冀東油田固相控制技術優化

王維

（西安石油大學石油工程學院，西安710065）

近年來，隨著油田鉆井深度和位移不斷增加，鉆遇地層日益復雜，鉆井難度愈發增加，油氣層保護形勢愈發嚴峻，對鉆井液性能指標要求也更加嚴格。隨著現場對鉆井液性能指標要求更加精細，鉆井液固相含量控制水平對于鉆井工程影響也日益凸顯，比如鉆井施工過程中極易出現鉆井液穩定性差、鉆具黏卡、油氣層保護差、測完井時效長、機械鉆速低等影響鉆完井質量的情況[1-4]。此類問題的發生與固控設備的配備和固相控制工藝技術的應用緊密相關，目前固相控制方面存在的問題有：①固控設備配套復雜多樣而不標準；②配套的4級固控設備沒有完全實現其價值，大多數振動篩篩目偏低，一級固控效果比較差，除泥器、離心機利用率不高，鉆井液中低密度有害固相含量高，尤其是在鉆井液密度大于1.35 g/cm3的區塊達到60%以上；③受地質和工程雙重因素的影響，鉆井液中固相含量和膨潤土含量指標偏高，控制難度相對較大。因此，在分析鉆井液固相控制現狀和現有固相控制方法的基礎上，結合冀東油田地層特點，通過室內實驗研究和現場實踐，提出了合理的固相控制指標和固相控制工藝技術。

1 固相控制和固控設備現狀

1.1 鉆井液固相含量及膨潤土含量現狀

冀東油田近2年各鉆井區塊的固相含量和膨潤土含量見表1和表2。

表1 冀東油田各區塊儲層鉆井液密度對應固相含量

對于固相含量，其趨勢主要表現在鉆井液密度越高對應鉆井液固相含量越高，聚磺鉆井液和抗高溫鉆井液相較KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系固相含量要高。對于膨潤土含量，主要表現在高尚堡區塊膨潤土含量偏高，南堡區塊KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系同樣較高，僅有抗高溫體系膨潤土含量控制在50 g/L以內。

表2 冀東油田各區塊儲層鉆井液膨潤土含量

1.2 固控設備配套現狀

目前油田配備的4級固控設備[5-6]主要有振動篩、除砂器、除泥器、除砂除泥一體機、低速離心機、中速離心機和高速離心機。

1）振動篩。使用的振動篩型號多達10多種，配備2～4臺不等，以3臺居多，由于其生產參數、設備老化等因素影響，振動篩篩目使用范圍為60～180目。使用范圍最廣、具有代表性的主要為S250-2型、RSD系列和ZHZS540*700/6ZQ。①S250-2型振動篩運動軌跡為平動橢圓，篩網總面積為2.52 m2（3塊篩布）/3.36 m2（4塊篩布）， 振幅為 6.3 mm， 拋擲指數為 6.4， 激振力為66.68 kN， 轉速為 1 500 r/min， 在φ215.9 mm 井眼中可用孔徑為0.125 mm的篩布；②RSD系列包括RSD2008B和RSD2008P/B等型號振動篩，其運動軌跡為平動橢圓， 篩網總面積為2.948 m2（RSD2008B）/3.53 m2（RSD2008P/B）， 振幅為6 mm， 拋擲指數為8.13，激振力為76 kN，轉速為1 410 r/min，在φ215.9 mm井眼中可用孔徑為0.098～0.100 mm的篩布；③作為新配備的振動篩，ZHZS540*700/6ZQ的運動軌跡為直線橢圓，分上下層共5塊篩布，篩網總面積為3.36 m2，振幅為6 mm，拋擲指數為8，激振力為76 kN，轉速為1 450 r/min，在φ215.9 mm井眼可用孔徑小于0.100 mm的篩布。

2）除砂器、除泥器和除砂除泥一體機。油田目前在用的旋流器型號有多種，但設計參數大致相同，主要是在數量的配備上有所不同，其中同時配備除砂器、除泥器的井隊占46%，配備2臺除砂器的井隊占32%，配備一體機的井隊占22%。

3）離心機。油田目前離心機配備數量均為2臺，但僅有50%井隊配備了中速離心機和高速離心機，其余以同時配備2臺中速離心機為主，個別井隊配備2臺低速離心機。配備型號較多、設計參數各不相同，轉速為1 400～3 400 r/min，分離因素為500～3 200，處理量為30～60 m3/h，最小分離點為 2～7 μm。

