浅谈通过物理化学方法控制水平井井壁稳定

浅谈通过物理化学方法控制水平井井壁稳定

李鹏12李治君23方肖1

1长庆油田第一采油厂侯南作业区，陕西延安7160002长庆油田分公司致密油项目组甘肃庆阳7450003长庆油田油气工艺研究院陕西西安710021

摘要：泥页岩井壁不稳定是钻井作业中的一大难题，水平井作业中该问题尤为突出，为了更好的控制水平井钻井施工过程中的井壁坍塌问题，本文抛开力学原因（即钻井液密度）造成的井塌，从物理化学角度出发，研究分析井塌控制方法。本文先后对泥岩水化效应、钻井液滤失量、滤饼物性等方面进行分析，通过对钻井液组分的调整，优化了以上特性，达到了控制井壁坍塌的目的，同时也避免了单一的利用密度控制井塌后密度过高所产生的副作用。

关键词：水平井泥岩钻井液滤失量滤饼

1、泥岩水化效应对井壁稳定的影响

水基钻井液与泥页岩之间会产生水化作用并改变泥页岩中的应力状态和岩石强度，泥页岩的水化问题实际上是由于渗透水化作用引起的，渗透有两层含义，一是指流体在压差作用下在孔隙介质中运移，另一个是指泥页岩井壁存在半透膜特性，由于膜两侧流体的化学势不同而导致流体穿过半透膜发生运移，所以只有进行钻井液化学和井壁围岩力学的耦合研究，才能确定出在给定钻井液下保持井壁稳定所需的合理钻井液密度。然而，泥页岩并不是理想的半透膜，它不仅允许水通过，也允许部分溶质通过，水和溶质的运移改变了体系中各组分的化学势，泥页岩孔隙中流体的浓度不再是一个常数，建立了一个将水和溶质耦合流动结合到井壁稳定计算中的模型，其数值模拟结果表明，化学作用对井壁稳定有重要影响，从该模型中可以计算出给定泥页岩地层的防塌钻井液密度。

2、钻井液滤失量及滤饼物性对井壁稳定的影响

2.1钻井液滤失量

从比亲水量、能量守恒以及岩石断裂力学等方面分析了钻井液封堵特性和滤失量对防止井壁坍塌的重要作用。根据现场实例指出：岩石内部微裂纹在应力作用下的扩展促进了微裂纹的连接，随之侵入的钻井液滤液与岩石间的物理化学反应使岩石内能增加进一步加速了岩石裂纹的扩展，是造成井壁坍塌和失稳的主要原因。因此，加强钻井液封堵性能，降低钻井液滤失量，防止岩石与钻井液滤液间的物理化学作用是防止井壁坍塌的重要途径。即单轴抗压强度是单轴抗拉强度的8倍。在上覆岩层压力和地应力作用下，岩石原有平衡状态一旦被破坏，岩石内部微裂纹发生扩展或断裂后，使原本并不连通的微裂纹相互连接，而随之侵入的钻井液滤液进一步与之发生物理化学反应，加速了裂缝的扩展，成为井壁失稳的导火索。因此，使用封堵型钻井液，增强钻井液封堵性能，降低钻井液滤失量，对于防止裂缝扩展，减少井下事故复杂有着重要的意义。

2.2滤饼物性

钻井施工中，钻井液封堵性越强，泥饼孔隙度越小，失水越小，泥饼越薄，反之泥饼越厚。对常用固相处理剂形成泥饼的孔隙度进行对比发现：膨润土<石灰石<重晶石，即膨润土形成的泥饼孔隙度最小。泥饼强度是其承受液柱压差的能力，一般泥饼强度的测定采用单位厚度的泥饼被流体冲破的时间来定量评价泥饼强度，冲破泥饼的时间越长，则泥饼强度越高。实验证明膨润土形成的泥饼强度远高于石灰石和重晶石形成的泥饼强度。具有抑制和封堵效果的钻井液添加剂能增强滤饼的强度，尽管具有不同的作用机理；而一些分散剂或稀释剂会降低泥饼质量，特别是泥饼最大强度，通过实验发现无机盐类处理剂的加入将使钻井液滤饼厚度增大，强度降低，使泥饼质量整体特性变差。所以如何调整好各类处理剂加量及加入时机，对泥饼质量的影响至关重要。

