提高鉆井速度的途徑有3種:一是開(kāi)發(fā)新型快速鉆進(jìn)鉆井液技術(shù);二是設(shè)計(jì)高效鉆頭,優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu);三是應(yīng)用鉆井最優(yōu)化技術(shù)。目前,常將研發(fā)新型快速鉆進(jìn)鉆井液與高效鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),協(xié)同提高鉆速。在高效鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)中最重要的進(jìn)展是研發(fā)了PDC鉆頭,并出現(xiàn)了拋光牙輪PDC鉆頭。PDC鉆頭與油基、合成基鉆井液結(jié)合使用,鉆泥頁(yè)巖地層時(shí),因油基或合成基鉆井液能降低扭矩,減弱鉆柱粘附,防止鉆頭泥包,保持井壁穩(wěn)定,其鉆速取得了突破。但添加的油類化合物濃度超過(guò)10%,易造成環(huán)境污染而受到限制。當(dāng)PDC鉆頭與水基鉆井液結(jié)合使用時(shí),特別是鉆深層泥頁(yè)巖地層時(shí),雖不帶來(lái)環(huán)境污染,但存在井壁坍塌、鉆頭泥包、卡鉆、鉆速慢等一系列問(wèn)題,隨后,添加萜烷類化合物[1,2],雖其濃度很低就能顯著提高鉆速,但易富集而污染環(huán)境,故也限制了萜烷類化合物添加劑的使用。為此,迫切需要研發(fā)環(huán)保型快速鉆進(jìn)鉆井液技術(shù),其中最關(guān)鍵的是研制出具有良好配伍性、可生物降解的ROP增速劑。

 

  國(guó)外從上世紀(jì)90年代開(kāi)始研究、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用快速鉆進(jìn)鉆井液技術(shù),取得了很大的進(jìn)展,并獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。Hasley等人[3]開(kāi)發(fā)了一種添加特殊處理劑的水基鉆井液,替代柴油基鉆井液并成功應(yīng)用于南得克薩斯Wilcox地層的井,該鉆井液提高了鉆速,降低了鉆井液及鉆屑的處理成本,大幅度減少了開(kāi)發(fā)井的總體成本。用該水基鉆井液鉆的45口以上的井中,平均鉆速比柴油基鉆井液增加了30%,總成本降低了20%。

 

  Growcock等人[4]采用全尺寸鉆井裝置測(cè)試了幾類有機(jī)化合物用作水基鉆井液ROP增速劑的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明水基鉆井液中加入體積比為2%~4%的石蠟或不溶性的聚甘油化合物能使鉆速提高5%~20%;并指出石蠟?zāi)苁广@頭、BHA等金屬面成為非親水性,降低了部分水化泥頁(yè)巖在其金屬表面的粘附,而聚甘油化合物能與泥頁(yè)巖直接作用,避免泥頁(yè)巖水化形成粘性泥團(tuán)。

 

  1997年,Bland等人[1]研制了一種ROP增速劑,微型鉆機(jī)及全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)結(jié)果表明,鉆井液中添加5%ROP增速劑后,鉆速提高幅度超過(guò)2倍,有效抑制了鉆頭泥包;在Louisiana內(nèi)陸水區(qū)中等硬度至硬性泥頁(yè)巖地層鉆了一口井深為4419.6m的井,在不同時(shí)間段,用密度為1.15 g/cm3的膨潤(rùn)土/PAC鉆井液,5次泵入含ROP增速劑的段塞(13.67 m3/段),平均鉆速低于6.10 m/h,然后在182.9 m厚的層段,增大ROP增速劑的體積比為9%,再5次泵入段塞,此時(shí)鉆速平均增加了7.01m /h,表明無(wú)需對(duì)整個(gè)鉆井液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模處理,周期性泵入ROP增速劑能有效提高鉆速。在Louisiana近海區(qū),采用密度為1.94 g/cm3的木質(zhì)素磺酸鹽鉆井液及位移巖石鉆頭鉆井,平均鉆速為4.94 m/h;采用PDC鉆頭,平均鉆速僅為1.34 m/h;采用添加了ROP增速劑的木質(zhì)素磺酸鹽鉆井液并結(jié)合PDC鉆頭后,平均鉆速增加到6.80 m/h,是采用巖石鉆頭鉆速的1.38倍及采用PDC鉆頭、沒(méi)使用ROP增速劑時(shí)鉆速的5倍。

 

  1998年,Bland等人[5]研制了2種ROP增速劑,并采用Terra Tek鉆機(jī),分別以NaCl/聚乙二醇鉆井液、CaCl2/聚乙二醇鉆井液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室全尺寸模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明,在NaCl/聚乙二醇鉆井液中添加體積比為5%的SDP-1后,極大地減少了可泥包在鉆頭和傳動(dòng)軸上物質(zhì)的數(shù)量,大大增強(qiáng)了井眼清潔效率,鉆速由10.06 m/h提高到26.82 m/h;在CaCl2/聚乙二醇鉆井液中添加5%的SDP-2后,完全消除了鉆頭和傳動(dòng)軸的泥包現(xiàn)象,鉆屑很少滯留于環(huán)形空間中。在Maracaibo湖、墨西哥灣的Matagorda島及Louisiana近海地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,鉆井液中加入ROP增速劑SDP-1后,顯著提高了鉆井速度及減小了扭矩。

