影響鉆井過程中機(jī)械鉆速的原因分析

李愛清

[摘 要]在油氣勘探開發(fā)過程中，鉆井工程是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)和最主要的手段，它具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投資、資金密集等特點(diǎn)，并且鉆井速度的快慢直接影響著油氣勘探開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。在鉆井工程施工過程中，機(jī)械工程師可以利用優(yōu)選可控的鉆井因素，有助于縮短作業(yè)時(shí)間，降低成本，提高機(jī)械鉆速。同時(shí)，每個(gè)可控的鉆井參數(shù)一般都會(huì)存在最大與最小的操作極限。本文針對鉆井機(jī)械鉆速的影響因素進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]鉆井工程；機(jī)械鉆速；影響因素

中圖分類號：TE24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）01-0037-01

隨著全球能源的緊張，石油和天然氣資源成為各國普遍爭搶的能源，同時(shí)也是國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征。所以各國都在加緊進(jìn)行油氣的勘探開發(fā)。鉆井是油氣勘探開發(fā)過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，同時(shí)鉆井工程的風(fēng)險(xiǎn)較大，需要較大的投資量才能保證工程的進(jìn)行。油氣勘探開發(fā)的目的是為了獲得較好的經(jīng)濟(jì)利益，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)直接與鉆井的速度有直接的關(guān)系，因此為了保證獲得較好的投資回報(bào)率，則在鉆井過程中，則需要對影響鉆井鉆速的因素進(jìn)行有效的控制，從而提高鉆速，有效的減少作業(yè)時(shí)間，從而降低成本。文中分別從鉆井裝備、鉆井液、地層、鉆壓對機(jī)械鉆速的影響進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對優(yōu)化鉆井液的性能，提高鉆速進(jìn)行了闡述。

1 鉆井裝備對機(jī)械鉆速的影響

鉆井裝備適用于各種地層，也是影響機(jī)械鉆速的關(guān)鍵因素。在80年代初，噴射鉆井在油氣勘探開發(fā)中被廣泛應(yīng)用，大幅度提高了鉆井速度。近年來，鉆井裝備及鉆井技術(shù)沒有太大的進(jìn)步，雖然有很多鉆井工程引進(jìn)了1300馬力的泥漿泵，但是泥漿泵的實(shí)際功率發(fā)揮不出設(shè)計(jì)值的60%，大多數(shù)泥漿泵只能在50%的額定工況下進(jìn)行工作，并且泵壓超過20Mpa就會(huì)頻繁修泵，從而影響了機(jī)械鉆速的提高。

隨著套管鉆井裝備在鉆井工程中的廣泛應(yīng)用，大量減少了下套管和起下鉆的時(shí)間，近一步提高了鉆井速度。還有連續(xù)油管鉆井的應(yīng)用也大幅度減少了起下鉆的時(shí)間，并能夠在完井時(shí)切下油管作為完井的油管，從而大大加快了完井和鉆井的速度。鉆井裝備中大功率絞車與電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的應(yīng)用也提高了機(jī)械鉆速。因此，機(jī)械鉆速的提高離不開鉆井裝備及鉆井技術(shù)的更新和進(jìn)步，在油氣勘探開發(fā)過程中要大力發(fā)展高科技的鉆井裝備，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速。

2 鉆井液對機(jī)械鉆速的影響

鉆井液對機(jī)械鉆速的影響主要有鉆井液密度、流變性、固相含量、潤滑性、失水量等因素。如果鉆井液中的固相含量越高，機(jī)械鉆速就會(huì)越低；鉆井液的粘度越高，機(jī)械鉆速就越低。鉆井液密度與固相含量有著密切的聯(lián)系，同時(shí)也和分散的鉆屑或者低密度的劣質(zhì)土等有害固相含量有關(guān)，如果不能及時(shí)排除這些有害成份，就會(huì)對機(jī)械鉆速產(chǎn)生不利的影響。

鉆井液的密度直接影響著機(jī)械鉆速，它與機(jī)械鉆速成反比，機(jī)械鉆速越大、當(dāng)量循環(huán)密度越小時(shí)，降低鉆井液密度能夠有效減小當(dāng)量循環(huán)的密度，其次可以減小黏度。降低鉆井液密度要考慮以下因素：（1）井底壓差和地層流體流入井筒時(shí)的速度有關(guān)，如果負(fù)壓差過大，就容易造成井噴；（2）鉆井液密度太低，較容易造成井壁失穩(wěn)，造成井壁巖石垮塌，把鉆具掩埋掉。而鉆井液密度太高，容易造成地層破裂，從而漏失大量的鉆井液。

3 地層對機(jī)械鉆速的影響

地層對鉆速的影響主要表現(xiàn)在地層的壓實(shí)程度。隨著地層埋深程度的不斷增加，地層巖石受壓實(shí)的程度也會(huì)隨之增加，如果地層成巖性好，就會(huì)降低機(jī)械鉆速。并且地層在不同環(huán)境下沉積，它的可鉆性也會(huì)存在很大的差異。對于礫巖地層，如果使用牙輪鉆頭，由于礫石的破碎性弱以及地層的不均質(zhì)性，其機(jī)械鉆速就會(huì)低于砂泥巖地層。還有對于同樣埋深情況下的高于泥巖地層，其地層的含鈣質(zhì)膠結(jié)也會(huì)對地層的可鉆性和機(jī)械鉆速產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

