用于评价水平井和大位移井的钻井液的润滑性能的方法

摘要

本发明公开了一种用于评价水平井和大位移井的钻井液的润滑性能的方法，包括以下步骤：1)获取滤饼；2)测得钻杆空载时的推力f

说明书

技术领域

本发明涉及油气田勘探与开发技术领域，具体涉及一种用于评价水平井和大 位移井的钻井液的润滑性能的方法。

背景技术

钻井液的润滑性能是钻井液的综合性能中最为重要性能之一。具有良好的润 滑性的钻井液可以有效提高钻速，并可以避免卡钻等井下事故的发生。对于水平 井和大位移井钻井而言，钻井液的润滑性尤为重要。由于水平井和大位移井以滑 动钻进为主，在进行水平井和大位移井的钻井液设计时，需选用润滑性良好的钻 井液体系，以提高钻速和保证钻井安全。

在水平井和大位移井中，钻杆始终与井壁处于紧密接触状态，因此，钻杆与 裸眼井段的井壁滤饼之间的滑动摩擦系数是评价钻井液润滑性能的最重要指标 参数。然而，现有的评价钻井液润滑性的方法无法实现钻杆与岩芯表面滤饼之间 的动摩擦系数的准确测定，通常是借助其他方法测定钻具旋转运动时的钻井液润 滑系数。例如，通过EP极压润滑仪和DLA型钻井液润滑性分析仪。两者均是通 过模拟钻杆在套管中旋转钻进过程来是实现对钻井液自身润滑系数的测定，因此 只适用于评价直井钻井液的润滑性能，而两种仪器所涉及的评价方法和测试结果 对于钻杆与井壁紧密接触且采取滑动钻进为主要钻进方式的水平井和大位移井 均不适用。

现有技术中也有用于测定钻杆与钻井液表面滤饼之间的滑动摩擦系数的模 拟方法。如滤饼粘附系数测定仪，该仪器所涉及的评价方法是利用扭力扳手带动 粘附盘在滤饼表面转动来测定滤饼的粘附系数。但是该方法所涉及的粘附盘在滤 饼表面上的转动运动方式与现场施工中钻杆在井筒内的滑动钻进的运动相去甚 远，所测定的粘附系数不能等同于钻杆在滤饼表面运动时的滑动摩擦系数。因此， 该评价方法测定结果并不能用于水平井和大位移井钻井液润滑性能的评价。另一 种是滑块式摩擦系数测定仪，所涉及的评价方法是通过金属块在固定滤饼的斜面 上的滑动来模拟钻杆在水平井段或大位移井段的滑动钻进过程，经换算得到金属 块在滤饼上滑动的滑动摩擦系数，并以此滑动摩擦系数的大小作为钻井液润滑性 能优劣的评价标准。但该评价方法中所涉及的金属滑块的质量较小，使得金属滑 块施加在滤饼表面的压力只能在一个很小的范围内调节。而在实际的水平井或大 位移井的钻井施工中，钻杆与形成滤饼的井壁之间的作用力会在一个较大的范围 内改变，这必然会影响实验结果的准确性。另外，金属滑块在固定滤饼的斜面上 的滑动与实际钻井施工中钻杆贴近井壁的滑动钻进过程不尽相同，模拟过程的失 真必然会影响到评价方法的可靠性和评价结果的准确性。此外，金属滑块刚开始 滑动时需要记录斜面角度，而金属滑块滑动的时刻是人工观察把握的，人为因素 和测试环境的不同也会造成的较大的误差。因此，该仪器所涉及的钻井液润滑性 能评价方法不能完全真实反映用于水平井和大位移井的钻井液的润滑性能。

因此，需要一种能更好地用于评价水平井和大位移井的钻井液的润滑性能的 方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种用于评价水平井和大位移井的 钻井液的润滑性能的方法，其能更好地用于评价润滑液的润滑性能。

