一种降低井底钻井液循环温度的方法及钻井液体系

技术领域

本发明涉及石油与天然气井钻井工艺领域，具体涉及一种降低井底钻井液循环温度的方法及钻井液体系。

背景技术

随着新兴能源的不断发现和对能源需求的增加以及石油钻井技术的发展，深井、超深井、地热井、干热井和天然气水合物井钻探已成为钻井工业发展的重要方面。深井、超深井钻井过程中井底循环温度对井下工具的影响越来越明显，高温导致工具故障频发，制约了钻井时效。井底钻井液循环温度受地热梯度、岩性特征、地面温度、钻井参数等多重条件影响，目前在四川盆地高石梯-磨溪区块、泸州深层页岩气区块，不同程度的出现井底钻井液循环温度超过150℃的现象，钻井液高温对钻井过程有非常严重的负面影响，对钻井液本身来说高温会使处理剂高温失效，影响流变性滤湿性等钻井液的稳定性，并且对钻井工具和测井设备也产生严重的负面影响，高温会使井下工具密封性降低严重缩短钻具的使用寿命，高温也会使随钻的设备寿命降低，提高生产的成本。水基钻井液的主要造浆材料是膨润土。如钠膨润土，用来增粘、降低滤失量、提高润滑性能。高温对造浆材料的影响主要是絮凝和分散。随着温度的升高，絮凝的严重性则随之增加；同时高温也增强了水分子渗入到粘土内部的能力和粘土表面阳离子扩散和置换的能力，在布朗运动和外加剪切力作用下，促使颗粒分散。高温环境下钻头材料往往会因为高温表现出易疲劳、强度下降等问题。随钻测井器材高温时会表现出测不准甚至器材变形损坏等问题，导致定向工具频繁的失去信号，无法判断井底的方位与井斜，由此导致了储层段多趟次起下钻，最多水平段起下钻21趟，严重制约了油气井的钻井工期，增加了人工操作强度和作业成本。

在钻井过程中，对钻井液的冷却一般采取以下措施。(1)自然冷却，通过延长钻井液槽的循环路线，可以在一定程度上达到冷却钻井液的目的。这种方法一般应用于钻井液排量不大、返回的钻井液温度不太高的情况。这种冷却方式完全受气候条件影响，对于深井、超深井和高温高压井效果不明显，对天然气水合物井则无法达到安全钻井对循环钻井液温度的要求。(2)低温介质混合冷却，向钻井液池中投放低温固体(如冰块)或液体，通过混合热传导方式来使钻井液降温。这种方法一般用于水基钻井液的冷却、且容易得到低温水源的情况，只能作为应急方案使用。(3)冷却装置强制冷却，当返出钻井液温度过高时，需采用钻井液冷却系统强制冷却。钻井液冷却系统的工作原理以风冷、喷淋和交互式换热3种方式为主。但是外加冷却装置需要能量输入，会有巨大的能量损耗。

中国专利CN108612495A公开了一种钻井液冷却系统，包括活动池、输送泵、进出口管汇装置和冷却装置,进出口管汇装置包括钻井液进出口管汇装置、冷源进出口管汇装置和冲洗管汇装置,具体包括钻井液进、出口管和冷源进、出口管,钻井液进、出口管路与冷源进、出口管路之间设有冲洗引流管和冲洗回流管,各管路上设有开关阀；冷却装置内有钻井液通道和冷源通道。进出口管汇装置采用模块化结构设计,实现了钻井液与冷源之间同向、逆向流动换热功能,以及钻井液通道的正、反向冲洗功能,冲洗功能使用简单便捷,冷却装置与进出口管汇装置之间形成箱式一体橇装结构,具有结构紧凑、移运方便、清洗简单高效的优点。但是该方法需要一系列的过程装备，成本较高且需要外加换热介质。

