一種預測鉆井液產生泥球的室內實驗方法

王淑儀，許明標，，由福昌，鄧聰，汪夯志

（1.長江大學石油工程學院，武漢 430100；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

鉆井過程中某些地層含有大量的泥巖，被鉆頭破碎后形成鉆屑在環空與鉆井液混合，上返過程中逐漸聚集使得鉆井液中形成泥球，導致井下環空容積變小，起下鉆不暢通，返出的泥球還可能會堵塞管道、振動篩等設備，嚴重影響石油開采作業安全與時效。國內外在評價鉆井液性能方面已經建立了各種規范和評價方法，但是沒有一種用于評價鉆井液產生泥球的方法，因此亟需能夠在鉆井實施前對鉆井液是否產生泥球進行預測。筆者建立的方法能實現這一目的，且操作簡單，所使用的設備是常規鉆井過程中的常用設備，無需專門生產或購置新型設備，預測成本較低。

1 泥球產生的原因及現有評價方法

1.1 泥球產生的原因

產生泥球的因素有很多，鉆遇活性黏土地層、鉆屑黏土發生水化、鉆屑表面性質、井眼凈化能力較差、鉆井液黏度和切力較高以及鉆井液復雜的電化學環境等都易使鉆屑形成泥球。

如果地層的黏土礦物組成中蒙脫石含量高，由于晶格膨脹和晶格取代作用，水化的陽離子進入晶層之間，表現為吸附結合水能力強，鉆屑表面易于水化，從而導致鉆屑之間相互黏結形成泥球。前人對泥球形成的影響因素研究結果表明，鉆屑的顆粒大小、鉆井液中的鉆屑含量、膨潤土含量等因素對泥球的形成也有一定的影響[1-4]。

鉆屑顆粒表面存在的官能團能夠使其發生水化反應并具有化學反應活性，與鉆井液中的處理劑發生反應，而鉆井液體系中含有多種有機和無機處理劑，其電化學環境非常復雜，高分子鏈及無機鹽必然影響鉆屑表面的電動電位和水化膜厚度，改變表面特性，為鉆屑顆粒之間相互黏結創造條件。當鉆井液的流變性能不能滿足攜巖要求時，鉆屑會滯留環空，造成鉆屑局部濃度過高而積累，從而極易通過反復碰撞黏結形成泥球[5]。

鉆井設備和技術方面若泵排量和環空返速達不到需求，鉆井液上返速度過慢，不能及時有效地清潔井底和鉆頭，尤其軟泥巖鉆進過程中，鉆壓不穩定或大段起下鉆不“勤點少放”刮削了井壁的虛厚泥餅，還易造成鉆頭泥包[6-7]。

地層條件、鉆井設備和技術都受客觀條件所限制，只能從鉆井液本身性能上進行改進與優化，因此需要在鉆井液投入使用前對鉆井液是否會產生泥球進行預測，并將預測結果作為對鉆井液進行改進的依據。

1.2 現有的泥球評價方法

目前國內外在評價鉆井液性能方面已經建立了各種規范和評價方法，但是沒有一種用于預測鉆井液中是否會產生泥球的評價方法。劉海水采用了一種模擬泥球實驗裝置評價泥球產生的方法，但是該方法并未給出具體的實驗方法和詳細參數，并且未給出升溫速率和轉數，這樣無法有效達到評價泥球的效果[8]。郝彬彬提到了一種鉆井液泥包的評價方法，該方法雖然也具有一定的代表性，但是該方法無法評價泥球的產生，并且具體的實驗方法和詳細參數也不齊全[9]。因此，為評價鉆井液產生泥球的原因，更好地指導現場作業，需要一種系統評價鉆井液產生泥球的方法[10]。

2 評價方法的建立

該方法可以系統評價不同鉆井液在不同條件下產生泥球的趨勢，得到不同鉆井液體系容易產生泥球的溫度和滾動時間，有利于對鉆井液產生泥球的原因進行分析，并根據分析使用更加合適的處理劑優化鉆井液配方。

