夏99井防塌钻井液技术

页岩气钻井过程中的钻井液技术背景页岩气开发目前成为全球关注的热点。

在我国，由于现有的天燃气产量难以持续满足中国国民经济的发展和社会高速发展的需求，也由于北美页岩气勘探开发的成功经验，所以中国页岩气的发展引起政府、企业和民众的高度关注。

中国的页岩气勘探开发技术刚刚起步，缺乏相关的经验和技术；美国是最早进行页岩气研究和开采的国家，目前已形成相当的规模，并且进入了开发的快速发展阶段。

页岩气钻井方式的选择美国开发页岩气的成功经验表明，水平井和多种储层压裂改造技术是成功开发页岩气的关键。

在页岩气层钻水平井，可以获得更大的泄流面积，更高的天然气产量。

根据美国页岩气开发的经验，水平井成本平均为直井的3倍，但日均产气量及最终产气量是直井3~5倍，产气速率则提高10倍。

因此，水平井成为了开发页岩气最主要的钻井方式。

页岩气水平井钻井存在的主要问题一方面，页岩是以粘土矿物为主的沉积岩，钻井过程中粘土矿物水化造成强度降低，进而产生缩径、井壁垮塌、卡钻等复杂事故；另一方面，在页岩气水平井钻井中，水平段较长，井壁失稳、摩阻、携岩及地层污染等问题非常突出。

因此，钻井液的选择及其配方直接影响钻井效率、工程事故的发生率及储层保护效果。

从钻井液角度看，要求钻井液能提高地层承压能力，防漏堵漏效果好，最重要的是抑制粘土水化膨胀，造成储层伤害。

选择钻井液体系的原则为：要使钻井液有较强的抑制性、封堵性能和较低的渗透性和活度；能阻止滤液进入页岩地层，防止页岩吸水、强度降低。

油基钻井液传统的页岩气钻井过程中，使用最多的是油基钻井液。

油基钻井液具有以下优点；（1）强的抑制性，能防止和减少水敏性地层的水化、膨胀、分散而引起的缩径或井塌；（2）在钻遇石膏层、盐层及水泥塞时，对Ca、Mg、Na等离子具有很强的抗污染能力；（3）由于以油为外相，油基钻井液润湿效果极佳，能大大降低钻进及起下钻时的扭矩、阻力和张力，减少由于阻、卡引起的井下复杂事故；（4）对钻井设备无腐蚀；（5）具有极好的油气层保护特性；（6）与其他水基钻井液相比，油基钻井液的滤饼滤失速率较小，滤液基本不会引起粘土矿物水化膨胀；（7）滤液进入亲水型硬脆性泥页岩阻力大，从而能较好地稳定泥页岩地层。

钻井工程井壁稳定新技术井壁稳定问题包括钻井过程中的井壁坍塌或缩径（由于岩石的剪切破坏或塑性流动）和地层破裂或压裂（由于岩石的拉伸破裂）两种类型。

一、化学因素井壁稳定机理：1、温度和压力对泥岩水化膨胀性能的影响：膨润土水化膨胀速率和膨胀量随着温度的增高而明显的提高，尤其当温度超过120℃时，膨胀曲线形状有较大的变化，膨润土的膨胀程度随着压力的增高而明显下降。

2、泥页岩水化在10～24h范围内出现Na＋突然释放现象，阳离子释放总量及Na＋释放所占的比例越高，泥页岩越易分散，就越易引起井塌。

3、PH值水溶液中PH值低于9时，影响不大，PH值继续增加，泥岩岩水化膨胀加剧，促使泥页岩坍塌。

4、活度与半透膜对泥页岩水化的影响水基钻井液可通过加入无机盐降低活度来减缓泥岩水化膨胀；半透膜影响存有争议。

二、各种防塌处理剂稳定井壁机理1、K+防塌机理一是离子交换，另一是晶格固定，对不同类型的泥页岩，其作用方式不相同，随着PH值的增高，混入Ga2+、Na +等离子浓度的增加，会阻碍对泥页岩的固定作用。

