钻井液与井壁稳定的几点认识

井壁稳定钻井液技术（西南石油大学，四川成都）摘要：钻井液是影响泥页岩井壁稳定的主要因素之一，本文从钻井液的性能与井壁稳定的关系出发，讨论了钻井液对井壁稳定的影响。总结了目前使用的几种钻井液体系的抑制性及对岩石强度的影响。关键词：井壁稳定钻井液密度抑制性石油工业钻井过程中，井筒稳定性是最主要的一个问题，每年由于井筒稳定而造成的损失相当惊人，井筒不稳定主要发生在泥页岩地层，而这种地层在一般井中又占较大的比例，据统计由于泥页岩引起的井筒失稳的概率大约是90%。然而，在过去的几十年中，虽然对泥页岩井壁稳定性的化学和力学作用已作了大量研究，取得了较大成功和进步，但泥页岩井壁失稳问题始终没有彻底解决。其中的原因之一可能是没有将影响泥页岩井壁稳定性的化学与力学作用有机地结合起来。纯力学研究主要以线弹性连续介质理论研究井壁周围的应力状态，然后根据某种强度准则确定出防止井壁坍塌的理论破裂压力和坍塌压力。化学方面的研究主要体现在防塌泥浆处理剂和使用油基泥浆体系上，其主要机理表现在两个方面，其一是阻止泥浆中的水进入井壁，防止泥页岩水化膨胀；其二是阻止井内流体压力与地层孔隙压力勾通，防止近井壁孔隙压力局部升高。井内泥浆对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性能，使岩石强度降低；另一方面产生水化膨胀，如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀压力，从而改变近井壁的应力状态。井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解，但如何将这种化学作用带来的力学效应加以定量化，并将其同纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题，过去相当长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止，国内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来看，其研究方法主要表现在两个方面，即实验研究和理论研究两方面［1］。在理论方面，真正能用于定量计算的方法只有两种，一种是Taxas大学C.H.Yew的热弹性比拟法［1，2］，另一种是Shell公司F.K.Mody等人的水分子自由能热动力理论法［2,3］。基于这两种主要理论，许多学者对该问题进行了深入研究。徐加放［4］等从能量守恒角度出发分析了井壁稳定。其基本观点是当岩石内部能量储存到无法承受时，岩石内部微裂缝便会扩展以释放能量。岩石破坏是在介质内部能量积累超出临界极限时产生裂缝，内能通过生成微裂缝并相互作用导致裂缝扩展转变为表面能。钻井过程中能量的积累是由钻柱振动、井壁形变、钻井液与岩石的温差、物理化学作用以及岩石疲劳破坏引起的。裂缝扩展后流体的迅速渗入可能是导致井壁失稳的另一主要原因。因此，使用封堵型钻井液能够有效减少井壁失稳。SantosH［5］等指出泥页岩膨胀不是井壁失稳的主要机理，主要是因为钻柱振动、岩石与钻井液间的物理化学作用、温度变化等造成井眼附近能量过高或应力过大产生了裂缝带，而天然裂缝的存在使井壁失稳进一步扩大。钻井液入侵可以加速裂缝扩展，失去对井壁的支撑作用。钻井液与井壁稳定保护井壁稳定措施包括化学和物理方面，钻井液的密度和抑制性是其中的重要考虑方面。钻井液密度的确定，首先是满足安全钻井的需要，其次才考虑其他方面。不同地区地质条件不同，对密度要求也不同。通常，降低密度有利于提高钻井速度，减少钻井液的流动阻力和内摩擦力，但有时也不完全是这样，要看地层的稳定性和地层流体的活度哪方面占优势。有一种观念认为密度低可以保护产层，但这是片面的，有时反而需要提高密度形成暂堵层来保护储层。抑制性对钻井液的作用很关键，不能把抑制性仅仅看作是防塌，要与井壁稳定一起考虑。从井眼稳定性和钻井液稳定性方面来讲，钻井液的抑制性至关重要。目前没有一种水基钻井液体系的抑制性达到最好，也就是说抑制性对钻井液的贡献没有充分发挥，更确切地讲，钻井液的抑制性不够。之所以钻井液的抑制性不足，不能达到最佳状态，是因为通常认为钻井液的抑制性和钻井液的稳定性存在矛盾，当问题出现的时候，总是首先考虑其稳定性（特别是滤失量），而放弃提高钻井液的抑制性，这就是长期以来钻井液抑制性没有充分发挥的根本原因［6］。其它强化措施可以提高井壁稳定效果，如井壁封固、近井地带加固等，同时在井壁稳定措施中也要考虑防漏和堵漏。对于硬脆性地层，乳化沥青可以获得较好的稳定效果。A13+对于提高硬脆性和水敏性地层的井壁稳定更为有效，A13+的固壁作用机理是沉淀的氢氧化铝最终转变成晶体形态，并逐渐变成页岩晶体的一部分，对页岩起稳定作用。这种化学过程将会明显地减轻页岩微裂缝中的孔隙压力传递。