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1、清洁钻头提高机械钻速的钻井液技术研究,汇 报 提 纲,项目概要 国内外现状和发展趋势 作用机理及性能评价 现场应用 结论,清洁钻头提高机械钻速的钻井液技术研究,井下复杂事故,储层损害,勘探开发 效益,钻机时间,影响,钻井速度,一、项目概要,优选钻头,欠平衡钻井,优化水力参数、 高压喷射,国外ROP钻井液技术,钻井液协同其它钻井措施,一、项目概要,顶驱、螺杆钻具,一、项目概要,形成一套能提高机械钻速的快速钻井液基础理论与新技术,目的、意义,基础理论、作用机理、增速剂研制、评价方法、钻井液配方与性能,二、国内外现状和发展趋势,国外技术现状 国外从上世纪90年代开始研究并现场应用快速钻井液技术，取得
2、了很好效果,二、国内外技术现状和发展趋势,国内外技术现状 美国在该领域处于领先地位，取得12项专利、6种增速剂产品投入使用，形成了68套钻井液体系，现场应用200余口井,提高钻速均在10以上，不同地层提高钻速的幅度不同。 中国石油集团钻井工程技术研究院于2004年着手开展清洁钻头改变润湿提高机械钻速钻井液技术的实验研究工作。,三、作用机理及性能评价,吸附效应,压持效应,岩心强度影响,吸附效应 润湿性 表面张力 粘土吸附 钻具吸附 粘附聚集,压持效应 毛管力自吸实验 毛管压力曲线,作用机理,单轴应力实验,微/亚微米粒子,润滑性评价,扭矩影响,粒径变化,三、作用机理及性能评价,国外最新研究成果 影
3、响机械钻速的重要因素： 钻屑颗粒吸附钻头表面严重影响钻井速度 钻遇泥页岩地层，很容易发生钻屑吸附钻头(泥包) ，导致钻头端面承担了部分钻压，限制钻头的切削深度。 井底钻头与岩石间的作用效率不高，重复破碎。高压下钻深井泥页岩影响更大-随井深增加，岩石具有更强的弹性特性，硬、软页岩特别是粘、膨胀性页岩，在压力的作用下吸附于钻头表面能力增强，从钻头表面移走钻屑的剪切力大大增加。 研究表明：从钻头侧面移走钻屑比从钻头前面剪切地层所需的剪切应力要大。,三、作用机理及性能评价,影响机械钻速的重要因素（与钻井液相关） 钻屑吸附钻头、压持效应、扭矩、微米亚微米粒子以及钻井液对井底岩石强度的影响等（密度、粘度等
4、除外） 钻井液提高机械钻速途径 清洁钻头、改变井底岩石的润湿性、降低压持效应、降低岩石瞬间强度、大幅度提高钻井液的极压润滑性、降低扭距、清除微米亚微米粒子,改变岩石及孔隙内部的润湿性，微裂缝面相互间不再吸附，粘土不吸附钻头 能够把已经吸附了粘土的钻头、钻具表面润湿，降低表面对粘土颗粒的吸附性，使粘土从钻头表面解吸 降低岩石瞬间强度 减少微米、亚微米粒子 与金属表面有很强的定向吸附作用，能在金属表面形成润滑油膜防止吸附、提高润滑性、减小扭矩,三、作用机理及性能评价,消除钻屑在钻头上的吸附对处理剂要求：,润湿性的一个重要量度就是接触角,润湿性作用机理分析,三、作用机理及性能评价,岩石润湿性质与接触
5、角,90o为亲油；=90o为中间状态即中性 。,Young Laplace方程： PC= 2cos/r (1) 式中PC毛细管压力，Pa； 表面张力，mN/m； 接触角，(。)， r 毛细管半径， m。 当岩石表面转变成中性时，毛细管压力接近零，降低了气水或油水两相流动时的毛细管阻力；当岩石表面转变成弱亲油 时，岩石表面具憎水性。,三、作用机理及性能评价,润湿性由亲水向中性方向转化结果：,三、作用机理及性能评价,图 接触角影响曲线,钻井液润湿性、表面张力测试,图 表面张力影响曲线,三、作用机理及性能评价,粘土吸附紫外分光光度计表征,三、作用机理及性能评价,图 吸附动力学曲线,图 吸附量随浓度变