中国专利CN108276975A公开了一种通过加入不同高温稳定剂对钻井液性能进行提高的技术，通过加入高温稳定剂，使钻井液可以耐受240℃高温环境，但是该方法只考虑了钻井液的高温环境下的状态，并没有考虑钻进工具和随钻设备耐高温的成本和高温下的测量偏差，依然面临高成本的钻进工具问题。

发明内容

本发明提供一种降低井底钻井液循环温度的方法，为降低循环温度从而提高石油天然气的经济高效开发奠定基础。

本发明通过下述技术方案实现：

一种降低井底钻井液循环温度的方法，包括：

S1、确定满足井壁稳定的钻井液低限密度ρ

S2、根据地层岩性确定钻井液体系；

S3、将满足步骤S1和S2的钻井液按密度差x g/cm

S4、钻井设备开钻后，从钻井液高限密度ρ

S5、判断所述循环温度是否在规定范围内，若所述循环温度高于规定范围，则按所述钻井液的密度梯度逐步降低所述钻井液高限密度ρ

作为优化，步骤S1中，满足所述井壁稳定的钻井液低限密度ρ

作为优化，步骤S1中，满足所述井控要求的钻井液高限密度ρ

作为优化，步骤S2中，根据地层岩性确定钻井液体系包括但不限于：泥页岩地层采用油基钻井液，砂岩地层采用水基钻井液。

作为优化，步骤S3中，x不大于0.1。

作为优化，步骤S5中的具体方法为：

S5.1、判断所述循环温度是否在规定范围内，若确认位于井底的钻井液的循环温度高于规定范围的上限值，跳转到S5.2，否则，跳转到S5.4；

S5.2、通过钻井设备输入降低了一个密度梯度的钻井液，再通过井底定向工具获取位于井底的钻井液的循环温度并判断，若位于井底的钻井液的循环温度高于规定范围的上限值，跳转至S5.3，否则，跳转至S5.4；

S5.3、判断本次输入的钻井液的密度是否到了钻井液低限密度，若是，则跳转至S5.4，否则，返回S5.2；

S5.4、停止降低钻井液密度。

作为优化，所述井底钻井液的循环温度的规定范围的上限值不高于135℃。

作为优化，所述钻井设备采用精细控压钻井设备。

作为优化，所述井底定向工具为设置在井底的温度传感器。

本发明还公开了一种降低井底钻井液循环温度的钻井液体系，用于上述所述的降低井底钻井液循环温度的方法，所述钻井液的钻井液密度满足井壁稳定以及井控要求，且所述钻井液按规定的密度差分为多个密度梯度，通过注入从大到小的所述密度梯度的钻井液能够逐步降低井底钻井液的循环温度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种降低井底钻井液循环温度的方法及钻井液体系，通过地层岩性确定钻井液体系；根据地层岩性及邻井钻进复杂情况，确定满足井壁稳定的钻井液低限密度；根据待钻井的地层压力系数与油气层发育情况，确定满足井控要求的钻井液高限密度；然后依次降低钻井液密度，从而达到降低循环温度的效果，本发明公开了一种新型的降低井底钻井液的循环温度的方法，方便快捷，容易实现，成本低廉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在正常钻井时，钻井液从钻柱井口注入井眼，经井筒下部地层加热后返回环空，从环空井口返出，在环空向井口流动的途中加热井眼周围的上部地层。停止钻进或起下钻中，钻柱内井口无冷却的钻井液注入，地层远处热量不断向井筒周围聚集，使得井筒内钻井液与地层持续被加热，温度逐渐升高，假设井筒钻井液为整个单元体,即地层与井筒钻井液整个单元体发生热交换。

从地层传入井筒热量表示为：

井筒内钻井液内能变化量表示为：

由能量平衡原理,则井筒内单位长度上钻井液热平衡方程表示为：

上式中：

Q

λ

但钻井过程接触的介质及工况复杂，仅考虑单一影响因素无法有效指导现场钻井作业，在石油天然气钻井过程中，钻井液循环温度主要受(1)井筒条件，(2)钻具条件，(3)钻井液条件：钻井液体系、钻井液密度、粘度、动切力，(4)井筒介质的比热容及热传导系数，上述四个条件影响。

