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钻井液防塌机理与措施
一、井壁稳定研究的现状
井眼由于地质因素、泥页岩与泥浆相互作用和钻井作业等因素而出现不稳定的问题,即
井壁稳定问题,是钻井系统工程中所遇到的一个十分复杂的世界性难题,迄今还没有研究出
可以彻底解决这个问题的一套完整的有效方法。因此,人们更加重视井壁稳定机理的研究,
以求在井壁稳定技术方面获得新的突破。
从总体上看,钻井液的防塌机理主要体现在以下几个方面:
1.适当密度的钻井液在井眼内产生的液柱压力可对井壁提供有效的力学支撑,起稳定井
壁的作用;
2.在钻井液中加入处理剂,使钻井液具有抑制页岩膨胀和分散的能力;
3.同时产生薄而韧的滤饼,稳定井壁。
二、对化学因素引起的井壁失稳原因的认识
上述作用机理包括物理化学方面,本文主要讨论化学防塌机理及其相应的措施。在许多
情况下,泥浆液柱压力高于地层孔隙应力,驱使泥浆进入泥页岩孔隙,产生压力穿透效应,
使井眼附近的泥页岩含水量增加,孔隙压力增大,泥页岩强度降低。因此,在钻井过程中防
止泥浆渗入泥页岩是保证井壁稳定的关键措施。
通过众多学者的研究,有以下结论:井内泥浆对泥页岩的化学作用最终可以归结到对井
壁岩石力学性能参数、强度参数和近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石
的力学性能,使岩石强度降低;另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便会产生膨
胀应力,从而改变近井壁的应力状态,诱发或加剧井壁岩石的受力不平衡。要彻底解决泥页
岩井壁失稳问题,就应该将影响井壁稳定性的化学作用和由此产生的力学效应有机地结合起
来,研究出新的泥浆处理剂井壁稳定机理。
三、油基泥浆防塌机理
众所周知油基泥浆具有优异的井壁稳定能力。对油基泥浆井壁稳定机理的深入认识有助
于水基防塌泥浆的完善与发展。油基泥浆通过对泥页岩的脱水硬化作用稳定井壁,而这种脱
水硬化作用是通过两种形式的半透膜即油基泥浆在井壁表面形成的半透膜和油包水乳滴自
身的半透膜来实现的。半透膜两侧高盐度水相与泥页岩原生水的活度差产生了渗透驱动力,
萃取泥页岩中的水,使泥页岩硬化,强度增大。油基泥浆还通过增大泥页岩的毛细管压力阻
止泥浆水进入泥页岩。
有部分学者认为油基泥浆的油水比对泥页岩含水量的变化和强度影响不明显,水在泥页
岩中的运移速度和方向(这是泥页岩含水量变化的关键)取决于泥浆水与泥页岩水的活度
差。还有一些学者认为温度能强化油基泥浆对泥页岩的硬化作用。
四、几种新型防塌泥浆的防塌机理
1.温度活化钻井液体系(TAME)
TAME体系是在KCl聚合物体系的基础上加入体积比为5%的非离子型醇的烷氧基化
2
加成物而制得的。在井下条件下(井温大于浊点)钻井液中醇的烷氧基化加成物独立构成亲
油性细乳化颗粒,封堵泥页岩表面,降低泥浆水对泥页岩的孔隙压力穿透作用;而在井口常
温条件下醇的烷氧基化加成物又变到原始的水溶液状态,避免了对环境的潜在危害。很显然,
TAME在不同温度下能发生亲水与亲油相态转移的浊度效应是其作用机理的基础。机理研究
在微渗滤筛选试验仪上进行,重点研究对泥页岩的孔隙压力穿透问题。
2.多元醇泥浆
多元醇泥浆防塌抑制能力优异,环保特性良好。Aston对多元醇泥浆的防塌机理进行了
较深入的研究。所研究的多元醇包括简单的聚乙二醇以及环氧乙烷或环氧丙烷复杂聚合物。
分子量一般为1000左右,目的是使多元醇渗入泥页岩基体,如果分子量过大就会被挡在泥
页岩表面。多数研究者认为在泥浆中无机盐(如KCl)的影响下具有浊度效应的多元醇聚
合物,在温度作用下产生亲油的晶状微粒封堵泥页岩表面,形成憎水性封堵膜,减少孔隙压
力穿透作用,是多元醇泥浆的主要作用机理。而Aston则认为对于渗透性极低的泥页岩,
物理性的堵塞难以实现,除非有微裂缝存在。他认为即使在温度低于浊点的条件下多元醇(包
括无浊度效应的多元醇)仍具有良好的抑制性能。浊度效应并不是多元醇抑制性能的基本条
件。他的机理研究主要是通过热重分析和便携式岩屑硬度测试仪研究泥页岩样品含水量变化
与硬度和页岩回收率的关系,发现在油基泥浆中见到的泥页岩硬化现象在多元醇泥浆中也存
在,但作用机理不同。示踪测试已表明一般的水基泥浆不可能形成半透膜,因此泥页岩的硬
化一定是多元醇与泥页岩直接相互作用的结果。研究表明多元醇与泥页岩有强烈的
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