6、化曲线,吸附等温线Freundlich模型拟合,吸附等温线Langmuir模型拟合,Langmuir模型为单分子层吸附理论,粘土吸附紫外分光光度计表征,泥岩以单分子层的形式吸附在岩石、岩屑表面，阻止钻屑相互附聚成团沉积井底，避免重复切削、破碎,三、作用机理及性能评价,1、KSZJ在钻具表面吸附表征,图 不同浓度的水溶液在金属表面的XPS全谱扫描谱,钻具吸附X射线光电子能谱表征,三、作用机理及性能评价,图钻井液在钻具表面的XPS全谱扫描谱,2、KSZJ在钻具表面吸附层厚度表征,钻具吸附X射线光电子能谱表征,三、作用机理及性能评价,图钻具表面宽扫描XPS谱,图钻具表面窄扫描XPS谱,KSZJ在钻具
7、表面吸附层厚度达到200nm，为多分子层吸附,3、KSZJ在钻具表面吸附机制分析,图 KSZJ在钻具表面吸附机制示意图,钻具吸附X射线光电子能谱表征,三、作用机理及性能评价,电子供体,电子接受体,有机磷在钻具表面定向吸附,钻头泥包粘附聚集试验,4%土浆+0.1%80A51+0.5%胺盐+1%SPNH+1%FT-1+0.5XY-27,a) b) c) d) e),a) 未吸附钢棒 b) 基浆 c) 基浆+0.1%KSZJ d) 基浆+0.2%KSZJ e) 基浆+0.5%KSZJ,不同钻井液中的粘附聚集情况,KSZJ剂加入量达到0.2%就能达到明显的防泥包效果,三、作用机理及性能评价,压持效应对
8、钻速的影响,由通用钻速方程形式得知：,考虑岩屑压持效应对钻速的影响：,混合岩性的岩屑压持函数：,(1),(2),(3),综上分析结果，除地层岩石客观因素和机械破岩以及射流辅助破岩以外，提高钻井高效破岩的一个方法是降低井底压差。,三、作用机理及性能评价,压持效应影响钻速原理分析,图 不同压差钻头齿下压坑机理 注： (A)挤出，(B)二次压入，(C)挤出；(A)压差阻止碎块挤出，(B)、(C)破裂面平移,三、作用机理及性能评价,密度压差 钻井液 性能 组分颗粒大小等影响井底失水压持效应,分析： 如果引入一种不改变造壁性和压持压力，但能降低压持效应的技术，则可以有效的提高钻速。,压持效应,三、作用机
9、理及性能评价,压持效应严重影响钻井速度 当钻头牙齿吃入地层切下岩屑时，其周围造成裂缝，此时 若要使切削下来的岩屑尽快上举就必须有足够的液体填充 裂缝，否则就会形成瞬时真空 填充的液体一种来源是钻井液或滤液流入裂缝及岩屑的孔隙 机械钻速随着此裂缝被液体所充填的速度而发生正比变化,三、作用机理及性能评价,压持效应示意图,Pm,Pf,Pm,Pm,P=Pm-Pf,P=Pm-Pm=0,关键:钻井液或滤液要快速进入井底岩石空隙!,润湿接触角增大，表面张力降低，大幅度的降低了毛细管阻力，减小或消除了巨大的压持作用。,压持效应影响钻速原理分析,三、作用机理及性能评价,压持效应实验评价毛细管自吸参比实验,图 处
10、理剂自吸速率比较图,图 处理剂自吸孔隙体积比较图,三、作用机理及性能评价,图 毛管压力曲线,三、作用机理及性能评价,压持效应实验评价毛管压力曲线参比实验,KSZJ浓度vs岩心强度(5s浸泡),浸泡时间vs岩心强度图,相对于没有添加KSZJ的钻井液而言，快速钻井液能在接触井底岩石瞬间更大幅度降低岩石强度，有利于钻进过程中快速有效破岩，随着浸泡时间的继续增加，岩心强度也随之迅速增强，有利于井壁稳定。,有利于提高破岩效率,有利于井壁稳定,三、作用机理及性能评价,KSZJ对岩心强度的影响,三、作用机理及性能评价,KSZJ对井壁稳定的影响,将岩心在基浆和钻井液（0.5%KSZJ剂）浸泡12h，考察KSZ
11、J对井壁稳定的影响，实验结果表明：岩心强度变化不大， KSZJ剂对井壁稳定没有影响。,三、作用机理及性能评价,KSZJ剂的加入，对微米及亚微米颗粒起到一定的絮凝作用，有效地减少严重影响机械钻速的亚微米粒子数量，有利于提高机械钻速。,m颗粒的影响,在坂土浆中加入0.4%的KSZJ后，钻井液中小于1m的颗粒含量减少20.4%,润滑性评价,KSZJ剂对钻井液润滑性能的影响,三、作用机理及性能评价,水溶液+KSZJ剂 浓度vs摩阻系数降低率,4%钠土浆+KSZJ 浓度vs摩阻系数降低率,KSZJ钻井液 浓度vs摩阻系数降低率,三、作用机理及性能评价,钻井液与钻速相关性评价实验评价装置示意图,KSZJ剂
