快速钻进钻井液技术的发展现状

  提高钻井速度的途径有3种:一是开发新型快速钻进钻井液技术;二是设计高效钻头,优化钻具结构;三是应用钻井最优化技术。目前,常将研发新型快速钻进钻井液与高效钻头的优化设计结合起来,协同提高钻速。在高效钻头的优化设计中最重要的进展是研发了PDC钻头,并出现了抛光牙轮PDC钻头。PDC钻头与油基、合成基钻井液结合使用,钻泥页岩地层时,因油基或合成基钻井液能降低扭矩,减弱钻柱粘附,防止钻头泥包,保持井壁稳定,其钻速取得了突破。但添加的油类化合物浓度超过10%,易造成环境污染而受到限制。当PDC钻头与水基钻井液结合使用时,特别是钻深层泥页岩地层时,虽不带来环境污染,但存在井壁坍塌、钻头泥包、卡钻、钻速慢等一系列问题,随后,添加萜烷类化合物[1,2],虽其浓度很低就能显著提高钻速,但易富集而污染环境,故也限制了萜烷类化合物添加剂的使用。为此,迫切需要研发环保型快速钻进钻井液技术,其中最关键的是研制出具有良好配伍性、可生物降解的ROP增速剂。

 

  国外从上世纪90年代开始研究、现场应用快速钻进钻井液技术,取得了很大的进展,并获得了可观的经济效益。Hasley等人[3]开发了一种添加特殊处理剂的水基钻井液,替代柴油基钻井液并成功应用于南得克萨斯Wilcox地层的井,该钻井液提高了钻速,降低了钻井液及钻屑的处理成本,大幅度减少了开发井的总体成本。用该水基钻井液钻的45口以上的井中,平均钻速比柴油基钻井液增加了30%,总成本降低了20%。

 

  Growcock等人[4]采用全尺寸钻井装置测试了几类有机化合物用作水基钻井液ROP增速剂的效果。试验结果表明水基钻井液中加入体积比为2%~4%的石蜡或不溶性的聚甘油化合物能使钻速提高5%~20%;并指出石蜡能使钻头、BHA等金属面成为非亲水性,降低了部分水化泥页岩在其金属表面的粘附,而聚甘油化合物能与泥页岩直接作用,避免泥页岩水化形成粘性泥团。

 

  1997年,Bland等人[1]研制了一种ROP增速剂,微型钻机及全尺寸钻井模拟试验结果表明,钻井液中添加5%ROP增速剂后,钻速提高幅度超过2倍,有效抑制了钻头泥包;在Louisiana内陆水区中等硬度至硬性泥页岩地层钻了一口井深为4419.6m的井,在不同时间段,用密度为1.15 g/cm3的膨润土/PAC钻井液,5次泵入含ROP增速剂的段塞(13.67 m3/段),平均钻速低于6.10 m/h,然后在182.9 m厚的层段,增大ROP增速剂的体积比为9%,再5次泵入段塞,此时钻速平均增加了7.01m /h,表明无需对整个钻井液循环系统进行大规模处理,周期性泵入ROP增速剂能有效提高钻速。在Louisiana近海区,采用密度为1.94 g/cm3的木质素磺酸盐钻井液及位移岩石钻头钻井,平均钻速为4.94 m/h;采用PDC钻头,平均钻速仅为1.34 m/h;采用添加了ROP增速剂的木质素磺酸盐钻井液并结合PDC钻头后,平均钻速增加到6.80 m/h,是采用岩石钻头钻速的1.38倍及采用PDC钻头、没使用ROP增速剂时钻速的5倍。

 

  1998年,Bland等人[5]研制了2种ROP增速剂,并采用Terra Tek钻机,分别以NaCl/聚乙二醇钻井液、CaCl2/聚乙二醇钻井液进行了实验室全尺寸模拟试验。结果表明,在NaCl/聚乙二醇钻井液中添加体积比为5%的SDP-1后,极大地减少了可泥包在钻头和传动轴上物质的数量,大大增强了井眼清洁效率,钻速由10.06 m/h提高到26.82 m/h;在CaCl2/聚乙二醇钻井液中添加5%的SDP-2后,完全消除了钻头和传动轴的泥包现象,钻屑很少滞留于环形空间中。在Maracaibo湖、墨西哥湾的Matagorda岛及Louisiana近海地区的现场应用结果表明,钻井液中加入ROP增速剂SDP-1后,显著提高了钻井速度及减小了扭矩。

