深水油气井用的钻井液设计.pdf

水 油 气 井 用 的 钻 井 液 设 计 丁 M h I - I o d d e r f- f ， 已 ， f-f 已 ， ＼ 对部分 深水 油井而 言 ，海底温 度可 能在 3 0 。 F 一1 ℃ 左右 。在钻井 隔水导管 底部 的 静 水 压力 根据泥浆 密度 和水深 情况可 能高 达 5 0 0 0 p s i g 。这 些条 件 可 能会 使 天 然 气水 合 物 形成 ，还可 能会 造成钻 井液 严重凝 胶 ，这 种 情 况在使 用油基 或合成基 钻井 液时尤为严重 。 在深水油井 中 ，钻遇地层 的地 质年代 比 陆上的年 青 ，其 压实程 度要 低 ，因此这 些 地 层 的破裂 压力 较低 。此 外 ，钻 井隔 水导 管 内 侧加重 钻井液 的静水 压力超过辆 水导 管外 侧 海水 的静 水 压力 ，并且 在井 深较深 时这 种 压 差 比较 高。温度 较低会 提高 钻井液 粘度 和 当 量循环 密度 ，这 就意味 着在 深水 油井钻井 作 业 中极 易发 生循环渭 失 问题。为 了确保 不 超 过破裂 压力 梯 度 ，对 此 必 须 予 以 特别 关 注 。 这种情 况常 常要求 采用 复杂 的套管程 序 ，套 管井段多于常规油井 。 、 天然 气水合物 假如在深水油井中发生 了气涌，高静水 压力和 低海底 温度两 者之 问产 生的综 合效 应 会导致水 合 物的生 成。水合物 是 由天然 气 和 水形成 的 固态混合 体 ，看起 来类 同于 冰。 然 而 与冰不 同的是 ，假如 压力 足够 高‘ ，这 种 水 合物 可以在 水的冰 点以 上温度 时形成 。高 的 流动速度和压力脉桃有助于水合物的形 成 。 赵炜译 柬德 一校 钻井 液 组分 对 水 合物 的形 成 也 有 着 大影 响 。 钻井液 中游离水 量愈 大 ，愈 容易导 致水 台 物 形成 。水合物 可 以在 油基 和 合成基 泥浆 的盐 相 中以及 水基 泥浆 中形 成。 水合物形 成可以导致产生下列严重后果 1 堵塞钻 头喷嘴、压井 管线 和防喷器 ； 2 不 可能进行 油井 的压力监控 ； 3 ． 钻柱活动 可能受 到限制 4 由于 水合 作 用导 致钻 井 液 性 能变 坏 。 在极其严 重 的情 况 下 ，可能 会导致 井 眼 中很 少或没有 钻井液 ，而环空会被 固体颗粒堵塞 。 钻井 液未循环而 天然气 就进入 井 中的情 况最 为危 险。 天然 气水合物的控制 防止 水合 物形 成 的最 实用 方法 是 ，添 加 盐和 其它 的化学 抑 制荆 ，减 少 游离 水量 。任 何一种 可以 降低 水 活度 的溶解 性组 分也 可以 降低水合 物形成 的 可能性 。水合物 平衡 温 度 的降低同所添加物质的摩尔分散 浓度I棠以 分子量成 比例 关 系。通 常用于 降低 水冰点 的任分子量 水溶 性物 质 ，例 如 己二 醇 和盐 都 是格 外有效的。 我们必须细心地 区分在 抑制水 合物 方面 所应用 的 乙二醇和在 页岩抑 制方 面所应用 的 乙二醇。后者易具有较高的分子量，估计在 维普资讯 21 2 m 1 5 0 0 童 詈 oo o 5 0 0 0 3 0 3 5 4 0 4 5 植度 _ F 图 1 应用 氯 化 钠 抑 制 天 然 气 水 合 物 。黑 线 代 表 着 隔水导 管 长 达 3 0 f t ，泥 浆 l l p p g和 簿 底 温 度 3 0 F条件 下 的情况 在 这 种 情 况 下 氯化钠 显 示 出 适宜 的抑 制作 用 正 常浓度条 件下对 天然 气水合 物的抑制 只有 轻微影 响。 对水 基钻 井液而 言 ，标 准作 业是 添 加重 量浓 度高达 2 0 ％的氯化 钠盐 图 1 。