Weigh系列有机盐钻井液抑制性机理

张万栋李炎军孙东征黄熠韩成

1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司； 2.中海石油（中国）有限公司

Weigh系列有机盐钻井液抑制性机理

张万栋1李炎军1孙东征2黄熠1韩成1

1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司； 2.中海石油（中国）有限公司

Weigh系列有机盐钻井液具有抑制性能强、抗温性能好、摩阻低等优点，已成为国内外复杂情况钻井主要钻井液。室内测量了Weigh系列有机盐钻井液中水的活度，经Weigh系列有机盐钻井液作用后黏土胶体颗粒吸附扩散双电层的厚度及蒙脱石晶层的层间距，从活度因素、双电层因素、离子交换晶格嵌入因素3个方面探讨了Weigh系列有机盐钻井液抑制性作用机理。Weigh系列有机盐钻井液在南海西部北部湾2口大位移井中得到成功应用，为南海西部类似油田开发提供了进一步的技术支持。

有机盐；钻井液；抑制性；活度；双电层；离子交换晶格嵌入

水溶性有机盐加重剂Weigh系列，是低碳有机酸根阴离子与一价金属离子（钠离子、钾离子、铵离子、季铵离子、叔铵离子等）生成的有机酸盐［1］。因其水溶液具有较强的抑制性，加重钻井液密度范围为1.34～1.80 g/cm3，在易水化膨胀、易坍塌、岩盐、盐膏等复杂地层钻井作业中推广应用［2］，已成为解决井壁失稳、高温高压等问题的首选方案。笔者从活度因素、双电层因素、离子交换晶格嵌入因素3个方面详细探讨研究了Weigh系列有机盐钻井液抑制性作用机理，且在南海西部北部湾2口大位移井中应用了Weigh系列有机盐钻井液，应用效果较好，可大面积推广应用。

1 机理研究

Mechanism study

1.1 活度因素抑制性

Inhibition of activity

钻井液活度的高低影响钻井液抑制性的强弱，降低钻井液的活度，可以减小钻井液中自由水通过页岩的运移速度［3-4］。室内利用吸附等温曲线法测定了不同浓度的Weigh系列有机盐钻井液中的水活度，测试结果如表1所示。由表1中实验结果可知，Weigh系列有机盐钻井液中水的活度普遍较低，加有260%Weigh4的钻井液中的水活度仅为0.14，这使Weigh系列有机盐钻井液中的水不但不会渗入岩层，反而使岩层中的水渗入钻井液，其结果是在Weigh系列有机盐钻井液中，钻屑、黏土不分散、不膨胀，越变越硬，井壁稳定性好。

表1 不同浓度的有机盐钻井液中水的活度Table 1 Water activity of organic salt drilling fluids with different concentrations

1.2 双电层因素抑制性

Inhibition of double electrode layers

有机盐钻井液中阴、阳离子对黏土颗粒的吸附扩散双电层有较强的压缩作用。以Gouy-Chapman模型作为基础，室内利用电泳法测定了经Weigh系列有机盐钻井液体系作用后，黏土胶体颗粒的电势差，然后根据Debye-Huckel方程，计算黏土胶体颗粒吸附扩散双电层的厚度1/κ。结果见表2。由表2可知，加有260%Weigh4的钻井液可把黏土颗粒双电层厚度压缩至不加有机盐钻井液中的万分之一，可见Weigh系列有机盐对黏土颗粒具有较强的抑制分散能力，其电离出的有机酸根阴离子可吸附带负电的黏土端面，抑制其水化分散，另一方面电离出的阳离子K+、Na+、NH4+、［NHxR4-x］+可通过静电引力吸附进入黏土晶格，抑制黏土表面水化及渗透水化膨胀。因此Weigh系列有机盐电离出的阴、阳离子对黏土颗粒的吸附扩散双电层具有较强的压缩作用，压缩后吸附扩散双电层变薄，颗粒间静电斥力减小，从而较强地抑制黏土分散［5］。

表2 Weigh系列有机盐钻井液中黏土颗粒的吸附扩散双电层厚度Table 2 Thickness of adsorption-diffusion double electrode layer of clay particles in Weigh organic salt drilling fluid

