超低滲透鉆井液井壁穩定機理

柏曉超，劉偉，崔翰林(中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

0 引言

安全生產是各行業運行與發展的前提條件，石油鉆井更要將安全生產放在首要位置。提高井壁穩定性便是基礎，尤其是現階段鉆井數量在不斷增多、深度也在持續增加，所鉆井不同層位的復雜程度難以預測，急需采用新技術來穩定井壁以減少井下復雜情況的發生并降低油氣層損害。超低滲透鉆井液即為一種較理想的體系，其應用能夠有效減少井壁失穩給鉆井作業帶來消極影響，并且還可以進一步拓寬油氣井的壓力窗口范圍，在低安全窗口鉆井及微裂縫地層鉆井中應用效果顯著[1-3]。

1 超低滲透鉆井液的吸附、成膜與保護機理

納米乳化石蠟是以石蠟、乳化劑和水為主要原料，通過合適的乳化分散工藝制成的粒徑小于500 nm 的乳狀液[4-9]。乳化石蠟平均粒徑在160 nm 左右，凝固點最低達到-30 ℃，防凍能力突出，并具有良好的穩定性，具有綠色無污染的特點[10]，其疏水性可以在近井壁帶形成有效的半滲透膜。聚合醇類分子能降低鉆井液濾液的化學活性，其復雜分子鏈對水分子的吸附增強致使濾液黏度增加導致流體侵入地層速率降低，其醇羥基也可與泥頁巖表面的粘土膠結形成復合物，排掉部分水從而阻止水分進入，起到抑制頁巖作用從而有利于穩定井壁。二者復配形成的強韌泥餅可以最大限度降低鉆井液濾液對地層的侵擾，有效減緩了地層吸水膨脹導致的井塌、縮徑現象的發生。

超低滲透鉆井液體系采用聚合醇/ 納米乳化石蠟復配作為低滲透劑，主要用于深井段、水平井段、復雜易垮塌井段，對破裂帶、走滑斷層、傾覆體地層有良好的作業效果。聚合醇/納米乳化石蠟復配而成的低滲透劑具有相變溫度，其相變溫度隨著無機鹽加量增加而逐步降低后趨于穩定，10%加量的氯化鈉或者氯化鉀對于其濁點溫度的降低在15～20 ℃之間。作業過程中建議選用濁點高于出口溫度20～30 ℃的聚合醇。當井底溫度低于相變溫度，其作為分散相以游離態存在，由于多數顆粒直徑較巖層孔隙大，正壓差作用下形成的泥餅在井筒內壁形成疏水層，起到瀝青質封堵劑的封堵作用；當井底溫度高于其相變溫度時呈液珠狀，發生形變被擠入地層，改變孔喉處的界面張力形成水鎖而阻止濾液的進入。

低滲透劑能降低聚合物在粘土上的吸附量，隨著溫度的升高其吸附量由15% 逐步升高至30%。低滲透劑局部絡合聚合物的吸附基團，控制其與粘土的橋聯作用，但并不能完全破壞聚合物的吸附作用，而是有一定的限度，并能延緩聚合物的熱降解作用。實驗證明，無論溫度在濁點上還是在濁點下聚合醇均能與聚合物發生強烈的相互作用。對于不同巖性隨著吸附消耗量的增加，其建議加量可以從3%提高至5%。

為驗證低滲透鉆井液成膜、吸附性，實驗通過采用3%海水膨潤土漿，添加3%聚合醇+1%乳化石蠟，使用高溫高壓黏附儀，在不同溫度情況下測定其黏附系數。結果表明添加后的鉆井液黏附系數起始值0.2 左右，且溫度越高摩擦系數越小、潤滑性能越好，達到濁點溫度后效果更明顯，黏附系數可降低50%以上。

通常情況下鉆完井期間為保持井控安全普遍采用正壓差，濾液的進入使油氣層的原始平衡壓力不可避免的受到損害。其中最大的傷害為鉆完井液所攜帶的微粒引發的孔喉堵塞從而導致滲透率下降進而影響采油效率。孔喉堵塞主要包括固體顆粒物堵塞、聚合物堵塞、粘土物質堵塞、結垢等類型，流體遇阻進一步造成乳化、潤濕程度降低等后果，所以作業期間通常維持較低的正壓差以最大限度降低對油氣層損害。超低滲透鉆井液會在一定的壓力下可延長致密膜的作用時間，并且隨著循環溫度的上升，其防滲透效果較傳統鉆井液明顯提升，說明溫度、壓力對超低滲透鉆井液在成膜和保護油氣層上影響較低。膠束薄膜的致密性非常高，具有很大的承壓力，并且清除起來也十分容易，這是因為在表面形成的保護膜，不會對巖層內部產生任何的吸附作用，清除封閉膜只需要輕微的反向壓力即可。

