鉆井液防泥包性能室內動態評價實驗方法

郝彬彬 項 濤 胡進軍 彭勝玉

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 河北三河 065201)

鉆井液防泥包性能室內動態評價實驗方法

郝彬彬 項 濤 胡進軍 彭勝玉

(中海油田服務股份有限公司油田化學事業部 河北三河 065201)

鉆具泥包一直是影響鉆井速度和困擾工程技術人員的問題。選取懷俄明州天然的鈉基膨潤土塊HOLEPLUG作為實驗用模擬鉆屑，利用自制的鋼棒和老化罐的滾動模擬井下鉆進狀況，通過對模擬鉆屑的粒徑、質量以及熱滾時間和基漿組成等參數的篩選，建立了動態評價鉆井液防泥包性能的室內實驗方法。評價實驗確定的模擬鉆屑粒徑為6～10目、質量為25 g，熱滾時間為15 min，基漿組成為3%海水膨潤土漿+ 0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.3%護膠劑+0.5%提切劑。進行了3組平行實驗，3組數據相對平均偏差僅為2.45%，說明本文實驗方法具有較好的可重復性。選取4種海上常用鉆井液體系進行了室內動態評價實驗，實驗結果與現場反饋情況相同，說明本文實驗方法具有很好的準確性，可為有關科研和鉆井生產提供可靠依據。

鉆井液；防泥包性能；動態評價實驗；鈉基膨潤土；井下鉆進；鉆屑粒徑；鉆屑質量；熱滾時間；基漿

在鉆遇到軟泥巖、易吸水膨脹或軟硬交錯的地層時，預防及消除鉆具泥包是一個不容忽視的技術問題。發生鉆具泥包的原因是多方面的，然而國內防止和處理這一問題的文獻報道相對較少，特別是關于在鉆井過程中鉆井液防泥包性能的室內評價研究更是不多[1]。國內有部分學者在研究提速劑或快鉆劑時提到過幾種粘附聚結試驗方法[2-4]，但有關粘附聚結的理論機理都不是很完整，也沒有系統的說明選擇測試步驟的原因，更沒有綜合考慮地層的黏土、鉆屑等復雜的井下因素，只是單從鉆井液體系內的處理劑考慮，通過鉆井液本身懸掛在鋼片上的液滴來評價粘附聚結性能，且最終確定粘附聚結質量的方法是待靜止不再有明顯鉆井液滴時稱重，這樣通過肉眼確定“時間點”既沒有說服性，也存在較大誤差，更沒有可重復性。本文通過對模擬鉆屑的種類、粒徑、質量和熱滾時間及基漿組成等參數進行篩選，建立了鉆井液防泥包性能室內動態評價實驗方法，既可以簡單動態的模擬井下鉆進，又可以評價出鉆井液防泥包性能，為選擇合適的防泥包鉆井液及處理劑提供了參考依據。

1 實驗方法的建立

1.1 實驗參數

1.1.1 模擬鉆屑種類的篩選

防泥包性能評價實驗的關鍵在于選擇什么樣的黏土模擬鉆屑，主要通過簡單分析黏土凝聚和結塊的原因來幫助選擇。當遇到鉆井液的時候，黏土在平衡水含量下是可塑性狀態，此時沒有達到液限的黏土顆粒表面還是足夠粘的，很容易和其他顆粒的表面相結合；同時由于在黏土層之間的排斥力、黏土表面的水化作用和水合離子與水分子間的立體干擾，所形成的較大的網狀的膨脹壓力或其他外界力量促使黏土顆粒不斷變形和結合，導致鉆屑的表面被擠到一起最終形成鉆屑凝聚和結塊。

文獻[5-8]對黏土的力學特性進行了相應的研究，涉及黏土的液限、塑限等，并且文獻[8]給出了不同黏土礦物的塑限和液限比率逐漸增強的相應關系，即鈉膨潤土<伊利石<高嶺石<埃洛石(多水高嶺石)，這個關系也確定了本次評價實驗用的模擬鉆屑，應使用趨于較低塑限和液限比率的黏土。

