影响钻井过程中机械钻速的原因分析

影响钻井过程中机械钻速的原因分析

作者：李爱清

来源：《中国科技博览》2016年第01期

[摘要]在油气勘探开发过程中，钻井工程是最关键的环节和最主要的手段，它具有高风险、高投资、资金密集等特点，并且钻井速度的快慢直接影响着油气勘探开发的经济效益。在钻井工程施工过程中，机械工程师可以利用优选可控的钻井因素，有助于缩短作业时间，降低成本，提高机械钻速。同时，每个可控的钻井参数一般都会存在最大与最小的操作极限。本文针对钻井机械钻速的影响因素进行了分析。

[关键词]钻井工程；机械钻速；影响因素

中图分类号：TE24 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）01-0037-01

随着全球能源的紧张，石油和天然气资源成为各国普遍争抢的能源，同时也是国家经济实力的象征。所以各国都在加紧进行油气的勘探开发。钻井是油气勘探开发过程中最关键的环节之一，同时钻井工程的风险较大，需要较大的投资量才能保证工程的进行。油气勘探开发的目的是为了获得较好的经济利益，这一目标的实现直接与钻井的速度有直接的关系，因此为了保证获得较好的投资回报率，则在钻井过程中，则需要对影响钻井钻速的因素进行有效的控制，从而提高钻速，有效的减少作业时间，从而降低成本。文中分别从钻井装备、钻井液、地层、钻压对机械钻速的影响进行了分析，并进一步对优化钻井液的性能，提高钻速进行了阐述。

1 钻井装备对机械钻速的影响

钻井装备适用于各种地层，也是影响机械钻速的关键因素。在80年代初，喷射钻井在油气勘探开发中被广泛应用，大幅度提高了钻井速度。近年来，钻井装备及钻井技术没有太大的进步，虽然有很多钻井工程引进了1300马力的泥浆泵，但是泥浆泵的实际功率发挥不出设计值的60%，大多数泥浆泵只能在50%的额定工况下进行工作，并且泵压超过20Mpa就会频繁修泵，从而影响了机械钻速的提高。

随着套管钻井装备在钻井工程中的广泛应用，大量减少了下套管和起下钻的时间，近一步提高了钻井速度。还有连续油管钻井的应用也大幅度减少了起下钻的时间，并能够在完井时切下油管作为完井的油管，从而大大加快了完井和钻井的速度。钻井装备中大功率绞车与电驱动钻机的应用也提高了机械钻速。因此，机械钻速的提高离不开钻井装备及钻井技术的更新和进步，在油气勘探开发过程中要大力发展高科技的钻井装备，进一步提高机械钻速。

2 钻井液对机械钻速的影响

钻井液对机械钻速的影响主要有钻井液密度、流变性、固相含量、润滑性、失水量等因素。如果钻井液中的固相含量越高，机械钻速就会越低；钻井液的粘度越高，机械钻速就越

低。钻井液密度与固相含量有着密切的联系，同时也和分散的钻屑或者低密度的劣质土等有害固相含量有关，如果不能及时排除这些有害成份，就会对机械钻速产生不利的影响。

钻井液的密度直接影响着机械钻速，它与机械钻速成反比，机械钻速越大、当量循环密度越小时，降低钻井液密度能够有效减小当量循环的密度，其次可以减小黏度。降低钻井液密度要考虑以下因素：（1）井底压差和地层流体流入井筒时的速度有关，如果负压差过大，就容易造成井喷；（2）钻井液密度太低，较容易造成井壁失稳，造成井壁岩石垮塌，把钻具掩埋掉。而钻井液密度太高，容易造成地层破裂，从而漏失大量的钻井液。

3 地层对机械钻速的影响

地层对钻速的影响主要表现在地层的压实程度。随着地层埋深程度的不断增加，地层岩石受压实的程度也会随之增加，如果地层成岩性好，就会降低机械钻速。并且地层在不同环境下沉积，它的可钻性也会存在很大的差异。对于砾岩地层，如果使用牙轮钻头，由于砾石的破碎性弱以及地层的不均质性，其机械钻速就会低于砂泥岩地层。还有对于同样埋深情况下的高于泥岩地层，其地层的含钙质胶结也会对地层的可钻性和机械钻速产生严重的影响。