2.1 評價方法的設計

鉆井過程中含有大量泥巖的地層被鉆頭破碎后形成鉆屑與鉆井液混合，上返過程中逐漸聚集使得鉆井液中形成泥球。張巖的實驗結果顯示鉆屑直徑越大越容易形成泥球，且隨著鉆屑含量的增加泥球形成的可能性越大[2]。因此鉆屑直徑和鉆屑含量均會影響泥球的產生情況。根據現場反饋，鉆井液升溫速率越快、鉆井液流速越慢都會使鉆井液中更易產生泥球，且地層溫度、循環時間都對其有影響。

為了最大程度模擬井下泥球形成的過程，首先取用待鉆井區域的地層巖石依次進行粉碎，粉碎后的巖屑顆粒粒徑為0.030～0.076 mm，然后用糖衣機進行濕法造粒，得到粒徑為2.0～3.2 mm、含水率為5%～35%的巖屑顆粒，以此模擬鉆井過程中鉆井液中所攜鉆屑。通過控制所添加的人造含水巖屑顆粒的質量來模擬鉆井液不同鉆屑含量。由滾動加熱爐來模擬地層溫度和實現流體的流動。

考慮到鉆具的上下運動使鉆井液流態復雜化，還會對鉆屑造成擠壓，因此使用一定直徑的鋼球放入待測鉆井液中一同熱滾，模擬鉆井液的層流和紊流運動，實現同向黏結；同時增加鉆井液中固相顆粒之間的碰撞概率，加強對固相顆粒的擠壓作用。人造含水巖屑顆粒所含黏土礦物在鋼球和人造顆粒之間的吸附可以轉變高能界面，降低體系總能量，所以人造顆粒吸附在鋼球表面是必然的。挖開室內實驗得到的泥球，內干外濕，與現場得到的泥球表現一致。挖開的泥球樣本見圖1。

圖1 挖開的泥球樣本

2.2 實驗方法

人造含水巖屑顆粒、鋼球、泥球樣本見圖2 和圖3。

圖2 人造含水巖屑顆粒樣本

圖3 泥球和鋼球樣本

根據井下產生泥球的條件和過程建立此方法，步驟如下。①將準備用的鉆屑磨粉，鉆屑可以用地層巖心（屑）、鈉膨潤土、蒙脫石、伊利石中的一種或任意比例復配，篩取粒徑為0.030～0.076 mm 的鉆屑粉裝入糖衣機，在滾動條件下間斷地使用淡水噴淋，經過滾動產生顆粒后，用標準篩篩取2.0～3.2 mm 的鉆屑顆粒備用；②測試鉆屑顆粒的含水量，選用含水量為15%～25%之間的鉆屑顆粒；③配制所需評價的鉆井液，裝入陳化釜350 mL，取一個直徑25 mm 的鋼球，稱其質量并記錄后投入陳化釜；④取制備好的鉆屑顆粒20～120 g裝入陳化釜內；⑤將陳化釜放入滾子加熱爐中，設定滾子加熱爐轉速為25～100 r/min，升溫速率為（2～8）℃/min，目標溫度為鉆井液所需評價的溫度；⑥滾動并加熱30～180 min 后停止，取出陳化釜冷卻至室溫；⑦打開陳化釜，用樣品勺挖出鋼球，如有泥球，一并挖出，測量此時泥球質量和尺寸，拍照記錄形態并算出前后泥球質量差，以此可評價鉆井液產生泥球的趨勢。

3 不同體系鉆井液泥球產生趨勢評價

該方法可以評價不同鉆井液在不同條件下產生泥球的趨勢，此處以兩種現場應用時不加相應處理劑會有泥球產生的鉆井液體系為例進行評價。

3.1 油基體系鉆井液泥球產生趨勢評價

油基鉆井液配方為320 mL 3#白油+80 mL 25%質量分數的氯化鈣鹽水+1%油酸+2%烷基苯磺酸鈣+2%CaO+2%有機土+3%氧化瀝青+2%有機褐煤樹脂+40%重晶石。選用蒙脫石磨粉制成含水率為22%的人造含水巖屑顆粒。根據上述實驗方法，加入18%的人造含水巖屑顆粒，滾子加熱爐轉速定為60 r/min，按表1 實驗條件分別評價了不同滾動時間該油基鉆井液的泥球產生情況，實驗結果如表1 所示。

