快速鉆井中泥球形成的影響因素與控制措施

張 巖 向興金 鄢捷年 吳 彬 舒福昌

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院； 2.荊州市漢科新技術研究所； 3.長江大學石油工程學院）

隨著鉆井技術的不斷提高，我國海上許多油氣田在開發過程中成功地實施了快速鉆井，取得了顯著的經濟效益，但也帶來了一些技術問題，如鉆遇渤海地區明化鎮組、鶯瓊地區鶯歌海組等大段質純而軟的活性軟泥頁巖段時，由于機械鉆速快，鉆井過程中形成了大量的泥球，特別是在大斜度井返速低的井眼段，泥球形成的情況更加嚴重，造成環空間隙變窄，起下鉆不暢，嚴重時還發生過糊篩、環空不通、憋漏井眼、卡死鉆具等問題。這些問題都會給作業帶來嚴重損失［1］。

鉆井過程中鉆屑形成泥球的主要原因在于鉆屑的粘土礦物組成和表面性質［2］。如果鉆屑的粘土礦物組成中蒙脫石含量高，則陽離子交換容量大，吸附結合水能力強，鉆屑表面易于水化，從而導致鉆屑之間相互粘結形成泥球［3－4］。針對泥球問題，前人作了大量的研究，在一定程度上緩解了泥球形成帶來的問題，但仍然有許多的問題須要探討［5］。本文對快速鉆井中泥球形成的影響因素進行了實驗研究，結果表明，鉆屑的顆粒級配、鉆井液中的鉆屑含量和土般土含量、鉆井液的抑制性能等外部因素對泥球的形成也有一定的影響，以往在鉆井液中加入KCl來提高鉆井液抑制性能的做法并不能有效抑制泥球形成。基于實驗研究結果，提出了抑制泥球形成的技術對策，并在東方1－1氣田鉆井中取得了較好效果。

1 模擬實驗裝置的研制

鉆遇軟的活性泥頁巖層段時，由于機械鉆速快，鉆屑大量產生，致使井筒內鉆屑濃度高，鉆屑顆粒之間容易發生相互碰撞繼而相互粘結形成泥球。由于實驗室常規熱滾爐及老化罐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，所以不容易生成泥球。針對上述問題，研制了能有效模擬泥球生成的HFZO－1型翻轉加熱爐及相應的老化罐。與常規熱滾爐相比，HFZO－1型翻轉加熱爐的優點在于翻轉加熱爐中老化罐沿徑向360°翻轉（常規熱滾爐中老化罐是繞軸轉動），這樣巖樣在老化罐中就可以上下翻轉，大大增加了巖樣顆粒之間相互碰撞、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。圖1為研制的翻轉加熱爐的照片。

圖1 模擬泥球生成的實驗裝置

2 快速鉆井中泥球形成影響因素的實驗研究

由于實驗鉆屑用量大，為保證巖樣粘土礦物組分的一致性，選擇露頭巖樣進行實驗，并對其和DF1－1－2井粘土礦物組分進行了對比（表1），結果表明露頭巖樣粘土含量高，主要以伊蒙混層為主，且混層比高，容易水化分散，與DF1－1－2井粘土礦物組成接近。

表1 實驗巖樣粘土礦物組成

2.1 鉆屑顆粒級配的影響

采用東方1－1氣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。鉆井液性能見表2。

表2 東方1－1氣田易形成泥球井段所使用鉆井液常規性能

分別在400 m L鉆井液中加入200 g不同粒度級配的露頭巖樣，然后放入翻轉老化罐中，在模擬井下溫度的條件下熱滾1.5 h，實驗結果見表3。

由表3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；當存在較大直徑鉆屑時，小顆粒鉆屑越多，形成泥球的直徑越大，且更加結實。