地層的復(fù)雜程度對機(jī)械鉆速的影響就要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）以大慶為代表的淺層油田，由于多年的開發(fā)，其儲(chǔ)層已經(jīng)嚴(yán)重虧空。并且因壓裂和高壓而產(chǎn)生了人工地層裂隙，甚至出現(xiàn)地層壓力異常，從而在加密井、調(diào)整井的施工中出現(xiàn)井涌、井漏、卡鉆的情況，由于裸眼段泥漿的浸泡時(shí)間不斷的增加，泥頁巖的水化膨脹，導(dǎo)致了井壁掉塊甚至坍塌；（2）以塔里木為代表的中深部地層油田，山前的構(gòu)造地應(yīng)力分布十分復(fù)雜，導(dǎo)致井眼嚴(yán)重失穩(wěn)。煤層的垮塌、泥頁巖的坍塌、軟泥巖和鹽膏層的蠕變縮徑，還有多套壓力系統(tǒng)的共存造成了井涌、井漏、卡鉆的現(xiàn)象。

4 鉆壓對機(jī)械鉆速的影響

鉆壓對機(jī)械鉆速也有著十分重要的影響，在井底凈化完善的前提下，機(jī)械鉆速會(huì)隨著鉆壓的增加而增大。但是鉆壓有上限值，以下兩個(gè)臨界條件來決定鉆壓的上限值：（1）在鉆進(jìn)中要避免鉆桿超過其縱向彎曲的載荷；（2）減少鉆頭的使用數(shù)量，降低鉆進(jìn)的成本。為滿足鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效益及成本最低要求，減少鉆頭能夠降低鉆井的操作費(fèi)用。在鉆井過程中，鉆壓的取值會(huì)有一定的范圍，因此最小化的成本鉆壓不能保證最大化的機(jī)械鉆速。

在進(jìn)行鉆前的施工設(shè)計(jì)中，要在充足的數(shù)據(jù)資料前提下建立起鉆頭使用費(fèi)用、鉆壓以及轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系圖標(biāo)，通過圖解方法確定鉆壓的最小化和機(jī)械轉(zhuǎn)速的最大化。如果低成本的鉆壓超過了鉆桿的縱向彎曲載荷，就需要減少鉆壓到鉆桿的縱向彎曲載荷相符的鉆壓。對于在鉆大位移井與水平井時(shí)，鉆桿要在壓縮的狀態(tài)下才能充分滿足鉆壓的要求。并且在鉆具上安裝扶正器，有助于提高鉆桿的縱向彎曲載荷。

5 優(yōu)化鉆井液性能

優(yōu)化鉆井液性能可以使用鉆井液提速劑，它有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）快速吸附作用鉆頭。當(dāng)破碎泥巖后，泥巖的表面積會(huì)增加，為降低體系的能量會(huì)自動(dòng)地吸附到鉆具上，從而出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。而提速劑能夠優(yōu)先吸附在鉆頭和鉆具的表面以及泥巖碎屑，讓鉆屑的表面潤濕，從而防止鉆頭起泥包，提高機(jī)械鉆速；（2）濾液滲透作用。由于正壓差的作用，從而造成鉆屑不易從井底帶出，導(dǎo)致鉆頭重復(fù)切削鉆屑。鉆井液可快速地滲透到井底的巖石微裂縫中，有助于降低壓持作用，讓井底的鉆屑能夠及時(shí)的抽出；同時(shí)，由于鉆井液的濾液快速地滲透到地層，從而降低了巖石的強(qiáng)度，有助于鉆頭破巖；（3）潤滑作用。優(yōu)化鉆井液的潤滑性能，能夠有效地降低扭矩；（4）降低亞微米顆粒的含量。優(yōu)化鉆井液的性能有助于降低亞微米顆粒的含量，提高鉆井液的動(dòng)塑比例，讓鉆井液的剪切稀釋性增加。當(dāng)泵功率一定時(shí)，提高排量，有助于鉆頭的水力破巖。

6 結(jié)論與認(rèn)識

在鉆井工程中，強(qiáng)化鉆井參數(shù)也有助于提高機(jī)械鉆速，它主要包括提高鉆頭的鉆壓和強(qiáng)化鉆頭的轉(zhuǎn)速。對于PDC的鉆頭而言，鉆壓和鉆頭的扭矩密切相關(guān)，就難以強(qiáng)化，就只能強(qiáng)化鉆頭的轉(zhuǎn)速。對于牙輪鉆頭而言，不但要強(qiáng)化鉆頭的轉(zhuǎn)速外，還要提高鉆頭的鉆壓。降低鉆井液的密度也是提高機(jī)械鉆速的重要途徑，對于選用較低鉆井液密度時(shí)，要避免井壁的坍塌和地層的溢流。在優(yōu)化選鉆壓和轉(zhuǎn)速時(shí)，既要符合提高機(jī)械鉆速的要求，又要保證減少下鉆次數(shù)和鉆頭的數(shù)量，達(dá)到鉆井成本最小化的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊繼有，錢聲華，嚴(yán)仁俊，唐嘉貴，李福德，吳華，肖仁斌，黃楨；鉆井高效破巖新進(jìn)展[J]；天然氣工業(yè)；2004年04期.

[2] 孫金聲；楊宇平；安樹明；蘇義腦；提高機(jī)械鉆速的鉆井液理論與技術(shù)研究[J]；鉆井液與完井液；2009年02期.

[3] 劉海水；王超；魏子路；鐘超；鉆井過程中泥球形成的影響因素探討[J]；化學(xué)與生物工程；2011年08期.

[4] 楊謀；孟英峰；李皋；李永杰；賈虎；提高深井機(jī)械鉆速的有效方法[J]；石油礦場機(jī)械；2009年08期.

[5] 楊宇平；黃宏軍；王東明；賴曉晴；談心；蔣歡；孫金聲；江四清；快速鉆井液技術(shù)在華北油田的應(yīng)用[J]；石油機(jī)械；2010年07期.