针对该问题的技术解决方案是，提供一种用于评价水平井和大位移井的钻井 液的润滑性能的方法，其包括以下步骤：

1)获取滤饼；

2)测得钻杆空载时的推力f₁；

3)将钻杆与滤饼表面接触，并加载压力，记录压力N；

4)驱动钻杆使钻杆在滤饼表面做滑动摩擦钻进，记录滑动摩擦力f₂；

5)根据动摩擦系数计算公式μ＝(f₂-f₁)/N计算动摩擦系数μ，μ表征润滑液 的润滑性能的优劣。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。通过模拟钻杆在润滑液滤失形成的 滤饼上的钻进运动，以及测量并计算得到滑动摩擦钻进时钻杆与滤饼之间的动摩 擦系数，可以直接通过动摩擦系数来评价润滑液的润滑性能的优劣。由于该方法 不仅能减少人为因素对测试结果的影响，而且模拟出的钻杆与滤饼之间的摩擦钻 进更接近实际钻井过程，因此，能更好地用于评价润滑液的润滑性能。

在一个实施例中，当作用的压力N相同时，动摩擦系数μ大，表示对应的润 滑液的润滑性能差；动摩擦系数小，表示对应的润滑液的润滑性能好。由于动摩 擦系数大，对于钻杆的阻力作用更大，更不利于钻杆的摩擦钻进，相应地该润滑 液的润滑性能较差。相反地，动摩擦系数小，对钻杆的阻力作用小，润滑液的润 滑性能较好。

在一个优选的实施例中，若需要对不同的钻井液的润滑性能进行评价时，通 过滤失仪分别对不同的钻井液进行滤失操作，获取相应的滤饼。实际钻井工况中 是动态的钻井液在井壁上进行滤失形成滤饼，因此与通过滤失仪的滤失操作形成 的滤饼与实际工况更接近。也就可以使本发明的实施例中的测试结果更能代表实 际工况。

在一个实施例中，在步骤2)中测试钻杆空载时的推力f₁时，先连接步进电 机与钻杆，并在步进电机与钻杆之间设置推力传感器，固定好滤饼后，钻杆与滤 饼不接触，启动步进电机，使钻杆以一定速度匀速运动，记录与推力传感器连接 的推力显示表的数值即为f₁。通过推力传感器和推力显示表能方便地得到作用到 钻杆上的推力的大小。

在一个优选的实施例中，在步骤3)中，包括一个面板，该面板设有凹槽， 在该凹槽内设有压力传感器，滤饼位于压力传感器上并被凹槽固定。通过压力传 感器能方便地得到钻杆作用到滤饼上的压力。

在一个实施例中，将钻杆压在滤饼上，并对钻杆施加一定的压力使与压力传 感器连接的压力显示表的数值达到预定值，该预定值即为压力N，启动与钻杆连 接的步进电机，使钻杆以与空载时相同的速度沿滤饼表面匀速钻进，通过连接在 钻杆与步进电机之间的推力传感器记录滑动摩擦力f₂。能更准确地测量得到在相 同钻进速度下的滑动摩擦力f₂，方便动摩擦系数的计算。

在一个实施例中，对每一种钻井液的润滑性能进行测试时包括以下步骤：

1)将待测钻井液加入到滤失仪中进行滤失操作，得到成形的滤饼；

2)将形成的滤饼固定，并将连有推力传感器和步进电机的钻杆贴近滤饼表 面但不接触滤饼，启动步进电机，使钻杆以一定速度做往复运动，记录此时推力 传感器的读数f₁；

3)调整步进电机的上下位置，需要的话施加一定的压力到钻杆，使得钻杆 作用在滤饼表面的压力达到预定压力，其压力值可通过设在滤饼下面的压力传感 器获取，记为N；

4)启动步进电机，推动钻杆在滤饼表面以与步骤2)中相同的速度做匀速抽 拉运动，记录推力传感器上的读数f₂；

5)根据记录的钻杆施加在滤饼表面的压力N和钻杆在滤饼表面滑动的滑动 摩擦力(f₂-f₁)，根据公式μ＝(f₂-f₁)/N计算钻杆在滤饼表面滑动的动摩擦系数 μ。该测量步骤有利于实际操作，测试结果更接近于实际。

在一个优选的实施例中，选取的钻井液分别为含4.0％膨润土的钻井液基浆、 含4.0％膨润土基浆+2.0％极压白油的钻井液和含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨 的钻井液。

在一个实施例中，分别将含4.0％膨润土的钻井液基浆、含4.0％膨润土基浆 +2.0％极压白油的钻井液和含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液分别加入 滤失仪中进行滤失操作，得到形成滤饼的滤纸。通过添加不同的成分到钻井液基 浆方便进行钻井液的润滑性能的比较。

