提高机械钻速的钻井液理论与技术研究.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I I I NG FL UI D COMPI ETI ON F LUI D Vo 1 ．2 6 NO ． 2 M a r ． 2 O 0 9 文章 编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 ] 0 2 0 0 0 1 0 6 提 高机械钻速 的钻 井液理论与技术研 究 孙金声 杨 宇平 安树 明 苏义脑 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 KS Z J。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KS Z J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 3 O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 l 8 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 TE 2 5 4 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』 。通过 几 十 年 的 研 究 ， 发 展 了通 过 优 选 钻 头 P D C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 。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 。 l 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 钻人 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 人 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 0 6 A2 0 4 0 3 ， O 8 A2 o 4 o 3 及 钻 井新 技 术推 广 项 目 2 0 0 8 G -- 5 2 0 7 资 助 。 第一作者简介 孙金声． 博士。 1 9 6 5 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 2 O号 9 1 0信 箱 钻 井 液所 ； 邮 政编 码 1 0 0 0 8 3 ； E ma i l s u n j i n s h e n g p e t r o c h i n a ． c o m． c f l 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 2 提 高机械 钻速的钻 井液的理论 途径 3 快速钻井剂 KS Z J性能评价 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 。 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 K S Z J ， 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 8 0 A5 1 0 ． 5 胺 盐 1 ％ SPN H 1 FT一 1 0 ． 5 XY一 2 7 3 ． 1 KS Z J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 KS Z J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 OC A2 0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 KS Z J 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 。 1 4 0 1 2 0 兰 器 6 0 罐4 0 2 0 O 0 ． 0 0 0 0 ． 0 0 2 0．0 0 4 0． 0 0 6 0 ． 0 08 0．01 0 KS Z J ／ g， mL 图 1 K S Z J 对钻井液 接触 角的影响 曲线 3 ． 2 K S Z J对钻井液表面张力的影响 将不 同浓 度 的 KS 加 入 到 清水 、 4 钠 膨 润 土 浆及 钻 井液 中 ， 用 J K9 9 B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 K S Z J浓 度 的增 大 ， 体 系的表 面 张力 均 降低 ， 即 Ks z J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 。 