摘 要 采用PDC鉆頭與水基鉆井液配合方式鉆進(jìn)泥頁巖地層時，如何防止鉆頭泥包成為提高鉆速的一大技術(shù)難點(diǎn)。為此，首先介紹了國外水基鉆井液和水基鉆井液添加ROP增速劑的鉆頭提速室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)取得的成果；然后用典型實(shí)例分別評述了PDC鉆頭優(yōu)化(結(jié)構(gòu)、氮化處理)以及在泥巖段地層中應(yīng)用水基鉆井液添加ROP增速劑的提速效果。考慮到鉆井液的費(fèi)用和環(huán)保問題，認(rèn)為加入ROP增速劑的水基鉆井液配合拋光PDC鉆頭將是軟泥巖地層提速的有效技術(shù)途徑，其應(yīng)用一定會有更廣闊的前景。
關(guān)鍵詞 泥頁巖 水基鉆井液PDC鉆頭 鉆頭泥包 增速劑 鉆速評價方法
石油鉆井遇到的地層中，頁巖或泥質(zhì)類型占60％～80％。頁巖吸水后容易膨脹和水化，導(dǎo)致鉆頭泥包和井壁失穩(wěn)等問題，降低了鉆井效率。據(jù)統(tǒng)計，每年與“頁巖鉆井問題”有關(guān)的時間和材料費(fèi)用損失，每年約5億美元[1]。
滲透壓力和裸眼液柱壓力能夠提供鉆井液濾液向頁巖孔隙滲透的水力學(xué)動力，形成井壁過平衡，維持低強(qiáng)度頁巖的井壁穩(wěn)定。擁有高滲透率地層的井段由于壓力釋放，使得暴露在水基鉆井液中的裸眼地層產(chǎn)生較小的井內(nèi)壓力梯度，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險較小。相比之下，軟韌性頁巖的機(jī)械強(qiáng)度弱，滲透率非常低，侵入的濾液將提高近井壁處的孔隙壓力，由于壓力不能像高滲透率地層一樣盡快向遠(yuǎn)處釋放，所以容易產(chǎn)生井壁失穩(wěn)的風(fēng)險。PDC鉆頭與油基、合成基鉆井液結(jié)合使用鉆進(jìn)泥頁巖地層時，因?yàn)橛突蚝铣苫@井液能夠降低扭矩、減弱鉆柱黏附、防止鉆頭泥包、保持井壁穩(wěn)定，機(jī)械鉆速通常比PDC鉆頭在水基鉆井液中使用時要高得多。但在環(huán)保要求嚴(yán)格的地方，油基鉆井液的使用通常會受到限制，迫使運(yùn)營商和服務(wù)公司投入相當(dāng)多的資源，努力改善PDC鉆頭在水基鉆井液(WBM)中的使用性能。
從發(fā)展情況來看，要解決鉆頭泥包、提高機(jī)械鉆速和井壁失穩(wěn)等問題，需要綜合考慮鉆頭設(shè)計和鉆井液體系性能。優(yōu)化的鉆頭設(shè)計和在水基鉆井液中加入ROP增速劑能顯著減少鉆頭泥包和提高鉆井效率。
1 室內(nèi)鉆頭防泥包評價實(shí)驗(yàn)
為評價鉆頭和鉆井液設(shè)計對減少鉆頭泥包和提高鉆井速度的效果，國外大公司在室內(nèi)做的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)肯定了鉆頭改進(jìn)和ROP的提速效果。
1．1 單點(diǎn)牙輪鉆頭試驗(yàn)
殼牌石油公司的Oort E V等人設(shè)計的高壓單點(diǎn)牙輪鉆井模擬器只含一組牙輪。由于鉆屑由單組牙輪產(chǎn)生，該儀器可以更準(zhǔn)確的評價切削齒特性(如表面光潔度)和ROP增速劑對鉆屑尺寸的影響。此外，由于單組牙輪難以發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象，可以評估在不發(fā)生鉆頭泥包的情況下切削齒特性和ROP增速劑對鉆井過程的影響[1]。測試過程中，單組牙輪在鉆井液壓力下以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對軸向和切向載荷進(jìn)行監(jiān)測。通過傳感器記錄壓力，轉(zhuǎn)速，軸向載荷，切向載荷和軸向位移隨時間的變化進(jìn)行評價。
使用后傾角為20°切削深度
1．2全尺寸模擬測試
美國貝克休斯公司的Ron[3]等人設(shè)計的高壓全尺寸鉆井模擬器，由于可以直接觀察和使用計算機(jī)控制測試環(huán)境，使全尺寸鉆井模擬器非常適合研究鉆頭泥包現(xiàn)象。該儀器可以恒定鉆壓(WOB)，測試機(jī)械鉆速的變化，反之亦然。為了在測試中更快產(chǎn)生的鉆頭泥包，需要將水力學(xué)馬力調(diào)到較低值。產(chǎn)生鉆頭泥包時，鉆壓會顯著增大。使用全尺寸高壓鉆井模擬器測試的試驗(yàn)結(jié)果見圖3[3]。
使用?
