钻井液防塌机理与措施

钻井液防塌机理与措施 一、井壁稳定研究的现状 井眼由于地质因素、泥页岩与泥浆相互作用和钻井作业等因素而出现不稳定的问题，即井壁稳定问题，是钻井系统工程中所遇到的一个十分复杂的世界性难题，迄今还没有研究出可以彻底解决这个问题的一套完整的有效方法。因此，人们更加重视井壁稳定机理的研究，以求在井壁稳定技术方面获得新的突破。 从总体上看，钻井液的防塌机理主要体现在以下几个方面： 1.适当密度的钻井液在井眼内产生的液柱压力可对井壁提供有效的力学支撑，起稳定井壁的作用； 2.在钻井液中加入处理剂，使钻井液具有抑制页岩膨胀和分散的能力； 3.同时产生薄而韧的滤饼，稳定井壁。 二、对化学因素引起的井壁失稳原因的认识 上述作用机理包括物理化学方面，本文主要讨论化学防塌机理及其相应的措施。在许多情况下，泥浆液柱压力高于地层孔隙应力，驱使泥浆进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应， 使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低。因此，在钻井过程中防止泥浆渗入泥页岩是保证井壁稳定的关键措施。 通过众多学者的研究，有以下结论：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、强度参数和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应力，从而改变近井壁的应力状态，诱发或加剧井壁岩石的受力不平衡。要彻底解决泥页岩井壁失稳问题，就应该将影响井壁稳定性的化学作用和由此产生的力学效应有机地结合起来，研究出新的泥浆处理剂井壁稳定机理。 三、油基泥浆防塌机理 众所周知油基泥浆具有优异的井壁稳定能力。对油基泥浆井壁稳定机理的深入认识有助于水基防塌泥浆的完善与发展。油基泥浆通过对泥页岩的脱水硬化作用稳定井壁，而这种脱水硬化作用是通过两种形式的半透膜即油基泥浆在井壁表面形成的半透膜和油包水乳滴自身的半透膜来实现的。半透膜两侧高盐度水相与泥页岩原生水的活度差产生了渗透驱动力，萃取泥页岩中的水，使泥页岩硬化，强度增大。油基泥浆还通过增大泥页岩的毛细管压力阻止泥浆水进入泥页岩。 有部分学者认为油基泥浆的油水比对泥页岩含水量的变化和强度影响不明显，水在泥页岩中的运移速度和方向 (这是泥页岩含水量变化的关键) 取决于泥浆水与泥页岩水的活度差。还有一些学者认为温度能强化油基泥浆对泥页岩的硬化作用。 四、几种新型防塌泥浆的防塌机理 1. 温度活化钻井液体系(TAME) TAME 体系是在 KCl2 聚合物体系的基础上加入体积比为 5 %的非离子型醇的烷氧基化加成物而制得的。在井下条件下 (井温大于浊点) 钻井液中醇的烷氧基化加成物独立构成亲油性细乳化颗粒，封堵泥页岩表面，降低泥浆水对泥页岩的孔隙压力穿透作用; 而在井口常温条件下醇的烷氧基化加成物又变到原始的水溶液状态，避免了对环境的潜在危害。很显然， TAME 在不同温度下能发生亲水与亲油相态转移的浊度效应是其作用机理的基础。机理研究在微渗滤筛选试验仪上进行，重点研究对泥页岩的孔隙压力穿透问题。 2. 多元醇泥浆 多元醇泥浆防塌抑制能力优异，环保特性良好。Aston对多元醇泥浆的防塌机理进行了较深入的研究。所研究的多元醇包括简单的聚乙二醇以及环氧乙烷或环氧丙烷复杂聚合物。分子量一般为 1000 左右，目的是使多元醇渗入泥页岩基体，如果分子量过大就会被挡在泥页岩表面。多数研究者认为在泥浆中无机盐 (如 KCl ) 的影响下具有浊度效应的多元醇聚合物，在温度作用下产生亲油的晶状微粒封堵泥页岩表面，形成憎水性封堵膜，减少孔隙压力穿透作用，是多元醇泥浆的主要作用机理。