提高鉆井速度的途徑有3種:一是開發新型快速鉆進鉆井液技術;二是設計高效鉆頭,優化鉆具結構;三是應用鉆井最優化技術。目前,常將研發新型快速鉆進鉆井液與高效鉆頭的優化設計結合起來,協同提高鉆速。在高效鉆頭的優化設計中最重要的進展是研發了PDC鉆頭,并出現了拋光牙輪PDC鉆頭。PDC鉆頭與油基、合成基鉆井液結合使用,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%,易造成環境污染而受到限制。當PDC鉆頭與水基鉆井液結合使用時,特別是鉆深層泥頁巖地層時,雖不帶來環境污染,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,迫切需要研發環保型快速鉆進鉆井液技術,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、現場應用快速鉆進鉆井液技術,取得了很大的進展,并獲得了可觀的經濟效益。Hasley等人[3]開發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內陸水區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系統進行大規模處理,周期性泵入ROP增速劑能有效提高鉆速。在Louisiana近海區,采用密度為1.94 g/cm3的木質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增速劑的木質素磺酸鹽鉆井液并結合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的數量,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象,鉆屑很少滯留于環形空間中。在Maracaibo湖、墨西哥灣的Matagorda島及Louisiana近海地區的現場應用結果表明,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,確實優于油包水型合成基鉆井液。全尺寸鉆井模擬試驗結果也表明在深泥頁巖地層,水基鉆井液很容易發生鉆頭泥包現象,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的泥頁巖抑制性。現場數據表明,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優化的結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。現場數據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,甚至無泥包發生。ROP增速劑與拋光牙輪PDC鉆頭相結合,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。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象。在墨西哥灣的深水及大陸架地區的現場應用也證實了該鉆井液室內結果的有效性,其鉆井速度與早期采用的合成基鉆井液相當,比目的區塊采用的傳統水基鉆井液高出60%~70%。

 

  在Colorado州的白河油區,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。

 

  國內對于該項技術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:在相同鉆具結構、水力參數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%。