钾离子主要对于蒙皂石等高活性粘土矿物起抑制作用。

2、硅酸盐类稳定剂（1）硅酸盐稳定粘土机理：1）主要机理：尺寸较宽的硅酸粒子通过吸附、扩散等途径结合到粘土晶层端部，堵塞粘土层片间的缝隙，抑制粘土的水化，从而稳定粘土，在某些极端的应用条件（如高温、长时间接触等）下，硅酸盐能与粘土进行化学反应长身无定形的、胶结力很大的物质，使粘土等矿物颗粒凝结层牢固的整体。

2）次要机理：负电性硅酸粒子结合到已经预水化的粘土颗粒端部，使其电动电位升高，粘度、切力和滤失量下降，有利于形成薄而韧的泥饼。

（2）硅粒子防塌机理有机硅在泥岩表面迅速展开，形成薄膜，在一定温度下，有机硅中的—Si—OH基和粘土表面的—Si—OH基缩合脱水形成—Si—O—Si—键，在粘土表面形成一种很强的化学吸附作用，同时有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而使泥岩水化得到控制。

钻井液工艺技术考点绪论：钻井液定义、组成、分类；基本公用。

第一章：粘土矿物水化膨胀性的好坏，粘土的稳定性、连接方式。

第二章：定义；塑性粘度，动切力，表观粘度，静切力，剪切稀释性。

简述；钻井液流变性与钻井作业的关系第三章：钻井液的虑失和润滑性；定义：滤失，滤失量，滤失范围及合理的滤失量；测量API滤失量指标第四章：水基钻井液：1、细分散钻井液优缺点及使用2、盐水钻井液优缺点及使用3、MMH正电胶钻井液特点4、高温对粘土、处理剂、黏土及处理剂的影响5、聚合物的特点第五章：油基钻井液：组成，滤失量低的原因，活度平衡第六章：振动筛、旋流器工作特点第七章：井壁不稳的机理、井壁失稳的对策、堵漏剂、漏失的原因、堵漏方法。

绪论1、定义：钻井液：指油气钻井过程中，以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。

钻井液俗称钻井泥浆或泥浆。

2、钻井液的组成：钻井液是由分散介质，分散相和化学处理剂组成的分散体。

3、钻井液的分类：1）、按密度分非加重钻井液和加重钻井液。

2）、按其与粘土水化作用强度分非抑制性钻井液和抑制性钻井液。

3）、按其固相含量的多少分低固相含量和无固相含量。

4）、根据分散介质不同：水基钻井液、油基钻井液、气体性钻井液和合成基井液。

4、钻井液的基本功用1）、携带和悬浮岩屑2）、稳定井壁3）、平衡地层压力和岩石侧压力4）、冷却和润滑作用5）、传递水功率6）、获取地下信息第一章、粘土胶体化学基础一、粘土矿物水化膨胀的强弱1、高岭石：为非膨胀性粘土矿物，其水化性能差，造浆性能不好，最不容易发生水化膨胀。

2、蒙皂石：是膨胀型粘土矿物，其晶层表面包括内外表面都可以进行水化及阳离子交换，蒙皂石具有很大的比表面。

最容易发生水化膨胀。

3、伊利石：不易水化膨胀4、绿泥石：非膨胀性粘土矿物，不易发生水化膨胀。

5、海泡石族：膨胀型粘土矿物，具有较好的热稳定性，适用于配制深井钻井液，具有良好的抗盐稳定性。

6、混合晶层粘土矿物：最常见的为伊利石和蒙皂石混合层，简称依蒙混层，是膨胀型粘土矿物。

KCL防塌钻井液的日常维护使用工艺KCL防塌钻井液体系是一种具有强抑制、强封堵、抗盐污染、抗温性强、适合高密度特点的钻井液体系，其中提供的钾离子能够抑制水敏性地层水化膨胀，防止水敏性地层坍塌掉块，能有效的保护井壁，以保证钻探施工的安全性。

一、KCL防塌钻井液的优点KCL具有调节流型抑制页岩分散，抗无机离子污染，降低钻井液滤矢量，提高钻速，减少井下复杂情况及降低钻井成本等优点，不但可用于低固相不分散聚合物体系也可以用于分散钻井液体系。