1．3微型鉆機(jī)測試
美國Hughes Christensen公司設(shè)計的微型鉆機(jī)測試裝置可以模擬高壓鉆井，測試過程中，可以在恒定鉆壓(WOB)或恒定機(jī)械鉆速的模式下進(jìn)行?？梢院愣ㄣ@壓模式下測試機(jī)械鉆速的變化或在恒定機(jī)械鉆速的模式下測試鉆壓的變化。
在恒定鉆壓11 kN、轉(zhuǎn)速60 r／min的條件下進(jìn)行微型鉆機(jī)測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4[4]所示。
2 PDC鉆頭改進(jìn)及應(yīng)用效果
2．1 PDC鉆頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
水基鉆井液中使用PDC鉆頭鉆探頁巖層時，如果小頁巖片不能及時從PDC排屑槽排出，單個小頁巖片便容易黏接在一起形成長的“帶狀”頁巖片，很難再分開。由于帶狀巖屑尺寸較大(通常為幾英寸或更長)，更難從排屑槽排出，導(dǎo)致相互聚集而結(jié)塊，形成泥包。
通過優(yōu)化鉆頭設(shè)計，如增大排屑槽的容量以收納和排放更多的鉆屑、優(yōu)化噴嘴位置以提供足夠的水力學(xué)動力，用切削齒深度控制鉆屑數(shù)量和大小等途徑，減少鉆頭泥包的形成。
使用水基鉆井液時，泥包對鉆具的黏附力與ROP增速劑、PDC鉆頭排屑槽容量、切削齒的鋒利度和表面光潔度等因素有關(guān)。為了探究PDC鉆頭類型對泥包形成的影響，殼牌公司Oort E V等人利用高壓全尺寸鉆井模擬器對不同類型PDC鉆頭鉆探頁巖層時對泥包形成的影響因素進(jìn)行了評價[4]。
試驗(yàn)測試證明：由于大容量的排屑槽更容易收納和排放更多的鉆屑，使用排屑槽小的鉆頭比排屑槽大的鉆頭更易出現(xiàn)鉆頭泥包。
PDC切削齒拋光鉆頭較標(biāo)準(zhǔn)PDC鉆頭具有更好的鋒利度，與ROP增速劑結(jié)合使用能減少鉆頭泥包，顯著提高機(jī)械鉆速。
2002年澳大利亞近海地區(qū)[5]，在澳大利亞近海距離西北大陸架l
2．2 PDC鉆頭表面性質(zhì)的處理
除了鉆頭形狀外，對鉆頭的表面材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)也可以防止黏土對鉆頭的黏附，達(dá)到防止鉆頭泥包的目的。
多翼鉆頭通常含有大量的鎳銅，能提供較強(qiáng)的正電勢，經(jīng)過氮化處理后能將正電勢轉(zhuǎn)化為非常強(qiáng)的負(fù)電勢。氮化處理后鉆頭的鋼材表面，相對于鉆井液體系呈電負(fù)性，鉆井液中的電負(fù)性離子被鉆頭表面排斥，水分子遷移到帶電金屬表面，形成潤滑層，達(dá)到防止鉆屑吸附，產(chǎn)生抗泥包的效果[1]。氮化處理鉆頭已在北海和墨西哥灣等地區(qū)應(yīng)用成功，不僅解決了鉆頭泥包問題，提高了機(jī)械鉆速，還降低了鉆井成本。
在北海的一口井的
在挪威，使用KCl／聚合物鉆井液體系(加入3％聚合醇)，使用氮化處理鉆頭(S611 ABC)在?