1.3 离子交换晶格嵌入因素抑制性

Inhibition of ion exchanging lattice embedment

室内利用X光衍射法测定了经Weigh系列有机盐钻井液作用后蒙脱石晶层的层间距，测定结果表明，蒙脱石经过加有50%Weigh2钻井液、加有100%Weigh3钻井液、加有200%Weigh4钻井液作用后，层间距依次变为14.817 7 Å、9.961 0 Å、10.063 1 Å，而原蒙脱石晶层层间距为15.000 0 Å，由此可知，Weigh系列有机盐钻井液与蒙脱石黏土矿物作用后，蒙脱石黏土矿物层间距都有不同程度的减小。Weigh系列有机盐钻井液中电离出大量的阳离子K+、NH4+、［NHxR4-x］+，可通过静电引力吸附进入黏土晶格（尤其是蒙脱石晶格中），减小了蒙脱石层间距［6］。离子交换原理使得Weigh系列有机盐钻井液体系具有较强抑制性，抑制黏土表面水化及渗透水化膨胀。

2 现场应用

Field application

南海西部北部湾盆地A油田A8/A9两口大斜度井井身结构相似，其中A9井三开Ø215.9 mm井段钻进至4 010 m完钻，水平段长度为494.4 m，垂深2 348.8 m，井斜角82.87°，水平投影位移2 670.08 m。

两口井Ø215.9 mm井段储层段地层岩性以灰色、褐灰色泥岩及粉砂岩为主，储层段泥岩以伊利石和伊蒙混层黏土矿物为主，水敏性较强，易产生水化膨胀分散，如图1所示，现场钻遇的泥岩岩屑经过海水侵泡1 h后，岩屑松软、水化严重。同时储层的层理和微裂缝十分发育，这样当钻井液滤液进入微裂缝时会产生较大的膨胀压，加速井壁岩层的剥落和破碎，从而诱发井壁坍塌等情况，特别是钻遇涠洲组和流沙港组地层后，遇阻/卡、憋泵/扭转频繁发生，井眼扩径突出（扩径率达到40 %）［7］，要求钻井液需要较强的抑制性能，防止井壁失稳。

图1 现场岩屑经过海水侵泡前后对比Fig.1 Comparison of debris before and after being soakedin sea water

根据现场作业需求，要求Ø215.9 mm井段钻井液密度提高至1.40～1.45 g/cm3。首先室内进行了Weigh系列有机盐抑制性评价实验，在现场使用的钻井液配方基础上，加入不同加量和组合的有机盐至钻井液密度为1.43 g/cm3左右，然后测试岩屑回收率和线性膨胀率，测试结果见表3，由表3可知，除2号配方外，各个配方组合岩屑回收率均在80 %以上，线性膨胀率均在10 %左右，满足施工要求。

A8、A9井实际现场先用有机盐Weigh2提高钻井液密度至1.15 g/cm3，然后再用Weigh3进一步提高钻井液密度至1.40～1.45 g/cm3。现场测试钻井液性能见表4，现场钻井液流变性能稳定，API和 HTHP滤失量均较低，钻井液整体性能较好。2口井均顺利完成Ø215.9 mm井段作业，钻进过程中该体系表现出抑制性强、携砂性好、性能稳定的特点，井径规则，井壁稳定性好，返出岩屑比较规则，平均井径扩大率为1.6 %，满足钻井工程的要求。同时由于不含固相，大位移井钻井过程摩阻较低，起下钻、电测、下套管等作业顺利，无阻卡事故发生，保证了2口井顺利完钻。

表3 Weigh系列有机盐抑制性评价实验结果Table 3 Evaluation experiment results on inhibition of Weigh organic salt drilling fluid

注：1.岩屑回收率实验中用到的岩屑为A油田泥岩岩屑，线性膨胀率实验用到的岩心为膨润土的岩心；2.基础配方为：钻井水 + 1.5%PF-FLO（聚合物降滤失剂） + 0.3%NaOH + 5%PF-GJC（润滑剂） + 5%PF-GBL（沥青类封堵剂） + 1.5%PF-LPFH（封堵防塌剂） + 0.1%PF-XC（黄原胶）。

表4 现场测得A8/A9井井浆性能Table 4 Property of mud in Well A8/A9 measured in the field

3 结论

Conclusion

（1）Weigh系列有机盐钻井液通过降低钻井液中水活度；电离出的有机酸根阴离子吸附黏土端面，压缩黏土颗粒的扩散双电层；电离出的阳离子进入黏土晶格，减小黏土晶层层间距等3方面因素抑制黏土水化膨胀。

