馮天源 榮繼光 佟樂 等

摘 要： 由于井壁垮塌、縮頸和地層破裂等井壁失穩(wěn)現(xiàn)象所造成的卡鉆憋鉆、井漏井噴和鉆井液大量漏失等問題會(huì)延誤油氣資源勘探和開發(fā)的速度，還會(huì)為石油行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鉆井液的化學(xué)性能會(huì)影響井壁穩(wěn)定性。針對(duì)井壁失穩(wěn)的類型，從鉆井液所含化學(xué)物質(zhì)的種類及含量，鉆井液化學(xué)勢(shì)，鉆井液pH值三方面的化學(xué)性能對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響機(jī)理進(jìn)行了研究和分析，對(duì)于解決井壁失穩(wěn)問題、減少經(jīng)濟(jì)損失具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：化學(xué)性能；鉆井液；井壁穩(wěn)定；無機(jī)鹽；化學(xué)勢(shì)；pH

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）03-0447-02

Study on Influence of Drilling Fluid Chemical Characteristics

on Well Wall Stability

FENG Tian-yuan， RONG Ji-guang， TONG Le， DUAN Meng-yu， SUI Gu-lei，

（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： The borehole instability including wells collapse， decrease of well size and geological formation cracking can delay the exploration and development of oil and gas. Chemical characteristics of drilling fluid can affect the well wall steady. In this paper， influence mechanism of drilling fluid chemical characteristics including type and content， chemical potential and PH on the well wall steady was analyzed， which has actual guiding significance for solving well wall unsteady problem and decreasing economic losses.

Key words： Chemical characteristic； Drilling fluid； Well wall steady； Inorganic salt； Chemical potential； PH

井壁失穩(wěn)問題一直是石油工業(yè)中一個(gè)復(fù)雜的世界性難題，其主要表現(xiàn)為井壁垮塌、縮徑、井眼擴(kuò)大、地層破裂、電測(cè)遇阻、固井質(zhì)量低下等。這些工程問題會(huì)延誤油氣資源勘探和開發(fā)的速度，甚至造成現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡。井壁失穩(wěn)每年約給全球石油行業(yè)帶來高達(dá)10億美元的損失[1]，因此解決井壁失穩(wěn)問題具有重要意義。本文針對(duì)鉆井液的化學(xué)性能對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。

1 井壁穩(wěn)定性類型分析

石油行業(yè)將鉆井或完井過程中井壁垮塌、縮徑、地層破裂等問題統(tǒng)稱為井壁失穩(wěn)。因井壁失穩(wěn)造成的現(xiàn)象和危害主要有以下幾種[2]：

1.1 井壁垮塌現(xiàn)象的危害

（1）產(chǎn)生的大量大小不均的巖屑會(huì)混入鉆井液，造成鉆井液性能惡化。

（2）井壁垮塌使泵壓難以保持穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致的蹩泵情況，會(huì)造成蹩壞地面設(shè)備，甚至蹩漏地層，使鉆井液的大量漏失的后果。

（3）扭矩增大，頻繁蹩鉆卡鉆，劃眼困難，嚴(yán)重時(shí)甚至扭斷鉆柱，造成井下鉆具事故。

（4）造成井徑擴(kuò)大，垮塌物懸浮在井徑較大井段內(nèi)難以返出，一旦停泵會(huì)使巖屑下沉，進(jìn)而埋填鉆具導(dǎo)致蹩泵卡鉆。

1.2 縮徑現(xiàn)象及危害

在鉆井過程中，所鉆過井段井徑小于鉆頭直徑的現(xiàn)象稱為縮頸現(xiàn)象。縮徑現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致蹩鉆、轉(zhuǎn)盤負(fù)荷增大甚至無法轉(zhuǎn)動(dòng)而卡鉆的情況。縮徑嚴(yán)重時(shí)，甚至可使井眼閉合，在勝利油田和新疆鉆過含鹽軟泥巖層時(shí)均出現(xiàn)過此現(xiàn)象。

1.3 地層破裂現(xiàn)象及危害

當(dāng)鉆井液液柱壓力大于地層破裂壓力時(shí)，會(huì)壓裂地層，導(dǎo)致鉆井液大量漏失，使液柱壓力迅速下降，極易造成上部易垮塌井段因井壁失去支撐力而垮塌，下部井段由于液柱壓力的下降而導(dǎo)致井噴等較為復(fù)雜的井下事故。

