提高机械钻速的钻井液理论与技术研究

2022-09-20

现代油气开发和勘探工程的规模较大, 钻探工作的深度要求较高。大深度钻井施工中机械钻速的影响因素较多, 主要包括有机械特性、地质条件、水文条件、钻井液性能等。众多影响因素中带有强烈环境色彩的影响因素比较多, 施工主体能够主观控制的因素较少, 因此对为数不多的主观控制因素——钻井液性能的研究具有鲜明的现实意义。

1 钻井液性能对机械钻速的影响

1.1 压持效应

钻井作业过程中产生的压持效应会对机械钻的速度产生严重的影响, 当机械钻头接触到地下岩层的时候, 因为钻头自身的压力和切削力作用, 钻头切削周围会产生大量的裂缝, 为了保证钻井工作的顺利进行这些裂缝必须进行积极的处理, 否则会威胁到钻井工作的安全。通常情况下针对井下裂缝现象都会采取钻井液填充的方式加以解决, 而在钻井液填充裂缝的过程中机械钻头的运行速度会出现下降, 从整体钻探速度的角度来看, 钻井液对裂缝填补的速度与机械钻头的钻速呈正相关。如果能够研发一种在保证裂缝填充效果和井壁性能基础上极大提升裂缝填充速度的钻井液, 那么机械钻头的钻速就会大幅度的提升。

1.2 钻屑吸附效应

在钻头运行过程中, 钻头切削岩层所产生的钻屑会吸附在钻头的表面, 进而在钻头表面形成泥包钻头的现象, 会严重的影响钻头的掘进速度。在泥页岩层进行钻井作业时, 受地质压力的作用和钻头的旋转剪切力作用, 钻屑会吸附在钻头的表面, 导致钻头上的部分钻压被分走, 钻头会因为钻压的不足而产生掘进速度下降的问题。这种现象在泥页岩等特殊粘性地质环境下发生的概率极高, 通常情况下钻井的深度越大, 钻屑对钻头的包裹现象越严重, 机械钻头的钻速就越慢[1]。

1.3 岩层强度

在钻井活动中, 地底岩层强度是机械钻头速度的重要影响因素, 二者呈现负相关关系, 也就是说岩层的强度越低钻头的钻速就越快。通常情况下由于钻井液的作用, 岩石的强度会在一定程度上有所降低, 进而为钻头的钻速提升提供帮助, 但是在现有技术条件下钻井液的这种帮助是极为有限的。所以如果能够研发出在与岩石接触的瞬间就能大幅度降低岩石强度的钻井液, 那么机械钻头的钻井速度会有极大幅度的提升。当然钻井液对岩石强度的大幅度降低是以保证井壁的强度和结构稳定为前提的[2]。

2 提升机械钻速的钻井液构想

2.1 钻井液性能需求的满足

如前文所述钻井速度的提升需要解决压持效应、钻屑吸附和岩石强度的问题, 这些问题的解决对钻井液的性能提出了要求, 主要表现在以下几个方面。在粘质土地质环境下, 钻头运行产生的钻屑具有极强的吸水性, 在吸收水分以后会产生水溶膨胀。在钻屑膨胀的这一过程中钻屑本身会受到来自毛细管、渗透水和表面水化等三种力的影响, 在这三种力的综合作用下钻屑必然会产生吸附现象。而解决这一问题的主要方式就是借助钻井液降低钻头机械部分的表面张力, 减小钻头对钻屑的吸附力。

同时钻井液必须具有较强的裂缝填补能力, 应用钻井液以后其会吸附在岩石表面并渗透到岩石的孔隙中, 改变岩石缝隙原来的环境条件, 并增强井壁裂缝之间的结合力。同时为了保证钻头的掘进速度钻井液本身还应该具对岩石较强的腐蚀性, 能够在保证一定整体性的基础上, 形成对岩石强度的破坏, 以保证钻头在接触岩石时的阻力降低、掘进速度提升[3]。

2.2 快速钻井液的结构要求

如前文所述对钻井液的功能需求进行了全面的分析, 认为为满足上述需求钻井液应该具备以下化学特点:强吸附基团、有选择性的吸附基团、经基侧链及多官能团分子链较长, 根据上述化学性能要求, 已研发出了KSZJ快速钻井液。在工程实践中验证, KSZJ具有较强的亲水转化能力, 在钻井系统中的应用能够极大的克服钻头本身和周围钻屑的亲水性, 极大的降低了钻头机械结构对周围钻屑的吸引力, 克服了粘质土层区域钻屑对钻头的包裹问题;KSZJ能够有效的降低粘质土壤的表面张力, 以破坏土壤表层的保护层, 让钻井液水利进入到土壤内部, 加快了钻井液弥补井壁裂缝的能力, 从而减小了钻头在工作中的压持现象, 有利于钻速的提升[4]。

3 结语

钻井工作是现代油气开发, 地质勘探的主要技术手段, 应用的范围较广、数量较多。同时因为钻井工作本身的需要的人力、物理和财力资源较多, 钻井时间每延长一分, 钻井的成本就会提高, 所以针对钻井速度提升的研究具有鲜明的现实意义, 本文从钻井液性能对机械钻速的影响、提升机械钻速的钻井液构想两个方面对这一问题进行了简要分析, 以期为钻井液的质量水平提升提供支持和借鉴。

摘要：在油气开发、勘探中, 钻井是必不可少的一个重要环节。同时因为钻井工作需要的投入的资源较多, 工程进行的风险较大, 所以钻井工作进行的速度至关重要的。钻井速度的提升不仅能够大大减少了钻进工作需要的人力、物理、财力资源, 而且客观上控制了钻进工作进行的风险。本文将从理论与技术的研究角度出发, 结合现代钻井机械的工程应用实际, 对提高机械钻速的钻井液理论与技术进行简要分析。

关键词：机械钻速,钻井液,理论与技术