潤濕反轉技術在氣液轉換時穩定井壁機理研究

摘要：川西地區實施氣體鉆井過程中鉆遇水層時被迫轉換為常規鉆井液，而鉆井液體系轉換時，泥頁巖地層在氣體鉆進時產生大量微裂縫使得鉆井液濾液浸入從而導致井壁失穩，給后續鉆井帶來復雜情況。針對川西地區氣體鉆井過程中氣液轉換時井壁垮塌失穩等問題，分析了井壁失穩的原因，介紹了潤濕反轉技術在氣液轉換時穩定井壁的機理。

關鍵詞：氣體鉆井 氣液轉換 井壁失穩 機理研究

The study of the hole stability mechanism of reverse wetting technology in the course of gas-liquid transformation

Yang Li1， LanLin1 DongBo2 Huang Xue1 Tan Jia1

（1.The Engineering Technology Institute of Southwest Petroleum Branch， De Yang in Sichuan

2. The Engineering Supervision Center of Southwest Petroleum Branch， De Yang in Sichuan）

Abstract: The gas drilling in the area of Chuan Xi was transformed the conventional drill fluid when appeared the water. When the drill fluid system was transformed， the argillutite layer produced lots of microcrack in the course of gas drilling， made the filtrate macerate to cause the hole instability， then brought the complex conditions in the process of well drilling. Be aimed at the hole instability in the process of gas drilling in the area of Chuan Xi， analyzed the reason of hole instability， introduced the hole stability mechanism of reverse wetting technology in the course of gas-liquid transformation.

Keywords: gas drilling gas-liquid transform hole instability study of mechanism

在油氣勘探開發中，井壁失穩一直是困擾石油工業界的一個復雜問題。據不完全統計，井壁失穩每年約給世界石油工業造成5～6億美元的損失，消耗的時間約占鉆井總時間的5～6%，鉆井費用占了勘探開發費用的50～80%。鉆井過程中井壁失穩易造成井壁垮塌、縮徑、漏失、卡鉆及儲層污染等井下復雜情況和事故，嚴重制約了油氣田勘探開發的發展。因此，有效控制鉆井過程中的井壁失穩，是實現優質、安全、高效和低成本鉆井的關鍵。

1、井壁失穩實例

川西大邑氣藏油、氣、水關系復雜，實鉆過程中DY101井、DY3井、DY4井都由于上部地層出水導致氣體鉆井無法實施。DY1井氣體鉆井取得了很大的成果，但氣體鉆井工藝技術特點，決定了地層穩定性、地層產水、產氣都會對氣體鉆井能否安全實施產生影響。DY1井須三、XN2、XN3井沙溪廟組出現地層出氣導致卡鉆，被迫中斷氣體鉆井，并且進行氣體鉆進時鉆具與井壁碰撞、敲擊，易產生疲勞損壞，造成應力集中，發生斷鉆具事故，以上種種問題的出現制約了氣體鉆井技術在大邑地區的推廣應用。

2、井壁失穩原因分析

川西地區氣體鉆井氣液轉換時井壁失穩一般發生在泥頁巖地層。結合現場井壁失穩情況分析，井壁失穩原因主要有以下三方面：

（1）巖層鉆開后，井筒周圍巖石應力重新分布

如果井內液柱壓力低于地層坍塌壓力使井壁周圍巖石應力強度超過巖石本身的強度而產生剪切破壞，對于脆性泥頁巖地層產生坍塌，井徑擴大；塑性泥頁巖地層，則產生塑性蠕變，造成井眼縮徑。

（2）鉆井液對地層的浸泡、發生化學作用

鉆井液對地層浸泡，與泥頁巖發生化學作用。泥頁巖吸水一方面改變井壁巖石的力學性能，使巖石強度降低；另一方面產生水化膨脹，從而改變近井壁的應力狀態。

（3）鉆井工程措施

鉆井工程措施也是影響井壁穩定性的一個重要因素，其影響歸納為以下幾點：

①井身質量不好②井內壓力激動過大③鉆井液對井壁的沖刷作用④井內液柱壓力大幅度降低⑤對井壁過于嚴重的機械碰擊，在井壁周圍產生或加劇了微裂縫的發育。

綜上所述，川西地區氣體鉆井過程中，在氣液轉換時井壁沒有泥餅的保護，鉆井液濾液浸入地層，引起原地應力的變化和粘土的水化膨脹，破壞其力學和物理化學因素穩定；在鉆井過程中，如果工程措施不當，如氣體鉆井中對井壁過于嚴重的機械碰擊，加劇井壁微裂縫發育等，都會導致井壁失穩現象發生。