舍 ＼ 毫 R 恒 KS Z J ／ 图 2 KS Z J 对钻井液表面张力 的影 响曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 2 期 孙金 声等 提 高机 械钻 速的钻 井液理 论 与技 术研 究 3 3 ． 3 吸附效应实验评价 3 ． 3 ． 1 KS Z J对黏 土的 吸附模型 图 3是 K S ，Z J 在 黏土 上 的吸 附动力 学 曲线 ， 图 4 是 K S Z J的平 衡 吸 附量 与平 衡 浓度 的变 化 关 系 。实 验结果表明 ， 吸附量随时间的变化 曲线在吸 附初期上 升很快 ， 说明此 时的吸 附速率 很 高 ， 吸 附主 要发 生在 吸附初 期 。如 图 5所 示 ， L a n g mu i r 模 型 的拟 合相 关 系数为 0 ． 9 9 3 7 8 ， 如图 6所示 ， F r e u n d l i c h 模 型的拟合 相关系数 为 0 ． 9 3 1 2 1 ， 因此 L a n g mu i r 等 温式 更适 合 描述 Ks z J 处理剂 在黏土 上 的吸附行 为 。由此证 明 ， K S 在黏土上的吸附属于单分子层吸附 。 0 ． O 8 0 ． 0 7 O ． 0 4 O ． O 3 0．0 40 0．0 35 盖 o ． 0 3 0 面 0 ． 0 2 5 莲0 ． 0 2 0 O ． 01 5 O ． Ol O O ． o o 7 5 吸附时间／ min 图 3 K S Z J 的吸附动 力学 曲线 0．0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 K S Z J 浓 度／ 1 0 0 ， g ／ mE 1 ． 0 图 4 KS Z J的 平 衡 吸 附量 与 平 衡 浓 度 的 变 化 曲线 l O O 9 O ； 器 4 O 3 O 2 0 ＼ 删 莲 1 ／ C J m L ／ g 图 5 L a n g mu i r 模型的拟合 l E4 l E． 3 ／ g 1 l L 图 6 F r e u n d l i c h模 型 的拟 合 O．0l 3 ． 3 ． 2 X射 线光 电子能谱 表征 金属在 不 同浓度 KS Z J 水 溶液 中的表 面 吸附状 况 的表 征分 析 结 果 表 明 ， 加 入 K S Z J的钻 井 液 与基 浆相 比， X P S扫描 全谱 明显具 有 了 KS Z J的特 征峰 。 由此可 以证 明 KS Z J在 金 属表 面 存在 有 效 的 吸 附。 利用 x射线光电子能谱溅射 的方法分析了吸附层 的厚度 ， 约为 2 0 0 n m。该 吸 附 层 为疏 水 膜 ， 有 利 于 减 弱或消 除钻屑颗 粒在 钻头 、 钻 具表 面的吸 附 。 3 ． 3． 3 黏 附聚 集实验 观察 钢 棒在 钻 井液 中热滚 后 的黏 土 吸附 状态 ， 结果 见 图 7 。 由图 7可 以看 到 ， 钢 棒 在基 浆 中热 滚 1 6 h后 黏 土吸 附或 泥包 的程 度非 常严 重 ； 同样 的实 验 条件下 ， 逐渐提 高 KS Z J加量 ， 吸 附 泥包 现象 明 显 减弱 ， 当 KS Z J的加量 为 o ． 5 时 ， 黏土不再 吸 附。 原钢 棒 基 浆0 ． 1 KS Z J 0 ． 2 KS Z J 0 ． 5 KS Z J 未 加 KS Z J 图 7 钢棒在不同钻井液 中热滚后的黏土吸附状态 3 ． 4 压持效应实验 3 ． 4 ． 1 毛细管 自吸参 比实验 用 K S Z J 与另 外 2种 润 滑 表 面活 性 剂 R HJ 1和 R HJ 2在泥页岩岩心 上进行 毛细 管 自吸参 比实验 ， 结 果如 图 8和图 9所示 。 O ． O 7 c 0 ． 0 6 0 ． 0 5 {； { 卜 0 ． 0 4 o ． 0 3 0 ． 0 2 0 ． 0l O ． O O 0 ． 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 自吸时 间／ m i n 图 8 处理剂 自吸速率 比较 由图 8和 图 9得 知 ， K S rZ I I 的 自吸速 率 和 自吸孔 隙的吸水量都 优于另外 2种处理剂 ， 即在改变钻井 液 骥 9 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井液与 完 并液 2 0 0 9年 3月 的初 失水方 面 ， KS Z J的能力 比 R HJ 1和 R H J 2要强 ， 这说 明 KS Z J 更好 地改善 了井底 岩 石表面 的润湿 性 ， 增 大了钻井液 的初失水 ， 从 而可减小 钻井液 对井底 岩 石 的压 持效 应 ， 有 利 于达 到提 高 钻井 机 械 钻 速 的 目 的 。 