3水基鉆井液ROP增速劑的應(yīng)用效果
水基鉆井液ROP增速劑(ROP enhancer)，國內(nèi)又叫快速鉆井劑[5-8]，主要從早期的油類發(fā)展到目前的表面活性劑。
3．1作用機(jī)理
ROP增速劑加入到水基鉆井液中，能夠減少鉆頭泥包和提高井壁穩(wěn)定性，作用機(jī)理有3個方面。
1)快速滲入巖屑和地層之間的微裂縫，阻止微裂縫的復(fù)原，防止巖屑的重復(fù)破碎。
2)防止泥頁巖水化形成黏性泥團(tuán)。
3)有效吸附在鉆頭、BHA等金屬表面，使其變成為弱親水或非親水性，降低部分水化泥頁巖在金屬表面的黏附。
3．2 ROP增速劑特點(diǎn)和適應(yīng)性
1)油或油類似物：1937年，在Pottawatamie County，Oklahomall首次報道了水基鉆井液中使用一種油性物質(zhì)提高鉆速[4]，該油性物質(zhì)即為最初的ROP增速劑。油或?yàn)橛皖愃莆飸腋』蚍稚⒃谒@井液中，即為常規(guī)乳化鉆井液。但是油類化合物增速劑在水基鉆井液中的加量一般大于10％，在環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)，其應(yīng)用受到限制。
2)萜烯類：l991年，在得克薩斯州Austin Chalk，發(fā)現(xiàn)使用低濃度的萜烯混合物，能顯著降低阻力和扭矩，顯著提高機(jī)械鉆速。1994年J．R．Hasley等人使用含萜烯的水基鉆井液在南得克薩斯Wilcox開發(fā)井中應(yīng)用成功。與柴油基鉆井液相比，該體系具有很大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢，超過45口井使用了這一鉆井液體系，數(shù)據(jù)顯示，某些井的平均鉆速，較柴油基鉆井液提高了30％，總的鉆井成本下降20％[9]。萜烯濃度較稀時具有柑橘或松樹般的清香味，但在封閉的環(huán)境中，會導(dǎo)致濃度富集，具有一定的刺激性，加之對海洋生物的毒性?，F(xiàn)在大多數(shù)鉆井區(qū)域，已停止了萜烯的使用。
3)高分子量聚合醇：高分子量不可溶聚丙二醇(PPG)具有無毒、無味的特點(diǎn)，與PDC鉆頭配合使用能夠顯著提高鉆井速度，尤其與乙烯基磺酸鹽共聚物配合使用時效果更佳，可作為萜烯類水基鉆井增速劑的替代品。1993年報道了在Bay Marchand鉆井項(xiàng)目中，使用一種PPG／鋁復(fù)合物鉆井液體系，PPG是一種非水溶性聚丙二醇，鉆井液中只需要添加少量的PPG(1％～5％)，平均機(jī)械鉆速為
4)異構(gòu)烯烴和石蠟：鉆進(jìn)更深的地層，特別是海上鉆井時，主要使用異構(gòu)烯烴類活性物質(zhì)的產(chǎn)品，異構(gòu)烯烴類增速劑產(chǎn)品可生物降解，無毒，與鉆井液體系／處理劑兼容性好。能夠提高井眼清潔，防止鉆頭泥包和鉆屑重復(fù)破碎，提高了鉆井效率。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)室高壓全尺寸鉆井測試和油田現(xiàn)場驗(yàn)證[10]，異構(gòu)烯烴鉆井增速劑配合合適的鉆頭，在水基鉆井液中能顯著減少鉆頭泥包和提高鉆井速度，比OBM或SBM更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
Halliday等人[11]從白油及食用級石蠟中篩選了一種用作ROP提速劑的非毒性、可生物降解的純化石蠟，與表面活性劑配合使用具有較好的潤滑性，在鉆井液中的加量為l％～2％時能夠顯著提高機(jī)械鉆速[11]。
5)表面活性劑類：Friedheim等人研制了一種新型水基鉆井液，該鉆井液配方中使用了一種表面活性劑混合物ROP增速劑。國內(nèi)應(yīng)用比較成功的是孫金生等研發(fā)的KSZJ鉆井增速劑。KSZJ由帶電荷的蛋白質(zhì)類大分子+表面活性劑+其他輔助成分組成。分子結(jié)構(gòu)具備強(qiáng)吸附基團(tuán)，有較長的多官能團(tuán)分子鏈以及較長的烴基側(cè)鏈。既能提高定向吸附能力，又能使鉆具、鉆屑和井壁潤濕性從強(qiáng)親水向弱親水方向轉(zhuǎn)變[7]。根據(jù)對國內(nèi)外鉆井提速劑產(chǎn)品的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各大公司及目前應(yīng)用的鉆井提速劑成分主要是混合表面活性劑。
3．3現(xiàn)場應(yīng)用
KSZJ快速鉆井劑在勝利油田的試驗(yàn)證明：在相同鉆具結(jié)構(gòu)、水力參數(shù)條件下與鄰井同井段相比，機(jī)械鉆速在砂巖段提高26％，泥巖段提高18％。
1997年美國Louisiana油田[4]，在Louisiana近海區(qū)，使用ROP增速劑與牙輪鉆頭鉆進(jìn)687．
4結(jié)論與展望
鉆頭結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)對減少鉆頭泥包和提高鉆井速度有重要的影響，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，大體積排屑槽、鋒利的拋光牙輪結(jié)構(gòu)和電負(fù)性表面PDC鉆頭能減少鉆頭泥包，提高鉆井速度。
通過在水基鉆井液中加入ROP增速劑，能顯著抑制鉆頭泥包的形成，提高機(jī)械鉆速和井壁穩(wěn)定性。經(jīng)過多年的發(fā)展，ROP增速劑的組成和性能得到不斷地提升。目前，ROP增速劑的主要由環(huán)保性能和功能更好的復(fù)配表面活性劑組成。
