Weigh系列有機鹽鉆井液抑制性機理

張萬棟李炎軍孫東征黃熠韓成

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司； 2.中海石油（中國）有限公司

Weigh系列有機鹽鉆井液抑制性機理

張萬棟1李炎軍1孫東征2黃熠1韓成1

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司； 2.中海石油（中國）有限公司

Weigh系列有機鹽鉆井液具有抑制性能強、抗溫性能好、摩阻低等優點，已成為國內外復雜情況鉆井主要鉆井液。室內測量了Weigh系列有機鹽鉆井液中水的活度，經Weigh系列有機鹽鉆井液作用后黏土膠體顆粒吸附擴散雙電層的厚度及蒙脫石晶層的層間距，從活度因素、雙電層因素、離子交換晶格嵌入因素3個方面探討了Weigh系列有機鹽鉆井液抑制性作用機理。Weigh系列有機鹽鉆井液在南海西部北部灣2口大位移井中得到成功應用，為南海西部類似油田開發提供了進一步的技術支持。

有機鹽；鉆井液；抑制性；活度；雙電層；離子交換晶格嵌入

水溶性有機鹽加重劑Weigh系列，是低碳有機酸根陰離子與一價金屬離子（鈉離子、鉀離子、銨離子、季銨離子、叔銨離子等）生成的有機酸鹽［1］。因其水溶液具有較強的抑制性，加重鉆井液密度范圍為1.34～1.80 g/cm3，在易水化膨脹、易坍塌、巖鹽、鹽膏等復雜地層鉆井作業中推廣應用［2］，已成為解決井壁失穩、高溫高壓等問題的首選方案。筆者從活度因素、雙電層因素、離子交換晶格嵌入因素3個方面詳細探討研究了Weigh系列有機鹽鉆井液抑制性作用機理，且在南海西部北部灣2口大位移井中應用了Weigh系列有機鹽鉆井液，應用效果較好，可大面積推廣應用。

1 機理研究

Mechanism study

1.1 活度因素抑制性

Inhibition of activity

鉆井液活度的高低影響鉆井液抑制性的強弱，降低鉆井液的活度，可以減小鉆井液中自由水通過頁巖的運移速度［3-4］。室內利用吸附等溫曲線法測定了不同濃度的Weigh系列有機鹽鉆井液中的水活度，測試結果如表1所示。由表1中實驗結果可知，Weigh系列有機鹽鉆井液中水的活度普遍較低，加有260%Weigh4的鉆井液中的水活度僅為0.14，這使Weigh系列有機鹽鉆井液中的水不但不會滲入巖層，反而使巖層中的水滲入鉆井液，其結果是在Weigh系列有機鹽鉆井液中，鉆屑、黏土不分散、不膨脹，越變越硬，井壁穩定性好。

表1 不同濃度的有機鹽鉆井液中水的活度Table 1 Water activity of organic salt drilling fluids with different concentrations

1.2 雙電層因素抑制性

Inhibition of double electrode layers

有機鹽鉆井液中陰、陽離子對黏土顆粒的吸附擴散雙電層有較強的壓縮作用。以Gouy-Chapman模型作為基礎，室內利用電泳法測定了經Weigh系列有機鹽鉆井液體系作用后，黏土膠體顆粒的電勢差，然后根據Debye-Huckel方程，計算黏土膠體顆粒吸附擴散雙電層的厚度1/κ。結果見表2。由表2可知，加有260%Weigh4的鉆井液可把黏土顆粒雙電層厚度壓縮至不加有機鹽鉆井液中的萬分之一，可見Weigh系列有機鹽對黏土顆粒具有較強的抑制分散能力，其電離出的有機酸根陰離子可吸附帶負電的黏土端面，抑制其水化分散，另一方面電離出的陽離子K+、Na+、NH4+、［NHxR4-x］+可通過靜電引力吸附進入黏土晶格，抑制黏土表面水化及滲透水化膨脹。因此Weigh系列有機鹽電離出的陰、陽離子對黏土顆粒的吸附擴散雙電層具有較強的壓縮作用，壓縮后吸附擴散雙電層變薄，顆粒間靜電斥力減小，從而較強地抑制黏土分散［5］。

表2 Weigh系列有機鹽鉆井液中黏土顆粒的吸附擴散雙電層厚度Table 2 Thickness of adsorption-diffusion double electrode layer of clay particles in Weigh organic salt drilling fluid

1.3 離子交換晶格嵌入因素抑制性

Inhibition of ion exchanging lattice embedment

室內利用X光衍射法測定了經Weigh系列有機鹽鉆井液作用后蒙脫石晶層的層間距，測定結果表明，蒙脫石經過加有50%Weigh2鉆井液、加有100%Weigh3鉆井液、加有200%Weigh4鉆井液作用后，層間距依次變為14.817 7 ?、9.961 0 ?、10.063 1 ?，而原蒙脫石晶層層間距為15.000 0 ?，由此可知，Weigh系列有機鹽鉆井液與蒙脫石黏土礦物作用后，蒙脫石黏土礦物層間距都有不同程度的減小。Weigh系列有機鹽鉆井液中電離出大量的陽離子K+、NH4+、［NHxR4-x］+，可通過靜電引力吸附進入黏土晶格（尤其是蒙脫石晶格中），減小了蒙脫石層間距［6］。離子交換原理使得Weigh系列有機鹽鉆井液體系具有較強抑制性，抑制黏土表面水化及滲透水化膨脹。

2 現場應用

Field application

南海西部北部灣盆地A油田A8/A9兩口大斜度井井身結構相似，其中A9井三開?215.9 mm井段鉆進至4 010 m完鉆，水平段長度為494.4 m，垂深2 348.8 m，井斜角82.87°，水平投影位移2 670.08 m。