表3 露頭巖樣粒度級配對泥球形成的影響

2.2 鉆屑含量的影響

選擇上述實驗中最容易形成泥球的顆粒級配鉆屑（4～10目50%，10～20目25%，40～60目15%，100目以下10%），按照鉆井液中不同鉆屑含量進行模擬泥球生成實驗（鉆井液配方及實驗方法同上），實驗結果見圖2。實驗結果表明，鉆井液中鉆屑含量對泥球生成有較大影響，隨著鉆屑含量的增加泥球形成的可能性越大且泥球的硬度越高，這也表明快速鉆井造成的鉆井液中鉆屑含量過高是形成泥球的主要因素之一。

圖2 鉆屑含量對泥球生成的影響

2.3 鉆井液抑制性的影響

通過加KCl提高鉆井液抑制性，防止鉆屑水化，被認為是抑制泥球形成的有效方法之一。對不同KCl加量的鉆井液進行泥球生成模擬實驗，來考察鉆井液抑制性對泥球形成的影響。所用鉆井液配方為5%海水膨潤土漿＋0.3%PF－NPAN＋0.3%LV－PAC ＋1%PF－GRA＋1%PF－WLD＋2%PFJLX＋0.2%PF－VIS＋0.4%PF－PLUS＋KCl。不同KCl加量鉆井液常規性能及滾動回收率見表4。從表4可以看出，隨著KCl加量的增加，鉆井液體系的抑制性增強，滾動回收率增加。

分別在上述測定流變性能的鉆井液中加入20%相同粒度級配（4～10目50%，10～20目25%，40～60目15%，100目以下10%）的露頭巖樣后，放入泥球模擬實驗裝置中，在模擬井下溫度的條件下熱滾1.5 h，實驗結果見圖3。

表4 不同KCl加量的鉆井液常規性能

圖3 鉆井液抑制性對泥球生成的影響

圖3所示實驗結果表明，通過KCl提高鉆井液抑制性能來抑制泥球生成效果不明顯，分析原因主要是由于K＋的鑲嵌作用只能使鉆屑硬化，但并不能從根本上改變鉆屑的表面性質，在外力作用下鉆屑表面水化粘結仍然會形成泥球；同理，采用其他無機鹽降低活度的方式抑制鉆屑內部的水化膨脹也改變不了鉆屑的表面性質。因此，在快速鉆井中通過提高鉆井液的抑制性來抑制泥球的生成效果不明顯。

2.4 鉆井液土般土含量的影響

選擇20%與2.3節所述相同顆粒級配的鉆屑含量，對不同土般土含量的鉆井液進行泥球生成模擬實驗，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%PFJLX＋0.2%PF－VIS＋ 0.4%PF－PLUS，流變性能見表5，實驗結果見圖4。

表5 不同土般土含量鉆井液體系常規性能

由圖4可以看出，土般土含量對泥球形成有一定影響：當鉆井液中土般土含量較低時沒有泥球形成，隨著土般土含量的增加泥球形成現象嚴重；但當土般土含量超過一定范圍后，反而沒有泥球形成。分析其原因，主要是土般土含量越高，鉆井液中活性土含量越高，泥球就越容易形成；但當鉆井液中土般土含量超過一定范圍后，土含量增加將引起鉆井液增稠現象嚴重，此時鉆井液的運動趨于整體運動，鉆井液中鉆屑相互碰撞的機會減小，使得鉆屑之間發生粘結的機率降低，從而在一定程度上防止了泥球的形成。

圖4 鉆井液土般土含量對泥球生成的影響

3 控制泥球形成的技術措施及實施效果

3.1 研制了抑制鉆屑粘結的表面活性劑

活性軟泥頁巖表面具有典型的親水特性，其表面的水化作用容易使鉆屑形成產生泥球。以往的研究表明［6］，鉆井液中加入表面活性劑可以抑制鉆屑分散，但對抑制鉆屑粘結的表面活性劑研究較少。筆者通過大量實驗研究研制了一種具有快速吸附作用的胺鹽類陽離子表面活性劑HCBI來抑制泥球形成。HCBI屬于反相乳化劑，是由脂肪胺聚氧乙烯醚與磷酸合成，其分子結構上具有帶一定正電荷的官能團，能在鉆屑表面優先快速吸附，在鉆屑表面形成親油膜，從而改變了鉆屑的表面性質。