1.3 固控設備使用現狀

固控設備的使用與鉆井區塊、層位、排量、鉆井液密度和固控設備的處理量密切相關，因此主要分為2種情況。

1）φ311.1 mm及以上尺寸大井眼，明化鎮、館陶組非目的層段，巖性以砂泥巖互層為主，鉆井液密度一般小于1.20 g/cm3。鉆井排量達到60 L/s，同時并聯開啟2～3臺振動篩，選擇孔徑為0.154～0.180 mm篩布，個別井隊僅能用到孔徑為0.280～0.450 mm的篩布；地層造漿嚴重，密度上升快，除砂器和中速離心機（1臺）全開。

2）φ215.9 mm及以下尺寸井眼鉆進，層位為目的層段，鉆井液排量不大于30 L/s時，根據鉆井液密度選擇使用。①鉆井液密度小于1.20 g/cm3，主要地質區塊、層位為南堡4#構造館陶組、唐海周邊潛山、高尚堡館陶組、南堡潛山，鉆井排量相對較小，同時并聯開啟2～3臺振動篩，選擇孔徑小于0.125 mm的篩布，除砂器和中速離心機（1臺）全開。②鉆井液密度為1.20～1.25 g/cm3，主要地質區塊、層位為南堡2#、南堡3#人工島、南堡3-2平臺館陶組、東營組東一段地層，同時并聯開啟2～3臺振動篩，選擇孔徑小于0.125 mm的篩布，除砂器全開，鉆井液需要加重，離心機使用與③中開啟方法相同。③鉆井液密度大于1.25 g/cm3，主要地質區塊、層位為高尚堡、柳贊、南堡東營組東二段及以下地層，鉆井液需要加重，振動篩并聯開啟1～2臺，選擇孔徑為0.090～0.125 mm篩布，除砂器全開，除泥器開啟率為50%，離心機開啟原則是有2種情況：常規情況下，在進行鉆井液加重前、短程起下鉆后、起下鉆后開啟2～3循環周；鉆進過程中，一部分采取每日開啟8 h，并控制進液量，另一部分根據進尺快慢、性能變化等情況開啟，鉆井液密度越高，開啟時間越少。

2 固相控制工藝技術

2.1 影響鉆井液固相控制的因素

2.1.1 地層特性

南堡油田1#構造泥巖黏土礦物的縱向分布類型為蒙皂石向伊利石正常轉化型，地層分布自上而下為：明化鎮、館陶組、東營組和沙河街組地層。各層位地層特性及對鉆井液固相控制的影響主要表現如下。

1）鉆遇上部明化鎮和館陶組地層時，黏土礦物以高嶺石和蒙脫石為主，其次是綠泥石和伊利石，其中高嶺石相對含量為7%～17%，蒙脫石相對含量為74%～84%，由于上部地層為大段砂泥巖互層，砂巖疏松，泥巖回收率較低、水化分散能力強，造漿能力強，且上部井段設計井眼尺寸大、鉆速快，返出巖屑多，極易堵塞振動篩篩孔，為了防止跑漿現場更換小目數篩布，且鉆井液中分散的蒙脫石、高嶺石粒徑中值極小，固控設備不能完全處理返出鉆井液，導致鉆井液中固相含量控制困難，同時，分散后的黏土礦物表面積增加，對應的吸附亞甲基藍量增加，表現為鉆進過程中膨潤土含量急劇增加。

2）東一段、東二段地層黏土礦物以伊/蒙間層、高嶺石為主，其次是綠泥石、伊利石，其中高嶺石相對含量為9%～11%，伊/蒙間層相對含量為77%～83%，此段地層為砂泥巖互層，井眼尺寸相對較小、鉆速快，泥巖回收率低、水化分散能力強，固控設備能較好地處理返出的鉆井液，此井段固相控制相對較容易。

3）進入東三段和沙河街地層之后，黏土礦物以伊利石和伊/蒙間層為主，其次為綠泥石和高嶺石，其中伊利石含量為21%～48%，伊/蒙間層相對含量為50%～84%，此段地層井眼尺寸較小，巖石壓實程度強，機械鉆速慢，泥巖清水回收率平均在80%以上，表現為水化分散能力弱，鉆進過程中鉆頭破巖產生的泥巖鉆屑顆粒雖然較大，但由于該井段平均鉆井液密度較高，固控設備尤其是除泥器、離心機等能分離細顆粒的設備使用受限，鉆井液中的固相含量受鉆頭重復研磨，發生細分散，同時，泥巖鉆屑中的黏土顆粒經過長時間地浸泡被充分水化分散，導致鉆井液中固控設備難以清除的黏土顆粒含量增加，表現為低密度固相含量增加和吸附亞甲基藍量增加。

