鉆井過程中泥球形成的影響因素探討

劉海水，王 超，魏子路，鐘 超

(1.中海油服油化事業部塘沽基地，天津 300452；2.中國石油長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京 100101；3.江漢石油管理局江漢采油廠采油四隊，湖北 潛江 433122)

隨著鉆井技術的不斷提高，很多油田在開發過程中都成功地實施了快速鉆井，取得了突破性的成功。但是，快速鉆井技術的實施也帶來了一些技術問題，如當鉆遇大段質純而軟的活性軟泥頁巖段時，由于機械鉆速快，鉆井過程中會形成大量的泥球，特別是在大斜度井返速低的井眼段，形成泥球的情況更加嚴重，造成環空間隙變窄、起下鉆不暢，嚴重時甚至環空不通、憋漏井眼、卡死鉆具，給作業帶來嚴重損失[1，2]。

鉆井過程中鉆屑形成泥球的影響因素有內因和外因，其中內因主要是鉆屑本身的性質，包括鉆屑的粘土礦物組成和鉆屑的表面性質[3]。此外，鉆屑的顆粒級配、鉆井液中鉆屑和膨潤土的含量、鉆井液的抑制性能等外部因素也對泥球的形成有一定的影響。為此，作者就活性軟泥頁巖鉆屑性質以及鉆井液體系的組成等對泥球形成的影響進行了室內研究，以便清楚地認識泥球形成的原因和機理。

1 模擬泥球形成實驗裝置

實驗室常用的滾子爐及老化罐由于在滾動過程中速度慢、轉動半徑小，巖樣總是處于底部，巖樣顆粒之間相互碰撞的機會較少，不容易形成泥球。鑒于此，研制了能有效模擬泥球形成的HFZO-1型翻轉加熱爐及相應的老化罐。與常規的熱滾爐不同之處是：常規的熱滾爐是沿軸向滾動，而翻轉加熱爐中老化罐沿徑向進行360°的翻轉，這樣巖樣在老化罐中就可以上下翻轉，大大增加了巖樣之間相互碰撞、粘結的機會，與現場鉆井過程中井下鉆屑的運動狀態非常相似。設計的翻轉加熱爐的照片見圖1。

圖1 模擬泥球形成實驗裝置

2 泥球形成的影響因素

2.1 模擬巖樣粘土礦物組成及鉆屑表面性質

由于實驗所用鉆屑用量大，為了保證巖樣的粘土礦物組成的一致性，室內研究選擇露頭巖樣代替活性軟泥頁巖，并用X-射線衍射對其粘土礦物組成進行了分析。結果表明，露頭巖樣的粘土含量較高(30.64%)，主要以伊蒙混層為主，且混層比(85)高，容易水化分散，其粘土礦物組成為：I/S 73.0%、I 27.0%，CEC值為262 mmol·kg-1。

鉆屑的粘土礦物組成中蒙脫石含量高，水合活性就高，陽離子交換容量大、吸附結合水能力強，鉆屑表面更易于水化，致使鉆屑之間相互粘結形成泥球[4，5]。

2.2 鉆井液配方及性能

室內研究采用中海油湛江分公司東方1-1油田鉆井現場作業過程中容易形成泥球井段所使用的鉆井液，其配方為：5%海水膨潤土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH+3%KCl+0.5%PF-NPAN+0.5%LV-PAC+1%PF-GRA+1%PF-WLD+2%PF-JLX+0.2%PF-VIS+0.6%PF-PLUS。

鉆井液常規性能見表1。

表1 鉆井液常規性能

2.3 鉆屑顆粒級配的影響

分別在400 mL鉆井液中加入200 g不同顆粒級配的露頭巖樣，放入翻轉老化罐中，在模擬井下溫度(80 ℃)的條件下熱滾1.5 h，結果見表2及圖2。

表2 露頭巖樣顆粒級配對泥球形成的影響

圖2 鉆屑顆粒級配對泥球形成的影響

由表2和圖2可以看出，鉆屑的顆粒級配對泥球的形成有一定的影響。鉆屑直徑越大，越容易形成泥球；而當存在較大直徑鉆屑時，小顆粒鉆屑越多，形成泥球的直徑也越大，且更加結實。

