一种纳米磨料钻井液及钻井方法与流程

本发明涉及一种含有纳米磨料的钻井液及采用其的钻井方法，属于油气开采技术领域。

背景技术

深层油气资源是目前和未来我国油气资源战略接替的重要领域。根据新一轮全国油气资源评价的最新统计结果，我国油气剩余地质资源量中深层油气资源占40％左右(其中：深层石油资源占30％，深层天然气资源占50％)。近年我国发现的特大型油气田，如塔里木、川东北、松辽深层等均处于大于4500m的深层。深井钻完井是高效开发深层油气资源的关键技术。

然而，我国80％左右的深层油气资源都处在复杂岩性、复杂压力系统等世界公认的高难度地区，使我国深层钻完井面临前所未有的复杂技术难题，特别是地层岩石硬度高，可钻性差，钻速慢、钻井周期长(数月甚至数年)。

磨料射流辅助破岩钻井技术由来已久，其技术原理是向钻井液中混入一浓度的硬质粒子，并通过钻头喷嘴以高压射流形式冲击、破碎井底岩石，促进岩石产生微裂缝，达到辅助钻头齿破岩的目的，进而大幅度提高机械钻速。上世纪六十年代初bobo首先应用磨料射流钻油井，这种方法大幅度提高了钻井速度，1963年bobo公开了一种磨料射流钻油井钻进装置(申请号为us3112800a)。1966年美国海湾石油公司(gulfoil)公开了一种磨料射流钻油井钻头喷嘴(申请号：us3289775a)。但磨料射流对钻具和钻头喷嘴的严重磨损，甚至发生喷嘴脱落、管壁刺漏等井下事故，致使该项技术在石油钻井中未能取得推广应用。

近年来美国particaldrillingtechnologyinc公司提出的粒子冲击钻井技术类似于磨料射流破岩辅助钻井技术(公开号为us20060016622)，其技术原理是由粒子注入系统向钻井液中混入一定浓度的圆形钢球粒子，粒子经钻头水眼加速后冲击破碎岩石。粒子冲击岩石后被钻井液携带返回地面进入粒子处理系统，重复回收粒子使用。但该技术仍未解决钢球粒子磨损钻具的难题，仅是降低了磨损量，同时整个钻井系统复杂，增加了钻井维护成本，粒子回收装置可靠性差。

因此，克服原有磨料射流辅助破岩钻井方法的钻具磨损难题成为了本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种破岩钻井的方法，该钻井方法在确保高效破碎硬岩、提高机械钻速的同时，能保证喷嘴和管壁不受磨损。

为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种纳米磨料钻井液，该纳米磨料钻井液中含有纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒。

本发明的纳米磨料钻井液是一种磨料钻井液，不会磨损钻具和钻头喷嘴等钻具设备，而且可以打磨抛光钻具管壁，可以降低钻具管壁的粗糙度、减少流动摩阻，使得沿程水力能量损失少，提高钻头水力能量，增加能量利用率。

为了实现上述技术目的，本发明又提供了一种钻井方法，该钻井方法采用的钻井液为本发明的纳米磨料钻井液。

本发明的采用纳米磨料射流辅助破岩的钻井方法，是一种磨料射流的钻井方法。由于采用的纳米材料的粒径小、质量轻，使得采用的钻井液浆液的粘度小，钻井所需的泵注压力低，节省了作业成本和作业风险。

本发明的纳米磨料钻井液及采用该钻井液的钻井方法，在确保高效破碎硬岩、提高机械钻速的同时，能保证喷嘴和管壁不受磨料磨损。

本发明的纳米磨料钻井液及采用该钻井液的钻井方法可以保证长时间持续进行钻井作业，降低起下钻和更换管柱、钻头的时间，提高钻井的工作效率。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中纳米磨料钻井液的密度与冲击压力关系曲线。

图2为本发明一具体实施方式中纳米磨料钻井液的冲击速度与冲击压力关系曲线。

具体实施方式

为了对本发明实施方式的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

钻井液，是钻井过程中具有多种功能以满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。

磨料射流钻井技术是指在钻头旋转钻井机械破岩的同时，向钻井液中加入一定量的硬质粒子，并通过钻头喷嘴以高速射流形式冲击、破碎井底岩石，达到辅助破岩目的，进而大幅度提高机械钻速，加快油气井投产。

本发明的一个具体实施方式提供了一种纳米磨料钻井液，该纳米磨料钻井液中含有纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒。该纳米磨料的钻井液是将纳米级别的氧化铝颗粒或二氧化硅颗粒与一定粘度的钻井液浆液配制成一定浓度的纳米磨料钻井液。该纳米磨料钻井液是一种磨料射流钻井液，采用纳米颗粒作为磨料颗粒，以高频射流的形式冲击、破碎井底岩石，达到辅助破岩目的，可以大幅度提高机械钻速，加快油气井投产。

