提高機械鉆速的鉆井液理論與技術研究

姚磊（中海油田服務股份有限公司油田化學事業部深圳作業公司,廣東 深圳 518067）

現代油氣開發和勘探工程的規模較大，鉆探工作的深度要求較高。大深度鉆井施工中機械鉆速的影響因素較多，主要包括有機械特性、地質條件、水文條件、鉆井液性能等。眾多影響因素中帶有強烈環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，因此對為數不多的主觀控制因素——鉆井液性能的研究具有鮮明的現實意義。

1 鉆井液性能對機械鉆速的影響

1.1 壓持效應

鉆井作業過程中產生的壓持效應會對機械鉆的速度產生嚴重的影響，當機械鉆頭接觸到地下巖層的時候，因為鉆頭自身的壓力和切削力作用，鉆頭切削周圍會產生大量的裂縫，為了保證鉆井工作的順利進行這些裂縫必須進行積極的處理，否則會威脅到鉆井工作的安全。通常情況下針對井下裂縫現象都會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械鉆頭的運行速度會出現下降，從整體鉆探速度的角度來看，鉆井液對裂縫填補的速度與機械鉆頭的鉆速呈正相關。如果能夠研發一種在保證裂縫填充效果和井壁性能基礎上極大提升裂縫填充速度的鉆井液，那么機械鉆頭的鉆速就會大幅度的提升。

1.2 鉆屑吸附效應

在鉆頭運行過程中，鉆頭切削巖層所產生的鉆屑會吸附在鉆頭的表面，進而在鉆頭表面形成泥包鉆頭的現象，會嚴重的影響鉆頭的掘進速度。在泥頁巖層進行鉆井作業時，受地質壓力的作用和鉆頭的旋轉剪切力作用，鉆屑會吸附在鉆頭的表面，導致鉆頭上的部分鉆壓被分走，鉆頭會因為鉆壓的不足而產生掘進速度下降的問題。這種現象在泥頁巖等特殊粘性地質環境下發生的概率極高，通常情況下鉆井的深度越大，鉆屑對鉆頭的包裹現象越嚴重，機械鉆頭的鉆速就越慢[1]。

1.3 巖層強度

在鉆井活動中，地底巖層強度是機械鉆頭速度的重要影響因素，二者呈現負相關關系，也就是說巖層的強度越低鉆頭的鉆速就越快。通常情況下由于鉆井液的作用，巖石的強度會在一定程度上有所降低，進而為鉆頭的鉆速提升提供幫助，但是在現有技術條件下鉆井液的這種幫助是極為有限的。所以如果能夠研發出在與巖石接觸的瞬間就能大幅度降低巖石強度的鉆井液，那么機械鉆頭的鉆井速度會有極大幅度的提升。當然鉆井液對巖石強度的大幅度降低是以保證井壁的強度和結構穩定為前提的[2]。

2 提升機械鉆速的鉆井液構想

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、鉆屑吸附和巖石強度的問題，這些問題的解決對鉆井液的性能提出了要求，主要表現在以下幾個方面。在粘質土地質環境下，鉆頭運行產生的鉆屑具有極強的吸水性，在吸收水分以后會產生水溶膨脹。在鉆屑膨脹的這一過程中鉆屑本身會受到來自毛細管、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產生吸附現象。而解決這一問題的主要方式就是借助鉆井液降低鉆頭機械部分的表面張力，減小鉆頭對鉆屑的吸附力。

同時鉆井液必須具有較強的裂縫填補能力，應用鉆井液以后其會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境條件，并增強井壁裂縫之間的結合力。同時為了保證鉆頭的掘進速度鉆井液本身還應該具對巖石較強的腐蝕性，能夠在保證一定整體性的基礎上，形成對巖石強度的破壞，以保證鉆頭在接觸巖石時的阻力降低、掘進速度提升[3]。

2.2 快速鉆井液的結構要求

如前文所述對鉆井液的功能需求進行了全面的分析，認為為滿足上述需求鉆井液應該具備以下化學特點：強吸附基團、有選擇性的吸附基團、經基側鏈及多官能團分子鏈較長，根據上述化學性能要求，已研發出了KSZJ快速鉆井液。在工程實踐中驗證，KSZJ具有較強的親水轉化能力，在鉆井系統中的應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械結構對周圍鉆屑的吸引力，克服了粘質土層區域鉆屑對鉆頭的包裹問題；KSZJ能夠有效的降低粘質土壤的表面張力，以破壞土壤表層的保護層，讓鉆井液水利進入到土壤內部，加快了鉆井液彌補井壁裂縫的能力，從而減小了鉆頭在工作中的壓持現象，有利于鉆速的提升[4]。

3 結語

鉆井工作是現代油氣開發，地質勘探的主要技術手段，應用的范圍較廣、數量較多。同時因為鉆井工作本身的需要的人力、物理和財力資源較多，鉆井時間每延長一分，鉆井的成本就會提高，所以針對鉆井速度提升的研究具有鮮明的現實意義，本文從鉆井液性能對機械鉆速的影響、提升機械鉆速的鉆井液構想兩個方面對這一問題進行了簡要分析，以期為鉆井液的質量水平提升提供支持和借鑒。

[1]趙建建.蘇北工區提高機械鉆速的鉆井液技術現狀與對策探討[J].油氣藏評價與開發,2012,06：64-66+71.

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

[3]吳捷.鉆井提速技術研究及其在準東地區的應用[D].長江大學,2013.

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