井壁稳定钻井液技术

井壁稳定钻井液技术

单东亮

中原石油工程有限公司钻井三公司河南濮阳457000

摘要：我公司目前在中原、陕北、新疆、四川等地区的钻井过程中都出现过不同程度的井壁失稳，造成了复杂及事故。究其原因与钻井过程中所钻地层的岩性、组份及特性有直接的关系。在钻井过程中，常发生已钻井井眼井壁坍塌、缩径、地层蠕动的现象，统称为井壁失稳。随着近年来欠平衡钻井、大位移井、水平井、新区探井的增多，分析井壁失稳的特征及原因，制定相应的措施及工艺，确保井眼稳定已成为勘探开发过程中钻井液技术工作的重点。

关键词：井壁失稳缩径水平井地层蠕变钻井液技术

一、井壁失稳的类型

（1）泥岩的剥蚀掉块；

（2）泥岩的水化膨胀以及盐膏层的吸水蠕变造成缩径；

（3）盐溶失稳；

（4）层理发育的硬脆性地层；

（5）破碎性地层；

（6）无胶结地层。

二、井壁失稳的原因

井壁失稳的实质是力学不稳定。是岩体在应力不平衡的条件下发生坍塌、缩径、蠕变的现象，钻井过程中发生的井壁失稳是力学、物理化学、工程措施单一因素或者共同作用的结果。

（1）力学因素

钻井过程中钻井液液柱压力要大于实测及预测的地层坍塌压力，否则井壁将失去稳定发生坍塌；当钻井液液柱压力低于地层压力时就不能形成对地层的有效支撑引发井塌。

（2）物理化学因素

化学作用就是钻井液滤液在压力作用下进入岩体中对其中的矿物质发生水化作用，泥页岩中的粘土矿物因成分及沉积环境的不同，对滤液敏感程度不同，特别是其中的蒙脱石、伊蒙混层，水化进程较快，且反应明显，最直接的作用就是水化膨胀，产生水化应力，改变了井眼周围岩体孔隙压力，造成岩石强度降低；当液柱压力小于其膨胀压力或受外力作用即发生剥蚀掉块。对泥页岩、泥岩而言，其水化进程因岩体成分不同及水化时间长短，作用压力、温度及滤液离子成分的不同，造成的膨胀（缩径）坍塌程度也不一样。因此井壁失稳是力学因素和物理化学因素共同作用的结果。

（3）工程因素

工程措施也是影响井壁稳定的重要因素，如抽吸压力过大易造成钻头以下地层坍塌，开泵过猛或定点循环易造成破碎地层，煤层、无胶结地层、砾石层的坍塌；起钻灌浆不及时或者机械撞击也易引发井壁失稳。

三、稳定井壁的机理及措施

1、钻井液密度的确定

选择合理的钻井液密度（液柱压力）是防塌的前提和关键。钻前应对所钻地层的岩性、地层压力、有无盐层膏层及易漏层等有所了解，准确计算预测地层坍塌压力，结合所用钻井液体系的特点，所钻井井身结构、井眼尺寸、确定合理的钻井液密度，实钻过程中及时调整钻井液密度。

2、优选防塌钻井液体系

分析研究表明采用物理化学的方法阻止或减缓地层水化作用是现阶段利用钻井液体系特点进行防塌的主要手段。其方法主要有：一是提高钻井液抑制性；二是用物理化学方法对地层层理和裂隙进行有效封堵，阻止滤液进入地层；三是提高钻井液滤液粘度，降低滤失量和滤饼的渗透率，减少滤液进入量。

（1）无机盐对粘土矿物水化进程的影响

提高钻井液的抑制性主要是用引入无机盐（如K+、NH4+、Ca2+、CL-等）的方法，有针对性地抑制地层粘土矿物的水化作用，降低其水化膨胀压力，为防塌创造好的环境。K+、NH4+水化能较低，利于粘土矿物的选择性吸附，促使晶层间脱水压缩，形成致密结构而有效抑制水化；K+的特性有利于其对粘土的晶格固定，抑制其水化进程，并随K+增高而加强。

（2）聚合物

在聚合物体系中有选择性的加入不同品种、不同剂量的聚合物，增强体系抑制造浆和水化来达到井眼稳定的目的。泥岩是通过粘土颗粒胶结而成的，钻井中滤液易进入其间，促使其水化膨胀，进而引发井壁失稳；阳离子聚合物能很好的吸附在带负电的粘土颗粒表面进行桥接、包被，形成保护膜，阻止自由水的进入；两性离子聚合物利用其双电性特点，能很快形成多点吸附，使水化趋势得到抑制，其中的阴离子基能形成致密的溶剂化层，阻止水和粘度矿物的进一步接触，起到抑制水化膨胀的作用。