通过对泥页岩与水基泥浆的相互作用研究发现：在常压及地层条件下含有大量蒙脱石的泥页岩与KCL溶液相互作用的结果，表明对于不同的情况，存在一个最佳的KCL浓度使井壁较稳定［7］；用抑制水基泥浆控制泥页岩膨胀的研究结果表明，对于水基泥浆，泥页岩产生从10MPa的收缩压至20MPa的膨胀压不等［8］。对于这些成分的泥浆，泥页岩强度下降了近35%。据国外资料介绍，有机季铵盐是最有效的提高抑制性的化合物910］，但国内在有机季铵盐的利用方面还有差距。另外，A13+的化合物或络合物在一定条件下也可以提高钻井液的抑制性。这些已经在实践中得到证实［11］。黄进军［12］实验选取了不同浓度的无机盐、封堵剂、聚乙二醇配制各种体系的钻井液，对岩石的抗压强度的影响，结果表明，在钻井液中，加入无机盐，大幅度提高了岩石的抗压强度值；加入封堵剂岩石的残余强度增大，抗压强度增大；加入聚乙二醇，使岩石的抗压强度提高到与原样接近，封堵效果非常好。聚乙二醇在水中具有浊点和逆溶解性。低于一定温度，它们是水溶性的。当温度高于聚乙二醇浊点温度时，发生相分离而形成乳状液起封堵裂缝来阻止滤液的侵人，达到稳定页岩的目的［13］。刘平德［14］等也通过实验证实利用聚乙二醇的浊点效应可以封堵页岩裂缝，且温度越高，抑制作用越强。且与合适的无机盐相配，可以提高抑制作用。范鹏，李斗［15］等以岩屑滚动回收率为评价指标，对聚乙二醇抑制性影响因素进行了分析。表明聚乙二醇相对分子量对其抑制性影响不大。少量KCL就能大幅度提高聚乙二醇溶液的抑制性；浊点以下，温度升高减弱聚乙二醇溶液的抑制性，浊点以上，温度升高增强聚乙二醇溶液的抑制性能。李宪留［16］等提出采用葡萄甙（MEG）钻井液体系解决井壁失稳问题，并在沙113井现场使用，效果良好。李健［17］等针对准尔盆地南缘地区复杂井下情况提出了稳定井壁的钻井技术，采用无机盐KCl，CaO配合两性离子聚合物XY27，抑制泥岩的水化，分散。徐加放从能量守恒角度出发分析了井壁稳定，认为最好的方法是使用封堵型钻井液，如硅基钻井液，热活性聚合物添加剂也可以降低水基钻井液的渗透特性。使用封堵型钻井液成功解决井壁失稳问题的现场实例很多，尤其是在活性泥页岩井段的使用更加成功，同时也证明了井壁失稳的主要原因不只是钻井液/岩石相互作用的结果。封堵型钻井液的缺点是在多数情况下有严重副作用，如硅基钻井液会严重损害地层，降低油藏生产能力，硬沥青影响地层测试等。目前最好的办法是使用可溶性聚合物的混合物，既能有效减少滤失又不造成地层损害，对环境也比较安全。另外，一些油田还用降低钻井液温度法减小钻井液/岩石间温差，提高井壁稳定性；减少起下钻压力激动和抽吸造成的压力波动等也是保持井壁稳定的重要因素。钻井液的密度、抑制性和滤失量，钻井液中膨润土含量和低密度固相的控制，是保证钻井液良好性能的关键。井壁稳定和防漏堵漏关系到井眼质量和钻井施工能否顺利进行，因此必须高度重视，并根据具体情况采用新技术来满足钻井液性能控制和井壁稳定的需要。结论：目前主要使用的钻井液仍是造成井壁不稳定的主要因素之一，水基钻井液会造成使膨胀性粘土矿物膨胀、分散，改变岩石强度，而导致井壁不稳定。油基钻井液抑制性较好，但污染较大，造价高。建议继续对岩石力学力-化耦合关系进行深入研究，找出一套行之有效的理论体系及实验方法。提高钻井液抑制性及封堵性，减少由于滤失，漏失等对井壁稳定性造成的损害。希望以后的钻进工作结合地层的地质状况及力-化耦合关系，选用符合各项指标的钻井液体系，有效的保护井壁稳定。参考文献唐林，罗平亚.泥页岩井壁稳定性的化学与力学耦合研究现状[J].西南石油学院学报.1997,19(2)：53〜57.⑵C.H.Yew.WellboreStressDistributionProducedByMoistureAdsorption[R.SPE19536.黄荣樽.泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合研究[J].钻井液与完井液,1995,12(2).徐加放，邱正松，李云贵，亢德峰.井壁稳定新观点一能量守恒[J].钻井液与完井液，2007,24(4).F.K.Mody.ABoreholeStabilityModeltoCoupletheMechanicssndChemistryofDrillingFluidShaleInteraction[R].SPE25728.SantosH，FontouradaS，GuptaA，etal.laboratorytessforwellborestabilityanalysisindeepwater，Brazil[R].SPE38977.王中华.钻井液性能及井壁稳定问题的几点认识[J].断块油气田.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.黄进军，杨香丽，王福林，李春霞，刘向军.处理剂对泥页岩抗压强度影响的实验研究[J].西南石油大学，2009，31(3).ReldF，Bernadeue.Dolan.Mechanismofshaleinhibition