2.1.2 鉆井液體系

冀東油田廣泛采用聚合物鉆井液體系，在南堡區塊增加KCl，提高鉆井液的抑制性，在深部地層增加抗高溫降濾失劑、封堵劑，提高鉆井液的抗溫能力。主要使用的鉆井液配方如下。其中加重劑、潤滑劑、pH調節劑根據需要加入。

1#（聚合物鉆井液） 3%膨潤土+1%銨鹽+0.5%PMHA-Ⅱ+2%磺化瀝青+2%超低滲處理劑+潤滑劑+加重劑+pH調節劑

2#（KCl成膜封堵低侵入鉆井液） 3%膨潤土+0.4%PMHA-II +3%SMP+2%降濾失劑+2%超低滲+2%超細鈣+2%磺化瀝青+（3%～5%）KCl+潤滑劑+加重劑+pH調節劑

3#（聚磺鉆井液） 3%膨潤土+0.3%PMHA-Ⅱ+2%SMP+2%SMC+2%磺化瀝青+2%超低滲處理劑+潤滑劑+加重劑+pH調節劑

4#（KCl抗高溫鉆井液） （3%～4%）膨潤土漿+0.8%DSP-2+（4%～6%）SPNH+（2%～3%）SMP+（0.5%～1%）SMT+0.5%聚胺+2%FT3000+（5%～8%）KCl+0.8%Na2SO3+0.1%ABSN+0.1%A-20+潤滑劑+加重劑+pH調節劑

根據實鉆情況分析，當前聚合物鉆井液體系具有一定包被、抑制鉆屑分散的能力，能夠較好地保證鉆屑被清除，但是其對造漿嚴重地層抑制效果有限，而在鉆井液體系中隨著KCl的加入及其含量增加，使得鉆井液的抑制性明顯增強，可抑制巖屑在鉆井液中的水化分散，在該類型鉆井液體系中膨潤土含量明顯較低；其中聚合物鉆井液體系和KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系通常為低密度體系，固相含量控制較低。聚磺鉆井液體系和KCl抗高溫鉆井液通常為高密度體系，固相含量較高。總之，鉆井液中不論是膨潤土含量還是固相含量的控制，機械固控能力不足則仍然會導致其增高，使得鉆井液穩定性變差。

2.1.3 固控設備配備和使用

油田各種鉆機基本配備齊全四級固控設備：振動篩2～4臺、旋流器包括除砂器、除泥器、一體機、離心機2臺。固控設備的工作流程為經井底循環返回的鉆井液中含有較大的鉆屑， 含屑鉆井液經連接管進入振動篩， 較大固相顆粒及其攜帶的部分鉆井液排出到泥漿池， 凈化后的鉆井液進入錐形罐， 完成一級凈化， 一級凈化為全處理。從錐形罐溢流出的鉆井液經過泥漿槽進入除砂艙， 經除砂器處理后的鉆井液進入除泥艙， 經除泥器處理后的鉆井液進入臨近的離心機艙， 通過離心機處理， 依次完成二級和三級凈化， 其中，二級和三級凈化為非全處理。

2.2 制定固相控制指標和措施

2.2.1 固相控制指標

1）固相含量的指標確定。密度小于1.20 g/cm3，固相含量控制在10%以內；密度為1.20～1.30 g/cm3， 固相含量控制在15%以內；密度為1.30～1.40 g/cm3，固相含量控制在20%以內；密度大于1.40 g/cm3，固相含量控制在25%。

2）膨潤土含量的指標確定。對于淡水鉆井液體系（包括聚合物體系和聚磺體系），密度小于1.25 g/cm3，膨潤土含量小于60 g/L；密度大于1.25 g/cm3，膨潤土含量小于70 g/L。對于KCl成膜封堵低侵入鉆井液體系，膨潤土含量小于50 g/L。對于KCl抗高溫鉆井液、低自由水體系，膨潤土含量小于40 g/L。