通過上述黏土凝聚結塊機理分析，本文篩選了懷俄明州一種天然的鈉基膨潤土塊HOLEPLUG作為評價實驗用模擬鉆屑，該膨潤土塊為天然巖塊，其黏土礦物含量達到81.5%，高于國內夏子街土等優質鈉膨潤土的黏土礦物含量，具有較強的水化膨脹特性以及合適的塑限和液限比率。

1.1.2 熱滾時間的初步選擇

文獻[9]對多種黏土的機械變形進行了研究，所選黏土均具有很高的分散性及中等或很高的膨脹性，研究發現黏土礦物組成或塑性變形與黏土凝聚結塊發生的過程存在一定的聯系(圖1)，黏土凝聚結塊最大值出現的時間大部分在20 min左右。因此，本文實驗熱滾時間初步確定在20 min。

圖1 國外典型頁巖65 ℃下熱滾黏土凝聚結塊的 質量隨時間變化的趨勢線[9]Fig .1 Trend lines of clay agglomeration weight changing with hot rolling time by foreign typical shale at 65 ℃[9]

1.1.3 實驗基漿的初步選擇

根據鉆井現場應用反饋和有機正電膠鉆井液[10]的機理分析，加入過量的有機正電膠易形成過厚的保護井壁的滯留層，而太厚的“滯留層”易造成泥包、粘附卡鉆等，因此初步確定加入過量的有機正電膠鉆井液作為模擬實驗的基漿。

1.1.4 模擬鉆屑粒徑的選擇

在老化罐中加入400 mL模擬實驗的基漿，將鋼棒(長150 mm，直徑23.5 mm，質量500 g左右)放入老化罐一側，再分別加入30 g均勻粒徑和6～10目的HOLEPLUG巖屑，65 ℃熱滾20 min后均勻粒徑和6～10目的鉆屑泥包情況如圖2所示。可以看出，6～10目粒徑的模擬鉆屑熱滾后粘附在鋼棒上，而且分布均勻，重復性也較高，因此選用6～10目粒徑的模擬鉆屑。

圖2 均勻粒徑和6～10目的模擬鉆屑泥包情況對比Fig .2 A comparison between the bit balling of uniform particle size and 6～10 mesh cuttings

1.1.5 模擬鉆屑質量的選擇

在老化罐中加入400 mL模擬實驗的基漿，將鋼棒放入老化罐一側，再分別加入20、25、30 g的6～10目的HOLEPLUG巖屑，65 ℃熱滾20min后鋼棒及清洗后老化罐內鉆屑泥包情況如圖3所示。可以看出，20 g模擬鉆屑的老化罐里沒有鉆屑殘余，而30 g的殘余較多，且不易清洗，因此，最終選用質量為25 g的模擬鉆屑。

圖3 質量為20(左)、25(中)、30 g(右)的6～10目模擬 鉆屑泥包情況對比Fig .3 A comparison between bit balling of 20,25 and 30 g cuttings with the size of 6～10 mesh

1.1.6 實驗基漿的選擇

初步選擇的基漿含有的處理劑較多，配漿時間較長，且影響因素不能確定，因此選取10個基漿配方對基漿成分做進一步研究(表1)，基漿中盡可能少的添加防泥包的處理劑。不同基漿熱滾后泥包情況見圖4，可以看出，10號基漿體系最符合黏土凝聚結塊的特征，最終確定10號體系作為基漿。

表1 模擬泥包實驗的基漿配方Table 1 Based slurry formula of simulating bit balling experiments

圖4 不同基漿熱滾20 min烘干泥包鋼棒后照片Fig .4 Steel bar bit balling photos of different base slurry after hot rolling 20 min