目前結(jié)合鉆頭和水基鉆井液優(yōu)化設(shè)計鉆探高壓深層頁巖層時，還不能完全消除鉆頭泥包。但室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用表明，在水基鉆井液中加入ROP增速劑，并配合使用拋光鉆頭的效果已經(jīng)逐步趕上或超過逆乳化鉆井液體系，并凸顯出其在環(huán)保和成本上的優(yōu)勢。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，水基鉆井液及ROP增速劑的應(yīng)用一定會有更廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)
[1] SMITH L，MODY F K，HALE A，et al．Successful field application of an electro-negative‘coating’to reduce bit balling tendencies in water based mud [C]//paper 35110-MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference。12-15 March l996，New Orleans，Louisiana，USA．New York：SPE，1996．
[2] OORT E V，BLAND R，PESSIER R．Drilling more stable wells faster and cheaper With PDC bits and water based muds [C]//paper 59192-MS presented at the IADC／SPEDrilling Conference，23-25 February 2000，New Orleans．Louisiana，USA．New York：SPE，2000．
[3] RON B，ROLF P，MATT L．Balling in water-based muds [C]//AADE National Drilling Technical Conference．27-29 March 2001，Houston，Texas，USA．New York：AADE，2001．
[4] TOM，RON B，TOM J，TIBBITTS G A．Reducing drilling costs by drilling faster[C]//paper 38616-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition．5-8 October l997，San Antonio，Texas，USA．New York：SPE，1997．
[5] 余麗彬，朱夫立，熊開?。焖巽@進(jìn)鉆井液的研究及其在吐哈油田的應(yīng)用[J]．鉆井液與完井液，2007，24(5)：18-21．
[6] 徐生江，蒲曉林．快鉆劑KZ-1在鉆井液中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室評價[J]．精細(xì)石油化工進(jìn)展，2007，8(4)：14-15．
[7] 楊宇平，孫金生，楊枝，等．快速鉆井劑穩(wěn)定井壁快速鉆進(jìn)作用機(jī)理研究[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，32(1)：165-169．
[8] 金潮蘇．KRH-l快鉆劑的研究與應(yīng)用[J]．石油鉆探技術(shù)，2009，37(2)：57-59．
[9] HASLEY J R，DUNN K E，REINHARDT W R，et al．Oil mud replacement successfully drills South Texas lower Wilcox Formation[C]//paper 27539-MS presented at the
SPE／IADC Drilling Conference，15-18 February l994，Dallas，Texas，USA．New York：SPE，1994．
[10] BLAND R G，WAUGHMAN R R，TOMKINS P G，et al．Water-based alternatives to oil-based muds： do they actually exist？[c]//paper 74542-MS presented at the IADC／SPE Drilling Conference，26-28 February 2002，Dallas，Texas，USA．New York：SPE，2002．
[11] HALLIDAY W S，DAVID S．Olefin isomers as lubricants，rate of penetration enhancers，and spotting fluid additives for water based drilling fluids．[P]．United States Patent 5605879，1997-O2-25．
本文作者：韓斅 彭芳芳 徐同臺 潘小鏞
作者單位：北京石大胡楊石油科技發(fā)展有限公司
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉(zhuǎn)賬贊助
微信轉(zhuǎn)賬贊助