兩口井?215.9 mm井段儲層段地層巖性以灰色、褐灰色泥巖及粉砂巖為主，儲層段泥巖以伊利石和伊蒙混層黏土礦物為主，水敏性較強，易產生水化膨脹分散，如圖1所示，現場鉆遇的泥巖巖屑經過海水侵泡1 h后，巖屑松軟、水化嚴重。同時儲層的層理和微裂縫十分發育，這樣當鉆井液濾液進入微裂縫時會產生較大的膨脹壓，加速井壁巖層的剝落和破碎，從而誘發井壁坍塌等情況，特別是鉆遇潿洲組和流沙港組地層后，遇阻/卡、憋泵/扭轉頻繁發生，井眼擴徑突出（擴徑率達到40 %）［7］，要求鉆井液需要較強的抑制性能，防止井壁失穩。

圖1 現場巖屑經過海水侵泡前后對比Fig.1 Comparison of debris before and after being soakedin sea water

根據現場作業需求，要求?215.9 mm井段鉆井液密度提高至1.40～1.45 g/cm3。首先室內進行了Weigh系列有機鹽抑制性評價實驗，在現場使用的鉆井液配方基礎上，加入不同加量和組合的有機鹽至鉆井液密度為1.43 g/cm3左右，然后測試巖屑回收率和線性膨脹率，測試結果見表3，由表3可知，除2號配方外，各個配方組合巖屑回收率均在80 %以上，線性膨脹率均在10 %左右，滿足施工要求。

A8、A9井實際現場先用有機鹽Weigh2提高鉆井液密度至1.15 g/cm3，然后再用Weigh3進一步提高鉆井液密度至1.40～1.45 g/cm3。現場測試鉆井液性能見表4，現場鉆井液流變性能穩定，API和 HTHP濾失量均較低，鉆井液整體性能較好。2口井均順利完成?215.9 mm井段作業，鉆進過程中該體系表現出抑制性強、攜砂性好、性能穩定的特點，井徑規則，井壁穩定性好，返出巖屑比較規則，平均井徑擴大率為1.6 %，滿足鉆井工程的要求。同時由于不含固相，大位移井鉆井過程摩阻較低，起下鉆、電測、下套管等作業順利，無阻卡事故發生，保證了2口井順利完鉆。

表3 Weigh系列有機鹽抑制性評價實驗結果Table 3 Evaluation experiment results on inhibition of Weigh organic salt drilling fluid

注：1.巖屑回收率實驗中用到的巖屑為A油田泥巖巖屑，線性膨脹率實驗用到的巖心為膨潤土的巖心；2.基礎配方為：鉆井水 + 1.5%PF-FLO（聚合物降濾失劑） + 0.3%NaOH + 5%PF-GJC（潤滑劑） + 5%PF-GBL（瀝青類封堵劑） + 1.5%PF-LPFH（封堵防塌劑） + 0.1%PF-XC（黃原膠）。

表4 現場測得A8/A9井井漿性能Table 4 Property of mud in Well A8/A9 measured in the field

3 結論

Conclusion

（1）Weigh系列有機鹽鉆井液通過降低鉆井液中水活度；電離出的有機酸根陰離子吸附黏土端面，壓縮黏土顆粒的擴散雙電層；電離出的陽離子進入黏土晶格，減小黏土晶層層間距等3方面因素抑制黏土水化膨脹。

（2）南海西部北部灣盆地現場應用表明Weigh系列有機鹽鉆井液具有較強的抑制性，能夠在易水化膨脹、易坍塌等復雜地層保證大位移井安全鉆進。

References:

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DU Delin,FAN Shizhong.Study on the osmotic hydration of shale in water based fluid［J］.Drilling Fluid &Completion Fluid,1996,13（3）:5-10.

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（修改稿收到日期 2016-10-13）

〔編輯 薛改珍〕

Inhibition mechanism of organic salt drilling fluid of Weigh series

ZHANG Wandong1,LI Yanjun1,SUN Dongzheng2,HUANG Yi1,HAN Cheng1
1.CNOOC China Limited Zhanjiang Branch,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;
2.CNOOC Co.Ltd.,Beijing 100010,China

The organic salt drilling fluid of Weigh series has advantages of strong inhibition,high temperature resistance and low friction,and it has been the main drilling technology in complex situations at home and abroad.In this paper,the water activity of Weigh organic salt drilling fluid,the thickness of adsorption-diffusion double electrode layers of clay colloidal particles after the Weigh organic salt drilling fluid effect,and the layer space of montmorillonite crystal were measured in laboratory.Then,the inhibition mechanisms of Weigh organic salt drilling fluid were discussed from three aspects,i.e.,activity,double electrode layer and ion exchanging lattice embedment.It has been successfully applied in two extended reach wells in the Beibu Gulf,western South China Sea.It provides the technical support for the development of similar oil fields in western South China Sea.

organic salt;drilling fluid;inhibition;activity;double electrode layer;ion exchanging lattice embedment

張萬棟，李炎軍，孫東征，黃熠，韓成.Weigh系列有機鹽鉆井液抑制性機理［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：805-807，812.

TE254

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0805-03

10.13639/j.odpt.2016.06.018

:ZHANG Wandong,LI Yanjun,SUN Dongzheng,HUANG Yi,HAN Cheng.Inhibition mechanism of organic salt drilling fluid of Weigh series［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):805-807,812.

張萬棟（1985-），2008年畢業于吉林大學，獲學士學位，現主要從事高溫高壓鉆井工藝研究應用與管理工作。通訊地址：（524057）廣東省湛江市坡頭區22號信箱。電話：0759-3900613。E-mail:zhangwd4@cnooc.com.cn