（2）南海西部北部湾盆地现场应用表明Weigh系列有机盐钻井液具有较强的抑制性，能够在易水化膨胀、易坍塌等复杂地层保证大位移井安全钻进。

References:

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［2］郑力会，陈勉，张民立，王志军，姚少全.稳定盐膏层井眼的不饱和有机盐水钻井液新技术［J］.岩土力学，2005，26（11）：1829-1833.ZHENG Lihui,CHEN Mian,ZHANG Minli,WANG Zhijun,YAO Shaoquan. A new technology for controlling hole-stability in salt/gypsum stratum by unsaturated organic-salt liquor drilling fluid［J］.Rock and Soil Mechanics,2005,26（11）:1829-1833.

［3］郑力会，单正锋，刘东，蒋建方，李保秋.有机盐加重剂Weigh2和Weigh3水溶液活度［J］.石油钻采工艺，2007，29（3）：89-90，94.ZHENG Lihui,SHAN Zhengfeng,LIU Dong,LIU Dong,JIANG Jianfang,LI Baoqiu.Activity of Weigh2 and Weigh3 water-soluble-organic-salt solution［J］.Oil Drilling &Production Technology,2007,29（3）:89-90,94.

［4］杜德林，樊世忠.水基流体中页岩的渗透水化［J］.钻井液与完井液，1996，13（3）：5-10.

DU Delin,FAN Shizhong.Study on the osmotic hydration of shale in water based fluid［J］.Drilling Fluid &Completion Fluid,1996,13（3）:5-10.

［5］苏长明，付继彤，郭保雨.黏土矿物及钻井液电动电位变化规律研究［J］.钻井液与完井液，2002，19（6）：1-4.SU Changming,FU Jitong,GUO Baoyu.Research on the changing tendency of zeta potential of the clay minerals and drilling fluid［J］.Drilling Fluid &Completion Fluid,2002,19（6）:1-4.

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［7］赵苏文，邵诗军，段泽辉，陈江华，娄来柱，徐一龙.南海西部北部湾盆地大斜度长裸眼定向井钻井技术［J］.石油钻采工艺，2011，33（1）：27-31.ZHAO Suwen,SHAO Shijun,DUAN Zehui,CHEN Jianghua,LOU Laizhu,XU Yilong.The drilling technology of big inclination long open hole directional well in the Southwest China Sea Oil field［J］.Oil Drilling &Production Technology,2011,33（1）:27-31.

（修改稿收到日期 2016-10-13）

〔编辑 薛改珍〕

Inhibition mechanism of organic salt drilling fluid of Weigh series

ZHANG Wandong1,LI Yanjun1,SUN Dongzheng2,HUANG Yi1,HAN Cheng1
1.CNOOC China Limited Zhanjiang Branch,Zhanjiang 524057,Guangdong,China;
2.CNOOC Co.Ltd.,Beijing 100010,China

The organic salt drilling fluid of Weigh series has advantages of strong inhibition,high temperature resistance and low friction,and it has been the main drilling technology in complex situations at home and abroad.In this paper,the water activity of Weigh organic salt drilling fluid,the thickness of adsorption-diffusion double electrode layers of clay colloidal particles after the Weigh organic salt drilling fluid effect,and the layer space of montmorillonite crystal were measured in laboratory.Then,the inhibition mechanisms of Weigh organic salt drilling fluid were discussed from three aspects,i.e.,activity,double electrode layer and ion exchanging lattice embedment.It has been successfully applied in two extended reach wells in the Beibu Gulf,western South China Sea.It provides the technical support for the development of similar oil fields in western South China Sea.

organic salt;drilling fluid;inhibition;activity;double electrode layer;ion exchanging lattice embedment

张万栋，李炎军，孙东征，黄熠，韩成.Weigh系列有机盐钻井液抑制性机理［J］.石油钻采工艺，2016，38（6）：805-807，812.

TE254

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0805-03

10.13639/j.odpt.2016.06.018

:ZHANG Wandong,LI Yanjun,SUN Dongzheng,HUANG Yi,HAN Cheng.Inhibition mechanism of organic salt drilling fluid of Weigh series［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):805-807,812.

张万栋（1985-），2008年毕业于吉林大学，获学士学位，现主要从事高温高压钻井工艺研究应用与管理工作。通讯地址：（524057）广东省湛江市坡头区22号信箱。电话：0759-3900613。E-mail:zhangwd4@cnooc.com.cn