1 ． O o ． 8 o ． 6 送 o ． 4 血0．2 O ． O 自吸时间／ m i n 图 9 处理剂 自吸孔 隙体积 比较 3 ． 4 ． 2毛管力 曲线参 比实验 用 KS Z J与 R H儿 和 R HJ 2在泥页岩岩 心上进行 毛管力参 比实验 ， 结果见 图 1 O 。 1 ． 2 O ． 0 o l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 9 0 l O O 地层水饱和度／ ％ 图 1 O不同处理剂毛管力曲线 毛管力 曲线 中间平缓段是 主要 的进液 段 ， 大部 分 湿相 钻井 液 在该压力 区间进入岩 心 ， 故湿 相饱 和度 增 大很快而相 应 的毛 管压 力变 化不 大 。毛管 力 曲线 中间平 缓 段越 长 ， 说 明处 理 剂 进入 岩 心 的分 布 越均 匀 ， 并能够瞬 间尽可 能 多地 侵入 岩 心 ； 平 缓 段位 置越 靠下 ， 说 明处 理剂 所遇 的毛管 阻力 越 小 ， 能 够 迅速 进 入岩 心空隙 。由图 1 0可 以看 到 ， K S Z J 溶 液相 比另外 2 种处理 剂溶液更 易进 人岩 心 ， 初失 水 能力更 强 。由 图 1 1 可 以看 到 ， K S Z J 加 量 为 0 ． 5 的钻井 液 比其 加 量 为 0 ． 2 的钻 井 液 的初 失 水 能 力强 。钻 井液 的初 失水大 且进入岩 心能 力强 ， 有利于减 小钻 井液对 井底 岩石的压持效应， 达到提高机械钻速的 目的。 3 ． 5 K S Z J 对钻井液润滑性能的影响 KS Z J 对钻 井 液 润滑 性 能 的影 响 表 明 见表 1 K S Z J 能有效 降低水溶液 、 4 钠膨润 土浆及模 拟钻井 液 的摩阻 系 数 ， 随着 K S Z J浓 度 的增 大 ， 摩 阻 系 数 的 降低率提高， 有利于降低扭矩 ， 提高机械钻速。 1 ． 2 0 ． 6 O．2 O．O 地层水饱和度／ ％ 图 l 1 不同浓度 K S Z J毛管力 曲线 表 1 K S Z J 浓度对钻井液润滑性能的影响 KS Z J ／ 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 1 ． 0 注 A K为摩阻 系数 降低率 ； A K r 。 的基浆为水 ， △ K r 的基 浆为 4 钠膨润土浆 ， △ Kr 。 的基浆为钻井液。 3 ． 6 K S Z J对 岩心 强 度的影 响 3 ． 6 ． 1 K S Z J浓 度与 浸泡 时 间对岩 心 强度 的影 响 KS Z J浓度 、 浸 泡 时 间 与 岩 心 强 度 的 关 系 曲线 如 图 1 2和 图 1 3所 示 。 奏 蓁 0 ． 0 0 ． 1 0．2 0． 3 0． 4 0 ． 5 0 ． 6 0． 7 0． 8 0 ． 9 1 ． 0 1 ． 1 KS ZI 浓度 图 1 2 KS Z J浓 度 与 岩 心 强 度 的关 系 浸 泡 5 s h 岩心 浸 泡 时 间 图 1 3岩心强度随其在钻井液 中浸泡时 间的变化 在 基浆 中加 入 KS Z J ， 随 着 KS Z J浓 度 的增 大 ， 岩心 强度 随之 减小 ， 且在 KS Z J浓 度为 0 。 5 0 o 时岩心 强度 最小 ； 当 KS Z J的浓 度 超 过 0 ． 5 以后 ， 岩 心强 度 陡然 增 加 。岩 心 在 未 添 加 KS Z J的 钻 井 液 中 浸 泡 ， 其 岩心 强度 随着浸 泡 时 间的延 长而 逐渐 降低 ； 在 钻井 液 中添加 o ． 2 KS Z J ， 岩 心 强 度 随 着 岩 心浸 泡 时 问的增 加迅 速减 小 ， 并 在 浸泡 时 间 达 到 3 0 s 时 岩 日 星 暖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 2期 孙金 声等 提 高机 械钻速 的钻 井液理 论与技 术研 究 5 心强度 最小 ， 此时有 利 于 钻进 过 程 中 的快 速 有效 破 岩 ， 而 随着浸 泡时 间的继续 增加 ， 岩心强 度也 随之迅 速增强 ， 有利 于井壁 稳定 。 3 ． 6 ． 2岩 心渗透率 与岩心 强度变 化 的对 应关 系 通 过单轴 应力 实验分析 了不 同渗透率 岩心 在不 同浓 度 的 KS Z J钻 井液 中浸泡 后 ， 其 岩 心 强度 的变 化规律 ， 结果 见表 2 。由表 2可 以看 到 ， 随着 岩心 渗 透率增加 ， 其对 应的单 轴抗压 强度 随之降低 ； 岩 心浸 泡在浓 度为 0 ． 1 、 0 ． 