基于油基钻井液提高钻速的原理与方法.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 2年5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 ， 0 l _ 29 NO． 3 M a y 2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 基于油基钻井液提高钻速的原理与方法 王富华 ， 谭学超 ， 高鲁军 ， 王瑞和 ， 郭保雨 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 ； 2 ． 中国石化胜利石油管理局钻井工程技术公司，山东东营 王富华等 ． 基于油基钻井液提高钻速的原理与方法 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 3 6 ． 8 ． 摘要 结合通用钻速方程和油基钻井液的特点，分析 了油基钻井液对钻速正反两方面的影响，指出了影响机 械钻速的主要因素是地层岩石特性，其次是井型和钻井液性能。提高机械钻速的主要途径包括钻头的合理选型、 钻进技术参数的合理优化，以及钻井液配方与性能优化。通过调整钻井液配方与性能，使其能够有效清洁钻头、 改变井底岩石的润湿性、大幅度提高钻井液的极压润滑性 ；向钻井液中加入中性润湿剂改变微裂隙表面润湿性 ； 加入抗高温的油溶性高分子增黏提切剂代替有机土 、氧化沥青等胶体颗粒，以便降低微米、亚微米颗粒含量，提 高剪切稀释性和携岩效率，从而提高机械钻速。 关键词 油基钻井液 ； 提高机械钻速 ； 钻速预测方程 ； 亚微米颗粒 ； 剪切稀释性 ；中性润湿剂 中图分 类号 T E 2 5 4 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 2 0 3 ． 0 0 0 6 0 3 在机械钻速影响因素中，钻井液因素是不容忽 视 的一个重要 因素。对于水基钻井液来说 ，钻井液 密度 、流变性 、滤失性 、固相含量 、固相粒径 、固 相分散度以及润滑性等与机械钻速的关系研究 已取 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 [ 1 】 ， 但对于油基钻井液来说 ， 国内外未 曾进行深入研究 。 目前 ，油基钻井液的应用越来越广泛 ，基于油基钻 井液钻井条件下提高机械钻速的技术研究具有重要 的现实意义。 1 机械 钻速影响 因素分析 2 0世纪 9 0年代初 ，基于优选参数钻井工艺研 究 的需求 ，胜利油 田钻井工艺研究院在室内进行 了 全尺寸钻头钻进 3 ～1 0级岩石的三因素 四水平的正 交模拟试验 ，建立起基于 “ 地层 因素 一 岩石可钻性 级值 ”的通用钻速预测方程，数学模型为 V K W a N b H 式 中，方 程 系 数 跎 1 ，转 速 指 数 b 0 ． 9 8 - k 2 Ka 1 ，水 功 率指数 c 0 ． 5 2 3 6 - k Ka 0 ． 5 2 。 钻进技术参数的合理优选与优配程度，直接关 系着钻井速度的高低 。现结合通用钻速方程通过分 析钻压 、转速 Ⅳ、水功率 等的钻进敏感 指数 与地层可错 l生的关系进行分析 ，结果见表 1 。 1 钻压是钻井过程 中提高机械钻速最重要的 技术参数之一 ，其敏感性相当显著。由室 内和现场 试验可知，通用钻速方程 中钻压指数 ，是一个大于 1的数 ，按地层可钻性整级级值计算 的钻压指数 a 见表 1 。由表 1 可以看出，钻压指数 a随 值的增 大而增大 ， 值越大则 a值越大 ，钻压对钻头破岩 的相关影响则越显著 。地层可钻性级值 值越大 表示地层越硬、越难钻 ，因此 ，在硬地层钻进中施 加钻压值的大小 ， 直接决定着钻头破岩效率 的高低。 2转速是钻进技术参数之一 ，其对 提高机械 钻速的作用没有钻压大 ，特别在硬地层 中其敏感性 相对较弱 ，通用钻速方程 中转速指数 b小于 1 。由 表 1 可知，转速指数 b随 值的增大而减小，地 层可钻性级值 越大则 b 值越小，转速对钻头破 岩效果 的影响则越弱 ，提高转速对提高机械钻速的 影响力越小。 第一作者简介 王富华，副教授，1 9 6 8年生，1 9 9 1 年毕业于山东大学，现在主要从事钻井液和油气层保护技术方面的 教学和科研工作。地址 山东青岛黄岛区长江西路 6 6号 ；邮政编码 2 6 6 5 8 0； 电话 1 3 3 4 5 0 5 0 5 2 7； E ma i l z g s d wf h 1 2 6 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 3期 王富华等 基于油基钻井液提高钻速的原理与方法 7 表 1 钻进技术参数随地层可钻性级值 变化表 3 泵压、排量和水功率 3 项参数在钻进过程 中密切相关 ，其作用均为清除井底岩屑。