2.2.2 固相控制措施

結合目前油田對固相含量及膨潤土含量的控制現狀，及深入分析地層造漿原理，針對固相含量控制制定的措施如下。

1）三開鉆井液的配制及轉換。①放掉地面老漿，徹底清理地面循環系統。放入所需配漿清水，根據鉆井液配方按順序依次加入處理劑（加重至設計密度后地面鉆井液總量約為130 m3）；②在振動篩篩床上鋪防滲布，下鉆過程中，井內返出老漿通過振動篩篩面放入沉砂池；③根據井內老漿膨潤土含量，確定井內老漿的去留情況，混合后測定鉆井液膨潤土含量不大于30 g/L，使用老漿量不超過20%。

2）鉆進過程中固相含量控制。①鉆進過程中，膠液罐中補充大分子包被劑（分子量大于600萬），維持其含量不低于0.3%，抑制鉆屑的分散，把鉆井液固相含量控制在較低的水平；②鉆井過程中，增加鉀、銨、醇類處理劑用量，提高鉆井液的抑制性，抑制泥頁巖的水化膨脹和分散。

3）規范固控設備使用。①三開開鉆后振動篩孔徑不大于0.100 mm，如設備條件允許可使用孔徑為0.090 mm篩布（若設備不允許，則使用以不跑漿為原則的最高目數，但不能大于0.125 mm）。振動篩上翹角度不宜超過5°，同一振動篩篩布要使用相同的目數，要勤檢查，勤維護，鉆井液要到篩布外沿的10 cm處，逐步提高篩布的目數。三開鉆進過程中，24 h滿負荷運轉并保證除砂效果良好；②除砂器24 h滿負荷運轉并保證使用效果良好，除泥器根據實鉆情況確保開動率達到80%；③在鉆進過程中離心機每天開啟不小于8 h；④配備高速離心機的隊，按照使用規程使用率不低于80%。二開加強使用低速離心機，三開使用好高速離心機，如果有問題及時報廠家檢修。

3 現場造漿機理和固控技術應用

3.1 地層造漿機理

通過對現場膨潤土含量變化規律總結，對比返出的巖屑和鉆井液性能變化，高尚堡高深區塊三開井段主要造漿地層為Ed3、Es1、Es31亞段（斜深為2 600～3 200 m），巖性為灰色泥巖。 實驗方法為室內選用該層段鉆進時振動篩返出的巖屑，用清水清洗表面附著物，自然晾干備用，取50 g過100目篩網的巖屑，混入現場聚磺鉆井液中，充分攪拌后進行實驗。實驗中取沙一段巖屑進行滾動回收率實驗，常溫測定鉆井液膨潤土含量為42 g/L，選取的巖屑混入鉆井液中充分攪拌后，在熱滾爐中于100 ℃下熱滾16 h，然后過濾、烘干測定回收巖屑32.28 g，鉆井液膨潤土含量為50 g/L。數據對比顯示，所取巖屑在聚磺鉆井液中熱滾后水化分散嚴重，且水化分散后細黏土顆粒進一步吸附亞甲基藍，導致鉆井液中膨潤土含量增加。

進行了鉆屑連續滾動回收實驗。取一定量篩濾后的巖屑，在熱滾爐中按一定條件熱滾一定時間，然后烘干測定回收巖屑及膨潤土含量，見圖1、圖2。

圖1 膨潤土含量隨熱滾時間的變化

圖2 巖屑回收率隨熱滾時間的變化

圖1 、圖2結果表明，隨著時間的增加，可回收的巖屑數量逐漸減小，鉆井液中膨潤土含量逐漸增大，最后均趨于平穩。

根據X衍射和掃描電鏡資料分析，高尚堡深層黏土礦物主要有伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石、伊利石，其中以綠泥石及伊/蒙混層為主，約占20%～90%，其次是高嶺石，約占57%，伊利石含量最小，約為1%～14%。結合黏土礦物特性及實驗數據，可以得出高尚堡深部地層造漿機理為：①巖屑脫離井底進入鉆井液中的前4 h，可以將一定量的泥巖分散到鉆井液中，造成巖屑含量降低，但是鉆井液吸附亞甲基藍量不增加，第一個循環周對返出巖屑的清除至關重要；②巖屑繼續在鉆井液中浸泡，回收巖屑量在減少的同時，鉆井液吸附亞甲基藍量逐漸增加。表現為固控設備未清除的有害固相顆粒，在鉆井液中水化分散，低密度固相中泥質顆粒吸附亞甲基藍；③巖屑繼續在鉆井液中浸泡到一定程度后，回收巖屑量不再減少，膨潤土含量繼續增加，最終吸附亞甲基藍量也趨于穩定。表現為通過大分子包被處理、 固控設備清除， 未清除的泥質顆粒經井底繼續破碎， 細分散為不能被固控設備清除的黏土顆粒，此時巖屑的水化分散達到最大化，巖屑量不再減少，而黏土顆粒繼續水化分散表面積增大，吸附亞甲基藍量逐漸增大，最終趨于平穩。

