钻井过程中泥球形成的影响因素探讨

刘海水，王 超，魏子路，钟 超

(1.中海油服油化事业部塘沽基地，天津 300452；2.中国石油长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京 100101；3.江汉石油管理局江汉采油厂采油四队，湖北 潜江 433122)

随着钻井技术的不断提高，很多油田在开发过程中都成功地实施了快速钻井，取得了突破性的成功。但是，快速钻井技术的实施也带来了一些技术问题，如当钻遇大段质纯而软的活性软泥页岩段时，由于机械钻速快，钻井过程中会形成大量的泥球，特别是在大斜度井返速低的井眼段，形成泥球的情况更加严重，造成环空间隙变窄、起下钻不畅，严重时甚至环空不通、憋漏井眼、卡死钻具，给作业带来严重损失[1，2]。

钻井过程中钻屑形成泥球的影响因素有内因和外因，其中内因主要是钻屑本身的性质，包括钻屑的粘土矿物组成和钻屑的表面性质[3]。此外，钻屑的颗粒级配、钻井液中钻屑和膨润土的含量、钻井液的抑制性能等外部因素也对泥球的形成有一定的影响。为此，作者就活性软泥页岩钻屑性质以及钻井液体系的组成等对泥球形成的影响进行了室内研究，以便清楚地认识泥球形成的原因和机理。

1 模拟泥球形成实验装置

实验室常用的滚子炉及老化罐由于在滚动过程中速度慢、转动半径小，岩样总是处于底部，岩样颗粒之间相互碰撞的机会较少，不容易形成泥球。鉴于此，研制了能有效模拟泥球形成的HFZO-1型翻转加热炉及相应的老化罐。与常规的热滚炉不同之处是：常规的热滚炉是沿轴向滚动，而翻转加热炉中老化罐沿径向进行360°的翻转，这样岩样在老化罐中就可以上下翻转，大大增加了岩样之间相互碰撞、粘结的机会，与现场钻井过程中井下钻屑的运动状态非常相似。设计的翻转加热炉的照片见图1。

图1 模拟泥球形成实验装置

2 泥球形成的影响因素

2.1 模拟岩样粘土矿物组成及钻屑表面性质

由于实验所用钻屑用量大，为了保证岩样的粘土矿物组成的一致性，室内研究选择露头岩样代替活性软泥页岩，并用X-射线衍射对其粘土矿物组成进行了分析。结果表明，露头岩样的粘土含量较高(30.64%)，主要以伊蒙混层为主，且混层比(85)高，容易水化分散，其粘土矿物组成为：I/S 73.0%、I 27.0%，CEC值为262 mmol·kg-1。

钻屑的粘土矿物组成中蒙脱石含量高，水合活性就高，阳离子交换容量大、吸附结合水能力强，钻屑表面更易于水化，致使钻屑之间相互粘结形成泥球[4，5]。

2.2 钻井液配方及性能

室内研究采用中海油湛江分公司东方1-1油田钻井现场作业过程中容易形成泥球井段所使用的钻井液，其配方为：5%海水膨润土浆+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。

钻井液常规性能见表1。

表1 钻井液常规性能

2.3 钻屑颗粒级配的影响

分别在400 mL钻井液中加入200 g不同颗粒级配的露头岩样，放入翻转老化罐中，在模拟井下温度(80 ℃)的条件下热滚1.5 h，结果见表2及图2。

表2 露头岩样颗粒级配对泥球形成的影响

图2 钻屑颗粒级配对泥球形成的影响

由表2和图2可以看出，钻屑的颗粒级配对泥球的形成有一定的影响。钻屑直径越大，越容易形成泥球；而当存在较大直径钻屑时，小颗粒钻屑越多，形成泥球的直径也越大，且更加结实。

本实验中3#实验样最容易形成泥球，后续实验均采用其颗粒级配钻屑进行，即：4～10目50%、10～20目25%、40～60目15%、100目以下10%。

2.4 钻屑含量的影响

按照选定的钻井液配方及钻屑颗粒级配，考察钻井液中钻屑含量对泥球形成的影响，结果见图3。

钻屑含量，a～e：10%、20%、30%、40%、50%

由图3可以看出，钻井液中钻屑含量对泥球形成有较大影响，钻屑含量越高，形成泥球的可能性就越大，且泥球的硬度越高。表明快速钻井造成钻井液中钻屑的含量过高，是形成泥球最主要的因素之一。

2.5 钻井液抑制性能的影响

钻井液中添加KCl可以提高其抑制性能。按选定的钻屑颗粒级配，在钻井液中钻屑含量为20%的条件下，考察钻井液配方中KCl加量对泥球形成的影响，结果见图4。

KCl加量，a～e：0%、3%、5%、7%、9%

由图4可以看出，添加KCl提高钻井液抑制性能可在一定程度上缓解泥球的形成，但效果不明显，其主要原因是K+的镶嵌作用虽然可使钻屑硬化，但并不能使钻屑的表面性质发生质的变化，也就无法从根本上改变钻屑表面的水化作用。因此，单纯靠添加KCl来抑制泥球的形成是不科学的。

2.6 钻井液膨润土含量的影响

钻井液配方为：膨润土+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。

不同膨润土含量钻井液的常规性能见表3。

表3 不同膨润土含量钻井液的常规性能

钻屑含量为20%，按照不同膨润土含量的钻井液配方进行模拟泥球形成实验，结果见图5。

膨润土含量，a～f：2%、3%、4%、5%、6%、8%

由图5可以看出，钻井液膨润土含量对泥球形成有一定影响，当钻井液中膨润土含量较低时，没有泥球形成；随着膨润土含量的增加，泥球形成的现象逐渐严重；但当钻井液中膨润土含量超过一定范围后，又没有泥球形成。原因主要是：钻井液中膨润土含量越高，钻井液的MBT值越高，钻井液中活性土含量越高，泥球越容易形成；当钻井液中膨润土含量超过一定范围后，钻井液增稠现象严重，此时，钻井液的运动趋于整体运动，钻屑相互碰撞的机会减小、相互之间发生粘结的几率降低，从而在一定程度上防止了泥球的形成。

3 结论

(1)研制出能有效模拟泥球形成的翻转加热炉HFZO-1，该仪器操作简便，实验重复性较好。

(2)钻屑的粘土矿物组成和钻屑的表面性质是影响钻屑形成泥球的内部因素。

(3)钻屑的颗粒级配对泥球的形成有一定的影响。钻屑直径越大，越容易形成泥球；而当存在较大直径钻屑时，小颗粒钻屑越多，形成泥球的直径也越大，且更加结实。

(4)钻井液中钻屑含量对泥球形成有较大影响。钻井液中钻屑含量越高，形成泥球的可能性就越大，且泥球的硬度越高。

(5)采用KCl提高钻井液抑制性能可在一定程度上缓解泥球的形成，但效果不明显。

(6)钻井液膨润土含量对泥球形成有一定影响，当钻井液中膨润土含量较低时，没有泥球形成；随着膨润土含量的增加，泥球形成的现象逐渐严重；但当钻井液中膨润土含量超过一定范围后，又没有泥球形成。

[1] 鄢捷年．钻井液工艺学[M]．东营：石油大学出版社，2001：108-111．

[2] 徐同台．油气田地层特性与钻井液技术[M]．北京：石油工业出版社，1998：519-523.

[3] 蒲晓林，梁大川，王平全，等．抑制钻屑形成泥球的钻井液研究[J]．西南石油学院学报，2002，24(2)：46-49．

[4] 孙金声，杨宇平，安树明，等．提高机械钻速的钻井液理论与技术研究[J]．钻井液与完井液，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.