在软地层 中水马力具有辅助破岩的作用 ，但在硬地层 中这一 作用已微乎其微 。由表 1 可知，水功率指数 C随 值的增大而减小，地层可钻性级值 越大则 c 值 越小 ，水功率指数 C 最大值不超过 0 ． 5 2 。当地层可 钻性级值 达到 6 级以上后，c 值不大于0 ．2 ，其 辅助破岩的能力 已经非常小 。 4在钻进过程 中方程系数项 反 映了其它因 素对钻速 的影响 ，在软地层中其影响作用较大，但 在硬地层 中其影响作用已微乎其微 。由通用钻速方 程可知，系数项 值 随 值 的增大而减小 ，地层 可钻性级值 越大则 值越小， 当 值大于 5 后， 值已小于 2 ，对钻速的影响很小。 理论研究与应用实践表 明，地层特性 地层可 钻性级值 值 是决定钻速快慢 的主要因素 ，钻速 较慢 的地层主要发生在塑性较大 、易产生钻头泥包 的泥质含量较高的中浅井 ， 以及地层岩石硬度较大 、 可钻性差、研磨性高的深井 。对于前者 ，钻井液性 能对钻速 的影响不容忽视 ，特别要强化钻井液抑制 性 、润滑防塌性能以及清洗井底和携带岩屑、清洁 钻头 、防止钻头泥包 的性能 ； 对于后者 ，钻井液 的 影响较小 ，应重点做好钻进技术参数 的优化和钻头 优选技术工作。 另外 ，井段类型对机械钻速也有一定的影响。 在直井段 ，使用油基钻井液的钻速一般要比相同密 度的水基钻井液约低 2 0 ％ 3 0 ％。主要原因在于水 基钻井液剪切稀释性好 、亚微米颗粒含量低 、瞬时 滤失量高，可有效降低岩石强度。而在斜井段，当 使用牙轮钻头时 ，使用油基钻井液的钻速与水基钻 井液相 当。这主要是因为使用油基钻井液时 ，钻柱 与井筒问的摩擦要小得多，因此，对相同数值的地 面指示钻压来说 ，用油基钻井液钻进的实际井底钻 压 比水基钻井液大。由于油基钻井液的剪切稀释性 不如水基钻井液好 ，油基钻井液在钻头处的紊流黏 度比水基钻井液高，在深井石灰岩井段使用金刚石 钻头的条件下，使用油基钻井液的钻速要比相同密 度的水基钻井液降低 2 ／ 3 。 2 油基钻井 液对机械 钻速的影响 相对水基钻井液来讲 ，油基钻井液具有如下有 利于提高机械钻速的技术优势 性能稳定、抗温性 能好 、抗污染 能力强 、润滑防塌效果好 、密度低 。 油基钻井液也有不利于提高钻速的因素。 1 油基钻井液不利于降低负压吸附钻屑引起 的压持效应和井底岩石的可钻强度。在钻进过程 中， 钻头在钻压作用下吃入岩石 ，导致井底岩石产生微 裂隙。由于岩石微裂隙表面初始呈现亲水性 ，根据 界面化学原理，油气界面的毛细管力P 2 a c o s O ／ r 方 向向外 ，瞬时滤液 油 不易进入微裂隙而形成负压 真空 ，从而将井底岩屑吸在井底 ，增加了井底岩屑 的压持效应 ，如图 1 所示。另外 ，瞬时滤失油不能 进入微裂隙 ， 裂隙易闭合 ，无法形成 “ 液楔” ； 同时 ， 瞬时滤失油不能降低岩石可钻强度 因为岩石含水 量越高，越有利于降低岩石可钻强度 。 图 1 井底岩石在钻头作用下产生 微裂缝后形成真空的示意图 2 油基钻井液不利于直井段钻速提高。油基 钻井 液维持流变性 和滤失性 的关键组 分增 黏 剂 、降滤失剂 和封堵剂主要为有机 土、氧化沥青 、 有机褐煤 、活化重 晶石 、碳酸钙等胶体颗粒 ，这些 颗粒均属于亚微米颗粒 ，钻井液中亚微米颗粒对钻 速的影响显著 ， 统计显示 亚微米颗粒含量增加 1 ％， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 5月 机械钻速降低 1 0 ％。尤其是在硬地层钻进 ，亚微米 粒子对钻速的影 响显著 。在 固相颗粒 中，低密度 固 相 比高密度固相机械钻速低 ，表 2所示的 B井实钻 数据也证实了这一点。 重剂等有用 固相 。④加入抗高温 的油溶性高分子增 黏 、提切剂代替有机土 、氧化沥青等胶体颗粒 ，以 便降低亚微米颗粒含量 、提高剪切稀释性 、提高携 岩效率， 从而提高机械钻速。 表2 B井 机械钻速较低的井段与钻井 液固 相含量的关系4 结论 纯钻 井段／ 钻速／ p ／ 叵 旦 鱼量 V 平 均 ／ 时 ／ h m m／ h g ／ c m 低密度 高密度“ m／ h 2 4． 0 2 008 2 0 9 7 3． 7 08 1 - 3 1 ． 8 9 ． 7 0． 1 86 2 ． 0 ～ 2 1 8 2 2 ． 0 0 0 1 - 3 2 ． 5 1 0 ． 0 0 ．2 5 0 2 0 ． 0 ～ 2 2 l 5 1 ． 6 5 0 1 ． 3 2 ． 5 1 0 ． 0 0 ，2 5 0 2． 61 2 4 ． 0 ～ 2 3 0 6 1 ． 