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1、井壁不稳定机理及对策,渤海钻探泥浆技术服务公司,（一）钻井液施工注意以下几方面确保井眼安全 1、井壁稳定 2、井眼净化 3、润滑防卡 4、油气层保护 其中井壁稳定是关键、是钻井液施工重点难点，施工中几者关系相互联系，只有协同作好以上几个方面才能确保井眼的安全。,一、绪论,井壁不稳定问题是钻井中的世界性技术难题。目前仍没有彻底解决。特别是，随着当代钻井新技术的运用，井壁不稳定问题在某些情况下更加突出。目前，水基钻井液条件下深层泥页岩井壁不稳定性问题更复杂，更普遍，是核心问题之一。它是涉及钻井液化学、岩石力学、微观结构力学、渗流力学、泥岩矿物学以及钻井工艺学等多门学科的复杂技术难题。,一、绪论,二
2、、井壁不稳定地层的类型与井壁不稳定现象 1、井壁不稳定地层类型 钻井过程钻遇地层，如泥页岩、泥质砂岩、砂岩等可能发生井壁不稳定。但井塌多发生在泥页岩地层中，约占90%以上，缩径大多发生在含蒙脱石含量高、含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐软泥岩或粉砂岩、沥青等类地层中。压裂可发生在任何地层。井塌可能发生在各种岩性、不同粘土种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在以下地层。（1）层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层。（2）空隙（坍塌）压力异常的泥页岩。（3）处于强地应力作用的地区。（4）厚度大的泥页岩。,（5）生油层。（6）倾角大易发生井斜的地层。2、井壁不稳定现象（1）井塌现象振动筛岩屑量增多，有掉块
3、（片状、方状-）下钻下不到底，循环返出形状不规则、尺寸过大的岩屑（有时没有大的岩屑返出）。有憋泵现象，划眼到底后，停泵上提钻具防卡、下放不到划眼井深。电测井径有异常扩大井段（大肚子、糖葫芦井眼）,（2）缩径现象 当发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会出项扭矩增大、上提遇卡，下放遇阻，严重时发生卡钻。缩径根据产生的原因，地层、地区采用适合有针对性措施。例如：划眼、增大滤失量、降低滤失量、提高密度等。（3）压裂现象 当钻井液液柱压力大于地层破裂压力，就会压裂地层，产生井漏。井漏引起液柱压力降低，易引起井涌及井塌等事故复杂。,三、井壁稳定主要方法技术 1、加强封堵（沥青、低渗透封堵剂-）2、提高抑制
4、（大分子包被剂、K+、-）3、活度平衡 4、有效应力支持（合理的密度、平衡地层-）四者协同是井壁稳定基础,1.80sg的有机盐完井液浸泡三年不散、不变形,强抑制性,强抑制性,强抑制性不强,归纳提炼出钻井液物理化学力学（岩石和渗透力学）协同防塌基本原理：“封堵固结抑制水化化学渗透平衡 有效应力支撑”“封堵固结”稳定井壁原理与措施 所谓封堵固结：包括机械封堵和化学胶结加固两种作用。封堵阻缓压力传递和滤液渗透作用。缝隙发育的地层，不强调封固，只强调提高密度，防塌效果有时会实得其反。（常用的封堵型防塌剂：沥青及其改性产品、有机铝络合物、聚合醇、多元醇成膜树脂、硅酸盐等）,有效应力支撑井壁稳定基本原理：
5、合理钻井液密度的优选是关键。必须考虑孔隙压力传递和泥页岩水化效应（水化应力和力学参数变化）。封堵作用是实施有效应力支撑井壁作用的基本前提。特别是破碎性地层，只提高密度防塌效果，有时会适得其反。,总之：以上四个方面防塌途径互相联系且存在 一定的制约关系。针对复杂泥页岩：一般应采取“四元”协同防塌措施：即物理化学力学（岩石和渗透）防塌新原理：“封固抑制水化化学渗透平衡有效应力 支撑井壁”,四、泥页岩水化膨胀和分散特性的研究,（1）泥页岩膨胀机理的研究 泥页岩是沉积岩，一般都含有大量的粘土，在地质压实过程中这些岩石因泥页岩内的各粘土薄层互相挤压而脱水，产生吸附极性分子的能力。带有可交换阳离子的双电层