而 Aston则认为对于渗透性极低的泥页岩，物理性的堵塞难以实现，除非有微裂缝存在。他认为即使在温度低于浊点的条件下多元醇(包括无浊度效应的多元醇) 仍具有良好的抑制性能。浊度效应并不是多元醇抑制性能的基本条件。他的机理研究主要是通过热重分析和便携式岩屑硬度测试仪研究泥页岩样品含水量变化与硬度和页岩回收率的关系，发现在油基泥浆中见到的泥页岩硬化现象在多元醇泥浆中也存在，但作用机理不同。示踪测试已表明一般的水基泥浆不可能形成半透膜，因此泥页岩的硬化一定是多元醇与泥页岩直接相互作用的结果。研究表明多元醇与泥页岩有强烈的亲合性， 多元醇能抢先吸附在泥页岩上，排挤泥页岩表面和吸附阳离子所带的束缚水，并在泥页岩内浓集，使泥页岩含水量减少。但多元醇的吸附量还不是使泥页岩硬化的关键，多元醇必须复配 KCl才能具有优良的防塌效果。这是因为多元醇与 KCl具有强烈的亲合性，足以将溶剂化水分子移走，形成牢固的复合物，为多元醇提供吸附动力，从而在泥页岩内形成氢键力和亲合力共同作用的复合物吸附网络，使泥页岩含水降低，强度增大，产生了硬化的效果。 Bland认为多元醇能够排除粘土表面的水并与粘土形成稳定的复合物，其相互作用比水与粘土的相互作用更大。氢键仍是主要的作用力，亚甲基的α氢转移到醚氧上也能与粘土上的氧形成氢键。吕开河等人的研究支持了上述观点，他们认为在浊点以下的温度聚乙二醇与 KCl 的水溶液仍具有抑制性，是因为其复合物防止了粘土颗粒直接与水接触，防止了泥页岩的水化分散。但他们更强调在温度高于溶液浊点时，温度越高则析出的聚乙二醇越多，通过封堵粘土颗粒表面的裂缝产生的抑制作用越强。他们把多元醇在泥页岩中的抑制作用归纳为三点 : (1) 降低活度，即通过渗透作用稳定泥页岩; (2)浊点行为，通过多元醇颗粒封堵泥页岩;(3)吸附作用，即多元醇可在泥页岩表面强烈吸附，形成吸附层，阻止页岩分散膨胀。 Bland认为多元醇在保持一定水溶性的条件下，分子量越大则抑制性越强; 但当水溶性丧失时，抑制性也跟着丧失。 Reid 等人应用 X 射线衍射和红外光谱技术对多元醇泥浆的抑制机理进行了研究，认为多元醇在泥浆中的加量较低 (通常为3%-5%)，无法通过降低泥浆水的活度来提高泥浆的抑制性，浊点效应也不能很好地解释多元醇的抑制机理。他们在室温条件下(不考虑浊点效应) 研究了三种多元醇 (其中两种无浊点性能) 对未经压实的活性泥页岩的抑制机理 ，表明不论盐存在与否，多元醇对粘土均有强烈的亲合性。但在蒸馏水溶液中多元醇在粘土上只能形成对井壁稳定不利的不稳定的多层吸附，而在KCl 溶液中却能形成牢固的单层吸附，单层厚度为1.4 nm，有利于井壁的稳定。将研究用的样品用KCl 进行预处理后再放入多元醇的蒸馏水溶液中，多元醇也只能形成厚度为 1.4 nm 的单分子吸附层，说明形成稳定的单分子膜的关键不在于溶液中的含盐量，而在于多元醇与 KCl 相互作用，形成了多元醇与 KCl 的复合物，其他的无机盐与多元醇不能形成这种对井壁有特殊稳定作用的复合物。一旦这种复合物在泥页岩井壁上形成，就能有效地加固井壁。室内研究表明，这时即使把多元醇/ KCl 泥浆换成清水，对井壁稳定性的影响也不大。因此多元醇与 KCl 在粘土表面上相互作用形成一种有机粘土复合物，是多元醇泥浆井壁稳定的基本机理。 Bland等人从新的角度提出多元醇类泥浆的作用机理。他们认为，如果多元醇的浊点与井底循环温度一致，多元醇就会在液柱压力和扩散梯度的作用下浸入泥页岩。