 

  2002年在澳大利亚近海距离西北大陆架16km处钻了A、B两口井[2],A井是采用油包水型合成基钻井液和八叶片PDC钻头钻井,平均钻速为29.82 m/h。B井采用高性能的两相聚乙二醇水基钻井液和六叶片PDC钻头钻井,ROP增速剂采取泵入方式注入,其体积浓度维持在2%,其钻速达到45.6 m/h,约超过A井钻速50%。该结果表明使用高性能的水基钻井液并选择合适的钻头钻井,确实优于油包水型合成基钻井液。全尺寸钻井模拟试验结果也表明在深泥页岩地层,水基钻井液很容易发生钻头泥包现象,导致泥包的钻头端面承担了部分钻压,限制钻头的切削深度,从而降低了钻速。采用合成基钻井液钻井,确实存在钻头泥包现象。而水基钻井液加入ROP增速剂后,有效地抑制了钻头泥包,故提高了钻速。

 

  Aaron等人[6]设计了一种独特的用于钻墨西哥湾大陆架粘性地层的水基钻井液。该钻井液不加入任何盐类化合物,而是加入聚胺泥页岩抑制剂、聚合型包膜及抗增粘添加剂,使其具有与合成基钻井液相当的泥页岩抑制性。现场数据表明,在类似井段,采用此水基钻井液的钻速高出使用合成基钻井液的85%,钻相同层段所需的时间大幅度减少,井底没有钻头泥包现象,钻屑能被很好地包裹,阻止了水化作用,这种水基钻井液在井场可直接用海水配制,也无需合成基钻井液及钻屑排放所必需的工程处理设备,缩短钻井时间而显著降低钻井成本。

 

  添加ROP增速剂的水基钻井液、抛光牙轮、钻头设计及操作参数优化的结合运用能很好地解决泥包问题,ROP增速剂的添加大大地改善WBM遇到的泥包问题。现场数据及单点牙轮钻头试验[8]证实了这一点,并提高了10%~20%的钻井效率,甚至无泥包发生。ROP增速剂与抛光牙轮PDC钻头相结合,在墨西哥湾近海钻16口井降低成本375万美元(23.5万美元/口井)。

 

  Friedheim等人[8]研制了一种新型水基钻井液,并成功应用于墨西哥湾地区。该钻井液配方中包含泥页岩水化抑制剂、泥页岩分散抑制剂及ROP增速剂,其中ROP增速剂(表面活性剂的混合物)能防止钻头、BHA泥包。采用该水基钻井液及PHPA水基钻井液的全尺寸对比试验表明,该水基钻井液能保持钻头牙轮清洁,而PHPA水基钻井液却引起了钻头牙轮的泥包现象。在墨西哥湾的深水及大陆架地区的现场应用也证实了该钻井液室内结果的有效性,其钻井速度与早期采用的合成基钻井液相当,比目的区块采用的传统水基钻井液高出60%~70%。

 

  在Colorado州的白河油区,钻进富含膨润土地层时,PDC钻头易泥包而导致钻速下降,Walton等人[9]在钻井液中添加一种ROP增速剂(聚甘油酯)后,减轻了钻头的泥包,由原来平均每口井需要4.2个钻头降低到只需3.1个钻头,钻井液中添加体积比为2%ROP增速剂时,钻速提高10.3%。该ROP增速剂能迅速清洁钻头,提高钻速至钻头泥包前的同一水平。Halliday等人[10]从白油及食用级石蜡中筛选了一种用作ROP增速剂的非毒性、可生物降解的纯化石蜡。William等人[11]介绍了一种新型的高性能、环保型的水基钻井液体系,加入ROP增速剂后,钻速与油基或合成基钻井液相当。

 

  国内对于该项技术认识与研究刚刚起步,2004年中国石油钻井工程重点实验室进行了研究,取得了初步成果,并在胜利油田进行了试验:在相同钻具结构、水力参数条件下与邻井同井段相比,机械钻速大幅度提高,砂岩段提高26%,泥岩段提高18%。