井壁穩定鉆井液技術

盛楊 孫鑫地

摘要：本文分析了井壁穩定的機理，在總結防塌鉆井液技術的進展基礎上提出井壁穩定的鉆井液措施。當前，保持井壁的穩定性，順利快速地鉆井是減少鉆井成本的主要方式，而鉆井液的配方以及處理劑的科學選擇是解決井壁失穩問題的重要措施。

關鍵詞：井壁失穩;鉆井液;穩定

井壁的失穩是油氣鉆井工作中時常面對的復雜工程問題。長期以來，井壁穩定性問題一直是我國工程技術工作者所關注的焦點。經過數十年的努力，雖然我國在解決這一問題上取得了巨大進步，但到目前為止，還沒有形成一套徹底有效的方法來解決這一問題。井壁失穩往往是由地質因素、頁巖與鉆井液的相互作用以及鉆井作業等多種原因所導致的，調整鉆井液的性能是破解井壁失穩難題的重要方法。

一、井壁穩定的機理分析

從國內外來看，井壁穩定性的研究一般包括以下幾種情況：一是從力學角度考慮井壁的穩定性，主要從井壁分布、巖石強度準則和本構關系等方面進行分析。二是從頁巖水化的化學角度考慮井壁穩定性，研究頁巖水化的機理和控制頁巖水化的方法。三是從力學和化學相結合的角度考慮井壁的穩定性，從力學與化學相互作用的角度，更深入地了解了井壁失穩的原因，并找到相應的解決辦法。

抗塌水基鉆井液護壁防塌主要通過有效密度支撐、封堵防塌、抑制水化等協同作用。首先，提高了硬脆性巖石裂縫的封閉能力。通過惰性粒子在巖石裂縫和孔隙中的沉積和沉淀，形成一道有效的屏障，防止濾液進入裂縫之中，惰性離子提供的壓力支撐點能夠進一步提高井筒的穩定性。封堵的實質是通過控制封堵材料的加入來減緩濾液向地層中的滲透。根據剛性粒子堆積理論，不同粒徑的剛性粒子堆積之后會產生不規則的微間隙，暫堵帶的滲透率不會為零。這就要求我們在壓力和溫度條件下使用具有變形和軟化功能的封堵材料，這是決定封堵能否成功的關鍵。其次，改善鉆井液的造壁性能。在正壓差的作用下，井壁能夠變為致密的泥餅，降低了滲透率，有效防止鉆井液濾對地層的侵入。最后，抑制頁巖的水化。主要利用無機鹽壓縮表層雙電層的鉆孔土顆粒，同時中和強土表面的負電荷，降低顆粒間的電斥力，減緩黏土粒子的水化膨脹速度;或通過高分子處理劑吸附黏土顆粒的表面特性，起到覆蓋作用，從而阻斷顆粒與水分子的接觸，從而有效降低水分子的滲透速率，抑制黏土顆粒的水化分散。

頁巖的水化作用和微裂縫的存在是導致井壁失穩的重要因素。針對不同類型頁巖引起的復雜地下問題，我們可以采取對應的防塌措施。從穩定井壁的角度出發，泥頁巖大致可分為兩類：一類是泥頁巖-軟泥巖，易膨脹，導致井眼縮徑和拔活塞;另一類是泥頁巖-硬脆性泥頁巖，由于微裂縫引起的剝落塊導致井眼不穩定。硬脆頁巖主要由伊利石、綠泥石等非膨脹性茹土礦物組成。膨脹性黏土里的礦物蒙脫石含量不高，層理和微裂縫較發育，滲透性不強。硬脆頁巖的物質構成決定了其表面會發生水化不均勻的現象，造成局部水化，加劇了裂縫的肢解。濾液滲透越深入，裂縫就更加容易開裂，最終會導致剝落和掉塊狀況。因而，我們要減少井壁坍塌現象，主要應加強鉆井液封堵裂縫和抑制頁巖水的能力，還要降低失水性能。