井底静止温度高于井底循环温度，可引起相的转变和乳化相的形成，封闭泥页岩孔隙及其表面并改变孔隙的润湿特性，形成防止泥浆水浸入和压力穿透的屏障，保证了井壁的稳定。值得重视的是国外的多元醇类泥浆体系无一不是与 KCl 和聚合物复配使用的，仅仅使用聚乙二醇等添加剂并不能取得好的抑制防塌效果。这说明多元醇类泥浆真正的稳定井壁机理还有待深入研究。 3. PVA 聚合物催化体系 该体系是一种抑制性水基泥浆体系，主要由 PVA 聚合物 (聚乙烯醇)、硅酸钾和碳酸钾组成。其作用机理是 PVA 在硅酸钾催下形成 PVA 阴离子，PVA 阴离子与泥页岩颗粒表面的硅醇发生亲核反应，最后PVA 以共价健的形式结合在泥页岩颗粒的二氧化硅表面，使颗粒接触点之间的结合力牢固，井壁稳定性提高。 4. 硅酸盐泥浆体系 硅酸盐泥浆体系是一类重要的防塌泥浆体系，其井壁稳定机理有以下四个方面: (1) 硅酸盐进入地层孔隙形成三维凝胶结构和不溶沉淀物，快速在井壁处堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减少了压力穿透作用; (2) 硅酸盐抑制泥页岩中粘土矿物的水化膨胀和分散; KCl/ 聚合物/ 硅酸盐体系(代号 KPS)各处理剂间的协同作用，使粘土产生脱水而收缩，使泥页岩的结构强度提高; (3) 硅酸盐可能与泥页岩中的粘土矿物发生反应，生成类似氟石的非晶质的联结非常致密的新矿物，增强井壁的稳定性; (4) 氯化钠或氯化钾的协同增效作用。可溶性硅酸盐溶液还具有抗腐蚀性能，能有效地抑制非膨胀粘土矿物悬浮液 pH 值升高时界面上硅石的溶解，保持聚结晶体里的晶间凝结力。 5. 阳离子聚合物泥浆，两性离子聚合物泥浆和MMH泥浆 阳离子聚合物泥浆以高分子阳离子聚合物作为粘土包被抑制剂，以小分子阳离子作为粘土稳定剂，并复配以增粘剂、降滤失剂、封堵剂等。大阳离子的大分子链上含有正电荷基团，与粘土的作用除氢键作用外，主要为粘土表面的负电荷与聚合物分子链上的正电荷之间的静电作用。小阳离子分子量小并带有正电荷，易吸附在粘土表面 ，进入粘土晶层间并取代交换性阳离子而吸附于其中，由于吸附力很强而不易脱附。吸附分子外表面是含有碳氢基团的憎水表面，可阻止水分子进入，故能有效地抑制粘土的水化膨胀和分散，稳定井壁。 现场应用实践表明，小阳离子与低分子量聚合物复配体系具有更强的稳定井壁能力，如 XA-1/SDX 低聚物抑制性泥浆。 近年来发展了 JT-888 两性离子聚合物防塌泥浆。JT-888 是由非离子、阳离子和阴离子三种类型的单体反应而成的两性离子型中分子量聚合物，吸附强度由两种阳离子单体调节，能够与 CMC 等处理剂通过氢键和静电引力等作用形成复合物，通过阳离子基团牢固地吸附在泥页岩表面，阻止泥浆水的侵入。 MMH 泥浆具有优异的井壁稳定能力，其稳定井壁的机理为:(1) MMH 泥浆在井壁上能形成“不动层”，减小钻井液对井壁的冲蚀作用; (2)MMH 胶粒在井壁上形成正电膜，抑制粘土或泥页岩的分散。这三种泥浆体系的共同特点是均通过阳离子加强泥浆处理剂对井壁的吸附，通过处理剂间的协同作用在井壁上形成不同形式的膜，阻止泥浆水的侵入。 6. 人工加固不稳定岩层 人工加固不稳定岩层是具有泥浆和下套管固井稳定井眼的作用而异于二者的一种经济有效的井壁稳定技术，对解决力学不稳定因素引起的泥页岩塌塌问题效果较好。沥青乳液加固法是其中之一。沥青对水、酸和碱均有很好的稳定性，历时三年仅吸水膨胀 10 %。加入 15 %水泥的沥青乳浊液在井壁上所形成的膜(膜厚可达 2 mm 左右)，抗压强度不低于 1 MPa，抗水稳定性好，渗透性低，用此乳浊液洗井完全不会引起井塌。这一井壁稳定机理对防塌泥浆的研究有一定的参考价值。