鉆井液與井壁穩(wěn)定的幾點(diǎn)認(rèn)識

井壁穩(wěn)定鉆井液技術(shù)（西南石油大學(xué)，四川成都）摘要：鉆井液是影響泥頁巖井壁穩(wěn)定的主要因素之一，本文從鉆井液的性能與井壁穩(wěn)定的關(guān)系出發(fā)，討論了鉆井液對井壁穩(wěn)定的影響。總結(jié)了目前使用的幾種鉆井液體系的抑制性及對巖石強(qiáng)度的影響。關(guān)鍵詞：井壁穩(wěn)定鉆井液密度抑制性石油工業(yè)鉆井過程中，井筒穩(wěn)定性是最主要的一個問題，每年由于井筒穩(wěn)定而造成的損失相當(dāng)驚人，井筒不穩(wěn)定主要發(fā)生在泥頁巖地層，而這種地層在一般井中又占較大的比例，據(jù)統(tǒng)計由于泥頁巖引起的井筒失穩(wěn)的概率大約是90%。然而，在過去的幾十年中，雖然對泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學(xué)和力學(xué)作用已作了大量研究，取得了較大成功和進(jìn)步，但泥頁巖井壁失穩(wěn)問題始終沒有徹底解決。其中的原因之一可能是沒有將影響泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)作用有機(jī)地結(jié)合起來。純力學(xué)研究主要以線彈性連續(xù)介質(zhì)理論研究井壁周圍的應(yīng)力狀態(tài)，然后根據(jù)某種強(qiáng)度準(zhǔn)則確定出防止井壁坍塌的理論破裂壓力和坍塌壓力?；瘜W(xué)方面的研究主要體現(xiàn)在防塌泥漿處理劑和使用油基泥漿體系上，其主要機(jī)理表現(xiàn)在兩個方面，其一是阻止泥漿中的水進(jìn)入井壁，防止泥頁巖水化膨脹；其二是阻止井內(nèi)流體壓力與地層孔隙壓力勾通，防止近井壁孔隙壓力局部升高。井內(nèi)泥漿對泥頁巖的化學(xué)作用，最終可以歸結(jié)到對井壁巖石力學(xué)性能參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)以及近井壁應(yīng)力狀態(tài)的改變。泥頁巖吸水一方面改變井壁巖石的力學(xué)性能，使巖石強(qiáng)度降低；另一方面產(chǎn)生水化膨脹，如果這種膨脹受到約束便會產(chǎn)生膨脹壓力，從而改變近井壁的應(yīng)力狀態(tài)。井內(nèi)泥漿對泥頁巖的作用機(jī)制不難理解，但如何將這種化學(xué)作用帶來的力學(xué)效應(yīng)加以定量化，并將其同純力學(xué)效應(yīng)結(jié)合起來研究井壁穩(wěn)定性問題，過去相當(dāng)長時間的研究中沒有考慮這一問題。到目前為止，國內(nèi)外關(guān)于化學(xué)力學(xué)耦合的文獻(xiàn)很少。從文獻(xiàn)資料來看，其研究方法主要表現(xiàn)在兩個方面，即實驗研究和理論研究兩方面［1］。在理論方面，真正能用于定量計算的方法只有兩種，一種是Taxas大學(xué)C.H.Yew的熱彈性比擬法［1，2］，另一種是Shell公司F.K.Mody等人的水分子自由能熱動力理論法［2,3］?；谶@兩種主要理論，許多學(xué)者對該問題進(jìn)行了深入研究。徐加放［4］等從能量守恒角度出發(fā)分析了井壁穩(wěn)定。其基本觀點(diǎn)是當(dāng)巖石內(nèi)部能量儲存到無法承受時，巖石內(nèi)部微裂縫便會擴(kuò)展以釋放能量。巖石破壞是在介質(zhì)內(nèi)部能量積累超出臨界極限時產(chǎn)生裂縫，內(nèi)能通過生成微裂縫并相互作用導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺?。鉆井過程中能量的積累是由鉆柱振動、井壁形變、鉆井液與巖石的溫差、物理化學(xué)作用以及巖石疲勞破壞引起的。裂縫擴(kuò)展后流體的迅速滲入可能是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的另一主要原因。因此，使用封堵型鉆井液能夠有效減少井壁失穩(wěn)。SantosH［5］等指出泥頁巖膨脹不是井壁失穩(wěn)的主要機(jī)理，主要是因為鉆柱振動、巖石與鉆井液間的物理化學(xué)作用、溫度變化等造成井眼附近能量過高或應(yīng)力過大產(chǎn)生了裂縫帶，而天然裂縫的存在使井壁失穩(wěn)進(jìn)一步擴(kuò)大。鉆井液入侵可以加速裂縫擴(kuò)展，失去對井壁的支撐作用。鉆井液與井壁穩(wěn)定保護(hù)井壁穩(wěn)定措施包括化學(xué)和物理方面，鉆井液的密度和抑制性是其中的重要考慮方面。鉆井液密度的確定，首先是滿足安全鉆井的需要，其次才考慮其他方面。不同地區(qū)地質(zhì)條件不同，對密度要求也不同。