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(yè)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(duì)，湖北 潛江 433122)

隨著鉆井技術(shù)的不斷提高，很多油田在開發(fā)過程中都成功地實(shí)施了快速鉆井，取得了突破性的成功。但是，快速鉆井技術(shù)的實(shí)施也帶來了一些技術(shù)問題，如當(dāng)鉆遇大段質(zhì)純而軟的活性軟泥頁巖段時(shí)，由于機(jī)械鉆速快，鉆井過程中會(huì)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(yán)重，造成環(huán)空間隙變窄、起下鉆不暢，嚴(yán)重時(shí)甚至環(huán)空不通、憋漏井眼、卡死鉆具，給作業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失[1，2]。

鉆井過程中鉆屑形成泥球的影響因素有內(nèi)因和外因，其中內(nèi)因主要是鉆屑本身的性質(zhì)，包括鉆屑的粘土礦物組成和鉆屑的表面性質(zhì)[3]。此外，鉆屑的顆粒級(jí)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(duì)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(zhì)以及鉆井液體系的組成等對(duì)泥球形成的影響進(jìn)行了室內(nèi)研究，以便清楚地認(rèn)識(shí)泥球形成的原因和機(jī)理。

1 模擬泥球形成實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室常用的滾子爐及老化罐由于在滾動(dòng)過程中速度慢、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小，巖樣總是處于底部，巖樣顆粒之間相互碰撞的機(jī)會(huì)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(zhuǎn)加熱爐及相應(yīng)的老化罐。與常規(guī)的熱滾爐不同之處是：常規(guī)的熱滾爐是沿軸向滾動(dòng)，而翻轉(zhuǎn)加熱爐中老化罐沿徑向進(jìn)行360°的翻轉(zhuǎn)，這樣巖樣在老化罐中就可以上下翻轉(zhuǎn)，大大增加了巖樣之間相互碰撞、粘結(jié)的機(jī)會(huì)，與現(xiàn)場鉆井過程中井下鉆屑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常相似。設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)加熱爐的照片見圖1。

圖1 模擬泥球形成實(shí)驗(yàn)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(zhì)

由于實(shí)驗(yàn)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(nèi)研究選擇露頭巖樣代替活性軟泥頁巖，并用X-射線衍射對(duì)其粘土礦物組成進(jìn)行了分析。結(jié)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(jié)合水能力強(qiáng)，鉆屑表面更易于水化，致使鉆屑之間相互粘結(jié)形成泥球[4，5]。

2.2 鉆井液配方及性能

室內(nèi)研究采用中海油湛江分公司東方1-1油田鉆井現(xiàn)場作業(yè)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(guī)性能見表1。

表1 鉆井液常規(guī)性能

2.3 鉆屑顆粒級(jí)配的影響

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

表2 露頭巖樣顆粒級(jí)配對(duì)泥球形成的影響

圖2 鉆屑顆粒級(jí)配對(duì)泥球形成的影響

由表2和圖2可以看出，鉆屑的顆粒級(jí)配對(duì)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(dāng)存在較大直徑鉆屑時(shí)，小顆粒鉆屑越多，形成泥球的直徑也越大，且更加結(jié)實(shí)。

本實(shí)驗(yàn)中3#實(shí)驗(yàn)樣最容易形成泥球，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用其顆粒級(jí)配鉆屑進(jìn)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(jí)配，考察鉆井液中鉆屑含量對(duì)泥球形成的影響，結(jié)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(duì)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(jí)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(duì)泥球形成的影響，結(jié)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(zhì)發(fā)生質(zhì)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(xué)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(guī)性能見表3。

表3 不同膨潤土含量鉆井液的常規(guī)性能

鉆屑含量為20%，按照不同膨潤土含量的鉆井液配方進(jìn)行模擬泥球形成實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(duì)泥球形成有一定影響，當(dāng)鉆井液中膨潤土含量較低時(shí)，沒有泥球形成；隨著膨潤土含量的增加，泥球形成的現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重；但當(dāng)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(dāng)鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后，鉆井液增稠現(xiàn)象嚴(yán)重，此時(shí)，鉆井液的運(yùn)動(dòng)趨于整體運(yùn)動(dòng)，鉆屑相互碰撞的機(jī)會(huì)減小、相互之間發(fā)生粘結(jié)的幾率降低，從而在一定程度上防止了泥球的形成。

3 結(jié)論

(1)研制出能有效模擬泥球形成的翻轉(zhuǎn)加熱爐HFZO-1，該儀器操作簡便，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好。

(2)鉆屑的粘土礦物組成和鉆屑的表面性質(zhì)是影響鉆屑形成泥球的內(nèi)部因素。

(3)鉆屑的顆粒級(jí)配對(duì)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(dāng)存在較大直徑鉆屑時(shí)，小顆粒鉆屑越多，形成泥球的直徑也越大，且更加結(jié)實(shí)。

(4)鉆井液中鉆屑含量對(duì)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(duì)泥球形成有一定影響，當(dāng)鉆井液中膨潤土含量較低時(shí)，沒有泥球形成；隨著膨潤土含量的增加，泥球形成的現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重；但當(dāng)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(xué)[M]．東營：石油大學(xué)出版社，2001：108-111．

[2] 徐同臺(tái)．油氣田地層特性與鉆井液技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)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(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24(2)：46-49．

[4] 孫金聲，楊宇平，安樹明，等．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，2009，26(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.