在鉆井液體系當中分別加入不同加量的表面活性劑HCBI，考察其對泥球形成的影響，鉆井液配方為5%海水膨潤土漿＋0.3%PF－NPAN ＋0.3%LV－PAC ＋1%PF－GRA＋1%PF－WLD＋2%PFJLX ＋0.2%PF－VIS＋0.4%PF－PLUS＋3%KCl。不同表面活性劑HCBI加量鉆井液常規性能見表6。

由表6可以看出，在原鉆井液體系中加入不同量的表面活性劑HCBI，鉆井液體系的表觀粘度、濾失量變化不大，泥餅粘滯系數逐漸降低?？梢姡琀CBI對鉆井液體系的流變性能、濾失量均無不良影響，且在一定程度上能夠提高原鉆井液體系的潤滑性能（泥餅摩擦系數Kf值降低）。

表6 不同HCBI加量鉆井液常規性能

圖5 表面活性劑HCBI對泥球生成的影響

按上述實驗方法進行不同加量表面活性劑HCBI對泥球形成的影響評價，實驗結果見圖5。由圖5可以看出，隨著表面活性劑HCBI加量的不斷增大，鉆井液抑制泥球形成的效果逐漸增強，其中在HCBI加量為3%時鉆井液中沒有泥球形成，這說明表面活性劑HCBI吸附在鉆屑表面后有效改變了鉆屑表面性質，可以阻止鉆屑的互相粘結。因此，現場應用中HCBI加量可控制在2%～3%。

3.2 其他技術措施

通過以上對鉆井過程中泥球形成影響因素的實驗研究，針對鉆遇活性軟泥頁巖過程中影響泥球形成的外部因素，控制泥球形成的其他技術措施包括：

（1）控制鉆井液體系中固相含量，環空鉆井液中鉆屑含量小于8%、固控設備除固相后低比重固相含量小于5.0%。

（2）使用低膨潤土相或是無膨潤土相鉆井液體系。

（3）控制鉆井液的流變性能，鉆井液漏斗粘度控制在45 s左右，YP 值控制在8～10 Pa，以提高鉆井液攜砂性能。

3.3 實施效果

以上控制泥球形成的技術措施在東方1－1氣田后期作業中得到實施，有效解決了泥球堵塞喇叭口及跑漿問題，有效減少了井下復雜情況的處理時間，縮短了鉆井周期。

4 結論

（1）研制了能有效模擬泥球形成的實驗裝置HFZO－1，并利用該裝置對快速鉆井中泥球形成的影響因素進行了實驗研究，結果表明鉆屑的粒度級配、鉆井液中的鉆屑含量、土般土含量以及鉆井液的抑制性能等外部因素對泥球的形成有一定的影響；通過加入KCl來提高鉆井液抑制性能雖在一定程度上能緩解泥球的生成，但在快速鉆井中不能有效抑制泥球的生成。

（2）研制了一種具有快速吸附作用的表面活性劑HCBI，提出了控制泥球生成的其他技術措施，并在東方1－1氣田后期作業中進行了應用，有效地解決了泥球堵塞喇叭口等問題，從而避免了井下復雜事故的發生。

［1］ 楊鴻波.緬甸M區塊上部復雜地層鉆井技術研究與實踐［J］.中國海上油氣，2011，23（2）：111－115.

［2］ 蒲曉林，梁大川，王平全.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.

［3］ 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）：l－6.

［4］ WILLIAM D，KEN D，NELS H，et al.New water－based mud balances high—performance drilling and environmental compliance［C］.SPE 92367，2005.

［5］ DENNIS E，MARTIN E C.Stabilizing sensitive shales with inhibited potassium－based drilling fluids［C］.SPE 4232，1973.

［6］ ALONSO－DEBOLT M A，JARRETT M A.New polymer/surfactant systems forsta bilizing troublesome gumbo shale［C］. SPE 28741，1994.