1．KCL防塌钻井液体系具有很强的抑制钻屑分散能力，体系中的K+能很好的吸附和嵌入，使黏土层紧密结合在一起，减弱了软泥岩地层缩径、拉井壁困难等问题，有效的缩短了钻井周期。

2．KCL防塌钻井液体系抗污染能力强，能通过化学防塌和物理封堵相结合的方式，保证井下安全。

3．KCL防塌钻井液体系固相容量大，固相含量小，流变性好，有利于提高机械钻速和保护油气层。

4．KCL防塌钻井液体系更容易与其他处理剂配伍，体系容易维护，性能稳定。

5. KCL防塌钻井液体系低粘高切特性，能满足易垮、破碎地层井底携砂需求。

6．KCL防塌钻井液体系滤饼薄且坚韧，泥饼摩阻小，有效降低井下粘卡风险。

7 KCL防塌钻井液体系热稳定性强，抗温效果超过200℃。

二、KCL防塌钻井液的配比KCL防塌钻井液多用于本井段以水敏性泥岩、盐岩、泥质灰云岩或富含盐膏的地层，其表现为地层易盐溶，易蠕变，易井塌等特点。

通常的配方为：水+（3-4）%抗盐膨润土+0.3%烧碱+0.3%纯碱+（0.3-0.5）%包被剂+（0.4-0.6）%水解聚丙烯睛+（0.4-0.6）%Redu+（2-3）%防塌类材料+（2-3）%聚合醇+（3-4）%磺化材料+20%KCL。

根据所处地区不同配比略有不同。

1.包被剂起到控制粘切，提高固控设备清除效果，提高钻井速度的作用。

2.水解聚丙烯睛和Redu具有良好的降滤失作用、增稠作用和絮凝作用，由于遇到浓度较高的高价阳离子时易产生沉淀，所以它的抗盐效果很强，抗温性能好，可达220℃-240℃。

钻井完井化 工 设 计 通 讯Drilling CompletionChemical Engineering Design Communications·187·第47卷第4期2021年4月塔里木油田塔中区块位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地，油气资源主要埋藏在奥陶系鹰山组、一间房组，其深度在5 800~ 6 300m ，该区块自上而下分别钻穿古近系、白垩系、三叠系（T ）、二叠系（P ）、石炭系、志留系、奥陶系桑塔木组、良里塔格组、鹰山组、一间房组。

该区块采用三开井身结构，二开井眼裸眼长度达4 300~4 800m ，存在多套压力层系等，二、三叠系埋藏在2 300~4 000m 。

长裸眼钻进时，在钻井液的浸泡下，二、三叠系泥页岩易水化膨胀，且二叠系底部普遍含高硬度火成岩，其多为裂隙发育，水敏性强，易发生井壁大规模失稳。

起下钻过程中发生的井壁坍塌，常造成垮塌卡钻、埋钻具等工程事故，此类复杂是近年来该区块面临的主要难题，仅2016—2019年四年间共发生15井次垮塌事故，其中造成卡钻事故8井次，回填侧钻3井次，3口井发生回填侧钻事故，平均损失周期高达900h 。

为提升钻井液封堵防塌稳定井壁的能力，从根本上解决二、三叠系垮塌问题，保证该井段安全快速钻井。

通过实验摸索，形成二、三叠系专项封堵防塌工艺技术，落实物理平衡及化学封堵防塌等措施，配合二、三叠系及其上下交界面专项封堵技术，及时起下钻及短程起下钻对井眼井壁进行有效拉划以形成具有强韧性优质泥饼，保证新井眼畅通井壁稳定，该技术应用于塔中区块3口实验井，取得了良好的应用效果。

1 二、三叠系井壁垮塌原因分析1.1 二、三叠系泥岩特性本区块中上部地层二、三叠系岩性以硬脆性泥岩为主，具有破碎性、地层胶结差、水敏性强等显著特征，尤其是二、三叠系交界面地层泥页岩伊蒙间层含量高达20%~30%，非黏土矿物（碎屑颗粒）含量为30%左右，间层比高达75%~80%，钾离子含量最高可达1 168mg/L ，此类特性决定泥页岩的硬脆特性。

