水基钻井液组分对岩石钻进速度的影响规律及其作用机理研究

As the exploration and exploitation technology develops rapidly in the petroleum industry, the wells tend to be deeper and the drilling costs higher, which make the improvement of the rate of penetration (ROP) a necessary approach to save the drilling expenses during operations. The factors influencing the ROP mainly include stratum, drilling bits, drilling techniques, hydraulic parameters and drilling fluids properties, among which the relationship between drilling fluids and stratum is seldom observed except other factors. Further more, many experiments at home and abroad have discovered the significant effect of drilling fluids compositions on the ROP. What our lab experiments have confirmed is the maximum of ROP can be as twice as the minimal one when different kinds of drilling fluids have been employed as drilling components. However, the phenomenon could not be explained clearly. In this research, the influence of drilling fluids compositions on the ROP will be studied profoundly and systematically. It can be mentioned as follows: the specific testing methods of the effects of drilling fluids compositions on the ROP; effects of fluid chemical properties on rocks and effects of different types of drilling fluids on rocks and the ROP. Furthermore, the mechanism of the ROP changing by using appropriate drilling fluids will be revealed through analyzing the interaction between drilling fluids and rocks. The relationship between ROP and drilling fluids compositions will also be summarized, which is the theoritical foundation for the design of a new-type, safe and fast, drilling fluid.

随着石油勘探开发水平不断提高，井越打越深，钻进成本越来越高，提高钻井速度以降低钻井成本是目前采取的主要方法之一。影响钻井速度的因素主要有地层、钻头、工艺、水力和钻井液性能等，除钻井液与地层之间的相互作用研究较少以外，对其它几个影响因素研究较多。前期国内外通过大量试验已发现钻井液组分变化对钻进速度有显著影响。我们实验室前期室内试验已经证实，使用不同钻井液组分钻进速度相差可达一倍以上，但对其作用机理并不清楚。本项目研究水基钻井液组分对钻进速度的影响。具体内容包括：钻井流体对钻进速度影响的具体评价方法；溶液化学性质改变对岩石可钻性的影响；水基钻井液性质影响岩石钻进速度的作用机理；不同钻井液组分及钻井液体系对岩石性质及钻进速度的影响等。本项目从水基钻井液组分与地层岩石相互作用分析钻井液提高机械钻速的作用机理，揭示水基钻井液组分对钻进速度的影响规律，为新型安全快速钻井液的设计奠定理论基础。

提高钻进速度是钻井技术中重要的研究方向之一。研究水基钻井液组分对钻速的影响规律，能够有效地提高钻速降低钻井成本。前人已证实钻井液组分对钻速有显著影响，但缺少合理的理论解释。本项目利用流体-岩石相互作用的电化学理论和界面化学理论，探索钻井液组分与地层岩石相互作用规律，建立流体-岩石界面的物理-化学耦合作用模型，并用该模型解释钻井液组分对钻速的影响效果，为新型快速钻井液的设计奠定基础。. 设计了一套微型钻机设备，以便在实验室内模拟在钻井流体存在的条件下的钻进过程。装置由施加钻压装置、驱动装置、钻头、流体泵、钻井液槽和废液收集装置组成，配合对岩石进行的适当预处理，可在固定其他影响因素的情况下较准确地测定在不同组分的流体环境中的钻速。.对各种不同组分的溶液对钻速的影响规律进行了研究。发现当使用无机盐溶液钻进时，岩石在溶液中的硬度及流体-岩石表面的Zeta电位是影响钻速的关键因素；当使用表面活性剂溶液钻进时，硬度、Zeta电位和流体自身的表面张力同时对钻速起显著影响；某些水溶性高分子的低浓度溶液可提高钻速。. 研究了在水基钻井液中的某些重要组分对钻速的影响。发现与用清水钻进时相比，膨润土的存在将显著降低钻速；在普通分散钻井液和正电胶钻井液中，同样的表面活性剂对钻速的影响截然不同，这是由于这两种钻井液体系的内部结构差异导致的；改性的纳米复合土可以代替普通膨润土，在保证合格的动切力的同时降低塑性粘度并提高水向岩石中快速渗入的能力，从而获得比普通膨润土分散钻井液更快的钻速。. 基于大量实验数据，提出了一个在破岩过程中水基钻井液组分与岩石之间相互作用的模型及相应的作用机理。认为岩石破碎过程分为三个循环往复进行的阶段：(1) 钻井液与岩石的初步接触；(2) 岩石在钻头的机械作用下被破碎；(3) 钻井液向岩石的进一步侵入。在不同的阶段，有利于提高钻速的因素不同。最终的钻速如何，取决于岩石破碎过程中要克服的主要矛盾存在于哪个阶段。