提高機(jī)械鉆速的鉆井液理論與技術(shù)研究

姚磊（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部深圳作業(yè)公司,廣東 深圳 518067）

現(xiàn)代油氣開發(fā)和勘探工程的規(guī)模較大，鉆探工作的深度要求較高。大深度鉆井施工中機(jī)械鉆速的影響因素較多，主要包括有機(jī)械特性、地質(zhì)條件、水文條件、鉆井液性能等。眾多影響因素中帶有強(qiáng)烈環(huán)境色彩的影響因素比較多，施工主體能夠主觀控制的因素較少，因此對(duì)為數(shù)不多的主觀控制因素——鉆井液性能的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉆井液性能對(duì)機(jī)械鉆速的影響

1.1 壓持效應(yīng)

鉆井作業(yè)過程中產(chǎn)生的壓持效應(yīng)會(huì)對(duì)機(jī)械鉆的速度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，當(dāng)機(jī)械鉆頭接觸到地下巖層的時(shí)候，因?yàn)殂@頭自身的壓力和切削力作用，鉆頭切削周圍會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫，為了保證鉆井工作的順利進(jìn)行這些裂縫必須進(jìn)行積極的處理，否則會(huì)威脅到鉆井工作的安全。通常情況下針對(duì)井下裂縫現(xiàn)象都會(huì)采取鉆井液填充的方式加以解決，而在鉆井液填充裂縫的過程中機(jī)械鉆頭的運(yùn)行速度會(huì)出現(xiàn)下降，從整體鉆探速度的角度來看，鉆井液對(duì)裂縫填補(bǔ)的速度與機(jī)械鉆頭的鉆速呈正相關(guān)。如果能夠研發(fā)一種在保證裂縫填充效果和井壁性能基礎(chǔ)上極大提升裂縫填充速度的鉆井液，那么機(jī)械鉆頭的鉆速就會(huì)大幅度的提升。

1.2 鉆屑吸附效應(yīng)

在鉆頭運(yùn)行過程中，鉆頭切削巖層所產(chǎn)生的鉆屑會(huì)吸附在鉆頭的表面，進(jìn)而在鉆頭表面形成泥包鉆頭的現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重的影響鉆頭的掘進(jìn)速度。在泥頁巖層進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，受地質(zhì)壓力的作用和鉆頭的旋轉(zhuǎn)剪切力作用，鉆屑會(huì)吸附在鉆頭的表面，導(dǎo)致鉆頭上的部分鉆壓被分走，鉆頭會(huì)因?yàn)殂@壓的不足而產(chǎn)生掘進(jìn)速度下降的問題。這種現(xiàn)象在泥頁巖等特殊粘性地質(zhì)環(huán)境下發(fā)生的概率極高，通常情況下鉆井的深度越大，鉆屑對(duì)鉆頭的包裹現(xiàn)象越嚴(yán)重，機(jī)械鉆頭的鉆速就越慢[1]。

1.3 巖層強(qiáng)度

在鉆井活動(dòng)中，地底巖層強(qiáng)度是機(jī)械鉆頭速度的重要影響因素，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說巖層的強(qiáng)度越低鉆頭的鉆速就越快。通常情況下由于鉆井液的作用，巖石的強(qiáng)度會(huì)在一定程度上有所降低，進(jìn)而為鉆頭的鉆速提升提供幫助，但是在現(xiàn)有技術(shù)條件下鉆井液的這種幫助是極為有限的。所以如果能夠研發(fā)出在與巖石接觸的瞬間就能大幅度降低巖石強(qiáng)度的鉆井液，那么機(jī)械鉆頭的鉆井速度會(huì)有極大幅度的提升。當(dāng)然鉆井液對(duì)巖石強(qiáng)度的大幅度降低是以保證井壁的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為前提的[2]。