鄂尔多斯地区防塌钻井液技术鄂尔多斯地区是国内比较集中的煤田地区之一，因此在该地区进行的大量钻井活动对于煤炭产业的发展有着重要的意义。

但是，鄂尔多斯地区煤层的地质结构十分复杂，地层不稳定性强，因此在钻井过程中容易出现钻孔塌陷现象，对钻井设备和人员造成伤害，甚至危及勘探和开发工作的安全性。

因此，如何有效地预防和控制钻孔塌陷现象，保障钻井工作的安全和稳定进行，是鄂尔多斯地区勘探和开发工作必须面对的问题。

鄂尔多斯地区防塌钻井液技术就是针对上述问题而开发的一种特殊的钻井液。

该技术主要通过钻井液对地层进行扶支、稳定和固化，从而达到保护钻井工具和设备，维护钻井顺利进行的目的。

钻井液的钻井液的工作原理是利用钻井液的稳定性能和流体力学特性对钻井井壁进行清洗和稳定，减少钻井中的泥浆渗透和沉积，同时钻井液还具有固化能力，能够扶持和加固地层，增强地质结构的稳定性。

鄂尔多斯地区防塌钻井液技术的独特之处在于其配方的选择和混配，通过合理的技术经验以及科学的实验验证，选用了具有较高的抗弯、抗压和抗渗透性能的物质成分。

在防塌钻井液的配方设计中，不仅要考虑到稳定性和固化性能，还要考虑到环保和健康等方面的要求。

防塌钻井液的生产和使用需要严格的质量管理和现场监测。

在生产防塌钻井液的过程中，需要对配方、原材料和添加剂进行仔细的控制和管理，并进行现场实验和测试。

同时，在使用防塌钻井液的过程中，也需要针对不同的地质条件和钻井情况进行现场的检测和调整，确保防塌效果的最大化。

防塌钻井液技术已经在鄂尔多斯地区的钻井工作中得到了广泛的应用。

通过使用防塌钻井液技术，钻井工作的安全性和稳定性得到了大大提高，钻孔塌陷现象的发生率明显减少，煤炭产业的发展得到了保障。

同时，防塌钻井液技术的应用还有利于降低环境污染和资源浪费，对于生态环境的保护和可持续发展具有重要的意义。

总之，鄂尔多斯地区防塌钻井液技术是一项重要的技术创新，对于确保钻井工作的安全和稳定，促进地区煤炭产业的快速发展，具有十分重要的意义。

K+和NH4+在抑制页岩水化方面有着特别的效果，含K+的钾基钻井液作为防塌钻井液已经自成体系。

K+、NH4+抑制页岩水化的主要机理有以下两点：一是这两种离子的水化能低。

K+、NH4+水化能分别为393kJ/mol和364kJ/mol，均低于其他常见的阳离子。

由于粘土对阳离子吸附具有选择性，它优先吸附水化能较低的阳离子，因而K+、NH4+往往比Na+货Ca2+优先被粘土所吸附。

此外，当其被粘土吸附后，由于水化能低，会促使晶层间脱水，使晶层收到压缩，形成紧密的构造，从而能够有效的抑制粘土水化。

K+、NH4+ 二是K+、NH4+的直径分别为2.66A和2.86A，其大小差不多刚好可以进入氧六角环，形成镶嵌式吸附，很难交换下来。

同时由于水化后的K+、NH4+离子半径仍小于伊利石的层间间隙（10.6A），因而能进入伊利石的层间，由于形成键合，从而抑制了相邻硅酸盐晶片的膨胀和分离。

这种作用称为晶格固定作用。

正是由于这种作用，使K+有可能尽量靠近相邻晶层的负电荷中心，因而所形成的致密构造不会在水中再发生较强的水化。

这种构造已经过脱水、压缩，所以K+很难再被置换。

聚合物中的阳离子类别对聚合物的抑制效果有较大的影响。

由于K+、NH4+能有效的抑制泥页岩水化，因而钾、胺基聚合物抑制地层膨胀与分散的效果也优于其它的聚合物。

各种油田采用KCL-聚合物钻井液易坍塌地层都取得了很好的效果。

其典型配方为1.5%～3%膨胀润土+0.1%～0.3%PAM(或其衍生物)+3%～8% KCL+适量的降滤失剂+少量的除氧剂等。

