快速钻进钻井液技术的机理

  钻井液的基本功能,并最大限度地减少井下复杂情况的发生,确保安全,这样才能从根本上提高钻速。

 

  钻井液性能中,钻井液的流变性、润滑性、固相含量及分散性等直接影响钻速的快慢[1,12]。

 

  钻井液流变性对机械钻速的影响主要表现为钻头喷嘴处的紊流流动阻力对钻速的影响。由于钻井液具有剪切稀释作用,在钻头喷嘴处的流速极高,一般在150 m/s以上,剪切速率达到10000 s-1以上。

 

  在如此高的剪切速率下,紊流流动阻力变得很小,因而液流对井底冲击力增强,更加容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中,有利于减小岩屑的压持效应和井底岩石的可钻强度,从而有利于提高钻速。当钻井液的紊流流动阻力接近于清水粘度时,可获得最大的机械钻速。

 

  润滑性能良好的钻井液具有的优点有:减小钻具的扭矩、磨损和疲劳,延长钻头的寿命;减小钻柱的磨擦阻力,缩短起下钻时间;能用较小的动力来转动钻具;能防粘卡,防止钻头泥包。

 

  钻井液中固相含量及其分散性是影响机械钻速的一个重要原因。当钻井液的固相含量为零时(即清水钻进)钻速最快,随着固相含量增大钻速显著下降;而钻井液中小于1Lm的亚微米颗粒要比大于1Lm的颗粒对钻速的影响大,约为12倍,钻井液中小于1Lm的亚微米颗粒越多,所造成钻速下降的幅度就越大。

 

  显然,快速钻进钻井液应有好的流变性、润湿性、低固相含量及合适的分散性。在水基钻井液中,通过添加ROP增速剂来提高钻速的机理是在钻井液原有的流变性、固相含量及分散性的基础上,大大改善其润滑性,从而降低扭矩来实现的。ROP增速剂能在钻头、BHA等金属表面形成一层憎水性的薄膜,以防止亲水性的钻屑粘附于钻头、BHA上发生泥包,起到润滑钻头的效果。快速钻进钻井液技术具体的机理[2,7]是:ROP增速剂渗入并润滑钻屑薄鳞片间剪切面,减弱薄鳞片间的键结,限制钻屑尺寸,以利于从钻屑槽脱落下来;阻止钻屑相互聚结;阻止粘土粘附于钻头和BHA面;通过对粘土膨胀及孔隙压力传递的控制来保持井壁稳定性。