12、对钻井速度的影响,汇 报 提 纲,项目概要 国内外技术现状和发展趋势 作用机理及性能评价 现场应用 结论,现场应用效果 对钻井液常规性能及流变性没有影响，能有效地降低钻井液的摩阻 有效减少亚微米粒子数量，有利于提高机械钻速 快速钻井液具有很好的保护储层效果，满足储层保护要求 快速钻井液技术在塔里木油田、吐哈油田、青海、华北、新疆等油田共29口井现场试验，提高机械钻速达18%，并有效减少起下钻过程中的阻卡情况,五、现场应用,塔里木油田现场应用,塔里木轮南635井,试验井轮南635井扶正器、钻头情况,邻井轮南634井扶正器泥包,塔里木油田现场应用,机械钻速提高率,635井平均机械钻速比轮南633井
13、提高132.6%，比加螺杆的轮南634井提高56.06% ；635井没有阻卡情况。,轮南635井及其邻井进尺、纯钻时间、机械钻速对比图,塔里木油田现场应用,塔中井区，在井段（1003.48-3433m），相同条件下TZ723井的平均机械钻速为25.62m/h，TZ722井6.8m/h，TZ723井的平均机械钻速比塔中TZ722提高277%。 03200米井段，723井较722井提前9天完成。,塔里木723井,塔里木油田现场应用,该井段使用了螺杆,设计井深：7650米、风险预探井,邻井草4井南东东1.57公里处 快钻剂使用层位:上第三系、下第三系、白垩系上部，井段：1600米4100米 钻井液快
14、钻剂对钻井液性能基本没有影响 钻井液性能非常稳定，短起下钻顺利，无泥包钻头、钻具现象 与邻井相比，机械钻速提高钻速60%,塔里木轮东1井,塔里木油田现场应用,KSZJ对钻井速度的影响,塔里木YT3井,塔里木油田现场应用,YT3比YT1-7平均机械钻速提高54.8%，比羊塔克地区最快的YT1-10井提前3天，比YT1-7井提前10天 。,吐哈连23井 KSZJ(0.5-1.0%) 对钻井速度的影响,降低摩阻12%和扭矩11%,吐哈油田现场应用,吐哈神平316井,平均机械钻速提高31.13%,KSZJ(0.5-1.0%) 对钻井速度的影响,吐哈油田现场应用,青海油田现场试验,快速钻井液技术在青海油
15、田跃8531、8650、4431、5630、7231、7331、8751、4651、4531、8851、2431、7054井等20口井进行了现场试验，应用效果显著,快速钻井剂-聚合物钻井液施工钻井周期统计,平均机械钻速：22.33m/h、平均建井周期：14.2天,聚合物钻井液施工情况,平均机械钻速：10.13m/h，平均建井周期：23天。,青海油田现场试验,青海油田现场试验,平均机械钻速、平均建井周期对比图,在平均井深（使用聚合物平均井深1913米，使用快速钻井剂-聚合物平均井深1909米）相差不大的情况下，平均机械钻速提高120%，平均建井周期缩短38%。,华北油田现场应用,华北宁古10井,
16、钻井液密度由1.42-1.48 g/cm3提升至1.50-1.53g/cm3，平均机械钻速提高18% 。,KSZJ-1对钻井速度的影响结果,华北油田现场应用,华北鄚39井,同一钻头平均机械钻速对比,同一钻头加入快钻剂前后对比：使用螺杆钻具井段平均机械钻速提高23.1%; 不使用螺杆钻具井段的平均机械钻速提高19.4%,快速钻井液在乌12688井的应用,乌12688井是位于海拉尔盆地贝尔坳陷乌尔逊凹陷南部东部斜坡带上的一口开发井，井型为直井，设计井深2575m，目的层为铜钵庙组。实际完钻井深为2633m。,KSZJ加入前振动筛返出钻屑,KSZJ加入后振动筛返出钻屑,井径扩大率仅为3.01%，乌122-102井目地层井径扩大率为11.4%；无
