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    鉆井過程中泥球形成的影響因素探討

    2011-07-26 03:30:00劉海水魏子路
    化學(xué)與生物工程 2011年8期
    關(guān)鍵詞:泥球鉆屑巖樣

    劉海水,王 超,魏子路,鐘 超

    (1.中海油服油化事業(yè)部塘沽基地,天津 300452;2.中國石油長城鉆探工程有限公司鉆井液公司,北京 100101;3.江漢石油管理局江漢采油廠采油四隊(duì),湖北 潛江 433122)

    隨著鉆井技術(shù)的不斷提高,很多油田在開發(fā)過程中都成功地實(shí)施了快速鉆井,取得了突破性的成功。但是,快速鉆井技術(shù)的實(shí)施也帶來了一些技術(shù)問題,如當(dāng)鉆遇大段質(zhì)純而軟的活性軟泥頁巖段時(shí),由于機(jī)械鉆速快,鉆井過程中會(huì)形成大量的泥球,特別是在大斜度井返速低的井眼段,形成泥球的情況更加嚴(yán)重,造成環(huán)空間隙變窄、起下鉆不暢,嚴(yán)重時(shí)甚至環(huán)空不通、憋漏井眼、卡死鉆具,給作業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失[1,2]。

    鉆井過程中鉆屑形成泥球的影響因素有內(nèi)因和外因,其中內(nèi)因主要是鉆屑本身的性質(zhì),包括鉆屑的粘土礦物組成和鉆屑的表面性質(zhì)[3]。此外,鉆屑的顆粒級(jí)配、鉆井液中鉆屑和膨潤土的含量、鉆井液的抑制性能等外部因素也對(duì)泥球的形成有一定的影響。為此,作者就活性軟泥頁巖鉆屑性質(zhì)以及鉆井液體系的組成等對(duì)泥球形成的影響進(jìn)行了室內(nèi)研究,以便清楚地認(rèn)識(shí)泥球形成的原因和機(jī)理。

    1 模擬泥球形成實(shí)驗(yàn)裝置

    實(shí)驗(yàn)室常用的滾子爐及老化罐由于在滾動(dòng)過程中速度慢、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小,巖樣總是處于底部,巖樣顆粒之間相互碰撞的機(jī)會(huì)較少,不容易形成泥球。鑒于此,研制了能有效模擬泥球形成的HFZO-1型翻轉(zhuǎn)加熱爐及相應(yīng)的老化罐。與常規(guī)的熱滾爐不同之處是:常規(guī)的熱滾爐是沿軸向滾動(dòng),而翻轉(zhuǎn)加熱爐中老化罐沿徑向進(jìn)行360°的翻轉(zhuǎn),這樣巖樣在老化罐中就可以上下翻轉(zhuǎn),大大增加了巖樣之間相互碰撞、粘結(jié)的機(jī)會(huì),與現(xiàn)場鉆井過程中井下鉆屑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常相似。設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)加熱爐的照片見圖1。

    圖1 模擬泥球形成實(shí)驗(yàn)裝置

    2 泥球形成的影響因素

    2.1 模擬巖樣粘土礦物組成及鉆屑表面性質(zhì)

    由于實(shí)驗(yàn)所用鉆屑用量大,為了保證巖樣的粘土礦物組成的一致性,室內(nèi)研究選擇露頭巖樣代替活性軟泥頁巖,并用X-射線衍射對(duì)其粘土礦物組成進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,露頭巖樣的粘土含量較高(30.64%),主要以伊蒙混層為主,且混層比(85)高,容易水化分散,其粘土礦物組成為:I/S 73.0%、I 27.0%,CEC值為262 mmol·kg-1。

    鉆屑的粘土礦物組成中蒙脫石含量高,水合活性就高,陽離子交換容量大、吸附結(jié)合水能力強(qiáng),鉆屑表面更易于水化,致使鉆屑之間相互粘結(jié)形成泥球[4,5]。

    2.2 鉆井液配方及性能

    室內(nèi)研究采用中海油湛江分公司東方1-1油田鉆井現(xiàn)場作業(yè)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。

    鉆井液常規(guī)性能見表1。

    表1 鉆井液常規(guī)性能

    2.3 鉆屑顆粒級(jí)配的影響

    分別在400 mL鉆井液中加入200 g不同顆粒級(jí)配的露頭巖樣,放入翻轉(zhuǎn)老化罐中,在模擬井下溫度(80 ℃)的條件下熱滾1.5 h,結(jié)果見表2及圖2。

    表2 露頭巖樣顆粒級(jí)配對(duì)泥球形成的影響

    圖2 鉆屑顆粒級(jí)配對(duì)泥球形成的影響

    由表2和圖2可以看出,鉆屑的顆粒級(jí)配對(duì)泥球的形成有一定的影響。鉆屑直徑越大,越容易形成泥球;而當(dāng)存在較大直徑鉆屑時(shí),小顆粒鉆屑越多,形成泥球的直徑也越大,且更加結(jié)實(shí)。