地层的复杂程度对机械钻速的影响就要表现在以下几个方面：（1）以大庆为代表的浅层油田，由于多年的开发，其储层已经严重亏空。并且因压裂和高压而产生了人工地层裂隙，甚至出现地层压力异常，从而在加密井、调整井的施工中出现井涌、井漏、卡钻的情况，由于裸眼段泥浆的浸泡时间不断的增加，泥页岩的水化膨胀，导致了井壁掉块甚至坍塌；（2）以塔里木为代表的中深部地层油田，山前的构造地应力分布十分复杂，导致井眼严重失稳。煤层的垮塌、泥页岩的坍塌、软泥岩和盐膏层的蠕变缩径，还有多套压力系统的共存造成了井涌、井漏、卡钻的现象。

4 钻压对机械钻速的影响

钻压对机械钻速也有着十分重要的影响，在井底净化完善的前提下，机械钻速会随着钻压的增加而增大。但是钻压有上限值，以下两个临界条件来决定钻压的上限值：（1）在钻进中要避免钻杆超过其纵向弯曲的载荷；（2）减少钻头的使用数量，降低钻进的成本。为满足钻进的经济效益及成本最低要求，减少钻头能够降低钻井的操作费用。在钻井过程中，钻压的取值会有一定的范围，因此最小化的成本钻压不能保证最大化的机械钻速。

在进行钻前的施工设计中，要在充足的数据资料前提下建立起钻头使用费用、钻压以及转速之间的关系图标，通过图解方法确定钻压的最小化和机械转速的最大化。如果低成本的钻压超过了钻杆的纵向弯曲载荷，就需要减少钻压到钻杆的纵向弯曲载荷相符的钻压。对于在钻大位移井与水平井时，钻杆要在压缩的状态下才能充分满足钻压的要求。并且在钻具上安装扶正器，有助于提高钻杆的纵向弯曲载荷。

5 优化钻井液性能

优化钻井液性能可以使用钻井液提速剂，它有以下几点优势：（1）快速吸附作用钻头。当破碎泥岩后，泥岩的表面积会增加，为降低体系的能量会自动地吸附到钻具上，从而出现泥包现象。而提速剂能够优先吸附在钻头和钻具的表面以及泥岩碎屑，让钻屑的表面润湿，从而防止钻头起泥包，提高机械钻速；（2）滤液渗透作用。由于正压差的作用，从而造成钻屑不易从井底带出，导致钻头重复切削钻屑。钻井液可快速地渗透到井底的岩石微裂缝中，有助于降低压持作用，让井底的钻屑能够及时的抽出；同时，由于钻井液的滤液快速地渗透到地层，从而降低了岩石的强度，有助于钻头破岩；（3）润滑作用。优化钻井液的润滑性能，能够有效地降低扭矩；（4）降低亚微米颗粒的含量。优化钻井液的性能有助于降低亚微米颗粒的含量，提高钻井液的动塑比例，让钻井液的剪切稀释性增加。当泵功率一定时，提高排量，有助于钻头的水力破岩。

6 结论与认识

在钻井工程中，强化钻井参数也有助于提高机械钻速，它主要包括提高钻头的钻压和强化钻头的转速。对于PDC的钻头而言，钻压和钻头的扭矩密切相关，就难以强化，就只能强化钻头的转速。对于牙轮钻头而言，不但要强化钻头的转速外，还要提高钻头的钻压。降低钻井液的密度也是提高机械钻速的重要途径，对于选用较低钻井液密度时，要避免井壁的坍塌和地层的溢流。在优化选钻压和转速时，既要符合提高机械钻速的要求，又要保证减少下钻次数和钻头的数量，达到钻井成本最小化的目标。

参考文献

[1] 熊继有，钱声华，严仁俊，唐嘉贵，李福德，吴华，肖仁斌，黄桢；钻井高效破岩新进展[J]；天然气工业；2004年04期.

[2] 孙金声；杨宇平；安树明；苏义脑；提高机械钻速的钻井液理论与技术研究[J]；钻井液与完井液；2009年02期.

[3] 刘海水；王超；魏子路；钟超；钻井过程中泥球形成的影响因素探讨[J]；化学与生物工程；2011年08期.

[4] 杨谋；孟英峰；李皋；李永杰；贾虎；提高深井机械钻速的有效方法[J]；石油矿场机械；2009年08期.

[5] 杨宇平；黄宏军；王东明；赖晓晴；谈心；蒋欢；孙金声；江四清；快速钻井液技术在华北油田的应用[J]；石油机械；2010年07期.