这类钻 井 液在 墨西哥湾 的深水 油井和 在其它 水瀑超 过 3 5 0 0 f t 的水域 中钻井作 业 中已被 证实 是 十 分成 功 的。对水 深 超过 3 5 0 0 f t的情 况 而 言 ， 有必要进 一步地 提 高抑制作 用 ，推 荐添 加 乙 二醇或其它诸如氯化钙或 甲酸钾这类的盐， 然 而这类 钻井灌 的毒性 可能会 限制其在 某些 地 区的应 用 。在 油基和 合成 基钻井 藏 中，乳 化 的盐水相 中的盐通常起到足够 的抑制作 用 ， 这 一点还 应通 过试 验加以验证。 只有 当天然气进 入井简 时才 会 发生 水合 物形成 现象 ，因此实施 良好 的井 控措 施尤 为 重要 。然而压力较低会降低水合物 的稳定性 ， 于是保 持最低 的安垒 泥浆 密度会有 助于 防止 水合物 的形 成。以往还 曾提 出过应 有结 晶改 性剂或分 子 活动 抑制 i f I 抑 制 水 合物 的 方法 ， 但是这 些方法井未得到过验证证实 。 采 取诸如尽 可能利 用一些 时 间循 环钻 井 液 的工 艺措施 保持井 口温 度也会有 助于 防止 水合物 的形 成。温度模 拟 表 明，采用 较高 的 循环流量 以保持温 度 的效 果 最佳 。这 种 工艺 措施 是 否 有 效 还 取 决 于 井 口深 度 。在 水 深 1 0 0 0 f t 的条 件下 ，为防止 水舍 物 的形 成钻 井 液有可能将 足够 的热 量传送 到井 口。但是 在 2 0 0 0 f t 水深 的条 件下 ，这 种 工艺措 施 便难 以 持续地实施 。这 里应 当考 虑采 取对 钻井液 预 加热这样 的工艺方法 。 钻 井液的流 变性 绝大部分工程师都熟知 ，在井下条件下 ， 尤其 是在 高 压 、高 温 t n HT钻井 条 件 下 需要考虑钻井 液 的流 变特性 。然 而深 水钻 井 则迫使我们 必须要对 高压、高温 流变 性有 相 对较新的认识 。在海 底条 件下 ，钻井 液可 发 生快速 胶凝 作 用 ，从 而导 致 破 胶循 环 困难 。 另外 还会 由于压力 流动 的缘 故造成 井下漏 失 的增加 ，以及 由于在地 面 条件下 钻井 液通 过 振动筛流动能力 的降低造成钻井液损失 。 假如应用 油基或 合成 基钻井 液 ，那 么隔 水 导管 的长 度对 钻井液循 环和起 下钻过 程 中 的冷却效应起到重大 的影 响 图 2 在钻井 液重新循环时这种影 响可造成振动筛 被堵塞 。 作业人员 必须经 常性 地 调整 振动 筛 ，以避 免 钻井液损失和保持固控效率。泥浆粘度的改 变也 会 导致 渡 涌 和 抽 汲 问 题 的 发 生 ，影 响 MWD脉 冲信 号 的傅送 ，导致 当量循 环密 度 的提高和井眼净化效应 的变异 。 3 5 4 0 4 5 5 9 ． ． 6 0 6 5 7 0 1 2 0 箍 虞 下 L 图2 图中显示出 摩对辑毒性，矿物油基钻井 液 C c x o L lⅥ2 O O 塑性精度的影响。所有 的 ’ 测试值都是在环境压力条件下求稃的。 ‘ ． 维普资讯 第 1 4誊1 唠年第 2期 在低温条件 下油基 或合成 基 钻井液 的特 性取 决于油 的类 型 。对 此 有必要 进行纽 心 地 选 择 。 固相控制 图 3示 出振 动筛 的作用 发挥 主要 取决于 钻井液 的塑 性粘度 。在深 水油 井 中 ，隔水 导 管的冷却效应会导致钻井液具有较高的塑性 粘度，于是就要求使用较粗 的振动筛筛网， 从而削弱 了振动筛作用 的发挥 。 童 { 翻 楷 蝣 范装塑性粘度t c p 圈 3 筛网功率与塑性粘度的函数关系 在钻遇沉积年代较 短的和软的水敏性 地 层时，以及钻餍在钻井液．