    本實(shí)驗(yàn)中3#實(shí)驗(yàn)樣最容易形成泥球,后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用其顆粒級(jí)配鉆屑進(jìn)行,即:4~10目50%、10~20目25%、40~60目15%、100目以下10%。

    2.4 鉆屑含量的影響

    按照選定的鉆井液配方及鉆屑顆粒級(jí)配,考察鉆井液中鉆屑含量對(duì)泥球形成的影響,結(jié)果見圖3。

    鉆屑含量,a~e:10%、20%、30%、40%、50%

    由圖3可以看出,鉆井液中鉆屑含量對(duì)泥球形成有較大影響,鉆屑含量越高,形成泥球的可能性就越大,且泥球的硬度越高。表明快速鉆井造成鉆井液中鉆屑的含量過高,是形成泥球最主要的因素之一。

    2.5 鉆井液抑制性能的影響

    鉆井液中添加KCl可以提高其抑制性能。按選定的鉆屑顆粒級(jí)配,在鉆井液中鉆屑含量為20%的條件下,考察鉆井液配方中KCl加量對(duì)泥球形成的影響,結(jié)果見圖4。

    KCl加量,a~e:0%、3%、5%、7%、9%

    由圖4可以看出,添加KCl提高鉆井液抑制性能可在一定程度上緩解泥球的形成,但效果不明顯,其主要原因是K+的鑲嵌作用雖然可使鉆屑硬化,但并不能使鉆屑的表面性質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變化,也就無法從根本上改變鉆屑表面的水化作用。因此,單純靠添加KCl來抑制泥球的形成是不科學(xué)的。

    2.6 鉆井液膨潤土含量的影響

    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%PF-JLX+0.2%PF-VIS+0.4%PF-PLUS。

    不同膨潤土含量鉆井液的常規(guī)性能見表3。

    表3 不同膨潤土含量鉆井液的常規(guī)性能

    鉆屑含量為20%,按照不同膨潤土含量的鉆井液配方進(jìn)行模擬泥球形成實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖5。

    膨潤土含量,a~f:2%、3%、4%、5%、6%、8%

    由圖5可以看出,鉆井液膨潤土含量對(duì)泥球形成有一定影響,當(dāng)鉆井液中膨潤土含量較低時(shí),沒有泥球形成;隨著膨潤土含量的增加,泥球形成的現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重;但當(dāng)鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后,又沒有泥球形成。原因主要是:鉆井液中膨潤土含量越高,鉆井液的MBT值越高,鉆井液中活性土含量越高,泥球越容易形成;當(dāng)鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后,鉆井液增稠現(xiàn)象嚴(yán)重,此時(shí),鉆井液的運(yùn)動(dòng)趨于整體運(yùn)動(dòng),鉆屑相互碰撞的機(jī)會(huì)減小、相互之間發(fā)生粘結(jié)的幾率降低,從而在一定程度上防止了泥球的形成。

    3 結(jié)論

    (1)研制出能有效模擬泥球形成的翻轉(zhuǎn)加熱爐HFZO-1,該儀器操作簡便,實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好。

    (2)鉆屑的粘土礦物組成和鉆屑的表面性質(zhì)是影響鉆屑形成泥球的內(nèi)部因素。

    (3)鉆屑的顆粒級(jí)配對(duì)泥球的形成有一定的影響。鉆屑直徑越大,越容易形成泥球;而當(dāng)存在較大直徑鉆屑時(shí),小顆粒鉆屑越多,形成泥球的直徑也越大,且更加結(jié)實(shí)。

    (4)鉆井液中鉆屑含量對(duì)泥球形成有較大影響。鉆井液中鉆屑含量越高,形成泥球的可能性就越大,且泥球的硬度越高。

    (5)采用KCl提高鉆井液抑制性能可在一定程度上緩解泥球的形成,但效果不明顯。

    (6)鉆井液膨潤土含量對(duì)泥球形成有一定影響,當(dāng)鉆井液中膨潤土含量較低時(shí),沒有泥球形成;隨著膨潤土含量的增加,泥球形成的現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重;但當(dāng)鉆井液中膨潤土含量超過一定范圍后,又沒有泥球形成。

    [1] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].東營:石油大學(xué)出版社,2001:108-111.

    [2] 徐同臺(tái).油氣田地層特性與鉆井液技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998:519-523.

    [3] 蒲曉林,梁大川,王平全,等.抑制鉆屑形成泥球的鉆井液研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):46-49.

    [4] 孫金聲,楊宇平,安樹明,等.提高機(jī)械鉆速的鉆井液理論與技術(shù)研究[J].鉆井液與完井液,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.

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