鉆井液的化學性能對井壁穩定性的影響研究

馮天源，榮繼光，佟 樂，段夢宇，隋顧磊

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院 石油工程， 遼寧 撫順 113001）

鉆井液的化學性能對井壁穩定性的影響研究

馮天源，榮繼光，佟 樂，段夢宇，隋顧磊

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院 石油工程， 遼寧 撫順 113001）

由于井壁垮塌、縮頸和地層破裂等井壁失穩現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延誤油氣資源勘探和開發的速度，還會為石油行業帶來巨大的經濟損失。鉆井液的化學性能會影響井壁穩定性。針對井壁失穩的類型，從鉆井液所含化學物質的種類及含量，鉆井液化學勢，鉆井液pH值三方面的化學性能對井壁穩定性的影響機理進行了研究和分析，對于解決井壁失穩問題、減少經濟損失具有實際的指導意義。

化學性能；鉆井液；井壁穩定；無機鹽；化學勢；pH

井壁失穩問題一直是石油工業中一個復雜的世界性難題，其主要表現為井壁垮塌、縮徑、井眼擴大、地層破裂、電測遇阻、固井質量低下等。這些工程問題會延誤油氣資源勘探和開發的速度，甚至造成現場人員傷亡。井壁失穩每年約給全球石油行業帶來高達10億美元的損失[1]，因此解決井壁失穩問題具有重要意義。本文針對鉆井液的化學性能對井壁穩定性的影響進行了研究。

1 井壁穩定性類型分析

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

1.1 井壁垮塌現象的危害

（1）產生的大量大小不均的巖屑會混入鉆井液，造成鉆井液性能惡化。

（2）井壁垮塌使泵壓難以保持穩定，進而導致的蹩泵情況，會造成蹩壞地面設備，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，嚴重時甚至扭斷鉆柱，造成井下鉆具事故。

（4）造成井徑擴大，垮塌物懸浮在井徑較大井段內難以返出，一旦停泵會使巖屑下沉，進而埋填鉆具導致蹩泵卡鉆。

1.2 縮徑現象及危害

在鉆井過程中，所鉆過井段井徑小于鉆頭直徑的現象稱為縮頸現象。縮徑現象會導致蹩鉆、轉盤負荷增大甚至無法轉動而卡鉆的情況。縮徑嚴重時，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均出現過此現象。

1.3 地層破裂現象及危害

當鉆井液液柱壓力大于地層破裂壓力時，會壓裂地層，導致鉆井液大量漏失，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致井噴等較為復雜的井下事故。

2 鉆井液化學性能對井壁穩定性影響分析

2.1 化學物質對井壁穩定性的影響

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構和不溶沉淀物，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生縮合反應，將各種礦物顆粒膠結成牢固的整體，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生成非常致密的、聯結的非晶質新礦物，利于提高井壁的穩定性。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；對鉆井液pH值敏感；性能調整困難等缺點。實驗表明[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年代早、粘土礦物含量高的水敏性地層的膨脹壓，進而穩定井壁（其效果優于 Na+，Ca2+，Mg2+）。含K+鉆井液存在以下缺點：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到 7%以上才可以發揮其最佳作用，建議現場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，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，對防止井壁垮塌有利。當地層中伊利石含量較大時，如果NaCl含量過大，則會增大伊利石的水化能力，不利于井壁穩定。研究表明[10]，鈉鹽與甲酸鹽配合使用時，甲酸鈉的最佳含量為20%。

（4）鋁鹽：Al3+對于提高硬脆性和水敏性地層的井壁穩定性更為有效[11]。含鋁鹽鉆井液的固壁機理：由 Al3+反應生成的氫氧化鋁沉淀最終轉變為晶體形態，并逐漸變成巖石晶體的一部分，可有效穩定巖層。

（5）鈣鹽：含Ca2+鉆井液能產生很高的滲透壓，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，同時能夠嵌入粘土晶層，阻止水分子進入，可以有效抑制粘土水化膨脹，其在粘土顆粒上吸附牢固，具有長期穩定效果。甲酸鹽、醋酸鹽的濾液粘度高，可產生非常大的滲透壓，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構和較強的線性展開能力，能夠使粘土顆粒連接在一起，有效抑制地層粘土分散，利于井壁穩定。陽離子聚合物能在粘土表面上發生多層吸附，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膜，以增強井壁穩定性。