超低滲透鉆井液中聚合醇/ 納米乳化石蠟形成的封堵易返排，對油氣層的保護性能非常好，能夠在使用過程中利用煤油的返排來解除堵塞，油相滲透率的恢復程度高，恢復速度快，其氣-液表面張力較清水降低45%，油-水界面張力較清水降低78%。根據實驗結果可知對巖心滲透率恢復的結果通常在98.4%左右，油相的滲透率恢復率可達100%，且滲透率恢復耗時短。可見該種類型的鉆井液對油氣層的損傷微乎其微，能夠最大限度地提高鉆井液對儲層的保護力度，為井下鉆具創造一個良好的工作環境。

2 超低滲透鉆井液穩固井壁的作用機理

微觀研究顯示低滲透鉆井液中含有膠束聚合物。鉆進新地層后動態濾失期間快速吸附在頁巖孔隙表面，低滲透劑的進入使孔喉由水潤濕變為油潤濕，毛細管力由此成為濾液滲入的阻力，隨著時間推移泥餅上逐漸形成一層薄而致密的膜，這層膜的出現可提升正向承壓能力1.5 MPa 以上。由達西定律得知，液體流動速率與濾液的黏度成反比，由于濾液黏度的增加濾液滲入速度明顯降低，濾失壓差的增加可使濾失量降低，可對井壁穩定起到增益作用。進一步分析可知，成膜增強井壁穩定是利用人工控制方法，在井筒鉆井液和孔隙流體間形成一種有效的隔離狀態，從而對濾液的滲入起到一定的阻礙效果，減少地層受到外界的入侵，使其維持原始地應力而提高穩定性。現階段采用的添加劑所形成的多為半透膜，研究過程中也多以該類膜為主，其他類型的添加劑也可作為今后的研究重點。

超低滲透鉆井液可以對巖層的膨脹起到較好的抑制效果，這就為防止鉆進過程中的坍塌提供了安全保證。特殊形狀的聚合物可以在短時間內形成膠束薄膜，減緩鉆井液對巖層的深層滲透。在這種情況下，地層流體會盡量少與鉆井液接觸，同樣濾液會減少侵入到巖層的深度，也盡可能減少出現井壁坍塌的問題。即便有極為少量的鉆井液濾液滲入巖層，該種超低滲透鉆井液體系也會因其具有較巖層內流體相似的活度，不會造成巖層的吸水膨脹而導致垮塌等問題，安全系數極高。

實驗通過基礎配方添加3%聚合醇+1%乳化石蠟后進行降濾失評價，隨著實驗溫度升高，高溫高壓濾失量逐漸降低，溫度大于濁點后失水量減少更加明顯，結果濾失降低率最高可達43%。

配方一：3% 海水膨潤土漿+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% 聚陰離子纖維素+1%交聯淀粉+1%改性瀝青+1%零滲透封堵成膜劑+12% NaCl+8% KCl。

配方二：3% 海水膨潤土漿+0.3% NaOH+0.3% Na2CO3+0.6% 聚陰離子纖維素+1% 交聯淀粉+1% 改性瀝青+1% 零滲透封堵成膜劑+3% 聚合醇+1% 乳化石蠟+12% NaCl+8% KCl。

通過一系列實驗可知，超低滲透鉆井液可以在頁巖表層形成保護膜，防止濾液的滲入，并且這種封閉膜的形成過程也只是短短的幾分鐘便可以完成，有效防止剩余的濾液或固體顆粒對地層產生影響。與同類的處理劑相比而言，超低滲透鉆井液的封堵性能是其它處理劑不能比擬的。根據實驗應用可知物質聚合力越強，其成膜的抑制性就越大，所能夠承受的壓力越大，對巖層的滲透力影響就越小。實驗室研究證明，該種鉆井液成膜后的壓縮性特別強，因此受到的壓力越大，封閉膜的質量越高，對井壁的穩定和保護效果就越強。研究者新研制的產品致密性也要高于以前使用的FLC200。從宏觀上看，封閉性越強，則對地層壓力的阻隔與緩解能力就越強，承受性能也越高，另外阻緩壓力還可以防止井壁巖石出現膨脹與裂縫，壓力無法傳遞則越有助于提高井壁的穩定性和安全性。

