井壁稳定钻井液技术

盛杨 孙鑫地

摘要：本文分析了井壁稳定的机理，在总结防塌钻井液技术的进展基础上提出井壁稳定的钻井液措施。当前，保持井壁的稳定性，顺利快速地钻井是减少钻井成本的主要方式，而钻井液的配方以及处理剂的科学选择是解决井壁失稳问题的重要措施。

关键词：井壁失稳;钻井液;稳定

井壁的失稳是油气钻井工作中时常面对的复杂工程问题。长期以来，井壁稳定性问题一直是我国工程技术工作者所关注的焦点。经过数十年的努力，虽然我国在解决这一问题上取得了巨大进步，但到目前为止，还没有形成一套彻底有效的方法来解决这一问题。井壁失稳往往是由地质因素、页岩与钻井液的相互作用以及钻井作业等多种原因所导致的，调整钻井液的性能是破解井壁失稳难题的重要方法。

一、井壁稳定的机理分析

从国内外来看，井壁稳定性的研究一般包括以下几种情况：一是从力学角度考虑井壁的稳定性，主要从井壁分布、岩石强度准则和本构关系等方面进行分析。二是从页岩水化的化学角度考虑井壁稳定性，研究页岩水化的机理和控制页岩水化的方法。三是从力学和化学相结合的角度考虑井壁的稳定性，从力学与化学相互作用的角度，更深入地了解了井壁失稳的原因，并找到相应的解决办法。

抗塌水基钻井液护壁防塌主要通过有效密度支撑、封堵防塌、抑制水化等协同作用。首先，提高了硬脆性岩石裂缝的封闭能力。通过惰性粒子在岩石裂缝和孔隙中的沉积和沉淀，形成一道有效的屏障，防止滤液进入裂缝之中，惰性离子提供的压力支撑点能够进一步提高井筒的稳定性。封堵的实质是通过控制封堵材料的加入来减缓滤液向地层中的渗透。根据刚性粒子堆积理论，不同粒径的刚性粒子堆积之后会产生不规则的微间隙，暂堵带的渗透率不会为零。这就要求我们在压力和温度条件下使用具有变形和软化功能的封堵材料，这是决定封堵能否成功的关键。其次，改善钻井液的造壁性能。在正压差的作用下，井壁能够变为致密的泥饼，降低了渗透率，有效防止钻井液滤对地层的侵入。最后，抑制页岩的水化。主要利用无机盐压缩表层双电层的钻孔土颗粒，同时中和强土表面的负电荷，降低颗粒间的电斥力，减缓黏土粒子的水化膨胀速度;或通过高分子处理剂吸附黏土颗粒的表面特性，起到覆盖作用，从而阻断颗粒与水分子的接触，从而有效降低水分子的渗透速率，抑制黏土颗粒的水化分散。

页岩的水化作用和微裂缝的存在是导致井壁失稳的重要因素。针对不同类型页岩引起的复杂地下问题，我们可以采取对应的防塌措施。从稳定井壁的角度出发，泥页岩大致可分为两类：一类是泥页岩-软泥岩，易膨胀，导致井眼缩径和拔活塞;另一类是泥页岩-硬脆性泥页岩，由于微裂缝引起的剥落块导致井眼不稳定。硬脆页岩主要由伊利石、绿泥石等非膨胀性茹土矿物组成。膨胀性黏土里的矿物蒙脱石含量不高，层理和微裂缝较发育，渗透性不强。硬脆页岩的物质构成决定了其表面会发生水化不均匀的现象，造成局部水化，加剧了裂缝的肢解。滤液渗透越深入，裂缝就更加容易开裂，最终会导致剥落和掉块状况。因而，我们要减少井壁坍塌现象，主要应加强钻井液封堵裂缝和抑制页岩水的能力，还要降低失水性能。

