淺談提高機(jī)械鉆速的鉆井液理論與技術(shù)

賈奎林

摘 要：鉆井是油氣勘探和開(kāi)發(fā)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。鉆井工具的風(fēng)險(xiǎn)較高，因此為確保工程的順利開(kāi)展，需要投入大量的財(cái)力、物力、人力。鉆井操作中，許多因素都會(huì)對(duì)鉆井速度造成影響，因此為了確保油氣開(kāi)發(fā)的回報(bào)率，保障開(kāi)發(fā)能夠按時(shí)完成，需要提高鉆井速度。

關(guān)鍵詞：機(jī)械鉆速；鉆井液；巖石強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.206

為了提高油氣開(kāi)發(fā)投資回報(bào)率，確保企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益能夠達(dá)到要求，必須要提高機(jī)械鉆速，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本。油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，能夠影響機(jī)械轉(zhuǎn)速的因素有很多種，其中主要有水文條件、地質(zhì)條件客觀因素，鉆井液性能是其中為數(shù)不多的主觀因素，因此對(duì)其進(jìn)行研究意義重大。

1 機(jī)械鉆速受鉆井液性能的影響

1.1 壓特效應(yīng)

鉆進(jìn)作業(yè)中會(huì)形成壓特效應(yīng)，而這一效應(yīng)將會(huì)對(duì)機(jī)械鉆速造成較為嚴(yán)重的影響。在作業(yè)過(guò)程中，如果機(jī)械鉆頭與地下巖層產(chǎn)生接觸，鉆頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中因?yàn)樽陨淼那邢髁蛪毫?，處于鉆頭切削周圍的巖石會(huì)出現(xiàn)裂縫，對(duì)作業(yè)會(huì)造成較為嚴(yán)重的不良影響。在實(shí)際作業(yè)中，為了確保鉆井工作的順利開(kāi)展，需要對(duì)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行處理，如果放任不管，對(duì)鉆進(jìn)工作的開(kāi)展來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)極大。一般情況下，在鉆井過(guò)程中，針對(duì)出現(xiàn)的裂縫情況，需要采取鉆井液填充的方式對(duì)裂縫進(jìn)行處理，在裂縫中填充鉆井液過(guò)程中，鉆頭的運(yùn)行速度將會(huì)有所減緩，從鉆探速度的整體角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，利用鉆井液對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)與機(jī)械鉆頭的實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度成正比例關(guān)系。在鉆井過(guò)程中，如果通過(guò)研發(fā)，制造出一種不僅能夠保證裂縫填充效果，并且能夠提升井壁性能效果的填充速度鉆井液，那么將會(huì)大幅度提升機(jī)械鉆頭的鉆速。

1.2 巖石強(qiáng)度

機(jī)械鉆速與巖石強(qiáng)度有著一定的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，兩者呈負(fù)相關(guān)，也就是說(shuō)隨著壓實(shí)強(qiáng)的變?nèi)?，機(jī)械轉(zhuǎn)速將會(huì)有所提高。鉆井作業(yè)中，鉆井液與底層發(fā)生接觸時(shí)，巖石強(qiáng)度在兩者發(fā)生接觸的瞬間，將會(huì)發(fā)生較為明顯的變化，如果鉆井液在與巖體發(fā)生接觸的瞬間能夠使巖體的強(qiáng)度發(fā)生改變（這種改變通常指降低巖體強(qiáng)度），鉆井速度將會(huì)得到顯著提升。需要注意的是，通過(guò)鉆井液改變巖石強(qiáng)度過(guò)程時(shí)，需要確保井壁的穩(wěn)定性，不能因?yàn)殂@井液的應(yīng)用，導(dǎo)致井壁出現(xiàn)松動(dòng)，給施工造成安全隱患。此外，還需要降低鉆井液中的相關(guān)物質(zhì)（微米粒子、亞微米粒子）、降低扭矩、提高鉆井液的潤(rùn)滑性，從而提高轉(zhuǎn)速。

1.3 鉆頭吸附鐵屑對(duì)鉆速的影響

鉆頭表面吸附鐵屑，將會(huì)對(duì)機(jī)械鉆頭的鉆速造成較為嚴(yán)重的影響。在鉆動(dòng)過(guò)程中，遇到了鉆至頁(yè)巖地層，極其容易導(dǎo)致鉆頭表面被鐵屑吸附，鉆頭端面將會(huì)承擔(dān)一定的鉆壓，對(duì)鉆頭的切削深度產(chǎn)生限制，此外，境地鉆頭與巖石的作用效率偏低，鉆屑容易出現(xiàn)重復(fù)性破碎，也會(huì)對(duì)鉆頭的轉(zhuǎn)速造成不良影響。高壓下鉆深井泥巖時(shí)，鉆頭上如果吸附鉆屑顆粒，對(duì)機(jī)械的鉆速的影響將會(huì)進(jìn)一步加大。在鉆井過(guò)程中，隨著井深度的增加，鉆屑的彈性特征將會(huì)變得更強(qiáng)，尤其是膨脹性和黏性頁(yè)巖，在壓力增加的作用下，鉆頭表面的吸附強(qiáng)度也會(huì)有所提高，此時(shí)從鉆頭表面移走的鐵屑的剪切力也會(huì)有所提高。通過(guò)相關(guān)分析不難發(fā)現(xiàn)，從鉆頭側(cè)面將鐵屑移走要比從鉆頭正面剪切地層需要的剪切力更大。