3.2 固控技術應用效果分析

該技術在高尚堡區塊應用7口井，這7口井井深范圍為3 070～3 316 m，三開裸眼段長為737～1 062 m，鉆遇層位為東營組和沙河街組地層，通過對鉆井過程中鉆井液配制、大分子處理劑加量和固控設備的使用分析（見表3），G76-65和G76-61井，膨潤土含量從新配漿的28～46.3 g/L上升至完鉆時的57～64.1 g/L，而且測井無遇阻卡情況。

表3 高尚堡區塊膨潤土含量控制

分析G76-79和G76-78井遇阻卡的原因為，G76-79井鉆井液配制、大分子處理劑使用和振動篩、除砂器使用合理，離心機利用率較低，所以膨潤土含量上漲較快，完鉆時達到74.8 g/L，鉆井液API濾失量最高時為6.8 mL，測井遇阻井深為2 502 m，該井段井斜為25.73°，狗腿度為0.49°/30 m，井徑由248 mm降至216 mm，主要原因是井徑縮徑造成的測井遇阻；G76-78井鉆井液配制不合理，大分子處理劑使用和固控設備使用合理，膨潤土含量變化范圍為69～114 g/L，鉆井液API濾失量為 2.6～3.8 mL， 遇阻、 遇卡井段為 3 016～3 030 m，該井段井斜為37.15°，狗腿度為0.42°/30 m，井徑規則，遇阻卡原因為膨潤土含量高，泥餅虛厚。

4 結論與認識

1. 總結了油田各區塊固相含量和膨潤土含量，表明目前對于鉆井液固相含量和膨潤土含量參數控制不能滿足油田鉆井技術要求。

2. 對油田在用固控設備的配備和使用情況進行分析表明，固控設備數量和技術參數滿足鉆井需求，但各鉆井隊配備數量各異，使用方法均不統一。

3. 制定的固相控制工藝技術有利于降低鉆井液中固相含量和膨潤土含量，提高鉆完井質量。

4. 下步應按照制定的固相控制指標及固相控制措施，加大對油田范圍內鉆井液固相含量和膨潤土含量進行控制，從而提高鉆井速度、降低鉆井成本、預防井下事故、保護油氣層。

參 考 文 獻

[1] 裴建忠. 鉆井液固控系統優化配置研究[J].石油鉆采工藝，2012，34（2）：23-28.PEI Jianzhong. Optimization of solid control system of drilling fluid [J]. Oil Drilling & Production Technology，2012，34（2）：23-28.

[2] 鄢捷年.鉆井液工藝學[M].山東：石油大學出版社，2001：271-305.YAN Jienian.Drilling fluid technology[M]. Shandong：Petroleum University Press， 2001 ：271-305.

[3] 張玉華， 李國華， 熊亞萍， 等.鉆井液固控系統配套現狀及改進措施 [J].石油礦場機械， 2007， 36（12）：84-87.ZHANG Yuhua， LI Guohua， XIONG Yaping， et al. The current status and improvement methods of mud solid control system [J].Oil Field Equipment， 2007， 36（12）：84-87.

[4] 韓國英，韓雙然，范應璞，等.冀東南堡地區鉆井液固控設備優化使用與改進[J].鉆井液與完井液，2012，29（2）：39-40，43．HAN Guoying， HAN Shuangran， FAN Yingpu， et al.Optimization and improvement of solid control equipment of drilling fluid in Jidong Nanpu oilfield [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2012，29（2）：39-40，43．

[5] 王宗明，王瑞和. 油田鉆井固控技術新概念淺析[J].石油鉆采工藝，2008，30（6）：34-36.WANG Zongming，WANG Ruihe. New Concepts Concerning Solid Controltechnology In Oil Drilling Engineering [J]. Oil Drilling & Production Technology，2008，30（6）：34-36.

[6] 程玉生，張立權，莫天明，等 . 北部灣水基鉆井液固相控制與重復利用技術 [J]. 鉆井液與完井液，2016，33（2）：60-63.CHENG Yusheng， ZHANG Liquan， MO Tianming.Solids control and re-use of water base drilling fluid in Beibu Gulf[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2016，33（2）：60-63.