提高机械钻速的钻井液理论与技术研究_孙金声

文章编号:1001-5620(2009)02-0001-06

提高机械钻速的钻井液理论与技术研究

孙金声1

杨宇平

1,2

安树明1

苏义脑

1

(1.中国石油集团钻井工程技术研究院,北京;2.中国石油勘探开发研究院博士后流动站,北京)

摘要 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K SZJ 。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K SZJ 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,提速提效效果显著。

关键词 钻井液;机械钻速;吸附;快速钻井剂;润湿性;压持效应中图分类号:T E254

文献标识码:A

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[2-4]。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理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。

基金项目:中国石油天然气集团公司应用基础研究项目(06A20403,08A 20403)及钻井新技术推广项目(2008G

-5207)资助。 第一作者简介:孙金声,博士,1965年生,中国石油集团钻井工程技术研究院钻井液研究所副所长,中国地质大学(北京)工

程技术学院兼职教授。地址:北京市学院路20号910信箱钻井液所;邮政编码100083;E -mail:sunjinsheng@ 。

第26卷第2期 钻 井 液 与 完 井 液 V ol.26No.22009年3月 DRILLING FLUID &COMPLET ION FLU ID M ar.2009

2提高机械钻速的钻井液的理论途径2.1提高机械钻速的钻井液性能要求

在钻井过程中钻屑中的黏土矿物易于水化,所有的黏土都会吸水膨胀,且黏土矿物吸水膨胀的程度与黏土矿物的种类有关[5]。黏土的水化膨胀受到3种作用力的影响,即表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。钻屑中黏土矿物在钻具、井壁及钻屑之间的吸附可以使高能界面转变,使体系总能量降低,因此,钻屑吸附钻具是必然的。在高压差条件下,这种情况更为严重。因此,要减少或消除钻屑中黏土矿物在钻具、井壁及钻屑之间的吸附,必须改变钻屑中黏土矿物、钻具、井壁的表面性质,降低其表面张力。有效的方法是在钻井液中添加一种或几种能在黏土矿物、钻具、井壁上强烈吸附并改变其润湿性能、有效降低其表面张力的化学处理剂,使钻屑、钻具及井壁表面的润湿性能向减弱亲水方向变化。润湿性能的变化可以减弱单个钻屑之间的相互吸附结合,限制带状物的尺寸,阻止裂缝的复原、带状物的附聚,而附聚物易沉积井底,造成重复破碎;提高剪切位面与单个岩屑的渗透性和润滑性,使它们更容

易破碎。处理剂应具有强渗透性,能够渗透到吸附在钻头上的泥团产生的裂缝表面进而改变其表面吸附性,改变岩石及其孔隙内部的润湿性,能够把已经吸附了黏土的钻头、钻具表面润湿,降低表面对黏土颗粒的吸附性,使黏土从钻头、钻具表面解吸。

通过处理剂在岩石表面吸附以及向岩石孔隙内部渗透,改变岩石表面及孔隙内部的润湿性,降低岩石的表面张力及岩石的毛细管力,使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中,减小压持效应;同时,钻井液能在与地层接触的瞬间有效降低地层岩石强度,提高岩石可钻性,提高机械钻速。此外,通过处理剂在金属表面形成润滑油膜提高润滑性、减小扭矩,从而能够有效提高机械钻速。

2.2快速钻井处理剂的分子结构要求

根据提高钻井机械钻速的钻井液性能要求,处理剂的分子结构必须具有以下特征:具备强吸附基团(羟基、羧基、胺基、酰胺基及磺酸基等),并具有选择性在金属表面定向吸附功能极强的吸附基团,如磷酸基;有较长的多官能团分子链以及较长的烃基侧链,既能提高分子的定向吸附能力,又能在分子吸附到钻具、钻屑、井壁上后,使它们的表面润湿性能

从强亲水向弱亲水方向转变。3快速钻井剂KSZJ性能评价

根据以上提出的快速钻井处理剂的分子结构要求,研制出了快速钻井剂KSZJ,并对该处理剂的性能进行了评价。实验用现场模拟钻井液配方如下。

4%膨润土+0.1%80A51+0.5%胺盐+1% SPNH+1%FT-1+0.5%XY-27

3.1KSZJ对岩石润湿性的影响

选取易吸附钻头的泥页岩岩心作研究对象,将岩心平均分割成5等份,分别用KSZJ质量浓度不同的水溶液、4%钠膨润土浆、现场模拟钻井液抽真空注入,然后做干燥处理,用OCA20型视频接触角测定仪测水滴在岩石的润湿接触角,通过透镜成像并录像,然后由计算机程序拟合计算出接触角,结果见图1。实验结果表明,水滴到岩石上后迅速展开,不能形成水滴,其接触角为零,由此可以说明该岩石为强水湿类型;随着水溶液、4%钠膨润土浆、现场模拟钻井液中KSZJ浓度的增大,岩心的接触角增大,其润湿性由强亲水向弱亲水方向转变。钻井液润湿性向弱亲水方向的改变有利于减弱或消除钻屑颗粒在钻头、钻具表面的吸附。

图1K SZJ对钻井液接触角的影响曲线

3.2KSZJ对钻井液表面张力的影响

将不同浓度的KSZJ加入到清水、4%钠膨润土浆及钻井液中,用JK99B型全自动表面张力仪测定其表面张力,结果见图2。结果表明,随着KSZJ浓度的增大,体系的表面张力均降低,即KSZJ可以降低岩石的毛细管力,使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中,减小压持效应。

图2KSZ J对钻井液表面张力的影响曲线

2钻井液与完井液2009年3月