1.1.7 最佳熱滾時間的確定

在10號基漿中加入25 g的6～10目的HOLEPLUG巖屑，攪拌均勻后放入鋼棒，在65 ℃下熱滾。在不同熱滾時間下，將泥包的鋼棒在105 ℃下烘干150±5 min，鋼棒泥包情況見圖5，模擬鉆屑凝聚結塊質量隨熱滾時間變化曲線見圖6。從圖5可以看出，泥包時間為15 min和20 min時鉆屑的粘附程度的分布較均勻，其他泥包時間的整體分布不均，或粘附鉆屑較少，或兩頭鉆屑粘附程度不對稱較明顯。結合圖6最終確定最佳熱滾時間為15 min。

圖5 不同熱滾時間下模擬鉆屑泥包效果Fig .5 Bit balling effect at different hot rolling time

圖6 模擬鉆屑凝聚結塊質量隨熱滾時間變化曲線Fig .6 Weight of agglomeration cuttings changing with the hot rolling time

1.2 實驗流程

1) 將400 mL的10號基漿裝入老化罐，將鋼棒(長150 mm，直徑23.5 mm，質量500 g左右)放入老化罐一側，倒入25 g的6～10目的HOLEPLUG鉆屑，用小鏟子慢慢攪拌，使固體均勻分布；

2) 將老化罐在2 min內放進溫度為65±2 ℃的滾子爐，熱滾15 min后用恒定水流沖洗鋼棒，將表面泥漿沖掉；

3) 在105 ℃下烘干鋼棒，烘干時間保持在150±5 min，然后對鋼棒在5 min內進行稱量，記錄前后的質量差。選擇2.5 h的烘干時間是要徹底的將泥包鋼棒上的水分烘干，以免由于不同實驗人員的習慣差異，使鋼棒上泥包殘留的水分不同而產生稱重誤差，造成實驗的不可重復性。

2 實驗方法的驗證

2.1 可重復性檢測

按照本文實驗流程進行了3組平行對比實驗，鋼棒泥包情況見圖7，鉆屑凝聚結塊質量對比見圖8。計算3組實驗數據的相對平均偏差(平均偏差/平均值)僅為2.45%，充分說明本文建立的鉆屑泥包模擬實驗評價方法非常可靠，且具有可重復性。

圖7 3組平行對比實驗泥包情況Fig .7 Bit balling of three groups of parallel comparison experiments

圖8 三組平行實驗泥包質量對比Fig .8 Weight of agglomeration cuttings of three groups of parallel experiments

2.2 常用鉆井液防泥包性能評價

選取4種海上常用的水基鉆井液，即有機正電膠鉆井液(加入過量的有機正電膠)、鹽水聚合物鉆井液、聚胺強抑制鉆井液、高性能鉆井液，進行模擬鉆屑泥包對比實驗。將4種常用鉆井液的體系性能調整到相近，鉆井液體系配方如下：

1#(加入過量的有機正電膠鉆井液)： 2%海水膨潤土漿+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.3%PAC-LV+0.2%XC+5%有機正電膠+0.2%PHPA+1%FR+1%DYFT。

2#(鹽水聚合物鉆井液)： 3%海水膨潤土漿+0.2%NaOH+0.25%Na2CO3+0.3%PAC-LV+0.3%XC+0.5%PHPA+3%JLX+2%淀粉+2%KCl+1%LUB-1。

3#(聚胺強抑制鉆井液)： 海水+0.1%NaOH+0.2%Na2CO3+0.2%PAC-LV+0.4%XC+0.7%包被劑(小分子量)+3%JLX+1%FT+4%淀粉+3%聚胺+1%LUB-H。

4#(高性能水基鉆井液)： 1%海水膨潤土漿+0.1%NaOH+0.2%Na2CO3+20%AQsalt+0.2%PAC-LV+0.2%XC+0.2%淀粉+0.2%PHPA+1.5%AQseal+1%AQlube+1%AQtrol。

