降滤失剂 HFL－X＋2g页岩防塌剂PF－TEX＋2g润滑剂HLB＋2g防水锁剂HAR－D，甲酸钠加重到1.25g／cm3，重晶石加重到1.50g／cm3。

该配方钻井液的基本性能见表1。

表1 小井眼钻井液基本性能

2 体系的常规性能评价

2.1 不同密度钻井液的性能

配方：100ml海水＋0.2gNa2CO3＋0.3g包被剂PF－PLH ＋0.2g流型调节剂PF－XC＋2g降滤失剂HFL－X＋2g页岩防塌剂PF－TEX＋2g润滑剂 HLB＋2g防水锁剂 HAR－D，甲酸钠加重到1.25g／cm3，重晶石加重至所需密度。

表2 不同密度小井眼钻井液性能

从表2中数据可以看出，随着密度的增大，体系τd和μp均有所增加，体系总体性能变化不大。说明研制的小井眼钻井液体系流变性能稳定，在一定的密度范围可调。

2.2 体系的抑制能力评价

小环空间隙致使钻具容易发生卡钻，钻井液应能抑制地层造浆以防止塑性泥页岩地层水化膨胀产生缩径，维护井壁稳定，避免发生井塌、卡钻等复杂情况。室内对研制的小井眼钻井液抑制能力进行了评价，主要从岩屑的150℃条件下热滚回收率和16h线性膨胀率两个方面来进行评价，热滚回收率高和线性膨胀率小，说明体系的抑制性能好。结果表明：钻屑在小井眼钻井液体系中的热滚回收率高达92%，16h的线性膨胀率仅为9.5%，说明研制的小井眼钻井液体系具有很强的抑制黏土水化能力。

2.3 体系的润滑性

由于小井眼的环空间隙小，要求钻井液必须具备良好的润滑性以改善摩阻和减小钻具黏卡机会。室内采用E－P极压润滑仪分别测定润滑剂HLB不同质量浓度的极压润滑系数，结果见表3。由表3结果表明，润滑剂HLB加入后，体系极压润滑值明显降低，说明极压润滑剂加入后能够明显地改变体系的润滑性能，有助于降低钻井过程中的摩阻、降低扭矩，能够有利于减少井下复杂情况的发生。

表3 小井眼钻井液的润滑能力

3 当量循环密度（ρec）计算

3.1 ρec的计算公式

环空间隙小是小井眼井身结构的一个主要特点，所以钻井液密度的使用范围变窄。小间隙环空的存在极易造成井漏、压差卡钻及丧失循环等情况的出现。因此合理控制ρec，是解决小井眼钻井液密度窗口的安全以及快速钻井的关键问题。

研究和实践表明，钻井液的ρec可定义为钻井液的当量静态密度与钻井液流动造成环空压力损失转化的密度之和［4］，其计算方法可用如下方程表示：

式中：ρec为当量循环密度，g／cm3；ρes为钻井液静态密度，g／cm3；Δp 为环空压耗，Pa；g 为重力加速度，9.8m／s2；H 为井深，m。

3.2 海上某井的基本情况

海上某井主要采取四开结构，斜深4546.0m，垂深3887.0m。其中三开和四开的套管程序为7in×3700m＋6in×816m，钻杆程序为5in×3700m＋4in×816m，具体井身结构见图1。

根据力学试验分析，海上某井始新统平湖组中段及以后破裂压力对应的钻井液当量密度为2.1g／cm3。这就要求下部四开6in井眼钻井液的ρec必须小于2.1g／cm3才能保证安全施工的要求。

3.3 钻井液ρec的计算

在小井眼钻井过程中，机械转速、泵排量、钻具的偏心度以及钻屑入侵等都会影响到ρec值，分别对各影响因素的ρec值进行了计算，从而验证室内研制的小井眼钻井液体系是否满足海上某井钻井作业要求。

1）转速对ρec的影响 在钻井施工的过程中，钻杆的机械转速对小井眼的水力参数有非常大的影响。室内以泵排量 0.8m3／min为条件，对密度为1.50g／cm3的小井眼钻井液在不同转速下的ρec进行了计算，结果见图2。由图2看出，转速增加钻井液的ρec随之增加，当机械转速在60～160r／min变化时，ρec在1.667～1.704g／cm3之间变化，没有超过目标井位井漏发生的极限ρec，说明研制的小井眼钻井液不会因为机械转速过高引起ρec剧烈上升而压漏地层。

2）泵排量对ρec的影响 在钻井施工的过程中，不同的泵排量对小井眼的水力参数有很大的影响。室内以转速100r／min为条件，对密度为1.50g／cm3的小井眼钻井液在不同泵排量下的ρec进行了计算，结果见图3。由图3看出，随着泵排量的增加，钻井液的环空压耗及ρec随之增加，当泵排量在0.6～1.2m3／min变化时，ρec在1.668～1.717g／cm3之间变化，没有超过目标井位井漏发生的极限ρec，说明研制的小井眼钻井液不会因为现场泵排量过高引起ρec剧烈上升而压漏地层。

图1 海上某井的井身结构示意图

图2 机械转速对ρec的影响

图3 泵排量对ρec的影响

3）偏心度对ρec的影响钻具的偏心度也对小井眼的水力参数会造成一定的影响。室内以转速100r／min和泵排量0.8m3／min为条件下，对密度为1.50g／cm3的小井眼钻井液在不同泵排量下的ρec进行了计算，结果见图4。由图4看出，随着钻具偏心度的增加，钻井液的ρec随之减小，当偏心度在0～0.4之间变 化 时，ρec在 1.686 ～1.682g／cm3之间变 化，没有超过目标井位井漏发生的极限ρec。

图4 钻具偏心度对ρec的影响

图5 钻屑污染对ρec的影响

4）钻屑污染量对ρec的影响 在钻井过程中，因为各种原因，钻屑侵入钻井液是不可避免的，从而导致钻井液固相含量增加，影响环空压耗及ρec。室内以转速100r／min和泵排量0.8m3／min为条件，计算了钻屑侵入对ρec的影响，结果见图5。由图5看出，随着钻屑侵入量的增加，钻井液的ρec随之增加，当钻屑污染量为10%时，ρec仅仅由1.50g／cm3增加到1.691g／cm3，说明钻屑的侵入对所研制的小井眼钻井液的ρec影响很小。

4 结论

1）室内研制出了适合密度为1.50g／cm3的小井眼钻井液的配方。

2）通过对所研制的小井眼钻井液体系常规综合性能的评价，发现该体系表现出了良好的流变性、高温滤失量、抑制性和润滑性等综合性能。

3）结合海上某井的具体情况，对研制的小井眼钻井液体系在不同情况下的ρec进行了计算，结果表明该体系的ρec得到了良好的控制，不会超过井底破裂压力，从而保证了施工安全。

［1］周煜辉，赵凯民 .小井眼钻井技术 ［J］.石油钻采工艺，1994，16（2）：16～24.

［2］李少池，周煜辉 .小井眼环空水力学评述 ［J］.石油钻采工艺，1997，19（5）：27～31.

［3］汪海阁，白仰民，高振果，等 .小井眼环空压耗的室内实验研究 ［J］.石油钻采工艺，1998，20（4）：9～15.

［4］赵胜英，鄢捷年，李怀科，等 .高温深井钻井液当量循环密度预测模型 ［J］.钻井液与完井液，2009，26（2）：31～34.