超低渗透钻井液井壁稳定机理

柏晓超，刘伟，崔翰林(中海油田服务股份有限公司，天津 300459)

0 引言

安全生产是各行业运行与发展的前提条件，石油钻井更要将安全生产放在首要位置。提高井壁稳定性便是基础，尤其是现阶段钻井数量在不断增多、深度也在持续增加，所钻井不同层位的复杂程度难以预测，急需采用新技术来稳定井壁以减少井下复杂情况的发生并降低油气层损害。超低渗透钻井液即为一种较理想的体系，其应用能够有效减少井壁失稳给钻井作业带来消极影响，并且还可以进一步拓宽油气井的压力窗口范围，在低安全窗口钻井及微裂缝地层钻井中应用效果显著[1-3]。

1 超低渗透钻井液的吸附、成膜与保护机理

纳米乳化石蜡是以石蜡、乳化剂和水为主要原料，通过合适的乳化分散工艺制成的粒径小于500 nm 的乳状液[4-9]。乳化石蜡平均粒径在160 nm 左右，凝固点最低达到-30 ℃，防冻能力突出，并具有良好的稳定性，具有绿色无污染的特点[10]，其疏水性可以在近井壁带形成有效的半渗透膜。聚合醇类分子能降低钻井液滤液的化学活性，其复杂分子链对水分子的吸附增强致使滤液黏度增加导致流体侵入地层速率降低，其醇羟基也可与泥页岩表面的粘土胶结形成复合物，排掉部分水从而阻止水分进入，起到抑制页岩作用从而有利于稳定井壁。二者复配形成的强韧泥饼可以最大限度降低钻井液滤液对地层的侵扰，有效减缓了地层吸水膨胀导致的井塌、缩径现象的发生。

超低渗透钻井液体系采用聚合醇/ 纳米乳化石蜡复配作为低渗透剂，主要用于深井段、水平井段、复杂易垮塌井段，对破裂带、走滑断层、倾覆体地层有良好的作业效果。聚合醇/纳米乳化石蜡复配而成的低渗透剂具有相变温度，其相变温度随着无机盐加量增加而逐步降低后趋于稳定，10%加量的氯化钠或者氯化钾对于其浊点温度的降低在15～20 ℃之间。作业过程中建议选用浊点高于出口温度20～30 ℃的聚合醇。当井底温度低于相变温度，其作为分散相以游离态存在，由于多数颗粒直径较岩层孔隙大，正压差作用下形成的泥饼在井筒内壁形成疏水层，起到沥青质封堵剂的封堵作用；当井底温度高于其相变温度时呈液珠状，发生形变被挤入地层，改变孔喉处的界面张力形成水锁而阻止滤液的进入。

低渗透剂能降低聚合物在粘土上的吸附量，随着温度的升高其吸附量由15% 逐步升高至30%。低渗透剂局部络合聚合物的吸附基团，控制其与粘土的桥联作用，但并不能完全破坏聚合物的吸附作用，而是有一定的限度，并能延缓聚合物的热降解作用。实验证明，无论温度在浊点上还是在浊点下聚合醇均能与聚合物发生强烈的相互作用。对于不同岩性随着吸附消耗量的增加，其建议加量可以从3%提高至5%。

为验证低渗透钻井液成膜、吸附性，实验通过采用3%海水膨润土浆，添加3%聚合醇+1%乳化石蜡，使用高温高压黏附仪，在不同温度情况下测定其黏附系数。结果表明添加后的钻井液黏附系数起始值0.2 左右，且温度越高摩擦系数越小、润滑性能越好，达到浊点温度后效果更明显，黏附系数可降低50%以上。

通常情况下钻完井期间为保持井控安全普遍采用正压差，滤液的进入使油气层的原始平衡压力不可避免的受到损害。其中最大的伤害为钻完井液所携带的微粒引发的孔喉堵塞从而导致渗透率下降进而影响采油效率。孔喉堵塞主要包括固体颗粒物堵塞、聚合物堵塞、粘土物质堵塞、结垢等类型，流体遇阻进一步造成乳化、润湿程度降低等后果，所以作业期间通常维持较低的正压差以最大限度降低对油气层损害。超低渗透钻井液会在一定的压力下可延长致密膜的作用时间，并且随着循环温度的上升，其防渗透效果较传统钻井液明显提升，说明温度、压力对超低渗透钻井液在成膜和保护油气层上影响较低。胶束薄膜的致密性非常高，具有很大的承压力，并且清除起来也十分容易，这是因为在表面形成的保护膜，不会对岩层内部产生任何的吸附作用，清除封闭膜只需要轻微的反向压力即可。