3、潤濕反轉機理研究

針對川西地區氣體鉆井氣液轉換時井壁易失穩現狀，室內研制了一種潤濕反轉前置液，其主要成分由陽離子型表面活性劑、瀝青、煤油組成。通過實驗評價分析，該劑具有較好的潤濕反轉性能，與鉆井液配伍性好，在氣體鉆井氣液轉換時對氣體鉆進時形成的微裂縫進行有效封堵，減少液相侵入，防止或減少復雜情況的發生。本文主要從以下幾方面具體分析其穩定井壁的作用機理：

（1）吸附作用

巖石表面一般都是帶負電的親水表面，通過潤濕反轉前置液中陽離子型表面活性劑與巖石正負電荷相互吸引的作用，使親水基團(陽離子基團)吸附在巖石表面，吸附作用見圖1。

圖1表面活性劑表面吸附和膠束形成

（2）潤濕反轉

潤濕反轉前置液中陽離子型表面活性劑通過其陽離子的作用吸附在負電性巖石表面，在巖石表面覆蓋一層長鏈烷基疏水基膜，從而改變巖石潤濕性，將親水表面轉化為親油表面，有效阻止水侵入地層，對巖石的潤濕反轉過程見圖2。

圖2潤濕反轉過程

（3）改變井壁微裂縫毛細管壓力

地層中流體流動的空間是一些彎曲相通、孔徑大小不等的復雜小孔道，可看做是表面粗糙的毛細管，巖石是一個多維的相互連通的毛細管網絡。由于受到潤濕性的影響，毛細管中的兩相界面并不是平面，而是一個彎液面，并且彎液面總是凸向潤濕相一側。彎液面兩側的兩相的壓力差，定義為毛管壓力，毛管壓力的大小由拉普拉斯方程確定〔1〕。

（1）

式中：

ρc——毛管壓力，dyn/cm2；

б——兩相界面張力，dyn/cm2；

θ——潤濕接觸角，°；

r——毛管半徑，cm。

潤濕反轉前置液進入微裂縫，通過吸附、反轉的作用，在裂縫毛細管內形成一層疏水膜使得裂縫孔喉半徑r減小，由上述拉普拉斯方程知毛管壓力Pc增加，且經過潤濕改性后，毛管壓力的方向發生改變，由最初的動力變為液相進入微裂縫的阻力，亦即阻止液相進入微裂縫的力增加，從而減少液相侵入，穩定井壁。

（4）瀝青封堵作用

潤濕反轉前置液中加入瀝青，能起到封堵作用。瀝青進入井底，在高溫、高壓條件下變軟、變形，其顆粒進入井壁的微孔隙、裂隙或層面間封堵成膜，阻止鉆井液中濾液向井壁滲透變形，阻止剝落性頁巖表面和滲透水化，抑制頁巖膨脹，減少剝落性脫落，防止坍塌；同時，瀝青顆粒通過物理吸附、氫鍵和離子交換形成的化學吸附，使井壁巖石表面或粘土顆粒表面形成一層牢固的吸附膜，阻止濾液向井壁巖石或粘土顆粒內部滲透，穩定井壁。

4、結論

通過對該潤濕反轉前置液中陽離子表面活性劑吸附、潤濕反轉、改變井壁微裂縫毛細管壓力以及瀝青封堵作用分析，該劑在氣體鉆井氣液轉換時能達到穩定井壁的目的，為川西地區氣液轉換時井壁失穩問題提供理論參考。

參考文獻：

[1]何更生.油層物理[M].北京:石油工業出版社，1994，11：192～193.