提高机械钻速的钻井液理论与技术研究

通过对钻井液影响机械钻速的因素进行分析,提出了提高机械钻速钻井液的理论途径及处理剂的分子结构和钻井液性能要求,研制出了提高机械钻速的快速钻井剂KSZJ 。通过进行表面张力、吸附效应、压持效应以及对微米及亚微米粒子、钻井液润滑性能、岩心强度的影响等实验评价了KSZJ 的性能。在射流钻井模拟实验装置上用不同硬度的岩石进行的实验结果及在吐哈油田、塔里木油田、青海油田、华北油田、吉林油田及新疆油田等的30 余口井进行的现场实试结果表明,提高机械钻速的钻井液技术能够将机械钻速提高18 %以上,并能够有效解决井壁失稳及减少起下钻过程中的阻卡情况,提速提效***。

　　提高机械钻速是目前深井超深井钻井过程的迫切要求。影响机械钻速的因素主要有钻头、地层性质、机械、钻头水力因素及钻井液性能等几个方面[1 ] 。通过几十年的研究, 发展了通过优选钻头( PDC 钻头) 、优化水力参数、高压喷射、欠平衡钻井等一系列提高机械钻速的技术,钻井液性能(包括密度、流变性、滤失性、固相含量、固体粒径、分散性以及润滑性等) 对机械钻速的影响的研究也取得了许多成果,并已应用于指导钻井液性能设计及现场施工,对提高机械钻速起到了重要作用[224 ] 。但关于钻屑颗粒对钻头的吸附效应、钻井液的压持效应及钻井液对岩石强度的作用等影响机械钻速的钻井液论与技术的研究尚有待深入。

　　1 钻井液性能影响钻速的理论分析

　　1. 1钻屑吸附钻头对机械钻速的影响

　　钻屑颗粒吸附钻头表面严重影响机械钻速。在钻遇泥页岩地层时,很容易发生钻屑吸附(泥包) 钻头的现象,导致钻头端面承担部分钻压,限制钻头的切削深度,井底钻头与岩石的作用效率不高,造成钻屑重复破碎。在高压下钻深井泥页岩时,钻屑颗粒吸附钻头对机械钻速的影响更大。随井深增加,钻屑具有更强的弹性特性,硬、软页岩特别是黏、膨胀性页岩,在压力的作用下增强了其在钻头表面的吸附强度,从钻头表面移走钻屑的剪切力大大增加。研究表明,从钻头侧面移走钻屑比从钻头前面剪切地层所需的剪切应力要大。

　　1. 2压持效应对机械钻速的影响压持效应严重影响机械钻速。

　　当钻头牙齿钻入地层切下岩屑时,其周围造成裂缝,此时若要使切削下来的岩屑尽快上举就必须有足够的液体填充裂缝,否则就会形成瞬时真空。填充的液体一种来源是流入裂缝及岩屑孔隙的钻井液或滤液。机械钻速随着此裂缝被液体所充填的速度而发生正比变化。如果引入一种不改变造壁性和压持压力(钻井液密度) 、但能加速钻井液或滤液进入裂缝及岩屑孔隙而降低压持效应的技术,则可以有效地提高机械钻速。

　　1. 3钻井液改变岩石强度对机械钻速的影响

　　降低岩石强度可以提高机械钻速。钻井过程中地层与钻井液接触的瞬间,岩石强度发生变化,如果钻井液能在瞬间有效降低地层岩石强度,即可大幅度提高机械钻速。当然,地层岩石强度的降低不能牺牲井壁的稳定性。

　　此外,提高钻井液的润滑性、降低扭矩及减少钻井液中的微米、亚微米粒子也有利于提高机械钻速。