2 鉆井液化學(xué)性能對(duì)井壁穩(wěn)定性影響分析

2.1 化學(xué)物質(zhì)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

2.1.1 鹽類的影響

（1）硅酸鹽：硅酸鹽可以在地層孔隙中形成三維凝膠結(jié)構(gòu)和不溶沉淀物，可以堵塞井壁處巖石孔隙和微裂縫，阻止濾液進(jìn)入地層，并減少壓力穿透作用，有利于防止井垮井漏[3]。在大于80 ℃高溫下，硅酸鹽的硅醇基與粘土礦物的鋁醇基發(fā)生縮合反應(yīng)，將各種礦物顆粒膠結(jié)成牢固的整體，從而封固井壁。硅酸鹽能夠抑制粘土礦物的水化膨脹和分散并與粘土礦物反應(yīng)生成非常致密的、聯(lián)結(jié)的非晶質(zhì)新礦物，利于提高井壁的穩(wěn)定性。硅酸鹽與鉀鹽、鈉鹽配合使用能有效抑制粘土礦物的滲透水化。但硅酸鹽鉆井液也存在：形成的硅酸鹽沉淀堵塞油氣層孔隙，且堵塞作用不易清除；對(duì)鉆井液pH值敏感；性能調(diào)整困難等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明[4]，硅酸鹽加量控制在3%～5%較合適。

（2）鉀鹽：含K+鉆井液主要用來降低蒙脫石的膨脹壓[5]。K+的晶格固定作用和交換作用能有效的抑制粘土的水化膨脹[6]，因此含K+鉆井液能夠有效降低地質(zhì)年代早、粘土礦物含量高的水敏性地層的膨脹壓，進(jìn)而穩(wěn)定井壁（其效果優(yōu)于Na+，Ca2+，Mg2+）。含K+鉆井液存在以下缺點(diǎn)：K+不能阻止濾液侵入地層，也不能阻止地層中鉆井液的壓力滲透；由K+誘發(fā)巖層孔隙流體反滲透的作用微弱，所以含K+鉆井液不適合鉆較老和弱水敏性的頁巖地層。研究表明[7-9]，最佳鉀鹽濃度隨地層中蒙皂石含量增加而增大，在鉆井液中鉀鹽含量必須達(dá)到7%以上才可以發(fā)揮其最佳作用，建議現(xiàn)場(chǎng)采用鉀鹽與硅酸鹽配合使用，但鉀鹽含量不要超過30 g/L。

（3）鈉鹽：Na+的抑制性不如K+的強(qiáng)，但NaCl溶解度比KCl高，接近飽和的NaCl溶液能較好地降低侵入地層的濾液量，對(duì)防止井壁垮塌有利。當(dāng)?shù)貙又幸晾枯^大時(shí)，如果NaCl含量過大，則會(huì)增大伊利石的水化能力，不利于井壁穩(wěn)定。研究表明[10]，鈉鹽與甲酸鹽配合使用時(shí)，甲酸鈉的最佳含量為20%。

（4）鋁鹽：Al3+對(duì)于提高硬脆性和水敏性地層的井壁穩(wěn)定性更為有效[11]。含鋁鹽鉆井液的固壁機(jī)理：由Al3+反應(yīng)生成的氫氧化鋁沉淀最終轉(zhuǎn)變?yōu)榫w形態(tài)，并逐漸變成巖石晶體的一部分，可有效穩(wěn)定巖層。

（5）鈣鹽：含Ca2+鉆井液能產(chǎn)生很高的滲透壓，此滲透壓可降低鉆井液液柱過平衡壓力，能夠有效防止井漏事故

（6）其他鹽類：小分子季銨鹽可使粘土晶層間脫水，同時(shí)能夠嵌入粘土晶層，阻止水分子進(jìn)入，可以有效抑制粘土水化膨脹，其在粘土顆粒上吸附牢固，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定效果。甲酸鹽、醋酸鹽的濾液粘度高，可產(chǎn)生非常大的滲透壓，能夠有效防止井漏事故。