2 提高機(jī)械鉆速的鉆井液途徑

2.1 鉆井液在性能上的要求

鉆井作業(yè)中，存在于鐵屑中的黏土礦物質(zhì)容易溶于水，因此粘土在遇水后容易發(fā)生膨脹。礦物質(zhì)遇水膨脹與粘土中所含礦物質(zhì)的種類有著一定聯(lián)系，黏土水化膨脹會(huì)受到表面水化力、毛細(xì)管作用、滲透水化力三種力的影響。鉆具上吸附大量的鐵屑是一種必然現(xiàn)象，并且這一現(xiàn)象在高壓差環(huán)境下將會(huì)變得更為嚴(yán)重。因此，在實(shí)際作業(yè)中，要盡量消除或減少鉆屑中礦物質(zhì)在井壁、鉆具、鉆屑之間的吸附，對(duì)鉆屑中的鉆具、礦物、井臂表面的礦物質(zhì)的性能進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，從而降低表面張力。其中一種比較有效的方法就是在鉆井液中添加鉆具、礦物、井壁對(duì)其濕潤(rùn)性能進(jìn)行改變，降低表面張力，使鉆具、鉆屑、井壁濕潤(rùn)性都能逐漸向親水方向發(fā)展。

潤(rùn)濕性變化可以削弱單個(gè)鉆屑之間的吸附結(jié)合性，很好的控制了帶狀物尺寸，從而有效的避免了帶狀物附聚、裂縫的復(fù)原，大量附聚物容易在井底發(fā)生沉積，導(dǎo)致重復(fù)破碎；提升剪切位面與單個(gè)巖屑的潤(rùn)滑性與滲透性，使其破碎變得更加容易。在作業(yè)過(guò)程中所有使用的處理劑需要具有較強(qiáng)的滲透性，應(yīng)當(dāng)可以滲透到吸附在鉆頭泥團(tuán)表面的裂縫上，從而對(duì)表面的吸附性造成一定的影響，改變空隙內(nèi)部及巖石濕潤(rùn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆具表面的潤(rùn)濕，從而降低鉆頭吸附粘土顆粒的能力。在巖石表面應(yīng)用處理劑，對(duì)巖石內(nèi)部空隙和表面的濕潤(rùn)性進(jìn)行改變，降低巖石表面的毛細(xì)管力和表面張力，從而使作業(yè)中所使用的鉆井液可以更容易的滲透到鉆頭對(duì)沖擊巖層所產(chǎn)生的裂縫中，從而降低壓特效應(yīng)。此外，鉆井液在地層發(fā)生接觸的瞬間能夠降低巖層的強(qiáng)度，使巖層可鉆性得到提高，進(jìn)而提升機(jī)械鉆速。同時(shí)，利用處理劑，在金屬表面構(gòu)成一層潤(rùn)滑油膜，使?jié)櫥缘玫教嵘?，縮小扭矩，提高機(jī)械鉆速。

2.2 鉆井處理劑分子結(jié)構(gòu)

在鉆井液的應(yīng)用中，依據(jù)提高機(jī)械鉆速度對(duì)使用的鉆井液性能的要求外，應(yīng)用的處理劑的分子結(jié)構(gòu)需要具有以下特點(diǎn)：

（1）多官能團(tuán)分子鏈要長(zhǎng)，也就是烴基的側(cè)鏈要長(zhǎng)，不僅能夠具有較強(qiáng)的分子定向吸附能力，而且在吸附鉆屑、鉆具、井壁后，使被吸附的表面濕潤(rùn)性可以而親水性變?nèi)酰?/p>

（2）選擇在金屬表面具有定向吸附能力的吸附基團(tuán)（磷酸基）。鉆井處理劑的分子結(jié)構(gòu)主要滿足以上兩點(diǎn)要求，才能使機(jī)械鉆速得到提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地質(zhì)勘探采取的主要手段就是鉆井，其也得到了廣泛的應(yīng)用。鉆井工作需要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且隨著鉆井時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆井的成本也越高，因此針對(duì)提高機(jī)械鉆井的速度具有現(xiàn)實(shí)意義，主要針對(duì)鉆井液性能對(duì)機(jī)械鉆井速度的影響進(jìn)行了重點(diǎn)分析，希望文中內(nèi)容對(duì)相關(guān)工作人員能夠有所幫助。

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