在一个优选的实施例中，分别将形成的三种滤饼固定在凹形面板的凹槽内， 在相同的钻进速度下，分别测量三种滤饼的空载时的推力f₁以及施加相同的压力 N时的滑动摩擦力f₂，并计算得到三种滤饼的动摩擦系数μ，根据动摩擦系数μ 来评价三种润滑液的润滑性能。

附图说明

图1所示是根据本发明的方法进行钻井液的润滑性能评价时的一种评价装置 的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为根据本发明的方法进行进行钻井液的润滑性能评价时的评价装置 的一种具体实施例。在图1中，面板3的上表面设置有凹槽，压力传感器4设在 凹槽内，滤饼8位于压力传感器4上，滤饼8设置好后稍微高出面板3的上表面 以使得在钻杆2与滤饼8的摩擦钻进过程中钻杆2仅受到滤饼8的摩擦力以及作 用在钻杆2上的压力尽量都能作用在滤饼8上。压力传感器4通过导线连接有压 力显示表5。另外，推力传感器6设在步进电机1与钻杆2之间，推力传感器6 连接有推力显示表7以显示钻杆2匀速钻进过程中受到的作用力。

以下，通过对三种配置的用于水平井和大位移井的钻井液的润滑性能进行测 试和评价来具体说明本发明中的评价钻井液的润滑性能的方法。当然，这三种钻 井液仅仅是示例性的。实际中，钻井液有非常多的种类。下面实施例中的钻井液 的具体的类型以及具体的实施例本身不应看做是对本发明的限制。

实施例1：

对含4.0％膨润土的钻井液基浆的润滑性能进行评价实验，具体实验步骤如 下：

a)将含膨润土4.0％的钻井液基浆加入到滤失仪中进行滤失操作，得到形成 滤饼8的滤纸。

b)将形成的滤饼8固定在面板3的凹槽内，并将连有推力传感器6和步进 电机1的钻杆2贴近滤饼8的表面但不接触滤饼8。启动步进电机1，使钻杆2 保持一定速度做往复运动。记录此时与推力传感器6连接的推力显示表7的度数 f₁，由推力显示表7中读取的推力大小为254N。

c)调整步进电机1的上下位置，带动与其连接的钻杆2对滤饼8的表面的压 力至预定压力，其压力值N可通过设在凹槽底部的压力传感器4获取，由与压力 传感器连接的压力显示表5中读取压力大小为450N。

d)启动步进电机1，推动钻杆2在滤饼8的表面做匀速抽拉运动，其速度大 小与步骤b)中空载时的钻杆2的往复运动的速度相同，记录与推力传感器6连 接的推力显示表7上的度数f₂，由推力显示表7中读取的推力大小为434N；

e)根据记录，钻杆2施加在滤饼8的表面的压力N＝450N，钻杆2在滤饼8 的表面滑动的滑动摩擦力为(f₂-f₁)＝434N-254N，根据动摩擦系数计算公式 f₂-f₁＝μN，计算得到钻杆2在滤饼8的表面滑动的动摩擦系数μ为0.400。

实施例2：

对含4.0％膨润土基浆+2.0％极压白油钻井液的润滑性能进行评价实验，具体 实验步骤如下：

a)将4.0％膨润土基浆+2.0％极压白油的钻井液加入到滤失仪中进行滤失操 作，得到形成滤饼8的滤纸。

b)将形成的滤饼8固定在面板3的凹槽内，将连有推力传感器6和步进电 机1的钻杆2贴近滤饼8的表面但不接触滤饼8。启动步进电机1，使钻杆2保 持一定速度做匀速往复运动。记录此时与推力传感器6连接的推力显示表7的度 数f₁，由推力显示表7中读取的推力大小为255N。

c)调整步进电机1的上下位置，带动与其连接的模拟钻杆2对滤饼表面的压 力至预定压力，其压力值N可通过置有凹槽底部的压力传感器4获取，由与压力 传感器4连接的压力显示表5中读取压力大小为450N。

d)启动步进电机1，推动钻杆2在滤饼8的表面做匀速抽拉运动，其速度大 小与步骤b)中空载时钻杆2的往复运动速度相同，记录与推力传感器6连接的 推力显示表7上的度数f₂，由推力显示表7中读取推力大小为352N；

e)根据记录，钻杆2施加在滤饼8的表面的压力N＝450N，钻杆2在滤饼8 的表面滑动的滑动摩擦力为(f₂-f₁)＝(352N-254N)，根据动摩擦系数计算公式 f₂-f₁＝μN，计算得到钻杆2在滤饼8的表面滑动的动摩擦系数μ为0.218。