如果把无机盐和聚合物复配起来，能更好的利用其双方的防塌机理达到防塌目的。

（3）沥青类

沥青低温时（35℃以下）呈固态，软化点附近有一定的变形能力，在压差作用下，易被挤入地层层理裂隙和孔喉中，从而起到封堵作用，在井壁附近形成致密层；沥青的疏水性能有效阻止水向地层中的浸入，抑制其水化，防止坍塌的发生。

（4）聚合醇

聚合醇在低温时溶解，高温时（浊点温度）从钻井液中析出形成浊状的微乳液（浊点效应），它能牢固的吸附在泥岩表面，形成吸附层，从而阻止水的进入和水化进程发生，达到防塌的目的。防塌最基本的就是通过建立保护层（封堵层及泥饼）阻止滤液的过度进入，减缓水化作用，保持岩体的稳定。

四、现场工艺技术

防止井壁失稳应从力学、物理化学、工程操作等几方面入手，准确的地层压力预测、合理的井身设计、优良的钻井液防塌工艺、严格的工程操作是防止井壁失稳的保障。护壁固壁，形成优质泥饼，阻止滤液的侵入是钻井液防塌工艺实施的方向，在现场钻井液维护中应注意以下几点：

1、应有足够的液柱压力（欠平衡除外）来平衡地层压力，密度的提升应该在井塌发生之初或钻达易发生井塌地层之前。

2、无论中压失水或HTHP失水都应控制在设计范围（尽可能小），特别是水敏性强的泥岩地层。

3、确保钻井液抗污染能力，维护良好的流变性，防止产生虚厚的泥饼。

4、追加足够的沥青（石蜡）制品，形成致密的滤饼。

5、盐水钻井液要保持足量的CL-浓度，防止“盐溶”现象而影响盐层上下井壁的稳定；高钙盐钻井液要保持Ca2+浓度，并及时补充护胶剂，防止膏层蠕变；K+盐钻井液要确保KCL含量不少于4%，并及时补充KCL及聚合物。

6、破碎地层钻进时，应追加长纤维、颗粒状材料，并提高钻井液粘切，防止垮塌。

7、无胶结物地层，要求钻井液高粘切、高搬含、高滤失量（30-50ml），利用滤积物胶结地层，确保井壁稳定。

8、在钻遇软泥岩地层、软泥膏地层时，应加大排量，提高转盘转速，并及时通拉井壁。

9、长裸眼多压力地层井眼要加足够的封堵类（纤维、颗粒）材料，封堵易漏层，为钻井液提密度扩大安全窗口打下基础。

10、大位移井、水平井、大尺寸井眼（深井），因易塌井段暴露岩体段长面大，且液流冲涮剧烈，防塌类处理剂要成倍追加。

11、钻遇易塌地层后，如需起钻、建议用CMC、沥青、树脂类处理剂封闭该井段，防止下钻时划眼，发生恶性垮塌。

五、防塌钻井液发展方向

防塌钻井液工艺的完善、体系的改进，是钻井工程发展的需要，随着大位移井、水平井、新区探井增多、外部市场扩大的需要，钻井液防塌工作应引起高度重视。考虑到目前安全、成本、效益、市场信誉等因素及钻井液工艺的可操作性，我们应从成熟的防塌工艺上进行改进、提高，针对性地选择新体系。如钾盐聚合物、钾盐聚磺钻井液、盐水钻井液、抗高温防塌钻井液的完善等，防塌处理剂选择应以沥青类制品、石蜡制品为主，辅以纤维类处理剂，提高钻井液的封堵、防塌能力；在室内对硅酸盐钻井液、聚合醇钻井液进行验证研究，完善防塌工艺。

六.经验与建议

大位移井、水平井、新区探井，要有足够的液柱压力来平衡地层压力，减缓水化作用，保持岩体稳定，防止井壁坍塌。推广硅酸盐体系的防塌技术，超低渗成膜处理剂等工艺技术的不断成熟，都有可能成为以后防塌体系发展应用的方向。因此在深井，水平井，区域探井中建议使用硅酸盐防塌钻井液体系，为加快钻井速度、保证井下安全，起到十分重要的意义。

参考文献

[1]鄢捷年钻井液工艺学东营中国石油出版社2001