中滞留时间较长时， 都会使固体颗粒清除问题加剧。假如选用 了 不适 当的泥浆 或者 固控 系境 ，估 计会 要求 使 用大量的稀释液 ，从 而使后 勤保 障 问题 复杂 化。 只有好 的固控设 备是 不够 的，对设 备 还 需进行经 常地维 修保 养 ，并使其 处于 有效 作 业状态。泥浆固体颗 粒监 涮器 的应用 被证 实 是十分有价值盼， 一 据此工程师们可 以对经过 振动筛 处理过 的泥浆进行快速地现场分 析。 钻屑 的运送 钻屑水化 作用 的加 尉 可能会造 成 其形 成 粘泥球 ，或者 粘着在 隔水 导 管壁上 。如果 再 T 加上较低的环空流建，便造成钻屑运送 问题 的发生。通常的解决方法是，应用第三 台泥 浆泵提高深水油井中钻屑的携带能力。 依靠高粘度驱 扫 的方法也 不怎 么具有 吸 引力。对深 水 油井来讲 ，应 当将 隔水 导 管增 压泵视为一种标准的工艺要求 。 后 勤保 障和工 艺控制 在深水钻井作业 中后勤保 障工作起 着 重 要的作 用。尤 其 是如 果可 能 发 生循 环漏 失 ， 作业现场便 会需 求大 量 可 能 高达 4 0 0 0 b b 1 的物资，钻机也必须装备优质的混合和存储 设备。假如应 用水基 钻井 液 ，要 求 应用 大量 的盐 。因此 ，无论 是 预混合盐 水 还是 预混 合 钻井液 浓缩液 的供 给 、存储 和 处理都 必须 根 据需要做 出计划 。 在发生井涌 的 紧急情 况下 ，散装 运载 设 备必须 能够 快速地将 足够量 的重 晶石材料 运 抵井场。即便发 生小 的井涌 事件 也需 消耗 掉 6 0 0 0袋重晶石 。应用联机高 功率棍 合器可 以 节省钻机 占用 时间 ，实现快速地压井 作业 。 工艺控制也是 非常重 要的 。 由于 钻 机平 均 日进尺较 高 ，所 以对钻 井液 和固控 设备 的 管理应 引起 高度 重视 ，在 这方 面小 的失误都 需付出昂贵 的代价。最起码在并场应当有两 名泥浆工程 师和 两智 固控作业 人 员值班 。 由 于作业现 场需 要 大量 的物资 ，并需要 长的 循 环时间，故而采取抽样检查的方式进行工艺 控制 会造 成错误 。为了确保 对有 关 问题 能 够 早期发现 ，应 当考虑应 用一些联 机监 澍组粹 。 这些监浸 I 仪器可 以实时监涮密度 、’ 塑性粘 度 、 屈服点 、p H、导流能力和 温度 。可 以安 装警 报装置，当钻井液的技术性 能发生何题时 ， 立即向泥浆工 程 师和井 队人员 发 出警 报。这 样可 以确保潜在 问题 的快速及 时解决 。 ．当在地层孔 晾压力 伺破裂 压 力梯 度之 间 存在很 小差异 的 地区 这种 情况 常 常发生 在 深水作业薛实施钻井作韭时 。联机监蔫系 统的应用是 十分有 益 的。在钻 井作业 过 程 中 需 要精确地 预 测井 中每一 时段 内的压 力 。这 种工 艺要求也 促使人 们进行精 确 的温度 模拟 试验和精 确地 测试或 估算在 任何 压力和 温度 条件下的钻井藏密度{I l} 帖度。 维普资讯 钻 井液 的设计 与选择 虽然有文字记 载 的有关 水 合物 形成 的钻 井实例极 少 表 1 ，但 是根 据推测 人们认 为 这种情况 的发 生是 相 当普遍 的 ，以往发生 的 有关这 方面 的情况井 未 被人 们所 认识 或者 予 以报道 。就表 1中列 出 的两 口井来 讲 ，水 合 物带 来的潜在 后果 是 十分严 重 的。为 了防止 在预计 的海底 温度 和井 口压力条 件水合 物 的 形成 ，应 当采取 的安 全措 施 是 ，对 泥浆 系 统 进地 精心地设计 。除了应 当考虑静 水压力 之 外 ，还 应 当 考 虑 井 涌 安 全 系 数 一 般 为 1 0 0 0 p s i g 。