2 的 KS Z J 钻 井液 中 浸 泡时 间为 3 O s ， 岩心对应 的单轴 抗压强 度降低 率 随着岩 心渗 透率 的 增加 而 增加 ； 提高 KS Z J浓 度有 利 于 降 低岩心强 度 ， 提 高岩 石 可 钻性 ， 从而 提 高机 械 钻 速 ； 而 当 K S Z J浓度 增加到 1 时 ， 不 同渗透率 岩心单 轴 抗压强 度降低率 的差 别减小 。 表 2不 同 岩 心渗 透率 与 岩 心 强 度 的 对 应 关 系 KS Z J 渗透率 浸泡时间 单轴抗压强度单轴抗压强度 1 0 m s MP a 降低 率／ 0．1 6 ．9 7 3 0 O． 1 7 3 ．3 6 0．1 1 9 6 ．0 5 41 ．9 9 2 4． 53 21 ． 30 1 3 ．4 8 37 ． O7 41 ． 3l 0． 2 8． 01 3 0 0 ．2 7 2． 87 O ．2 l 94 ． 39 35 ． 32 2 2． 8 4 l 9． 6 5 27 ． 22 41 ． 41 4 5． 8 5 1 ．0 7． 3 9 3 0 1 ．O 7 2． 59 1 ． 0 1 9 4． 05 2 7． 6 6 2 5． 7 2 2 0 ．9 2 4 3． 0 0 3 4． O 2 42 ．3 5 3 ． 6 ． 3 K S Z J对井 壁稳定 的影响 除力 学原 因外 ， 井壁 失稳 的主要原 因是 ， 岩石与 钻 井液发 生物理 化学 作用 而 引 起膨 胀 和 分散 ， 而 岩 石 发生膨胀 和分散 的原 因除 了受岩 石本 身 的组 分 以 及岩石空隙度和渗透率 等因素影响外， 钻井液的化 学组 分以及性 能也是 影响井 壁失稳 的重要 原 因。利 用单轴 应力实验 测试 了天然 岩心 在 KS Z J钻井 液 中 浸泡 1 2 h后 岩 心强度 的 变化情 况 ， 测试 结果 如 表 3 所示 。同样 渗 透率 的 天然 岩 心 分 别 在 不 同浓 度 的 KS Z J钻井液 中浸泡 l 2 h ，K S Z J钻井 液浸泡 的岩 心 单轴抗 压强度 明显 比没 有 添加 KS Z J 钻 井 液浸 泡 的 岩心 大 ， 有利 于井 壁稳定 。 表 3 K S Z J对 井 壁 稳定 的影 响 KS Z J K 浸 泡 p 单 轴 KS Z J K t 浸 泡 户 单 轴 1 0 m。h MPa 1 0 “m h M Pa 0 5． 23 0 4 3． 4 O 19 O ． 24 1 2 38 ．6 0 72 ．7 8 0 3 9． 0 0．5 4． 9 8 1 2 28 ．3 0 1 93 ．6 2 0 3 6． 3 0 ．5 83 ．3 4 1 2 37 ．8 O 4． 76 1 2 1 9． 9 O ．5 l 9O ．1 7 l 2 4O ．6 O 8 3． OO l 2 2 8． 8 4 提 高机械 钻速钻井液性能研 究 4 ． 1 K S Z J对 常规钻 井液性 能的影 响 在 4 ％钠膨 润土 浆 中分 别加 入不 同量 的 KS Z J ， 依据 G B ／ TE 1 3 0 0 4 -- 9 0钻 井 液 测 试 程 序 测 试 该 钻 井液 的常规性 能 以及 流变性 能 ， 结 果见 表 4 。 由表 4 可知 ， K S Z J 对 钻井液 常规性 能及流 变性没 有影响 。 表 4 K SZ J对 4 ％钠 膨 润 土 浆 性 能 的 影 响 注 p H 值 均 为 8 。 4 ． 2 KS Z J对钻 井速度 的影响 利用水射流钻井模拟 实验装 置 ， 分 别采用不 同类 型 的钻头 ， 在 不同的岩石上模拟钻进 ， 测 定在清水 、 钻 井液 中添加 K S Z J 前 后的实时钻进速度 。如表 5和表 6 所示 ， 钻进 速度有不 同程度 的提高 。采用 P D C钻头 结合 K S Z J 模 拟钻井 ， 机械钻速提高率最大 。 4 ． 3 K S Z J对不同密度钻井液机械钻速的影响 实验 结果表明 ， 随着钻井液 密度 的增加 ， KS Z J 对 钻 井 机械 钻 速提 高 率呈 降 低趋 势 ， 但 钻 速 比不 添加 KX Z J 剂的基浆 的钻速有 明显 提高 ， 即使在 密度 高达 2 ． 0 g ／ c m 。的情 况 下 ， 添加 了 K S Z J 后 对应 的 机械 钻 速 比基浆对 应的机械钻速提高 1 1 ． 2 3 ％， 见表 7 。 O 5 5 O 0 5 ● ● ● ● ● ● 3 4 4 4 4 3 ， ／ ，， ， ，／ ， ， ， ， ／ ／， O O O 5 O 5 1 3 3 2 3 2 0 7 4 4 4 5 5 5 5 r 0 5 3 5 O O O O O O 7 1 3 2 2 4 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 5 5 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 O O O O O 2 3 4 5 6 O ． ． ． ． ． O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 0 9年 3月 表 5 K S Z J 在清水 中对钻井速度的影响 注 Ka 表示岩石的可钻性指数 ； *使用 P D C钻头 ， ** 使用聚晶金刚石钻 头 ； ***使用三牙轮钻头。 