通常，降低密度有利于提高鉆井速度，減少鉆井液的流動阻力和內(nèi)摩擦力，但有時也不完全是這樣，要看地層的穩(wěn)定性和地層流體的活度哪方面占優(yōu)勢。有一種觀念認(rèn)為密度低可以保護(hù)產(chǎn)層，但這是片面的，有時反而需要提高密度形成暫堵層來保護(hù)儲層。抑制性對鉆井液的作用很關(guān)鍵，不能把抑制性僅僅看作是防塌，要與井壁穩(wěn)定一起考慮。從井眼穩(wěn)定性和鉆井液穩(wěn)定性方面來講，鉆井液的抑制性至關(guān)重要。目前沒有一種水基鉆井液體系的抑制性達(dá)到最好，也就是說抑制性對鉆井液的貢獻(xiàn)沒有充分發(fā)揮，更確切地講，鉆井液的抑制性不夠。之所以鉆井液的抑制性不足，不能達(dá)到最佳狀態(tài)，是因為通常認(rèn)為鉆井液的抑制性和鉆井液的穩(wěn)定性存在矛盾，當(dāng)問題出現(xiàn)的時候，總是首先考慮其穩(wěn)定性（特別是濾失量），而放棄提高鉆井液的抑制性，這就是長期以來鉆井液抑制性沒有充分發(fā)揮的根本原因［6］。其它強(qiáng)化措施可以提高井壁穩(wěn)定效果，如井壁封固、近井地帶加固等，同時在井壁穩(wěn)定措施中也要考慮防漏和堵漏。對于硬脆性地層，乳化瀝青可以獲得較好的穩(wěn)定效果。A13+對于提高硬脆性和水敏性地層的井壁穩(wěn)定更為有效，A13+的固壁作用機(jī)理是沉淀的氫氧化鋁最終轉(zhuǎn)變成晶體形態(tài)，并逐漸變成頁巖晶體的一部分，對頁巖起穩(wěn)定作用。這種化學(xué)過程將會明顯地減輕頁巖微裂縫中的孔隙壓力傳遞。通過對泥頁巖與水基泥漿的相互作用研究發(fā)現(xiàn)：在常壓及地層條件下含有大量蒙脫石的泥頁巖與KCL溶液相互作用的結(jié)果，表明對于不同的情況，存在一個最佳的KCL濃度使井壁較穩(wěn)定［7］；用抑制水基泥漿控制泥頁巖膨脹的研究結(jié)果表明，對于水基泥漿，泥頁巖產(chǎn)生從10MPa的收縮壓至20MPa的膨脹壓不等［8］。對于這些成分的泥漿，泥頁巖強(qiáng)度下降了近35%。據(jù)國外資料介紹，有機(jī)季銨鹽是最有效的提高抑制性的化合物910］，但國內(nèi)在有機(jī)季銨鹽的利用方面還有差距。另外，A13+的化合物或絡(luò)合物在一定條件下也可以提高鉆井液的抑制性。這些已經(jīng)在實踐中得到證實［11］。黃進(jìn)軍［12］實驗選取了不同濃度的無機(jī)鹽、封堵劑、聚乙二醇配制各種體系的鉆井液，對巖石的抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在鉆井液中，加入無機(jī)鹽，大幅度提高了巖石的抗壓強(qiáng)度值；加入封堵劑巖石的殘余強(qiáng)度增大，抗壓強(qiáng)度增大；加入聚乙二醇，使巖石的抗壓強(qiáng)度提高到與原樣接近，封堵效果非常好。聚乙二醇在水中具有濁點(diǎn)和逆溶解性。低于一定溫度，它們是水溶性的。當(dāng)溫度高于聚乙二醇濁點(diǎn)溫度時，發(fā)生相分離而形成乳狀液起封堵裂縫來阻止濾液的侵人，達(dá)到穩(wěn)定頁巖的目的［13］。劉平德［14］等也通過實驗證實利用聚乙二醇的濁點(diǎn)效應(yīng)可以封堵頁巖裂縫，且溫度越高，抑制作用越強(qiáng)。且與合適的無機(jī)鹽相配，可以提高抑制作用。范鵬，李斗［15］等以巖屑滾動回收率為評價指標(biāo)，對聚乙二醇抑制性影響因素進(jìn)行了分析。表明聚乙二醇相對分子量對其抑制性影響不大。少量KCL就能大幅度提高聚乙二醇溶液的抑制性；濁點(diǎn)以下，溫度升高減弱聚乙二醇溶液的抑制性，濁點(diǎn)以上，溫度升高增強(qiáng)聚乙二醇溶液的抑制性能。李憲留［16］等提出采用葡萄甙（MEG）鉆井液體系解決井壁失穩(wěn)問題，并在沙113井現(xiàn)場使用，效果良好。李?。?7］等針對準(zhǔn)爾盆地南緣地區(qū)復(fù)雜井下情況提出了穩(wěn)定井壁的鉆井技術(shù)，采用無機(jī)鹽KCl，CaO配合兩性離子聚合物XY27，抑制泥巖的水化，分散。徐加放從能量守恒角度出發(fā)分析了井壁穩(wěn)定，認(rèn)為最好的方法是使用封堵型鉆井液，如硅基鉆井液，熱活性聚合物添加劑也可以降低水基鉆井液的滲透特性。使用封堵型鉆井液成功解決井壁失穩(wěn)問題的現(xiàn)場實例很多，尤其是在活性泥頁巖井段的使用更加成功，同時也證明了井壁失穩(wěn)的主要原因不只是鉆井液/巖石相互作用的結(jié)果。封堵型鉆井液的缺點(diǎn)是在多數(shù)情況下有嚴(yán)重副作用，如硅基鉆井液會嚴(yán)重?fù)p害地層，降低油藏生產(chǎn)能力，硬瀝青影響地層測試等。