淺談提高機械鉆速的鉆井液理論與技術

賈奎林

摘 要：鉆井是油氣勘探和開發中的一個關鍵環節，對其進行研究具有一定的現實意義。鉆井工具的風險較高，因此為確保工程的順利開展，需要投入大量的財力、物力、人力。鉆井操作中，許多因素都會對鉆井速度造成影響，因此為了確保油氣開發的回報率，保障開發能夠按時完成，需要提高鉆井速度。

關鍵詞：機械鉆速；鉆井液；巖石強度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.206

為了提高油氣開發投資回報率，確保企業的經濟效益能夠達到要求，必須要提高機械鉆速，縮短開發時間，降低開發成本。油氣開發過程中，能夠影響機械轉速的因素有很多種，其中主要有水文條件、地質條件客觀因素，鉆井液性能是其中為數不多的主觀因素，因此對其進行研究意義重大。

1 機械鉆速受鉆井液性能的影響

1.1 壓特效應

鉆進作業中會形成壓特效應，而這一效應將會對機械鉆速造成較為嚴重的影響。在作業過程中，如果機械鉆頭與地下巖層產生接觸，鉆頭在旋轉過程中因為自身的切削力和壓力，處于鉆頭切削周圍的巖石會出現裂縫，對作業會造成較為嚴重的不良影響。在實際作業中，為了確保鉆井工作的順利開展，需要對出現的裂縫進行處理，如果放任不管，對鉆進工作的開展來說危險極大。一般情況下，在鉆井過程中，針對出現的裂縫情況，需要采取鉆井液填充的方式對裂縫進行處理，在裂縫中填充鉆井液過程中，鉆頭的運行速度將會有所減緩，從鉆探速度的整體角度對問題進行分析，利用鉆井液對裂縫進行填補與機械鉆頭的實際旋轉速度成正比例關系。在鉆井過程中，如果通過研發，制造出一種不僅能夠保證裂縫填充效果，并且能夠提升井壁性能效果的填充速度鉆井液，那么將會大幅度提升機械鉆頭的鉆速。

1.2 巖石強度

機械鉆速與巖石強度有著一定的關聯性，通過分析不難發現，兩者呈負相關，也就是說隨著壓實強的變弱，機械轉速將會有所提高。鉆井作業中，鉆井液與底層發生接觸時，巖石強度在兩者發生接觸的瞬間，將會發生較為明顯的變化，如果鉆井液在與巖體發生接觸的瞬間能夠使巖體的強度發生改變（這種改變通常指降低巖體強度），鉆井速度將會得到顯著提升。需要注意的是，通過鉆井液改變巖石強度過程時，需要確保井壁的穩定性，不能因為鉆井液的應用，導致井壁出現松動，給施工造成安全隱患。此外，還需要降低鉆井液中的相關物質（微米粒子、亞微米粒子）、降低扭矩、提高鉆井液的潤滑性，從而提高轉速。

1.3 鉆頭吸附鐵屑對鉆速的影響

鉆頭表面吸附鐵屑，將會對機械鉆頭的鉆速造成較為嚴重的影響。在鉆動過程中，遇到了鉆至頁巖地層，極其容易導致鉆頭表面被鐵屑吸附，鉆頭端面將會承擔一定的鉆壓，對鉆頭的切削深度產生限制，此外，境地鉆頭與巖石的作用效率偏低，鉆屑容易出現重復性破碎，也會對鉆頭的轉速造成不良影響。高壓下鉆深井泥巖時，鉆頭上如果吸附鉆屑顆粒，對機械的鉆速的影響將會進一步加大。在鉆井過程中，隨著井深度的增加，鉆屑的彈性特征將會變得更強，尤其是膨脹性和黏性頁巖，在壓力增加的作用下，鉆頭表面的吸附強度也會有所提高，此時從鉆頭表面移走的鐵屑的剪切力也會有所提高。通過相關分析不難發現，從鉆頭側面將鐵屑移走要比從鉆頭正面剪切地層需要的剪切力更大。

2 提高機械鉆速的鉆井液途徑

2.1 鉆井液在性能上的要求

鉆井作業中，存在于鐵屑中的黏土礦物質容易溶于水，因此粘土在遇水后容易發生膨脹。礦物質遇水膨脹與粘土中所含礦物質的種類有著一定聯系，黏土水化膨脹會受到表面水化力、毛細管作用、滲透水化力三種力的影響。鉆具上吸附大量的鐵屑是一種必然現象，并且這一現象在高壓差環境下將會變得更為嚴重。因此，在實際作業中，要盡量消除或減少鉆屑中礦物質在井壁、鉆具、鉆屑之間的吸附，對鉆屑中的鉆具、礦物、井臂表面的礦物質的性能進行適當的改變，從而降低表面張力。其中一種比較有效的方法就是在鉆井液中添加鉆具、礦物、井壁對其濕潤性能進行改變，降低表面張力，使鉆具、鉆屑、井壁濕潤性都能逐漸向親水方向發展。

潤濕性變化可以削弱單個鉆屑之間的吸附結合性，很好的控制了帶狀物尺寸，從而有效的避免了帶狀物附聚、裂縫的復原，大量附聚物容易在井底發生沉積，導致重復破碎；提升剪切位面與單個巖屑的潤滑性與滲透性，使其破碎變得更加容易。在作業過程中所有使用的處理劑需要具有較強的滲透性，應當可以滲透到吸附在鉆頭泥團表面的裂縫上，從而對表面的吸附性造成一定的影響，改變空隙內部及巖石濕潤性，實現對鉆具表面的潤濕，從而降低鉆頭吸附粘土顆粒的能力。在巖石表面應用處理劑，對巖石內部空隙和表面的濕潤性進行改變，降低巖石表面的毛細管力和表面張力，從而使作業中所使用的鉆井液可以更容易的滲透到鉆頭對沖擊巖層所產生的裂縫中，從而降低壓特效應。此外，鉆井液在地層發生接觸的瞬間能夠降低巖層的強度，使巖層可鉆性得到提高，進而提升機械鉆速。同時，利用處理劑，在金屬表面構成一層潤滑油膜，使潤滑性得到提升，縮小扭矩，提高機械鉆速。

2.2 鉆井處理劑分子結構

在鉆井液的應用中，依據提高機械鉆速度對使用的鉆井液性能的要求外，應用的處理劑的分子結構需要具有以下特點：

（1）多官能團分子鏈要長，也就是烴基的側鏈要長，不僅能夠具有較強的分子定向吸附能力，而且在吸附鉆屑、鉆具、井壁后，使被吸附的表面濕潤性可以而親水性變弱；

（2）選擇在金屬表面具有定向吸附能力的吸附基團（磷酸基）。鉆井處理劑的分子結構主要滿足以上兩點要求，才能使機械鉆速得到提高。

3 結束語

油氣開發過程中，地質勘探采取的主要手段就是鉆井，其也得到了廣泛的應用。鉆井工作需要耗費大量的人力、物力，而且隨著鉆井時間的延長，鉆井的成本也越高，因此針對提高機械鉆井的速度具有現實意義，主要針對鉆井液性能對機械鉆井速度的影響進行了重點分析，希望文中內容對相關工作人員能夠有所幫助。

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