表 6 K S Z J 在 钻井液中对钻 井速 度的影响 注 使用咖9 0 mmP D C； 基浆 为现 场井浆 ； 砂岩 可钻性指 数 为 5 ． 0 。 表 7 钻 井 液 密 度对 K SZ J增 速 效 果 的影 响 注 使用 咖9 0 mmP D C； 基 浆为现场井 浆 ； 砂 岩可钻性 指 数为 5 ． 0 。 5 现 场 应 用 快速 钻井 液技术 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 3 O余 口 井 进行 的现 场实 验结 果 表 明 在 不 改 变 钻 井参 数 和 钻 井井 身结 构 的条件 下 ， 快 速钻 井液 技术 在泥 页岩 、 砂泥岩井段能够使机械钻速提高 1 8 ％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 。该技 术 与现场 聚磺 、 有机 盐 、 正 电胶及 聚合 物钻 井 液具 有 良好 的配伍性 。 6 结 论 与 认 识 1 ．通 过对钻 井液 影响 机 械钻 速 的 因 素 的分 析 ， 提 出了 提高机 械钻 速钻 井液 的理 论途 径 。 2 ．研 制 出 了提 高 机 械 钻 速 钻 井 液 快 速 钻 井 剂 KS Z J ， 形成 了一 套提 高机 械钻 速 的钻井 液技 术 。 3 ．通过 表面 张力 、 吸 附效 应 、 压 持 效应 、 对 微 米 及亚微 米 粒子 、 摩 阻系数 、 岩 心强 度 的影 响等实 验对 快 速钻 井 剂 K S Z J的性 能 进 行 了评 价 ， 并 揭示 了 提 高机械 钻 速钻井 液 的作用 机理 。 4 ．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 3 O余 口井进 行 的现场 实 验结 果表 明 快 速钻 井 液 技 术 能 够提 高机 械 钻 速 1 8 以上 ， 提 高 钻 井 速 度 效 果 显 著 ， 并 有效 解决 了井 壁失 稳 及 减 少 起 下 钻 过程 中 的 阻 卡情况 ， 井 径规则 。 5 ．快 速钻 井液 技术 是钻 井 提 速 技术 的新 尝试 ， 将 对 提高钻 井速 度 、 减少 井下 复杂 起重 要作 用 。 参 考 文 献 [ 1 ] 钻井 液 与完 井液 编辑 部． 国外 钻 井液 技术 [ M] ． 下 册 ． 石 油工 业 出 版社 ． [ 2 ]G r o c o e k F B， S i n o r L A， e t a 1 ． I n n o v a t i v e a d d i t i v e s c a n i n c r e a s e t h e d r i l l i n g r a t e s o f w a t e r b a s e d mu d s [ R] ． SPE 28 70 8， 19 9 4 E 3 3 Wi l l i a m D， K e n D， e t a 1 ． n e w wa t e r - b a s e d mu d b a l a n c e s h i g h p e r f o r ma n c e d r i l l i n g a n d e n v i r o n me n t a l [ R] ． S P E 92 36 7。 20 05 E 4 3 屈沅治 ， 孙金声 ， 苏 义脑． 快 速钻井 液技 术新 进展 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 6 3 6 8 7 0 [ 5 ]S u g d e n S ． D e t e r mi n a t i o n o f s u r f a c e t e n s i o n f r o m t h e ma x i mu m p r c s s u r e i n b u b b l e s E J ] ． J ． C h e m． S o c ． 1 9 2 2 ， 1 21 85 8 - 86 6 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 2 1 ； HGF 0 9 0 2 W7 ； 编辑 汪桂 娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m