钻井液的化学性能对井壁稳定性的影响研究

冯天源 荣继光 佟乐 等

摘 要： 由于井壁垮塌、缩颈和地层破裂等井壁失稳现象所造成的卡钻憋钻、井漏井喷和钻井液大量漏失等问题会延误油气资源勘探和开发的速度，还会为石油行业带来巨大的经济损失。钻井液的化学性能会影响井壁稳定性。针对井壁失稳的类型，从钻井液所含化学物质的种类及含量，钻井液化学势，钻井液pH值三方面的化学性能对井壁稳定性的影响机理进行了研究和分析，对于解决井壁失稳问题、减少经济损失具有实际的指导意义。

关 键 词：化学性能；钻井液；井壁稳定；无机盐；化学势；pH

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）03-0447-02

Study on Influence of Drilling Fluid Chemical Characteristics

on Well Wall Stability

FENG Tian-yuan， RONG Ji-guang， TONG Le， DUAN Meng-yu， SUI Gu-lei，

（Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： The borehole instability including wells collapse， decrease of well size and geological formation cracking can delay the exploration and development of oil and gas. Chemical characteristics of drilling fluid can affect the well wall steady. In this paper， influence mechanism of drilling fluid chemical characteristics including type and content， chemical potential and PH on the well wall steady was analyzed， which has actual guiding significance for solving well wall unsteady problem and decreasing economic losses.

Key words： Chemical characteristic； Drilling fluid； Well wall steady； Inorganic salt； Chemical potential； PH

井壁失稳问题一直是石油工业中一个复杂的世界性难题，其主要表现为井壁垮塌、缩径、井眼扩大、地层破裂、电测遇阻、固井质量低下等。这些工程问题会延误油气资源勘探和开发的速度，甚至造成现场人员伤亡。井壁失稳每年约给全球石油行业带来高达10亿美元的损失[1]，因此解决井壁失稳问题具有重要意义。本文针对钻井液的化学性能对井壁稳定性的影响进行了研究。

1 井壁稳定性类型分析

石油行业将钻井或完井过程中井壁垮塌、缩径、地层破裂等问题统称为井壁失稳。因井壁失稳造成的现象和危害主要有以下几种[2]：

1.1 井壁垮塌现象的危害

（1）产生的大量大小不均的岩屑会混入钻井液，造成钻井液性能恶化。

（2）井壁垮塌使泵压难以保持稳定，进而导致的蹩泵情况，会造成蹩坏地面设备，甚至蹩漏地层，使钻井液的大量漏失的后果。

（3）扭矩增大，频繁蹩钻卡钻，划眼困难，严重时甚至扭断钻柱，造成井下钻具事故。

（4）造成井径扩大，垮塌物悬浮在井径较大井段内难以返出，一旦停泵会使岩屑下沉，进而埋填钻具导致蹩泵卡钻。

1.2 缩径现象及危害

在钻井过程中，所钻过井段井径小于钻头直径的现象称为缩颈现象。缩径现象会导致蹩钻、转盘负荷增大甚至无法转动而卡钻的情况。缩径严重时，甚至可使井眼闭合，在胜利油田和新疆钻过含盐软泥岩层时均出现过此现象。

1.3 地层破裂现象及危害

当钻井液液柱压力大于地层破裂压力时，会压裂地层，导致钻井液大量漏失，使液柱压力迅速下降，极易造成上部易垮塌井段因井壁失去支撑力而垮塌，下部井段由于液柱压力的下降而导致井喷等较为复杂的井下事故。

2 钻井液化学性能对井壁稳定性影响分析

2.1 化学物质对井壁稳定性的影响

2.1.1 盐类的影响

（1）硅酸盐：硅酸盐可以在地层孔隙中形成三维凝胶结构和不溶沉淀物，可以堵塞井壁处岩石孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，并减少压力穿透作用，有利于防止井垮井漏[3]。在大于80 ℃高温下，硅酸盐的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩合反应，将各种矿物颗粒胶结成牢固的整体，从而封固井壁。硅酸盐能够抑制粘土矿物的水化膨胀和分散并与粘土矿物反应生成非常致密的、联结的非晶质新矿物，利于提高井壁的稳定性。硅酸盐与钾盐、钠盐配合使用能有效抑制粘土矿物的渗透水化。但硅酸盐钻井液也存在：形成的硅酸盐沉淀堵塞油气层孔隙，且堵塞作用不易清除；对钻井液pH值敏感；性能调整困难等缺点。实验表明[4]，硅酸盐加量控制在3%～5%较合适。

（2）钾盐：含K+钻井液主要用来降低蒙脱石的膨胀压[5]。K+的晶格固定作用和交换作用能有效的抑制粘土的水化膨胀[6]，因此含K+钻井液能够有效降低地质年代早、粘土矿物含量高的水敏性地层的膨胀压，进而稳定井壁（其效果优于Na+，Ca2+，Mg2+）。含K+钻井液存在以下缺点：K+不能阻止滤液侵入地层，也不能阻止地层中钻井液的压力渗透；由K+诱发岩层孔隙流体反渗透的作用微弱，所以含K+钻井液不适合钻较老和弱水敏性的页岩地层。研究表明[7-9]，最佳钾盐浓度随地层中蒙皂石含量增加而增大，在钻井液中钾盐含量必须达到7%以上才可以发挥其最佳作用，建议现场采用钾盐与硅酸盐配合使用，但钾盐含量不要超过30 g/L。