这种钻井液体系通常称为钾盐聚合物钻井液，是目前国内外公认的最理想的水基防塌钻井液体系之一。

其特点是，将有机聚合物的防塌机理与无机处理剂KCL中K+的防塌机理有机地结合在一起，具有双重效果，对各类泥页岩地层均有较强的抑制作用。

硅酸盐钻井液也是防塌效果很好的钻井液体系，进入90年代后，随着对环保要求越来越严格，油基钻井液的使用收到限制。

威远页岩气水平井防塌防卡钻井液技术威远页岩气是中国四川盆地上的一种重要的天然气资源，页岩气的开采对于解决能源问题有着重要的意义。

水平井作为页岩气开采的重要手段之一，在实际开采中面临着许多技术难题。

防塌防卡钻井液技术是水平井钻井过程中的一项关键技术，对于保障水平井钻井施工的安全和顺利进行具有非常重要的意义。

一、水平井的特点水平井是指井眼倾斜度大于60°，垂直方向上持续长度大于100米的油气井。

水平井的特点是利用地层的水平产能改善井底流体动压力，扩大油气井的有效储层展开面积，提高井底产能。

水平井的钻井与一般垂直井的钻井相比，受到了更多的技术限制，如井眼钻进难度大、作业精度要求高等。

水平井的钻井工程施工难度更大，也需要更高水平的技术要求。

二、水平井钻井中的问题在进行水平井钻井时，常常会遇到防塌和防卡问题。

钻井过程中，往往需要使用钻井液进行冲击、携运和冷却钻头以及抑制井壁溜塌等。

由于页岩气层的复杂性和多变性，水平井钻井中的井壁稳定问题一直是困扰工程师和技术人员的难题。

随着井深和井斜度的增加，井下工作环境的复杂性也会显著增加，给防塌和防卡工作带来了更多挑战。

在威远页岩气水平井的钻井过程中，钻井液的选择和应用对于保障井下施工的安全和顺利进行至关重要。

传统的水平井防塌防卡钻井液技术存在着破裂频繁、钻井液密度过高等问题，对于页岩层的稳定和井下工作环境的控制难度较大。

针对威远页岩气水平井的特点和钻井工程中面临的难题，需要提出新的技术方案和创新性的解决方案。

1. 钻井液组分的优化钻井液的组分选择和优化对于防塌和防卡工作起到了至关重要的作用。

在威远页岩气水平井的钻井中，应该采用较低密度的钻井液并添加聚合物等物质来增加其粘度，以提高井壁稳定性。

根据钻井过程中遇到的不同地层岩性和地质条件，灵活调整钻井液各项指标，以确保钻进作业的顺利进行。

2. 抑制井壁分层溜塌为了解决地层的分层溜塌问题，可以在钻井液中加入适当的防渗剂和稳定剂，以增加钻井液的粘度和黏结力，有效地抑制井壁的溜塌现象。

留西地区深水平井高密度防塌钻井液技术
吴旭林;夏景刚;左洪国;李宝藏;孙俊虎
【期刊名称】《钻井液与完井液》
【年(卷),期】2007(024)005
【摘要】留西地区地层结构复杂,在钻井施工过程中井塌现象严重,特别是钻井液密度高、水平段埋藏较深,对水平井钻井液技术提出了很高的要求.通过室内实验,确定采用聚磺硅氟高密度防塌钻井液.该钻井液具有流变性好、携岩能力强、泥饼质量好、润滑性好、封堵效果好等特点,解决了井壁严重失稳、高密度钻井液润滑防卡、岩屑携带等一系列技术难题,满足了华北油田冀中地区水平井施工的要求.
【总页数】2页(P76-77)
【作者】吴旭林;夏景刚;左洪国;李宝藏;孙俊虎
【作者单位】华北石油管理局第三钻井工程公司泥浆技术中心,河北河间;华北石油
管理局第三钻井工程公司泥浆技术中心,河北河间;华北石油管理局第三钻井工程公
司泥浆技术中心,河北河间;华北石油管理局第三钻井工程公司泥浆技术中心,河北河间;华北石油管理局第三钻井工程公司泥浆技术中心,河北河间
【正文语种】中文
【中图分类】TE254.3
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