对 水 深 超过 3 0 0 0 f t 的 油井 而 言 ， 这个 设计 标 准是 难 以满 足 的 ，尤其 是 当考 虑 到钻井 液 的毒性 问题而 需要放 弃高盐 浓度 设 计 方案时 ，钻井 液 的配制 人 员会面 临着 严 峻 的技术挑战 。 寰 1 发生 水合 物 问爱油 井 的有关 资料 并 号 f 地 理位置 水 深 海 底温度 i号井 美 国西 海 岸 1 1 5 0 4 5 。 F 2号井 墨 西哥湾 3 加0 4 0 。 F 应用油基或者 合成 基钻 井 液可 能被 视为 是一种解决这 种 问题 的简 易手段 ，但 是 出于 环境保 护方 面 的考 虑 ，人 们 十分地关 心 钻屑 的处理 问题 和如果 隔水 导管发生 泄漏而 导致 的油基泥浆泄 漏 问题 。在 墨西 哥湾 的许 多深 水 油井中 。人们对 部 分受 盐侵 影 响地 区发生 的循环液 漏失 也 予 以了关 注。这两个 因素促 成 了油基 或合 成基 钻井 液 的不宜 采用 。另外 还应指 出，在 油相 存在 的情 况下 。 由于 天然 气会溶 解于油 相 中 ，这样 会加 剧水 合物 形成 的速度和程度 。此 外 ，油包 水 乳化液 的 细小 分 布盐水 液滴 也为达 到快速 地平 衡提供 了太 的表面积 。在 考虑到 这 些 因素之 后 如果意 欲 选用油基 或合成 基钻 井液 ，那 么基液 应 当具 有尽可能低 的倾 点 ，对 其在 高压 低温条 件 下 粘 度需 要予 以认 真地调试。 假 如选 择 了水 基钻 井液 ，为 了克 服最低 预计井 口温度 带来 的影 响 ，对盐 和 乙二醇 含 量需要进 行选择 ，确保 留有 安全 系 数。现在 技术成熟的模拟模型 已经研究推 出，帮助人 们完成设计工作，井且这些模型也 已经经过 了实 验资料的验证 。 抑制 性乙二酵基钻 井 液可 能是 人们 的 预 期的可 以解决 固控 问题 ，降 低稀释 速度 和 克 服馄 合与 唇勤保 障问题 的最佳选 择 。这 类钻 井液通常 所要求 的体 积量 小 ，具有 可提 高钻 井进 尺和降低总 的钻 井 费用的 特点 。硅 酸盐 钻井液 的应用 正重新 引起 人们 的兴 趣。这类 钻井液 的水合 物抑 制作 用较好 ，但 是 后勤 保 障和 性能不稳定性可能会带来 问题 。 施工计划 编制 良好的施 工计 划对 于确保 深 水作业 区钻井作业 的成 功是 至关 重要 的。在 编 制计 划 时应 当想 到 ．要提高泥浆混合与处理系统 、 泵 送设备 和 固控设 备 的工 作性能 是要 求进行 投资 的。对 破裂压 力梯 度应 当予 以估 算 ，对 当量循环 密度 必须 予 以考 虑。对可 能 发生 的 浅层水 流 可 以根 据地震 资 料予 以认 定 。对天 然预报应 当进行研究 ，以确定是否需要拆卸 隔水导营 ，钻机平 台上 必须具 有容 量 足够大 的储罐 ，以确保在 需要 拆卸导 管时 能够 存储 导 管中韵所 有钻 井液 。 为了防止水 合物 的形成 并 不能单 纯她 依 靠通过泥浆 循环 来保 持温 度。对在井 控作 业 过程 中发 生 的天然气水合 物这种 紧急 情况应 当考虑实旖 长 时间 的关井 观察。对应付 这类 紧急情况所采取的工艺 措施应当进行讨论。 1井在开始钻 井 之前 将 方案 确定下 来。 良好 的 施工 计划 是最 好 的预 防措施 。对 每一种 可 能 发生 的情况都 当预先有所考虑 。 摘译白 Ha r t ’s P e t r o l e u m E n g i n e e r I n t e r n a d o n a l 1 9 9 8 年 3月 维普资讯