二、防塌钻井液技术的进展

（一）温度活化钻井液体系

这种钻井液是以KCI聚合物为基础上添加非离子型醇的烧氧基化化加成物制造的。其作用机理是：钻井液中的醇加氧加合物在温度高于浊点时能独立形成亲油乳化颗粒，堵塞页岩裂缝，在井口温度不高时能还原为水溶液，对环境不会造成污染。

（二）聚合醇钻井液体系

这种钻井液以多元醇为主体制备的环保型水基钻井液，具有对环境无污染、对录井干扰小、抗塌能力强等优势等。其防塌机理主要是聚合醇达到浊点后形成微乳液，能有效地封闭页岩微裂缝。多元醇能与黏土形成稳定的配合物，其作用远强于水与粘土之间的作用。

（三）硅酸盐钻井液体系

这种钻井液没有毒性，不会造成环境污染现象，无荧光效应，有利于录井，能够降低成本。其防塌机理主要包括以下两点：第一，硅酸盐能在地层孔隙中形成不溶性沉积物，堵塞页岩微裂缝，防止滤液侵入地层。第二，硅酸盐能有效抑制粘土矿物的水化膨胀和分散。硅酸盐能与粘土矿物反应形成新矿物，井壁非常致密稳定，与氯化钾、氯化钠之间具备良好的协同作用。然而，硅酸盐也有其自身的弱点，如硅酸盐沉淀会造成储层通道的堵塞状况，对PH值较为敏感，与其他钻井液添加剂的配伍性不好。

三、井壁稳定的钻井液措施

（一）选用适合的钻井液密度

钻井液密度对钻井液柱压力具有决定性作用。钻井液密度低，钻井液柱压力就不足以支撑地层的压力。如果钻井液密度太高，液柱压力高于地层孔隙压力，就会造成钻井液侵入页岩孔隙的现象，增加了井眼周围页岩的含水量，降低了钻井液的强度，破坏了钻井液的稳定性。合理的钻井液密度可以有效平衡地层压力，对井筒起到有力的支撑作用。钻井液密度亦会对钻速产生影响。钻井液密度过高，就会造成液柱压力过高，导致钻具在钻井液作业中遇到比较大的阻力，产生地层压力泄漏的现象，因而钻井工程中钻井液的密度应当达到“压而不死，活而不喷”的要求。

（二）优选防塌型钻井液类型与配方

首先，在钻井液体系中加入不同的缓蚀剂，增强对钻井液的缓蚀作用。其次，在钻井液体系中加入不同的封堵剂，封堵地层微裂縫，防止钻井液滤液渗透到地层中。最后，在钻井液中加入良好的降滤失剂，可以有效提升钻井液的失水率和造壁能力，形成致密的泥饼，延缓滤液的渗透速度。在实践中，我们应根据不同地层的失稳机理，选择具有较强抑制和封堵功能的钻井液体系，以钻井液密度作为支撑，采取多元协同抑制和封堵、润滑和防卡措施。

结语：

井壁的塌陷、掉块、缩径、卡钻等多种失稳现象一直以来都是我国钻探工作中需要面对和解决的难点问题。由于我国油田勘探正在向愈来愈复杂区块发展，这一问题的解决显得越来越重要，如果处理不妥当将会造成严重的经济损失。保持井壁的稳定性，顺利快速地钻井是减少钻井成本的主要方式，而钻井液的配方以及处理剂的科学选择是解决上述问题的重要措施。

参考文献：

[1] 宋保健，孙凯，乐守群，兰凯，明鑫.涪陵页岩气田钻井提速难点与对策分析[J].钻采工艺，2019（7）：9-12.

[2] 邹先雄，卢秀德，刘洪彬.连续油管钻磨复合桥塞效率影响因素分析及提效措施研究[J].钻采工艺，2018，41（2）：110-112.

[3]张瑜，彭守涛，汲生珍.塔河油田于奇西地区奥陶系洞穴充填程度预测与应用[J].新疆地质，2017，35（1）：89-93.