2.2 化學勢對井壁穩定性產生的影響

化學勢是吉布斯自由能對成分的偏微分，表示成分變化對能量變化的影響。在液體混合時，物質總是從化學勢高的一方進入化學勢低的一方，從而降低系統的總自由能，以使系統達到平衡。由于鉆井液與地層孔隙流體存在化學組分及濃度上的差別，因此鉆井液與孔隙流體存在化學勢差。化學勢差為鉆井液進入地層提供了驅動力，造成的結果如下：當鉆井液的化學勢高于地層孔隙流體的化學勢時，會導致鉆井液中的水流入地層，使地層體積膨脹、井壁圍巖松動散落、強度降低，嚴重時可造成井壁失穩；當鉆井液的化學勢低于地層孔隙流體的化學勢時，地層孔隙流體中的水被吸入鉆井液，使井壁圍巖的結構更為緊致，強度增強，所以調控鉆井液的化學勢始終低于地層孔隙流體的化學勢就可以有利于井壁的穩定[12]。

2.3 pH值對井壁穩定性的影響

相關研究表明[13]，鉆井液pH值（即OH—含量）對井壁穩定性的影響主要體現在泥頁巖井段。含有OH—的水會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使泥頁巖層坍塌。因此在鉆井液的配制過程中應少用甚至不用燒堿，盡可能減少鉆井液中的OH—含量，適當用碳酸鈉、碳酸鉀或石灰調節pH值。當pH值接近 7時，泥頁巖的水化分散性較強，當pH值在8～9時，泥頁巖的水化分散性下降，當pH值>9時，泥頁巖的水化分散性又增強，所以相較于pH值高于9.5的粗分散泥漿，應選用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 論

（1）針對不同地層條件在鉆井液成分中嚴格控制硅酸鹽、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定性。

（2）鉆井液和地層孔隙流體中化學成分和濃度所引起的化學勢差會影響井壁穩定性，鉆井液化學勢低于地層孔隙流體，會使井壁結構緊密，強度增大，固壁效果明顯，有利于井壁穩定。

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

［1］ 胡瓊.高溫高壓泥頁巖井壁穩定評價裝置的研制與應用[D]. 湖北荊州:長江大學,2012.

［2］ 余黎明.提高井壁強度的技術與方法[J].中國井礦鹽,2012(4):16-18.

［3］ 劉文輝, 張國. 國內外抑制性鉆井液研究進展[J]. 西部探礦工程, 2013(8):33-37.

［4］ 張海青.硅酸鹽鉆井液防塌性能試驗研究[D].長春：吉林大學,2004.

［5］ 姚新珠,時天鐘,于興東,等.泥頁巖井壁失穩原因及對策分析[J].鉆井液與完井液,2001(3):38-41.

［6］鄒曉峰,杜欣來.提高井壁強度技術與方法[J].中國井礦鹽, 2013 (5) :25-28.

［7］ 徐同臺,陳其正,范維慶,等.鉀離子穩定井壁機理的研討[J].鉆井液與完井液,1998(3):3-8.

［8］王中華.鉆井液性能及井壁穩定問題的幾點認識[J].斷塊油氣田,2009(1):89-91.

［9］藍強,邱正松,王毅.硅酸鹽鉆井液防塌機理研究[J].石油學報,2007(5):133-138.

［10］徐海海,凡帆,陳磊,等.甲酸鹽鉆井液體系的研究[J].精細石油化工進展,2012(4):19-22.

［11］楊小華.提高井壁穩定性的途徑及水基防塌鉆井液研究與應用進展[J].中外能源,2012(5):53-58.

［12］王劍.泥頁巖的水化穩定性研究[D]. 西安:西安石油大學,2012.

［13］周華安.設計和控制鉆井液pH值的考慮[J].鉆采工藝,1990(1):22-28.

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）

The borehole instability including well’s 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.

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

TE 357

A

1671-0460（2016）03-0447-02

2015-12-20

馮天源（1995-），男，遼寧鐵嶺人，研究方向：石油工程。E-mail：719897376@qq.com。