5 0 0 1 ． 3 2 ． 4 1 0 ． 2 0 ． 2 3 5 9． 5 ～ 2 3 42 3． 7 8 9 1_ 3 2． 5 1 0 ． 2 0． 2 45 2 2． 5 ～ 2 40 0 2． 5 78 1_ 3 2． 6 1 O． 1 0． 2 57 23． 5 ～ 2 43 3 1 ． 40 4 1_ 3 4． 5 9． 5 0．47 4 2 4 ． 0 ～ 2 5 0 0 1 ． 3 7 5 1 _ 3 4 ． 6 9 ．4 0 ． 4 8 9 1 ． 43 2 4． 0 ～ 2 53 6 1 ． 5 0 0 1 - 3 4． 6 9．4 0． 4 89 2 1 ． 2 5 ～ 2 5 6 7 1 ．4 5 9 1 - 3 4 ． 4 9 ．4 0 ． 4 6 8 注 R是低 密 度 固相 ≤3 ． 0 g ／ c m 与 高密度 固相 p≥4 ． 0 g ／ c m 的质量比值。 3 使用油基钻井液提 高钻速的途径 综上所述，使用油基钻井液时可以利用以下途 径提高机械钻速 。 1 清洁钻 头。使用油基钻井液不容易发生钻 头泥包 ，有利于钻头清洁 、提高钻头 的破岩效率 。 2改变井底岩石 的润湿性。油基钻井液通过 润湿剂的作用， 有利于悬浮和携带钻屑，保证井底 清洁，避免钻头重复破碎岩石。 3 提高钻井液的极压润滑性。油基钻井液润滑 性好 ，有利于降低钻具的扭矩和起下钻的摩擦阻力。 4向油基钻井液 中加入油溶 性 中性润湿 剂 ， 将岩石微裂 隙表面转变为中性润湿 ，使岩石微裂 隙 表面的接触 角 9 0 。 ，从 而使毛细管力P 一0 ，可 使瞬时滤失油进人微裂隙形成 “ 液楔” ，降低微裂 隙真空度， 减少井底岩屑压持效应，防止裂隙闭合。 5 尽量降低低 密度有 害固相 多以亚微米颗 粒状态存在 的含量，可通过以下方法 ①控制润 湿剂 的浓度不要过高 ， 以防止钻屑在油中分散过细。 ②使用细 目振动筛 ，尽量在机械固控的第一个环节 清除有害固相，减少后续固控设备的工作压力。③ 用好泥浆清洁器 ，尽量将低密度固相清除而保 留加 1 ． 地层岩石特性是决定钻速快慢的主要 因素 ， 塑性较 大、易产生泥包钻 头 的泥质含量 较高 的地 层 地层可钻性级值 较低 ，以及硬度较大、可 钻性差 、高研磨性地层 地层可钻性级值 较高 的钻速较慢。对于易发生钻头泥包 的地层 ，钻井液 性能对钻速的影响不容忽视 ，解决措施 的重点是强 化钻井液抑制性 、润滑防塌性能 ，以及清洗井底和 携带岩屑 、清洁钻头 、防止钻头泥包的性能 ； 对于 高研磨性的硬地层， 钻井液对机械钻速的影响较小， 应重点做好钻进技术参数的优化和钻头优选工作 。 2 ． 油基钻井液对钻速 的影响既有有利的一面 ， 也有不利 的一面。性能稳定 、润滑性好 、密度低 ， 有利于防止钻头泥包 、提高钻速 ； 亚微米颗粒含量 高，瞬时滤失量小 ，剪切稀释性差 ，不利于降低岩 石可钻强度和有效携岩，因此又不利于钻速提高。 3 ． 对于油基钻井液 ，可以通过调整钻井液性能 使其有效清洁钻头、改变井底岩石的润湿性、大幅 度提高钻井液的极压润滑性 ，以及向钻井液 中加入 油溶性中性润湿剂 ，改变微裂隙表面润湿性 ，加入 抗高温的油溶性高分子增黏、提切剂代替有机土 、 氧化沥青等胶体颗粒，以便降低亚微米颗粒含量、提 高剪切稀释性、提高携岩效率，从而提高机械钻速。 参 考 文 献 [ 1 ] Wi l l i a m D， K e n D，Ne l s H，e t a 1 ． Ne 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 [ R ] ． S PE 9 23 67，2 00 5． 【 2 ] 屈沅治 ，孙金生，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 ，2 3 3 6 8 ． 7 0 ． [ 3 】 徐济银，李祖奎，王绍先，等 ． 胜利油田通用钻速预测方 程的建立与验证 四． 石油 fi - U 术，1 9 9 5 ，2 3 1 1 5 1 8 ． [ 4 ] 孙金声，杨宇平，安树明，等 ． 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， 2 0 0 9 ， 2 6 2 1 6 ． [ 5 ] 何勇波，乔勇，任红材，等 ． 哈拉哈塘区块优快钻进钻 井液技术 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 5 4 7 5 0 ． 收稿 日期2 0 1 2 0 1 1 0 ；HG F I 2 0 3 N7 ；编辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m