提高鉆井速度的途徑有3種:一是開發(fā)新型快速鉆進鉆井液技術(shù);二是設計高效鉆頭,優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu);三是應用鉆井最優(yōu)化技術(shù)。目前,常將研發(fā)新型快速鉆進鉆井液與高效鉆頭的優(yōu)化設計結(jié)合起來,協(xié)同提高鉆速。在高效鉆頭的優(yōu)化設計中最重要的進展是研發(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,鉆泥頁巖地層時,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10%,易造成環(huán)境污染而受到限制。當PDC鉆頭與水基鉆井液結(jié)合使用時,特別是鉆深層泥頁巖地層時,雖不帶來環(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)保型快速鉆進鉆井液技術(shù),其中最關鍵的是研制出具有良好配伍性、可生物降解的ROP增速劑。

 

  國外從上世紀90年代開始研究、現(xiàn)場應用快速鉆進鉆井液技術(shù),取得了很大的進展,并獲得了可觀的經(jīng)濟效益。Hasley等人[3]開發(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試了幾類有機化合物用作水基鉆井液ROP增速劑的效果。試驗結(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%;并指出石蠟能使鉆頭、BHA等金屬面成為非親水性,降低了部分水化泥頁巖在其金屬表面的粘附,而聚甘油化合物能與泥頁巖直接作用,避免泥頁巖水化形成粘性泥團。

 

  1997年,Bland等人[1]研制了一種ROP增速劑,微型鉆機及全尺寸鉆井模擬試驗結(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巖地層鉆了一口井深為4419.6m的井,在不同時間段,用密度為1.15 g/cm3的膨潤土/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,此時鉆速平均增加了7.01m /h,表明無需對整個鉆井液循環(huán)系統(tǒng)進行大規(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、沒使用ROP增速劑時鉆速的5倍。

 

  1998年,Bland等人[5]研制了2種ROP增速劑,并采用Terra Tek鉆機,分別以NaCl/聚乙二醇鉆井液、CaCl2/聚乙二醇鉆井液進行了實驗室全尺寸模擬試驗。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軸上物質(zhì)的數(shù)量,大大增強了井眼清潔效率,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)場應用結(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%,其鉆速達到45.6 m/h,約超過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,確實優(yōu)于油包水型合成基鉆井液。全尺寸鉆井模擬試驗結(jié)果也表明在深泥頁巖地層,水基鉆井液很容易發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象,導致泥包的鉆頭端面承擔了部分鉆壓,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]設計了一種獨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?shù)哪囗搸r抑制性?，F(xiàn)場數(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間大幅度減少,井底沒有鉆頭泥包現(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可直接用海水配制,也無需合成基鉆井液及鉆屑排放所必需的工程處理設備,縮短鉆井時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、鉆頭設計及操作參數(shù)優(yōu)化的結(jié)合運用能很好地解決泥包問題,ROP增速劑的添加大大地改善WBM遇到的泥包問題?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)及單點牙輪鉆頭試驗[8]證實了這一點,并提高了10%~20%的鉆井效率,甚至無泥包發(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375萬美元(23.5萬美元/口井)。

 

  Friedheim等人[8]研制了一種新型水基鉆井液,并成功應用于墨西哥灣地區(qū)。該鉆井液配方中包含泥頁巖水化抑制劑、泥頁巖分散抑制劑及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比試驗表明,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)場應用也證實了該鉆井液室內(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,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),鉆進富含膨潤土地層時,PDC鉆頭易泥包而導致鉆速下降,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,由原來平均每口井需要4.2個鉆頭降低到只需3.1個鉆頭,鉆井液中添加體積比為2%ROP增速劑時,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。

 

  國內(nèi)對于該項技術(shù)認識與研究剛剛起步,2004年中國石油鉆井工程重點實驗室進行了研究,取得了初步成果,并在勝利油田進行了試驗: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,機械鉆速大幅度提高,砂巖段提高26%,泥巖段提高18%。