目前最好的辦法是使用可溶性聚合物的混合物，既能有效減少濾失又不造成地層損害，對環(huán)境也比較安全。另外，一些油田還用降低鉆井液溫度法減小鉆井液/巖石間溫差，提高井壁穩(wěn)定性；減少起下鉆壓力激動和抽吸造成的壓力波動等也是保持井壁穩(wěn)定的重要因素。鉆井液的密度、抑制性和濾失量，鉆井液中膨潤土含量和低密度固相的控制，是保證鉆井液良好性能的關(guān)鍵。井壁穩(wěn)定和防漏堵漏關(guān)系到井眼質(zhì)量和鉆井施工能否順利進(jìn)行，因此必須高度重視，并根據(jù)具體情況采用新技術(shù)來滿足鉆井液性能控制和井壁穩(wěn)定的需要。結(jié)論：目前主要使用的鉆井液仍是造成井壁不穩(wěn)定的主要因素之一，水基鉆井液會造成使膨脹性粘土礦物膨脹、分散，改變巖石強(qiáng)度，而導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。油基鉆井液抑制性較好，但污染較大，造價高。建議繼續(xù)對巖石力學(xué)力-化耦合關(guān)系進(jìn)行深入研究，找出一套行之有效的理論體系及實驗方法。提高鉆井液抑制性及封堵性，減少由于濾失，漏失等對井壁穩(wěn)定性造成的損害。希望以后的鉆進(jìn)工作結(jié)合地層的地質(zhì)狀況及力-化耦合關(guān)系，選用符合各項指標(biāo)的鉆井液體系，有效的保護(hù)井壁穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)唐林，羅平亞.泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)耦合研究現(xiàn)狀[J].西南石油學(xué)院學(xué)報.1997,19(2)：53?57.⑵C.H.Yew.WellboreStressDistributionProducedByMoistureAdsorption[R.SPE19536.黃榮樽.泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)與化學(xué)的耦合研究[J].鉆井液與完井液,1995,12(2).徐加放，邱正松，李云貴，亢德峰.井壁穩(wěn)定新觀點(diǎn)一能量守恒[J].鉆井液與完井液，2007,24(4).F.K.Mody.ABoreholeStabilityModeltoCoupletheMechanicssndChemistryofDrillingFluidShaleInteraction[R].SPE25728.SantosH，F(xiàn)ontouradaS，GuptaA，etal.laboratorytessforwellborestabilityanalysisindeepwater，Brazil[R].SPE38977.王中華.鉆井液性能及井壁穩(wěn)定問題的幾點(diǎn)認(rèn)識[J].斷塊油氣田.2009，16(1).HorsrudP，BostromB，SonsteboEF，etal.Interactionbetweenshaleandwater2baseddrillingfluids:laboratoryexposuretestsgivennewinsightintomechanismsandfieldconsequencesofKCIcontents[R].SPE48986，1998.MartinE，Chenvert，VincentPernot.Controlofshaleswellingpressureusinginhibitivewater-basedmuds[R].SPE49263，1998.PatelArvindD，ThaemlitzCarlJ，McLaurineHenryC，etal.Drillingfluidadditiveandmethodforinhibitinghydration：US.5908814[R].1999，PatelArvindD,StamatakisEmanuel，DavisEric，etal.Highperformancewaterbaseddrillingmudandmethodofuse：US，6831043[p].2004.RamirezMA，ClapperDK，SanchezG，etal.Aluminum-basedHPWBMsuccessfullyreplacesoil-Basedmudtodrillexploratorywellsinanenvironmentallysensitivearea[R].SPE94437,2005.黃進(jìn)軍，楊香麗，王福林，李春霞，劉向軍.處理劑對泥頁巖抗壓強(qiáng)度影響的實驗研究[J].西南石油大學(xué)，2009，31(3).ReldF，Bernadeue.Dolan.Mechanismofshaleinhibition