4種常用鉆井液的體系性能參數見表2。圖9為4種鉆井液體系的泥包情況，可以看出，4#高性能水基鉆井液的防泥包性能最好，3#深水聚胺體系的防泥包性能也較好，泥包最嚴重的是1#加入過量有機正電膠的鉆井液體系。據現場反饋的原始資料可知，鉆遇造漿強的地層時，為更好的抑制地層造漿，加入大量的有機正電膠后，造成井口返出很多的泥球，鉆速明顯減慢；后來經過現場鉆井液處理把有機正電膠降到合理加量，同時配合其他處理劑抑制地層造漿，鉆速恢復正常，井口返出鉆屑正常。對于2#鹽水聚合物鉆井液，鉆屑比較松散堅韌，可以加入適量的聚胺處理劑或是提高鹽的加量以減少泥包的程度。由于深水聚胺體系和高性能水基鉆井液體系在現場應用非常好，已逐漸替代傳統鉆井液應用在海洋鉆井，可見本文模擬鉆屑泥包評價實驗的泥包情況與現場的反饋是完全相同的。

表2 4種常用鉆井液的體系性能參數Table 2 Performance parameters of four commonly used drilling fluid systems

圖9 不同鉆井液體系的泥包程度Fig .9 Bit balling degree of different drilling fluid systems

3 結論

通過對模擬鉆屑的種類、粒徑、質量以及模擬基漿和熱滾時間等影響因素的確定，最終建立了能動態模擬井下鉆井液防泥包性能的室內實驗評價方法。利用該方法進行的3組平行實驗的相對平均偏差僅為2.45%，說明本文實驗方法具有較好的可重復性；對4種常用鉆井液體系進行了防泥包實驗，實驗結果與現場反饋情況完全相同，說明本文實驗方法具有很好的準確性，可為有關科研和鉆井生產提供可靠的依據。

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(編輯：楊 濱)

Lab experiments for dynamic evaluation of anti-balling performance of drilling fluids

HAO Binbin XIANG Tao HU Jinjun PENG Shengyu

(COSLOilfieldChemicalsDivision,Sanhe,Hebei065201,China)

Drilling tool balling-up has always been a problem which affects the penetration rate and annoys the technical personnel. A HOLEPLUG chunk, which is Wyoming natural sodium bentonite, was chosen to simulate cuttings; a self-made steel bar and an aging cylinder were hot-rolled to simulate the down-hole drilling environment. Through the screening of the parameters such as particle size, mass, hot-rolling time and slurry compositions, an lab experiment method for dynamically evaluating the anti-balling performance of drilling fluid was established. The particle size of the simulated drill cuttings is 6～10 mesh, the mass 25 g, and the hot-rolling time 15 min. The formulation of slurry is 3%bentonite in seawater+0.2%NaOH+0.2% Na2CO3+0.3%colloid-protecting agent+0.5%gel strength enhancer. Three groups of parallel experiments were carried out, and the relative average deviation of the three groups was only 2.45%, which shows that the method has good repeatability. Dynamic evaluation experiments were carried out in the laboratory on four drilling fluid systems commonly used in offshore oilfields. The experimental results agree well with the feedback from the fields, indicating that the experimental method has good accuracy, and may provide a reliable basis for the evaluation of relevant scientific researches and drilling operations.

drilling fluid; anti-balling performance; dynamic evaluation; sodium bentonite; down-hole drilling simulation; cutting size; cutting mass;hot-rolling time; slurry

郝彬彬，男，工程師，2009年畢業于大慶石油學院并獲得碩士學位，現主要從事油田處理劑及鉆井液研究工作。地址：河北省三河市燕郊開發區行宮西大街中海油服油田化學研究院(郵編：065201)。E-mail：haobb@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0101-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.017

TE254

A

2016-10-18 改回日期：2016-12-30

郝彬彬,項濤,胡進軍，等.鉆井液防泥包性能室內動態評價實驗方法[J].中國海上油氣，2017,29(3)：101-106.

HAO Binbin,XIANG Tao,HU Jinjun,et al.Lab experiments for dynamic evaluation of anti-balling performance of drilling fluids[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):101-106.