二、防塌鉆井液技術的進展

（一）溫度活化鉆井液體系

這種鉆井液是以KCI聚合物為基礎上添加非離子型醇的燒氧基化化加成物制造的。其作用機理是：鉆井液中的醇加氧加合物在溫度高于濁點時能獨立形成親油乳化顆粒，堵塞頁巖裂縫，在井口溫度不高時能還原為水溶液，對環境不會造成污染。

（二）聚合醇鉆井液體系

這種鉆井液以多元醇為主體制備的環保型水基鉆井液，具有對環境無污染、對錄井干擾小、抗塌能力強等優勢等。其防塌機理主要是聚合醇達到濁點后形成微乳液，能有效地封閉頁巖微裂縫。多元醇能與黏土形成穩定的配合物，其作用遠強于水與粘土之間的作用。

（三）硅酸鹽鉆井液體系

這種鉆井液沒有毒性，不會造成環境污染現象，無熒光效應，有利于錄井，能夠降低成本。其防塌機理主要包括以下兩點：第一，硅酸鹽能在地層孔隙中形成不溶性沉積物，堵塞頁巖微裂縫，防止濾液侵入地層。第二，硅酸鹽能有效抑制粘土礦物的水化膨脹和分散。硅酸鹽能與粘土礦物反應形成新礦物，井壁非常致密穩定，與氯化鉀、氯化鈉之間具備良好的協同作用。然而，硅酸鹽也有其自身的弱點，如硅酸鹽沉淀會造成儲層通道的堵塞狀況，對PH值較為敏感，與其他鉆井液添加劑的配伍性不好。

三、井壁穩定的鉆井液措施

（一）選用適合的鉆井液密度

鉆井液密度對鉆井液柱壓力具有決定性作用。鉆井液密度低，鉆井液柱壓力就不足以支撐地層的壓力。如果鉆井液密度太高，液柱壓力高于地層孔隙壓力，就會造成鉆井液侵入頁巖孔隙的現象，增加了井眼周圍頁巖的含水量，降低了鉆井液的強度，破壞了鉆井液的穩定性。合理的鉆井液密度可以有效平衡地層壓力，對井筒起到有力的支撐作用。鉆井液密度亦會對鉆速產生影響。鉆井液密度過高，就會造成液柱壓力過高，導致鉆具在鉆井液作業中遇到比較大的阻力，產生地層壓力泄漏的現象，因而鉆井工程中鉆井液的密度應當達到“壓而不死，活而不噴”的要求。

（二）優選防塌型鉆井液類型與配方

首先，在鉆井液體系中加入不同的緩蝕劑，增強對鉆井液的緩蝕作用。其次，在鉆井液體系中加入不同的封堵劑，封堵地層微裂縫，防止鉆井液濾液滲透到地層中。最后，在鉆井液中加入良好的降濾失劑，可以有效提升鉆井液的失水率和造壁能力，形成致密的泥餅，延緩濾液的滲透速度。在實踐中，我們應根據不同地層的失穩機理，選擇具有較強抑制和封堵功能的鉆井液體系，以鉆井液密度作為支撐，采取多元協同抑制和封堵、潤滑和防卡措施。

結語：

井壁的塌陷、掉塊、縮徑、卡鉆等多種失穩現象一直以來都是我國鉆探工作中需要面對和解決的難點問題。由于我國油田勘探正在向愈來愈復雜區塊發展，這一問題的解決顯得越來越重要，如果處理不妥當將會造成嚴重的經濟損失。保持井壁的穩定性，順利快速地鉆井是減少鉆井成本的主要方式，而鉆井液的配方以及處理劑的科學選擇是解決上述問題的重要措施。

參考文獻：

[1] 宋保健，孫凱，樂守群，蘭凱，明鑫.涪陵頁巖氣田鉆井提速難點與對策分析[J].鉆采工藝，2019（7）：9-12.

[2] 鄒先雄，盧秀德，劉洪彬.連續油管鉆磨復合橋塞效率影響因素分析及提效措施研究[J].鉆采工藝，2018，41（2）：110-112.

[3]張瑜，彭守濤，汲生珍.塔河油田于奇西地區奧陶系洞穴充填程度預測與應用[J].新疆地質，2017，35（1）：89-93.