（3）钠盐：Na+的抑制性不如K+的强，但NaCl溶解度比KCl高，接近饱和的NaCl溶液能较好地降低侵入地层的滤液量，对防止井壁垮塌有利。当地层中伊利石含量较大时，如果NaCl含量过大，则会增大伊利石的水化能力，不利于井壁稳定。研究表明[10]，钠盐与甲酸盐配合使用时，甲酸钠的最佳含量为20%。

（4）铝盐：Al3+对于提高硬脆性和水敏性地层的井壁稳定性更为有效[11]。含铝盐钻井液的固壁机理：由Al3+反应生成的氢氧化铝沉淀最终转变为晶体形态，并逐渐变成岩石晶体的一部分，可有效稳定岩层。

（5）钙盐：含Ca2+钻井液能产生很高的渗透压，此渗透压可降低钻井液液柱过平衡压力，能够有效防止井漏事故

（6）其他盐类：小分子季铵盐可使粘土晶层间脱水，同时能够嵌入粘土晶层，阻止水分子进入，可以有效抑制粘土水化膨胀，其在粘土颗粒上吸附牢固，具有长期稳定效果。甲酸盐、醋酸盐的滤液粘度高，可产生非常大的渗透压，能够有效防止井漏事故。

2.1.2 聚合物的影响

水溶性聚合物具有合适的分子结构和较强的线性展开能力，能够使粘土颗粒连接在一起，有效抑制地层粘土分散，利于井壁稳定。阳离子聚合物能在粘土表面上发生多层吸附，比单一的离子（如K+）更难被交换下来，能有效减少粘土矿物水化膨胀，利于井壁稳定。大阳离子在阳离子聚合物钻井液中的最佳含量是0.2%～0.4%。小阳离子在阳离子聚合物钻井液中的最佳含量是0.3%～0.5%，具有抑制粘土水化分散的作用。在钻井液中加入适量无机盐，可以降低聚合物在液相中的溶解度，增加聚合物在岩石颗粒表面的吸附量，形成一层致密的保护膜，以增强井壁稳定性。

2.2 化学势对井壁稳定性产生的影响

化学势是吉布斯自由能对成分的偏微分，表示成分变化对能量变化的影响。在液体混合时，物质总是从化学势高的一方进入化学势低的一方，从而降低系统的总自由能，以使系统达到平衡。由于钻井液与地层孔隙流体存在化学组分及浓度上的差别，因此钻井液与孔隙流体存在化学势差。化学势差为钻井液进入地层提供了驱动力，造成的结果如下：当钻井液的化学势高于地层孔隙流体的化学势时，会导致钻井液中的水流入地层，使地层体积膨胀、井壁围岩松动散落、强度降低，严重时可造成井壁失稳；当钻井液的化学势低于地层孔隙流体的化学势时，地层孔隙流体中的水被吸入钻井液，使井壁围岩的结构更为紧致，强度增强，所以调控钻井液的化学势始终低于地层孔隙流体的化学势就可以有利于井壁的稳定[12]。

2.3 pH值对井壁稳定性的影响

相关研究表明[13]，钻井液pH值（即OH—含量）对井壁稳定性的影响主要体现在泥页岩井段。含有OH—的水会加剧泥页岩层的裂解，加速泥页岩层中绿泥石、伊利石和高岭石及其他泥质物的分散，且OH—含量越多裂解越快。此外由OH—所造成的膨胀力也会使泥页岩层坍塌。因此在钻井液的配制过程中应少用甚至不用烧碱，尽可能减少钻井液中的OH—含量，适当用碳酸钠、碳酸钾或石灰调节pH值。当pH值接近7时，泥页岩的水化分散性较强，当pH值在8～9时，泥页岩的水化分散性下降，当pH值>9时，泥页岩的水化分散性又增强，所以相较于pH值高于9.5的粗分散泥浆，应选用pH值7.5～8.5的高聚物不分散无固相和低固相体系，使泥页岩井段被分散的作用减至最低限度，pH值保持在7.5～9。

3 结 论

（1）针对不同地层条件在钻井液成分中严格控制硅酸盐、钾盐、钠盐、铝盐、钙盐等盐类及聚合物含量，可有效提高井壁的稳定性。

（2）钻井液和地层孔隙流体中化学成分和浓度所引起的化学势差会影响井壁稳定性，钻井液化学势低于地层孔隙流体，会使井壁结构紧密，强度增大，固壁效果明显，有利于井壁稳定。

（3）对于泥页岩井段，在钻井液的配制过程中应少用甚至不用烧碱，尽可能减少钻井液中的OH—含量，适当用碳酸钠、碳酸钾或石灰调节pH值。应使用高聚物不分散体系使钻井液pH值保持在7.5～9。

参考文献：

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[3] 刘文辉， 张国. 国内外抑制性钻井液研究进展[J]. 西部探矿工程， 2013（8）：33-37.

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[5] 姚新珠，时天钟，于兴东，等.泥页岩井壁失稳原因及对策分析[J].钻井液与完井液，2001（3）：38-41.

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[13]周华安.设计和控制钻井液pH值的考虑[J].钻采工艺，1990（1）：22-28.