6、和层间水给泥页岩表面提供了一个负电环境，使之吸附正电离子和水。当井眼穿过这种脱水泥页岩时，钻井液中的水被页岩中的粘土吸收，并产生膨胀压力。当膨胀压力达到一定程度时，就会引起岩石的破坏。,（2）泥页岩粘土矿物组分与理化性能之间关系的研究 国内系统研究了泥页岩中所含的各种粘土矿物，如蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石、无序或有序伊蒙混层、绿蒙混层等自身的阳离子交换容量、分散与膨胀性能；对我国各油田不同地质年代、不同井深的几千块泥页岩的粘土与非粘土矿物种类及其含量、密度、阳离子交换容量、分散性能、活度、可溶性盐的含量等性能进行了测定，系统地研究了上述各种性能之间的关系，为研究新区不稳定地层坍塌机理及技术
7、对策奠定了基础。,（2）活度和半透膜对泥页岩水化的影响 石油勘探院、石油大学等单位通过研究也得出钻井过程中，钻井液的滤液向页岩中扩散的动力是钻井液与页岩间的水化学势之差。影响它的主要因素是钻井液液柱压力与孔隙压力之差及钻井液水活度与页岩水活度之比。只有存在较高效率的半透膜时，钻井液与页岩的水活度差才能在较长的时间内控制水的迁移。,（3）活度和半透膜对泥页岩水化的影响 油基钻井液具有较理想的半透膜效率。对于页岩是否存在半透膜有不同的看法，部分人认为受到较强压实作用的页岩或孔隙低的页岩，其自身可起到半透膜的作用，但可能在几十小时或几十分钟就消失。可通过加入特殊处理剂来提高泥页岩的膜效率。另一部分人
8、认为泥页岩本身可作为一种半透膜，其效率不是100%。可用有效半透膜系数来表征膜的理想性。水基钻井液通过加入无机盐可以降低水的活度，降低页岩水化膨胀的程度。,（4）泥页岩吸水量与强度的关系 国内90年代初也开始研究钻页岩地层时钻井液对井壁稳定性的影响，发现钻井液滤液侵入页岩的深度是时间的函数，且与钻井液类型有关。当压力越高，有效围压越低，钻井液滤液侵入页岩的速度越快。页岩吸水越多，强度越低。,（5）用离子释放法可研究泥页岩的水化过程 石油大学、大庆油田等单位，曾通过对泥页岩水化过程中离子释放规律的研究，发现页岩水化在1024 h范围内，出现钠离子突然释放现象，此时页岩回收率明显下降，阳离子释放总
9、量及钠离子释放总量所占的比例越高，泥页岩越易分散，就越易引起井塌。,（6）泥页岩中无机盐含量与水敏性之间关系的研究泥页岩中含有无机盐会使它的吸水量增加。,（7）温度和压力对泥页岩水化膨胀性能影响 钻井液由井底上返时，会加热上步的裸眼井段，这是造成上部井眼垮塌的主要原因5。许多研究单位使用高温高压膨胀仪对膨润土水化特性进行了研究，得出了如下看法：膨润土水化膨胀速率和膨胀量随温度升高而明显地增大，在120oC时，膨胀曲线形状有较大的变化，膨润土的膨胀程度随压力的增大而明显下降，膨润土在常温常压下与高温高压下的膨胀特性有较大的差别，所以研究井壁稳定技术措施时必须考虑温度和压力的影响。,（8）钻井液的
10、pH值对泥页岩水化膨胀、分散的影响 通过研究发现，粘土晶体表面可以靠氢键吸附氢氧根，氢氧根又会通过氢键与静电作用发生水化。提高钻井液的pH值，会加剧页岩的水化膨胀，加速硬脆性页岩的裂解掉块。实验表明，当水溶液的pH值低于9时，对泥页岩水化影响不大；但当pH值继续增加时，泥页岩水化加剧，将促使泥页岩坍塌。,五、防塌处理剂稳定井壁机理的研究,（1）高聚物的吸附量与泥页岩水化膨胀之间关系的研究 Theng的实验结果表明，当钠蒙脱石所吸附的聚乙烯醇（PVA）数量增加时，其吸水量大大降低。当丙烯酰胺与丙烯酸共聚物在页岩上的吸附量最低时，抑制页岩分散作用效率最高2。用透射电镜证实聚合物的包被作用，并系统地