超低渗透钻井液中聚合醇/ 纳米乳化石蜡形成的封堵易返排，对油气层的保护性能非常好，能够在使用过程中利用煤油的返排来解除堵塞，油相渗透率的恢复程度高，恢复速度快，其气-液表面张力较清水降低45%，油-水界面张力较清水降低78%。根据实验结果可知对岩心渗透率恢复的结果通常在98.4%左右，油相的渗透率恢复率可达100%，且渗透率恢复耗时短。可见该种类型的钻井液对油气层的损伤微乎其微，能够最大限度地提高钻井液对储层的保护力度，为井下钻具创造一个良好的工作环境。

2 超低渗透钻井液稳固井壁的作用机理

微观研究显示低渗透钻井液中含有胶束聚合物。钻进新地层后动态滤失期间快速吸附在页岩孔隙表面，低渗透剂的进入使孔喉由水润湿变为油润湿，毛细管力由此成为滤液渗入的阻力，随着时间推移泥饼上逐渐形成一层薄而致密的膜，这层膜的出现可提升正向承压能力1.5 MPa 以上。由达西定律得知，液体流动速率与滤液的黏度成反比，由于滤液黏度的增加滤液渗入速度明显降低，滤失压差的增加可使滤失量降低，可对井壁稳定起到增益作用。进一步分析可知，成膜增强井壁稳定是利用人工控制方法，在井筒钻井液和孔隙流体间形成一种有效的隔离状态，从而对滤液的渗入起到一定的阻碍效果，减少地层受到外界的入侵，使其维持原始地应力而提高稳定性。现阶段采用的添加剂所形成的多为半透膜，研究过程中也多以该类膜为主，其他类型的添加剂也可作为今后的研究重点。

超低渗透钻井液可以对岩层的膨胀起到较好的抑制效果，这就为防止钻进过程中的坍塌提供了安全保证。特殊形状的聚合物可以在短时间内形成胶束薄膜，减缓钻井液对岩层的深层渗透。在这种情况下，地层流体会尽量少与钻井液接触，同样滤液会减少侵入到岩层的深度，也尽可能减少出现井壁坍塌的问题。即便有极为少量的钻井液滤液渗入岩层，该种超低渗透钻井液体系也会因其具有较岩层内流体相似的活度，不会造成岩层的吸水膨胀而导致垮塌等问题，安全系数极高。

实验通过基础配方添加3%聚合醇+1%乳化石蜡后进行降滤失评价，随着实验温度升高，高温高压滤失量逐渐降低，温度大于浊点后失水量减少更加明显，结果滤失降低率最高可达43%。

配方一：3% 海水膨润土浆+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% 聚阴离子纤维素+1%交联淀粉+1%改性沥青+1%零渗透封堵成膜剂+12% NaCl+8% KCl。

配方二：3% 海水膨润土浆+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% 聚阴离子纤维素+1% 交联淀粉+1% 改性沥青+1% 零渗透封堵成膜剂+3% 聚合醇+1% 乳化石蜡+12% NaCl+8% KCl。

通过一系列实验可知，超低渗透钻井液可以在页岩表层形成保护膜，防止滤液的渗入，并且这种封闭膜的形成过程也只是短短的几分钟便可以完成，有效防止剩余的滤液或固体颗粒对地层产生影响。与同类的处理剂相比而言，超低渗透钻井液的封堵性能是其它处理剂不能比拟的。根据实验应用可知物质聚合力越强，其成膜的抑制性就越大，所能够承受的压力越大，对岩层的渗透力影响就越小。实验室研究证明，该种钻井液成膜后的压缩性特别强，因此受到的压力越大，封闭膜的质量越高，对井壁的稳定和保护效果就越强。研究者新研制的产品致密性也要高于以前使用的FLC200。从宏观上看，封闭性越强，则对地层压力的阻隔与缓解能力就越强，承受性能也越高，另外阻缓压力还可以防止井壁岩石出现膨胀与裂缝，压力无法传递则越有助于提高井壁的稳定性和安全性。