3、钻井液组分的调整

3.1强抑制聚合物控制泥页岩水化效应

强抑制聚合物体系配方：清水+0.4%ZNP-1+0.3%K-PAM

水平井上部井段采用聚合物强抑制钻井液体系，钻穿泥岩段长的直罗地层及泥页岩段的延安和延长上部地层，目前所用的聚合物防塌剂基本都为阳离子防塌剂，其能稳定黏土并抑制其水化膨胀、分散的机理在于：①通过分子链上的众多正电性基团与黏土的负电性中心产生强烈的静电作用，分子链与黏土晶面间很强的范德华力使阳离子牢固地吸附在黏土颗粒表面，形成一层单分子膜；②阳离子聚合物吸附到多个晶层和微粒上后，再将其取代下来很困难；③阳离子聚合物的吸附牢固，不易被解吸附，黏土表面形成的双电层较薄，颗粒间的双电斥力较小，结合较紧密，不易分解，遇水不易水化膨胀。所以做好钻遇泥岩、泥页岩井段的聚合物体系抑制性，将对后续稳定井壁有重要意义。

3.2转化体系固相成分的确定

3.2.1初次形成泥饼配方

配方：强抑制聚合物基浆+2-3%白土+0.2%烧碱+0.5%FT-342

性能范围：粘度38-42秒，密度1.04-1.06，失水小于6，PH9，动切力3-5

依据白土所形成泥饼孔隙度最小，最致密的物性，初次转化优选白土，目的是在井壁的最内层形成致密的白土泥饼，同时依据聚合物增加泥饼强度而分散剂和无机盐类降低泥饼强度的物性，固在初次转化时尽量避免或控制分散剂、重晶石、KCL、甲酸钠等的加入，待钻井液循环24小时，井壁泥饼已经基本形成，再依据施工要求或井下情况补充上述分散剂和盐类。

3.2.2后续根据施工需要维护泥饼配方

配方：细分散原浆+1%甲酸钠+重晶石（按密度要求）+0.05%抑制性聚合物+白土（依据泥饼质量）

在细分散体系循环施工一定时间，泥岩段已基本形成第一层泥饼后，可以根据施工要求进行进一步处理，如随井斜增大，逐渐提高钻井液密度等。抑制剂的加入优选有机盐甲酸钠，应为无机盐类处理剂（KCL）的加入将使钻井液滤饼厚度增大，强度降低，使泥饼质量整体特性变差。抑制性聚合物优选阳离子聚合物ZNP-1。

3.2.3滤失量的控制

滤失量与泥饼质量密切相关，一般加入的固相材料越细，封堵性越好，泥饼越致密，滤失量也就越小，但实际现场操作时，一般都是倒序的，先测出钻井液性能，再加入合适的材料，优化性能。而初次转化体系，由全失水强抑制性体系转化为低失水、弱抑制体系，失水量的控制就显得尤为重要了，因为在泥饼还没完全形成之前，钻井液中水的活度是影响井壁是否稳定的关键，只有钻井液中水的活度小于泥页岩地层水活度，使地层处于脱水状态（而不是吸水），即井壁附近孔隙压力减小，不利于井眼稳定；反之，泥页岩吸水，孔隙压力增加，不利于井壁稳定。初次转化加入白土固相，很好的控制了失水量，同时也形成了更致密的泥饼。

4、现场应用

现场应用3口井，都由于遇阻或卡钻加入白土，加入白土循环4-5周后，井塌现象得到控制，避免了由于重晶石的加入，密度上升后的漏失加剧现象，同时后期性能稳定性强，避免了大量抑制剂和降失水剂的加入，现场只需要每天补充泥浆量即可，原浆基本无需处理。

5、认识与建议

⑴泥页岩的稳定性是可以通过化学方式（抑制性）和物理方式（滤失量、泥饼物性）相结合来解决的，同时物理化学方式带来的副作用明显要小于力学方式。

⑵体系的正常维护对固控设备的要求较高，现场需要尽可能多的运转固控设备。

参考文献：

[1]张传进.准噶尔盆地庄1区块坍塌压力与破裂压力预测研究[D].中国石油大学（北京），2007.

[2]邱正松，徐加放，吕开河，等.“多元协同”稳定井壁新理论[J].石油学报，2007，28（2）：117-119.

[3]吕开河，朱道志，徐先国，等.“多元协同”钻井液研究及应用[J].钻井液与完井液，2012，29（2）：1-4.

作者：李鹏，助理工程师，1989年，2013年毕业于东北石油大学，现在长庆油田第一采油厂侯南作业区，

基金：鄂尔多斯盆地致密油开发示范工程（2017ZX05069）子课题致密油水平井钻完井技术研究与应用（2017ZX05069004）