2 提升機(jī)械鉆速的鉆井液構(gòu)想

2.1 鉆井液性能需求的滿足

如前文所述鉆井速度的提升需要解決壓持效應(yīng)、鉆屑吸附和巖石強(qiáng)度的問題，這些問題的解決對(duì)鉆井液的性能提出了要求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在粘質(zhì)土地質(zhì)環(huán)境下，鉆頭運(yùn)行產(chǎn)生的鉆屑具有極強(qiáng)的吸水性，在吸收水分以后會(huì)產(chǎn)生水溶膨脹。在鉆屑膨脹的這一過程中鉆屑本身會(huì)受到來自毛細(xì)管、滲透水和表面水化等三種力的影響，在這三種力的綜合作用下鉆屑必然會(huì)產(chǎn)生吸附現(xiàn)象。而解決這一問題的主要方式就是借助鉆井液降低鉆頭機(jī)械部分的表面張力，減小鉆頭對(duì)鉆屑的吸附力。

同時(shí)鉆井液必須具有較強(qiáng)的裂縫填補(bǔ)能力，應(yīng)用鉆井液以后其會(huì)吸附在巖石表面并滲透到巖石的孔隙中，改變巖石縫隙原來的環(huán)境條件，并增強(qiáng)井壁裂縫之間的結(jié)合力。同時(shí)為了保證鉆頭的掘進(jìn)速度鉆井液本身還應(yīng)該具對(duì)巖石較強(qiáng)的腐蝕性，能夠在保證一定整體性的基礎(chǔ)上，形成對(duì)巖石強(qiáng)度的破壞，以保證鉆頭在接觸巖石時(shí)的阻力降低、掘進(jìn)速度提升[3]。

2.2 快速鉆井液的結(jié)構(gòu)要求

如前文所述對(duì)鉆井液的功能需求進(jìn)行了全面的分析，認(rèn)為為滿足上述需求鉆井液應(yīng)該具備以下化學(xué)特點(diǎn)：強(qiáng)吸附基團(tuán)、有選擇性的吸附基團(tuán)、經(jīng)基側(cè)鏈及多官能團(tuán)分子鏈較長，根據(jù)上述化學(xué)性能要求，已研發(fā)出了KSZJ快速鉆井液。在工程實(shí)踐中驗(yàn)證，KSZJ具有較強(qiáng)的親水轉(zhuǎn)化能力，在鉆井系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠極大的克服鉆頭本身和周圍鉆屑的親水性，極大的降低了鉆頭機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)周圍鉆屑的吸引力，克服了粘質(zhì)土層區(qū)域鉆屑對(duì)鉆頭的包裹問題；KSZJ能夠有效的降低粘質(zhì)土壤的表面張力，以破壞土壤表層的保護(hù)層，讓鉆井液水利進(jìn)入到土壤內(nèi)部，加快了鉆井液彌補(bǔ)井壁裂縫的能力，從而減小了鉆頭在工作中的壓持現(xiàn)象，有利于鉆速的提升[4]。

3 結(jié)語

鉆井工作是現(xiàn)代油氣開發(fā)，地質(zhì)勘探的主要技術(shù)手段，應(yīng)用的范圍較廣、數(shù)量較多。同時(shí)因?yàn)殂@井工作本身的需要的人力、物理和財(cái)力資源較多，鉆井時(shí)間每延長一分，鉆井的成本就會(huì)提高，所以針對(duì)鉆井速度提升的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義，本文從鉆井液性能對(duì)機(jī)械鉆速的影響、提升機(jī)械鉆速的鉆井液構(gòu)想兩個(gè)方面對(duì)這一問題進(jìn)行了簡要分析，以期為鉆井液的質(zhì)量水平提升提供支持和借鑒。

[1]趙建建.蘇北工區(qū)提高機(jī)械鉆速的鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀與對(duì)策探討[J].油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā),2012,06：64-66+71.

[2]陳博,趙后春,徐心彤.蘇丹Azraq地區(qū)提高機(jī)械鉆速的鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液,2015,01：93-96+104.

[3]吳捷.鉆井提速技術(shù)研究及其在準(zhǔn)東地區(qū)的應(yīng)用[D].長江大學(xué),2013.

[4]王貴.提高地層承壓能力的鉆井液封堵理論與技術(shù)研究[D].西南石油大學(xué),2012.