本實驗中3#實驗樣最容易形成泥球，后續實驗均采用其顆粒級配鉆屑進行，即：4～10目50%、10～20目25%、40～60目15%、100目以下10%。

2.4 鉆屑含量的影響

按照選定的鉆井液配方及鉆屑顆粒級配，考察鉆井液中鉆屑含量對泥球形成的影響，結果見圖3。

鉆屑含量，a～e：10%、20%、30%、40%、50%

由圖3可以看出，鉆井液中鉆屑含量對泥球形成有較大影響，鉆屑含量越高，形成泥球的可能性就越大，且泥球的硬度越高。表明快速鉆井造成鉆井液中鉆屑的含量過高，是形成泥球最主要的因素之一。

2.5 鉆井液抑制性能的影響

鉆井液中添加KCl可以提高其抑制性能。按選定的鉆屑顆粒級配，在鉆井液中鉆屑含量為20%的條件下，考察鉆井液配方中KCl加量對泥球形成的影響，結果見圖4。

KCl加量，a～e：0%、3%、5%、7%、9%

由圖4可以看出，添加KCl提高鉆井液抑制性能可在一定程度上緩解泥球的形成，但效果不明顯，其主要原因是K+的鑲嵌作用雖然可使鉆屑硬化，但并不能使鉆屑的表面性質發生質的變化，也就無法從根本上改變鉆屑表面的水化作用。因此，單純靠添加KCl來抑制泥球的形成是不科學的。

2.6 鉆井液膨潤土含量的影響

鉆井液配方為：膨潤土+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH+0.3%PF-NPAN+0.3%LV-PAC+3%KCl+1%PF-GRA+1%PF-WLD+2%PF-JLX+0.2%PF-VIS+0.4%PF-PLUS。

不同膨潤土含量鉆井液的常規性能見表3。

表3 不同膨潤土含量鉆井液的常規性能

鉆屑含量為20%，按照不同膨潤土含量的鉆井液配方進行模擬泥球形成實驗，結果見圖5。

膨潤土含量，a～f：2%、3%、4%、5%、6%、8%

由圖5可以看出，鉆井液膨潤土含量對泥球形成有一定影響，當鉆井液中膨潤土含量較低時，沒有泥球形成；隨著膨潤土含量的增加，泥球形成的現象逐漸嚴重；但當鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后，又沒有泥球形成。原因主要是：鉆井液中膨潤土含量越高，鉆井液的MBT值越高，鉆井液中活性土含量越高，泥球越容易形成；當鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后，鉆井液增稠現象嚴重，此時，鉆井液的運動趨于整體運動，鉆屑相互碰撞的機會減小、相互之間發生粘結的幾率降低，從而在一定程度上防止了泥球的形成。

3 結論

(1)研制出能有效模擬泥球形成的翻轉加熱爐HFZO-1，該儀器操作簡便，實驗重復性較好。

(2)鉆屑的粘土礦物組成和鉆屑的表面性質是影響鉆屑形成泥球的內部因素。

(3)鉆屑的顆粒級配對泥球的形成有一定的影響。鉆屑直徑越大，越容易形成泥球；而當存在較大直徑鉆屑時，小顆粒鉆屑越多，形成泥球的直徑也越大，且更加結實。

(4)鉆井液中鉆屑含量對泥球形成有較大影響。鉆井液中鉆屑含量越高，形成泥球的可能性就越大，且泥球的硬度越高。

(5)采用KCl提高鉆井液抑制性能可在一定程度上緩解泥球的形成，但效果不明顯。

(6)鉆井液膨潤土含量對泥球形成有一定影響，當鉆井液中膨潤土含量較低時，沒有泥球形成；隨著膨潤土含量的增加，泥球形成的現象逐漸嚴重；但當鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后，又沒有泥球形成。

[1] 鄢捷年．鉆井液工藝學[M]．東營：石油大學出版社，2001：108-111．

[2] 徐同臺．油氣田地層特性與鉆井液技術[M]．北京：石油工業出版社，1998：519-523.

[3] 蒲曉林，梁大川，王平全，等．抑制鉆屑形成泥球的鉆井液研究[J]．西南石油學院學報，2002，24(2)：46-49．

[4] 孫金聲，楊宇平，安樹明，等．提高機械鉆速的鉆井液理論與技術研究[J]．鉆井液與完井液，2009，26(2)：1-6．

[5] William D，Ken D，Nels H,et al．New water-based mud balances high-performance drilling and environmental compliance[J]．SPE Drlling & Completion,2006,21(4):255-267.