当地层温度恒定时候，钻井液温度与密度呈正相关关系，因此可以通过上述公式中影响热平衡方程的参数改变钻井液温度，钻井液密度是其中可改变量之一。通过改变钻井液密度的方法来改变井底钻井液循环温度，是本发明的主要内容。

实施例

因此，本发明公开了一种降低井底钻井液循环温度的方法，包括：

S1、确定满足井壁稳定的钻井液低限密度ρ

S2、根据地层岩性确定钻井液体系；

S3、将满足步骤S1和S2的钻井液按密度差x g/cm

S4、钻井设备开钻后，从钻井液高限密度ρ

S5、判断所述循环温度是否在规定范围内，若所述循环温度高于规定范围，则按所述钻井液的密度梯度逐步降低所述钻井液高限密度ρ

本实施例中，步骤S1中，满足所述井壁稳定的钻井液低限密度ρ

本实施例中，步骤S1中，满足所述井控要求的钻井液高限密度ρ

本实施例中，步骤S2中，根据地层岩性确定钻井液体系包括但不限于：泥页岩地层采用油基钻井液，砂岩地层采用水基钻井液。

本实施例中，步骤S3中，x不大于0.1。

本实施例中，步骤S5中的具体方法为：

S5.1、判断所述循环温度是否在规定范围内，若确认位于井底的钻井液的循环温度高于规定范围的上限值，跳转到S5.2，否则，跳转到S5.4；

S5.2、通过钻井设备输入降低了一个密度梯度的钻井液，再通过井底定向工具获取位于井底的钻井液的循环温度并判断，若位于井底的钻井液的循环温度高于规定范围的上限值，跳转至S5.3，否则，跳转至S5.4；

S5.3、判断本次输入的钻井液的密度是否到了钻井液低限密度，若是，则跳转至S5.4，否则，返回S5.2；

S5.4、停止降低钻井液密度。

本实施例中，所述井底钻井液的循环温度的规定范围的上限值不高于135℃。

本实施例中，所述钻井设备采用精细控压钻井设备。

本实施例中，所述井底定向工具为设置在井底的温度传感器。

本发明还公开了一种降低井底钻井液循环温度的钻井液体系，用于上述所述的降低井底钻井液循环温度的方法，所述钻井液的钻井液密度满足井壁稳定以及井控要求，且所述钻井液按规定的密度差分为多个密度梯度，通过注入从大到小的所述密度梯度的钻井液能够逐步降低井底钻井液的循环温度。

将本发明的钻井液体系运用本发明的方法来降低井底钻井液循环温度的具体实施方法如下：

(1)根据地层岩性及邻井钻进复杂情况，确定满足井壁稳定的钻井液低限密度ρ

(2)根据待钻井的地层压力系数与油气层发育情况，确定满足井控要求的钻井液高限密度ρ

(3)根据地层岩性确定钻井液体系：①泥页岩地层采用油基钻井液、②砂岩地层采用水基钻井液；

(4)将满足井壁稳定的钻井液低限密度与满足井控要求的钻井液高限密度，按0.1g/cm

(5)钻井设备开钻后，从钻井液高限密度的钻井液开始钻进，同时井底定向工具记录井底循环温度；钻井设备为精细控压钻井设备，该设备为常规设备，可以采用Schlumberger公司的DAPC系统，也可以采用Halliburton公司的MPD系统，还可以采用Weatherford公司的MFC系统，这里就不再赘述了。

(6)若检测到的井底钻井液的循环温度较高(142℃左右)，则采用精细控压钻井设备，配合地面钻井液工程师调整钻井液密度，按0.1g/cm3梯度依次降低；

(7)重复步骤(5)～(6)记录井底钻井液的循环温度与依次降低钻井液密度；

(8)直到井底钻井液的循环温度降至135℃左右，或者钻井液密度降至满足井壁稳定的钻井液低限密度，则停止降密度。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。