鉆進過程中由于地層環境的多樣性，不可避免地會發生復雜情況，其中井漏是危害鉆井安全的重要因素。除地層原始裂縫、斷層、溶洞等原發性井漏外，人為因素導致的誘導井漏占據很大比例。其主要誘導因素為地層壓力虧空而導致靜液柱壓力遠大于地層壓力，因此防止井漏關鍵在于增強地層承壓能力。超低滲透鉆井液形成的致密保護膜能夠緩解液柱對井壁巖層的壓力，這就在一定程度上提高了預防井漏的可能性。超低滲透鉆井液可以達到零滲透的應用效果，鉆井液中的聚合物可以在井壁形成穩定的保護屏障。若施工過程中靜液柱壓力超過了孔隙壓力，裂縫處滲入鉆井液會不斷膨脹，將漏處完全堵住。這使地層具有更高的承壓能力，有效平衡來自不同方向的壓力，同時減緩壓力的傳遞速度，將地層的壓力實行封堵后，井壁不會因受壓不平衡而出現井漏問題。

3 現場應用

渤海某區塊第一口探井鉆前設計沒有明顯異常，鉆遇一個斷層。地震資料及鄰井鉆井資料顯示，設計井不存在特殊地層，但仍建議鉆井工程人員密切注意鉆井實時參數的變化，選用合適的鉆井液密度，做好安全作業。作業過程中三開12.25 寸井段鉆進過程中即出現明顯的垮塌掉塊，隨著井深的增加沒有明顯的改善狀況，鉆進至完鉆井深后倒劃眼起鉆，起鉆速度低于90 m/h，起鉆至管鞋后下鉆過程中頻繁遇阻、遇卡，由于無法通過起下鉆拉順裸眼井段而反復通井，通井期間頻繁憋抬鉆具。該井段鉆進用時3 天，通井作業耗時7 天，期間通過提高鉆井液比重、降低濾失量、提高封堵性，仍無良好解決辦法。通過不斷地稠塞+重稠塞配合清掃井眼，地層最終已垮塌至極限。電測顯示井眼井徑擴大率100%，嚴重影響作業效率，電測質量受到影響。

作業結束后結合電測數據重新分析該井，發現作業區塊位于走滑斷層，雖然未預測異常，但是地層的反復傾軋導致地應力嚴重異常，并有類似傾覆體的構造。作業井位選取過程中鉆遇多套斷層膠結，屬于明顯的破碎帶構造，這種構造在勘探方面的作業比例也逐年增加。為應對突發異常應力，增加作業過程中鉆井液相關時效，選擇使用超低滲透鉆井液體系。后續該區塊連續作業8 口井，作業過程中仍發現垮塌跡象，但相對于1 井有明顯改善。其主要體現為：垮塌得到有效緩解，井下鉆具受到的側向振動明顯降低；垮塌量與垮塌掉塊尺寸明顯減少；起下鉆期間阻掛減少，相對應鉆井液非生產失效由70%降至15%，與常規復雜情況井相近；電測作業顯示井徑擴大率10%～15%，較同類井無明顯異常。作業結束棄井期間，固井沖洗液經過后，泥餅破壞隨機發生垮塌鉆具上提下放懸重明顯異常，連續循環處理正常后才能滿足正常固井。作業的8 口井中有4 口為定向井，作業順暢，作業時效、地質資料錄取均滿足甲方要求。通過該區塊作業后，充分說明該體系的優越性。并且逐步在其他相應區塊進行推廣，能夠有效應對應力異常、地層垮塌等相關復雜情況。

4 結語

綜上所述，超低滲透鉆井液在微觀上具有快速并強力吸附的作用，且吸附量非常大，可以在井壁上形成具有高致密性的膠束薄膜。其可以有效封閉滲透性地層，將開裂程度較大的巖層封住，這樣就在井壁巖石表層形成保護層，防止濾液的入侵和膨脹，提高了井壁的穩定性。該種鉆井液可以承受巨大的地層壓力，能夠降低壓力對油氣層的損害，減少坍塌和井漏事故的發生率。