实施例3：

对含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液的润滑性能进行评价实验，具 体实验步骤如下：

a)将4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨钻井液加入到滤失仪中进行滤失操作， 得到形成滤饼8的滤纸；

b)将形成的滤饼8固定在面板3的凹槽内，将连有推力传感器6和步进电 机1的钻杆2贴近滤饼8的表面但不接触滤饼8。启动步进电机1，使钻杆2保 持一定速度做匀速往复运动。记录此时与推力传感器6连接的推力显示表7的度 数f₁，由推力显示表7中读取的推力大小为275N。

c)调整步进电机1的上下位置，带动与其连接的模拟钻杆2对滤饼表面的压 力至预定压力，其压力值N可通过置有凹槽底部的压力传感器4获取，由与压力 传感器4连接的压力显示表5中读取压力大小为238N。

d)启动步进电机1，推动钻杆2在滤饼8的表面做匀速抽拉运动，其速度大 小与步骤b)中空载时钻杆2的往复运动速度相同，记录与推力传感器6连接的 推力显示表7上的度数f₂，由推力显示表7中读取推力大小为350N。

e)根据记录，钻杆2施加在滤饼8的表面的压力N＝238N，钻杆2在滤饼8 的表面滑动的滑动摩擦力为(f₂-f₁)＝(350N-275N)，根据动摩擦系数计算公式 f₂-f₁＝μN，计算得到钻杆2在滤饼8的表面滑动的动摩擦系数μ为0.315。

实施例4：

对含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液的润滑性能进行评价实验，具 体实验步骤如下：

a)将4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液加入到滤失仪中进行滤失操 作，得到形成滤饼8的滤纸；

b)将形成的滤饼8固定在面板3的凹槽内，将连有推力传感器6和步进电 机1的钻杆2贴近滤饼8的表面但不接触滤饼8。启动步进电机1，使钻杆2保 持一定速度做匀速往复运动。记录此时与推力传感器6连接的推力显示表7的度 数f₁，由推力显示表7中读取的推力大小为275N。

c)调整步进电机1的上下位置，带动与其连接的模拟钻杆2对滤饼表面的压 力至预定压力，其压力值N可通过置有凹槽底部的压力传感器4获取，由与压力 传感器4连接的压力显示表5中读取压力大小为450N。

d)启动步进电机1，推动钻杆2在滤饼8的表面做匀速抽拉运动，其速度大 小与步骤b)中空载时钻杆2的往复运动速度相同，记录与推力传感器6连接的 推力显示表7上的度数f₂，由推力显示表7中读取推力大小约为417N。

e)根据记录，钻杆2施加在滤饼8的表面的压力N＝450N，钻杆2在滤饼8 的表面滑动的滑动摩擦力为(f₂-f₁)＝(417N-275N)，根据动摩擦系数计算公式 f₂-f₁＝μN，计算得到钻杆2在滤饼8的表面滑动的动摩擦系数μ约为0.315。

在以上四个实施例中，从实施例1和实施例2对比可以看出，在施加相同的 压力的情况下，含4.0％膨润土基浆+2.0％极压白油的钻井液的润滑性能优于含 4.0％膨润土的钻井液基浆的润滑性能。从实施例3和实施例4可以看出，动摩擦 系数属于钻井液本身的特性，基本不受施加的外界压力的影响。从实施例1和实 施例3对比可以看出，实施例3的评价试验测试得到的动摩擦系数小于实施例1 的动摩擦系数，即含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液的润滑性能优于含 4.0％膨润土的钻井液基浆的润滑性能。从实施例1、实施例2和实施例3可以看 出，润滑液的动摩擦系数从小到大依次为：含4.0％膨润土基浆+2.0％极压白油的 钻井液、含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液和含膨润土4.0％的钻井液基 浆，相应得到的结论是含4.0％膨润土基浆+2.0％极压白油的钻井液的润滑性能最 好，含4.0％膨润土基浆+2.5％弹性石墨的钻井液的润滑性能次之，含膨润土4.0％ 的钻井液基浆的润滑性能最差。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本 发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构 上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本 发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要 求的范围内的所有技术方案。