钻进过程中由于地层环境的多样性，不可避免地会发生复杂情况，其中井漏是危害钻井安全的重要因素。除地层原始裂缝、断层、溶洞等原发性井漏外，人为因素导致的诱导井漏占据很大比例。其主要诱导因素为地层压力亏空而导致静液柱压力远大于地层压力，因此防止井漏关键在于增强地层承压能力。超低渗透钻井液形成的致密保护膜能够缓解液柱对井壁岩层的压力，这就在一定程度上提高了预防井漏的可能性。超低渗透钻井液可以达到零渗透的应用效果，钻井液中的聚合物可以在井壁形成稳定的保护屏障。若施工过程中静液柱压力超过了孔隙压力，裂缝处渗入钻井液会不断膨胀，将漏处完全堵住。这使地层具有更高的承压能力，有效平衡来自不同方向的压力，同时减缓压力的传递速度，将地层的压力实行封堵后，井壁不会因受压不平衡而出现井漏问题。

3 现场应用

渤海某区块第一口探井钻前设计没有明显异常，钻遇一个断层。地震资料及邻井钻井资料显示，设计井不存在特殊地层，但仍建议钻井工程人员密切注意钻井实时参数的变化，选用合适的钻井液密度，做好安全作业。作业过程中三开12.25 寸井段钻进过程中即出现明显的垮塌掉块，随着井深的增加没有明显的改善状况，钻进至完钻井深后倒划眼起钻，起钻速度低于90 m/h，起钻至管鞋后下钻过程中频繁遇阻、遇卡，由于无法通过起下钻拉顺裸眼井段而反复通井，通井期间频繁憋抬钻具。该井段钻进用时3 天，通井作业耗时7 天，期间通过提高钻井液比重、降低滤失量、提高封堵性，仍无良好解决办法。通过不断地稠塞+重稠塞配合清扫井眼，地层最终已垮塌至极限。电测显示井眼井径扩大率100%，严重影响作业效率，电测质量受到影响。

作业结束后结合电测数据重新分析该井，发现作业区块位于走滑断层，虽然未预测异常，但是地层的反复倾轧导致地应力严重异常，并有类似倾覆体的构造。作业井位选取过程中钻遇多套断层胶结，属于明显的破碎带构造，这种构造在勘探方面的作业比例也逐年增加。为应对突发异常应力，增加作业过程中钻井液相关时效，选择使用超低渗透钻井液体系。后续该区块连续作业8 口井，作业过程中仍发现垮塌迹象，但相对于1 井有明显改善。其主要体现为：垮塌得到有效缓解，井下钻具受到的侧向振动明显降低；垮塌量与垮塌掉块尺寸明显减少；起下钻期间阻挂减少，相对应钻井液非生产失效由70%降至15%，与常规复杂情况井相近；电测作业显示井径扩大率10%～15%，较同类井无明显异常。作业结束弃井期间，固井冲洗液经过后，泥饼破坏随机发生垮塌钻具上提下放悬重明显异常，连续循环处理正常后才能满足正常固井。作业的8 口井中有4 口为定向井，作业顺畅，作业时效、地质资料录取均满足甲方要求。通过该区块作业后，充分说明该体系的优越性。并且逐步在其他相应区块进行推广，能够有效应对应力异常、地层垮塌等相关复杂情况。

4 结语

综上所述，超低渗透钻井液在微观上具有快速并强力吸附的作用，且吸附量非常大，可以在井壁上形成具有高致密性的胶束薄膜。其可以有效封闭渗透性地层，将开裂程度较大的岩层封住，这样就在井壁岩石表层形成保护层，防止滤液的入侵和膨胀，提高了井壁的稳定性。该种钻井液可以承受巨大的地层压力，能够降低压力对油气层的损害，减少坍塌和井漏事故的发生率。