 

  2002年在澳大利亞近海距離西北大陸架16km處鉆了A、B兩口井[2],A井是采用油包水型合成基鉆井液和八葉片PDC鉆頭鉆井,平均鉆速為29.82 m/h。B井采用高性能的兩相聚乙二醇水基鉆井液和六葉片PDC鉆頭鉆井,ROP增速劑采取泵入方式注入,其體積濃度維持在2%,其鉆速達(dá)到45.6 m/h,約超過(guò)A井鉆速50%。該結(jié)果表明使用高性能的水基鉆井液并選擇合適的鉆頭鉆井,確實(shí)優(yōu)于油包水型合成基鉆井液。全尺寸鉆井模擬試驗(yàn)結(jié)果也表明在深泥頁(yè)巖地層,水基鉆井液很容易發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象,導(dǎo)致泥包的鉆頭端面承擔(dān)了部分鉆壓,限制鉆頭的切削深度,從而降低了鉆速。采用合成基鉆井液鉆井,確實(shí)存在鉆頭泥包現(xiàn)象。而水基鉆井液加入ROP增速劑后,有效地抑制了鉆頭泥包,故提高了鉆速。

 

  Aaron等人[6]設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的用于鉆墨西哥灣大陸架粘性地層的水基鉆井液。該鉆井液不加入任何鹽類化合物,而是加入聚胺泥頁(yè)巖抑制劑、聚合型包膜及抗增粘添加劑,使其具有與合成基鉆井液相當(dāng)?shù)哪囗?yè)巖抑制性?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明,在類似井段,采用此水基鉆井液的鉆速高出使用合成基鉆井液的85%,鉆相同層段所需的時(shí)間大幅度減少,井底沒(méi)有鉆頭泥包現(xiàn)象,鉆屑能被很好地包裹,阻止了水化作用,這種水基鉆井液在井場(chǎng)可直接用海水配制,也無(wú)需合成基鉆井液及鉆屑排放所必需的工程處理設(shè)備,縮短鉆井時(shí)間而顯著降低鉆井成本。

 

  添加ROP增速劑的水基鉆井液、拋光牙輪、鉆頭設(shè)計(jì)及操作參數(shù)優(yōu)化的結(jié)合運(yùn)用能很好地解決泥包問(wèn)題,ROP增速劑的添加大大地改善WBM遇到的泥包問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及單點(diǎn)牙輪鉆頭試驗(yàn)[8]證實(shí)了這一點(diǎn),并提高了10%~20%的鉆井效率,甚至無(wú)泥包發(fā)生。ROP增速劑與拋光牙輪PDC鉆頭相結(jié)合,在墨西哥灣近海鉆16口井降低成本375萬(wàn)美元(23.5萬(wàn)美元/口井)。

 

  Friedheim等人[8]研制了一種新型水基鉆井液,并成功應(yīng)用于墨西哥灣地區(qū)。該鉆井液配方中包含泥頁(yè)巖水化抑制劑、泥頁(yè)巖分散抑制劑及ROP增速劑,其中ROP增速劑(表面活性劑的混合物)能防止鉆頭、BHA泥包。采用該水基鉆井液及PHPA水基鉆井液的全尺寸對(duì)比試驗(yàn)表明,該水基鉆井液能保持鉆頭牙輪清潔,而PHPA水基鉆井液卻引起了鉆頭牙輪的泥包現(xiàn)象。在墨西哥灣的深水及大陸架地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也證實(shí)了該鉆井液室內(nèi)結(jié)果的有效性,其鉆井速度與早期采用的合成基鉆井液相當(dāng),比目的區(qū)塊采用的傳統(tǒng)水基鉆井液高出60%~70%。

 

  在Colorado州的白河油區(qū),鉆進(jìn)富含膨潤(rùn)土地層時(shí),PDC鉆頭易泥包而導(dǎo)致鉆速下降,Walton等人[9]在鉆井液中添加一種ROP增速劑(聚甘油酯)后,減輕了鉆頭的泥包,由原來(lái)平均每口井需要4.2個(gè)鉆頭降低到只需3.1個(gè)鉆頭,鉆井液中添加體積比為2%ROP增速劑時(shí),鉆速提高10.3%。該ROP增速劑能迅速清潔鉆頭,提高鉆速至鉆頭泥包前的同一水平。Halliday等人[10]從白油及食用級(jí)石蠟中篩選了一種用作ROP增速劑的非毒性、可生物降解的純化石蠟。William等人[11]介紹了一種新型的高性能、環(huán)保型的水基鉆井液體系,加入ROP增速劑后,鉆速與油基或合成基鉆井液相當(dāng)。

 

  國(guó)內(nèi)對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)認(rèn)識(shí)與研究剛剛起步,2004年中國(guó)石油鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了研究,取得了初步成果,并在勝利油田進(jìn)行了試驗(yàn):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)械鉆速大幅度提高,砂巖段提高26%,泥巖段提高18%。