2.1.2 聚合物的影響

水溶性聚合物具有合適的分子結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的線性展開能力，能夠使粘土顆粒連接在一起，有效抑制地層粘土分散，利于井壁穩(wěn)定。陽離子聚合物能在粘土表面上發(fā)生多層吸附，比單一的離子（如K+）更難被交換下來，能有效減少粘土礦物水化膨脹，利于井壁穩(wěn)定。大陽離子在陽離子聚合物鉆井液中的最佳含量是0.2%～0.4%。小陽離子在陽離子聚合物鉆井液中的最佳含量是0.3%～0.5%，具有抑制粘土水化分散的作用。在鉆井液中加入適量無機(jī)鹽，可以降低聚合物在液相中的溶解度，增加聚合物在巖石顆粒表面的吸附量，形成一層致密的保護(hù)膜，以增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性。

2.2 化學(xué)勢(shì)對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響

化學(xué)勢(shì)是吉布斯自由能對(duì)成分的偏微分，表示成分變化對(duì)能量變化的影響。在液體混合時(shí)，物質(zhì)總是從化學(xué)勢(shì)高的一方進(jìn)入化學(xué)勢(shì)低的一方，從而降低系統(tǒng)的總自由能，以使系統(tǒng)達(dá)到平衡。由于鉆井液與地層孔隙流體存在化學(xué)組分及濃度上的差別，因此鉆井液與孔隙流體存在化學(xué)勢(shì)差?；瘜W(xué)勢(shì)差為鉆井液進(jìn)入地層提供了驅(qū)動(dòng)力，造成的結(jié)果如下：當(dāng)鉆井液的化學(xué)勢(shì)高于地層孔隙流體的化學(xué)勢(shì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆井液中的水流入地層，使地層體積膨脹、井壁圍巖松動(dòng)散落、強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)可造成井壁失穩(wěn)；當(dāng)鉆井液的化學(xué)勢(shì)低于地層孔隙流體的化學(xué)勢(shì)時(shí)，地層孔隙流體中的水被吸入鉆井液，使井壁圍巖的結(jié)構(gòu)更為緊致，強(qiáng)度增強(qiáng)，所以調(diào)控鉆井液的化學(xué)勢(shì)始終低于地層孔隙流體的化學(xué)勢(shì)就可以有利于井壁的穩(wěn)定[12]。

2.3 pH值對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

相關(guān)研究表明[13]，鉆井液pH值（即OH—含量）對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在泥頁巖井段。含有OH—的水會(huì)加劇泥頁巖層的裂解，加速泥頁巖層中綠泥石、伊利石和高嶺石及其他泥質(zhì)物的分散，且OH—含量越多裂解越快。此外由OH—所造成的膨脹力也會(huì)使泥頁巖層坍塌。因此在鉆井液的配制過程中應(yīng)少用甚至不用燒堿，盡可能減少鉆井液中的OH—含量，適當(dāng)用碳酸鈉、碳酸鉀或石灰調(diào)節(jié)pH值。當(dāng)pH值接近7時(shí)，泥頁巖的水化分散性較強(qiáng)，當(dāng)pH值在8～9時(shí)，泥頁巖的水化分散性下降，當(dāng)pH值>9時(shí)，泥頁巖的水化分散性又增強(qiáng)，所以相較于pH值高于9.5的粗分散泥漿，應(yīng)選用pH值7.5～8.5的高聚物不分散無固相和低固相體系，使泥頁巖井段被分散的作用減至最低限度，pH值保持在7.5～9。

3 結(jié) 論

（1）針對(duì)不同地層條件在鉆井液成分中嚴(yán)格控制硅酸鹽、鉀鹽、鈉鹽、鋁鹽、鈣鹽等鹽類及聚合物含量，可有效提高井壁的穩(wěn)定性。

（2）鉆井液和地層孔隙流體中化學(xué)成分和濃度所引起的化學(xué)勢(shì)差會(huì)影響井壁穩(wěn)定性，鉆井液化學(xué)勢(shì)低于地層孔隙流體，會(huì)使井壁結(jié)構(gòu)緊密，強(qiáng)度增大，固壁效果明顯，有利于井壁穩(wěn)定。

（3）對(duì)于泥頁巖井段，在鉆井液的配制過程中應(yīng)少用甚至不用燒堿，盡可能減少鉆井液中的OH—含量，適當(dāng)用碳酸鈉、碳酸鉀或石灰調(diào)節(jié)pH值。應(yīng)使用高聚物不分散體系使鉆井液pH值保持在7.5～9。

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