11、研究了聚合物的类型、分子量、结构、官能团等因素对稳定井壁的影响1。,聚合醇浊点效应,作用机理主要是“浊点效应”温度在浊点以下时，该产品溶于水，在浊点以上表现为“亲油疏水而又分散于水”-。浊点在30-50之间，在钻井液中可始终保持“亲油疏水分散于水”的状态，可吸附于钻屑及粘土颗粒表面，抑制其水化分散与膨胀-；同类产品对比，优势突出-。,（2）钾离子 实验证明，K+稳定井壁有三方面的作用：一是抑制泥页岩的水化膨胀；二是抑制泥页岩的分散；三是促进高聚物在泥页岩上吸附。采用X-射线衍射仪、原子吸收光谱仪等仪器可研究钾离子防塌机理。钾离子与泥页岩相互作用存在两种方式，一种是离子交换，另一种是晶格固定；不
12、同类别泥页岩，钾离子作用方式不同。当pH值增高，及混入钙、钠等阳离子的浓度增加时，会阻碍泥页岩对钾离子的固定作用。,按抑制强弱，可将钾盐分为4类：K2SiO3抑制作用极强,页岩回收率可大于80%；证明了硅酸盐的模数越高，其抑制分散作用越好；KCl、KNO3和醋酸钾（KAC），具有强抑制分散能力，页岩回收率可大于70%；K2SO4、K2CO3、K3PO4、K2CrO7和K4P2O7,页岩回收率均大于60%，具有较强的抑制水化分散能力；总之：针对钻遇复杂泥页岩特性，必须针对性地开展抑制剂的优选及其作用机理的深入研究，以便指导抑制剂种类和加量的优化选择。,（3）有机阳离子化合物及阳离子聚合物 有机阳
13、离子处理剂稳定井壁的主要原因是，它能中和泥页岩表面的负电荷，降低Zeta电位，增大聚合物的吸附量，从而抑制水化分散。,（4）硅离子 向钻井液中加入有机硅防塌剂，有机硅在泥页岩表面迅速展开，形成薄膜。在一定温度下，有机硅中的-Si-OH基易和粘土表面的-Si-OH基缩合失水，形成-Si-O-Si键，在粘土表面产生一种很强的化学吸附作用，使粘土发生润湿反转，从而使泥页岩的水化得到控制。,（5）沥青类防塌剂 国内外使用天然沥青和各种化学改性沥青产品稳定井壁已有多年的历史。沥青粉的主要作用机理是在钻遇页岩之前，往钻井液中加入该种物质，当钻遇到页岩时，若沥青的软化点与地层温度相匹配，在钻井液液柱压力与地
14、层孔隙压力之间的压差作用下，沥青产品会发生塑性流动，挤入页岩孔隙、裂缝和层面，封堵地层层理与裂隙，提高对裂缝的粘结力，在井壁处形成良好的内、外泥饼，外泥饼与地层之间有一层致密的保护膜，使外泥饼难以冲刷掉，阻止水进入地层，起到稳定井壁的作用。,（5）沥青类防塌剂 不同沥青类产品稳定井壁机理不同。沥青类产品的软化点及使用时的温度与压差直接影响其效果；在产品软化点以内，随着使用温度的增高，稳定井壁效果增强；当温度高于沥青的软化点时，沥青变成流体，在压差作用下进入裂缝深处，失去封堵作用。因此，使用时应根据坍塌层的温度来选择合适软化点的沥青类产品。,六、常用的防塌钻井液,1、无固相不分散聚合物钻井液 无
15、固相不分散聚合物钻井液包括：无固相不分散阴离子、阳离子及两性离子聚合物钻井液。2、低固相聚合物钻井液 低固相聚合物钻井液包括：阴离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液、钾铵基聚合物钻井液、正电胶阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液。,3、聚磺钻井液 聚磺钻井液包括：阴离子聚磺钻井液、阳离子聚磺钻井液、钾铵基聚磺钻井液、正电胶阳离子聚磺钻井液、两性离子聚磺钻井液。4、有机硅钻井液5、钾石灰钻井液6、正电胶钻井液7、饱和盐水钻井液8、油包水钻井液,七、井塌的预防处理,1、分析判断初步分析判断井塌的原因:失水偏大 抑制性封堵性差 密度低不能平衡地层坍塌压力2、制定措施 降低滤失量 提高粘切(带出岩屑、悬浮住岩屑“大肚子井段”，避免憋泵或砂桥等卡钻）工程措施,七、井塌的预防处理,工程上防塌措施：起钻防止抽吸压力。起钻要灌好钻井液，保持井筒钻井液液面。井身质量，直井要打直，斜井井眼轨迹要好、狗腿度要小。防止井涌、井漏，造成井塌。控制环空返速不要过高、粘切不要太低，防止定点循环。,责任为先、技能为本、预防为主，为顾客提供安全清洁的井眼,