表1 油基鉆井液不同目標溫度泥球產生情況

實驗結果顯示，該油基體系在目標溫度為120 ℃和150 ℃下，滾動時間低于30 min 時，均有泥球產生，高于35 min 均無泥球產生。表明固定目標溫度時，滾動時間對形成泥球的影響最大，且該體系在120 ℃和150 ℃下超過35 min 不易形成泥球。將滾動時間定為30 min，目標溫度為150 ℃，以同樣的配方加入18%含水率為22%的人造含水巖屑顆粒按表2 所示進一步實驗。

表2 油基鉆井液不同升溫速率泥球產生情況

實驗結果顯示，滾動時間相同時，升溫速率慢，不易形成泥球，溫度達到120 ℃后有形成泥球的趨勢，且升溫速率越快，泥球質量差越大。

該配方應用于現場時為防止泥球產生加入了1%潤濕劑ZFA，處理后情況得到改善幾乎沒有泥球產生。分析其原因是ZFA 的親水基團吸附在親水的人造膨潤土顆粒表面，造成潤濕反轉，顆粒能在油相中較好地分散和懸浮，不易黏附和聚結成球，達到了預防形成泥球的目的。

室內實驗也加入1%潤濕劑ZFA 以此檢驗本方法的有效性。考慮到滾動加熱的時間延長有可能使吸附和聚集在鋼球表面發生過物理和化學反應的鉆屑脫落，在表2 的實驗基礎上，在更長的加熱時間范圍內進行實驗，實驗條件和結果見表3。實驗結果表明，加入1%ZFA 后，加快升溫速率和達到目標溫度后，延長滾動時間均無泥球產生，該方法預測結果與現場實際結果一致。

表3 油基鉆井液加入1%ZFA 泥球產生情況

3.2 水基鉆井液泥球產生趨勢評價

以氯化鉀聚合物體系為例，配方為400 mL水+3%膨潤土+0.1%NaOH+0.2%Na2CO3+0.3%聚陰離子纖維素+0.3%羥乙基纖維素+0.3%聚丙烯酰胺+1.5%改性淀粉+1.5%封堵劑+5%KCl+30%重晶石。將鈉膨潤土制成含水率為20%的顆粒備用。按照本方法評價流程進行實驗，人造含水巖屑顆粒加量為18%，滾子轉速為60 r/min，結果見表4。

表4 水基鉆井液不同實驗條件的泥球產生情況

實驗結果顯示，形成泥球對溫度有要求，且溫度較高時，該水基體系超過20 min 不易形成泥球。為改善鉆井液性能加入2%UHIB，滾動時間為20 min，按照本方法變化其他實驗參數對泥球抑制劑的效果進行評價。

表5 水基鉆井液泥球抑制劑效果評價

實驗結果顯示，該水基體系加入2%UHIB 后，加快升溫速率、變化滾子轉速和增加人造含水巖屑顆粒含量均無泥球產生，說明UHIB 起到了預防泥球的作用，改進了鉆井液性能。分析原因為UHIB主要為小分子陽離子聚合物，具有較高密度的胺基基團，能進入黏土層間，減弱黏土的晶格膨脹作用，抑制黏土水化造漿，不易聚集和吸附在鋼球表面形成泥球。該泥球抑制劑應用于現場后，鉆井液中少有泥球產生，與實驗評價結果一致。

4 結論

1.采用鉆完井液性能評價過程中使用的常規設備，通過加入鋼球豐富陳化釜中鉆井液流態的同時增加鉆井液中固相聚結和吸附的可能性，變化實驗參數對鉆井液中是否會產生泥球進行預測，是一套成本低廉、操作簡單且行之有效的方法。

2.鉆井液形成泥球對溫度有一定要求，所用油基體系到達120 ℃，30 min 內即有泥球產生；所用水基體系到達90 ℃，20 min 即有泥球產生。加入的ZFA 和UHIB 均能在各自體系中防止泥球的產生，可作為預防鉆井液產生泥球的常用手段，提高鉆井效率和鉆井過程的安全性，同時證明了本預測方法的有效性和實用性。