在本发明的一个具体实施方式中，以该纳米磨料钻井液各原料的体积百分比之和为100％计，纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒的添加量可以为5％-10％；具体地，纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒的添加量可以为6％、7％、8％、9％。

在本发明的一个具体实施方式中，采用的纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒的粒径只要是纳米级别的就可以。进一步地，采用的纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒的粒径为500nm-1000nm。具体地，纳米氧化铝颗粒或二氧化硅纳米颗粒的粒径可以为560nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、900nm、950nm。正常磨料射流中，对钻具和钻头喷嘴的磨损主要是由于高速的磨料颗粒对其的切削作用，本实施方式中采用的磨料颗粒为纳米颗粒，其粒径较小，切削作用较弱而且较为均匀，因此，不但不会磨损钻具和钻头喷嘴，反而可打磨抛光钻具的管壁。

在本发明的一个具体实施方式中，对采用的纳米氧化铝颗粒的硬度没有特殊要求。为了实现高效的辅助破岩的目的，采用的纳米氧化铝颗粒的莫氏硬度可以为8。

在本发明的一个具体实施方式，磨料射流钻井液的作用之一就是携带磨料颗粒，在本发明的一个具体实施方式中，采用的纳米颗粒充当磨料颗粒，因为纳米颗粒的粒径小，质量轻，相对于正常磨料射流，该纳米磨料钻井液悬浮住纳米颗粒所需要的钻井液浆液的粘度就小。具体地，本发明的一个具体实施方式中的纳米磨料钻井液中采用的钻井液浆液的粘度可以为10mpa·s-50mpa·s；比如，钻井液浆液的粘度可以为20mpa·s、30mpa·s、40mpa·s。当纳米颗粒的粒径为1000nm时，采用的钻井液浆液的粘度最小可以为40mpa·s。

在本发明的一个具体实施方式中，该纳米磨料钻井液的密度为2600kg/m³-4000kg/m³。纳米磨料密度是影响冲击压力的另一重要因素，磨料密度过高不利于钻井液携带悬浮磨料粒子，由图1可知，冲击压力与纳米磨料钻井液的密度呈正相关系，纳米磨料密度2600kg/m³-4000kg/m³是较佳范围。

在本发明的另一具体实施方式中提供了一种钻井方法，该钻井方法采用的钻井液为本发明的一个具体实施方式中的纳米磨料钻井液。

具体地，该钻井方法采用本领域常规的方式进行即可。比如，可以包括以下具体步骤：

将一定粘度的钻井液浆液与纳米颗粒进行混配，形成一定浓度的纳米磨料钻井液；

将上述纳米磨料钻井液经地面高压泵加压后泵送经过地面管汇、钻杆、钻头喷嘴等，经钻头喷嘴节流作用形成高速纳米磨料射流，在岩石表面形成微裂纹，加速了岩石的破坏，辅助机械钻头齿破碎岩石，进而提高钻井速度。

采用上述钻井液进行钻井时，所用的钻头可以设置高压水射流喷嘴。其中，喷嘴的个数可以根据需要自行进行选择。比如，可以设置3个、4个或5个喷嘴。更进一步地，采用纳米磨料射流技术冲击岩石时，要求钻头喷嘴的射流速度要高于正常的磨料射流。其中，钻头喷嘴的射流速度可以为250m/s-500m/s；比如，钻头喷嘴的射流速度可以为250m/s、300m/s、350m/s、400m/s、450m/s、500m/s。纳米磨料钻井液的粒子冲击岩石表面产生的冲击压力计算结果。如图2可知，冲击压力与纳米磨料钻井液的冲击速度呈正相关系。当冲击速度为250-500m/s时，可产生220-770mpa冲击压力，远大于碳酸盐岩、花岗岩、页岩等硬岩的抗压强度(常见岩石抗压强度100-300mpa)，因此可有效在岩石表面产生压剪裂纹损伤，辅助钻头高效破岩。

实施例1

本实施例提供了一种纳米磨料射流破岩的钻井方法，具体包括以下步骤：

步骤一：配置纳米磨料钻井液，即选用粒径500-1000nm、密度2600kg/m³、体积浓度为5％的纳米磨料二氧化硅与钻井液浆液(钻井液浆液的原料为：水、减阻剂、胍尔胶)均匀搅拌混合；

步骤二：选用带有高压水射流喷嘴的钻头，钻杆下部与钻头相连，钻杆上部与地面高压泵相连，构成流动循环通道；

步骤三：开启地面高压泵组，纳米磨料钻井液经钻杆泵送至钻头喷嘴处，并以250m/s的射流形式喷射出钻头，纳米磨料高速冲击、破碎井底岩石，辅助钻头机械破岩。

步骤四：钻达预定井深处，停泵，上提钻头，完成钻井作业。

以上实施例说明，本发明的纳米磨料钻井液及采用该钻井液的钻井方法，在确保高效破碎硬岩、提高机械钻速的同时，能保证喷嘴和管壁不受磨料磨损。