高温深井钻井液体系井壁稳定机理及对策研究

王耀稼，沈黎阳，王再兴，李旭阳（西安石油大学石油工程学院，陕西西安　710065）



高温深井钻井液体系井壁稳定机理及对策研究

王耀稼，沈黎阳，王再兴，李旭阳
（西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065）

摘要：高温深井环境下钻井液性能将受较大影响，改变原有特性，易造成井壁失稳的现象。文章分析了高温对钻井液性能的影响，并针对高温环境下钻井液体系影响井壁稳定性的因素提出了应对措施。

关键词：深井；高温；钻井液；井壁稳定

深井超深井钻井过程中，钻井周期长、固相含量高，而高温将改变钻井液原有特性，造成井壁稳定性降低，容易诱发井眼坍塌、卡钻等井下复杂事故。钻井液质量对深井超深井钻井的成功率有着极其重要的意义[1]。

1　高温对钻井液性能的影响

1.1高温对钻井液的影响

（1）高温恶化钻井液性能，使钻井液造壁性变差，泥饼变厚，滤失量增大。

（2）高温影响钻井液流变性。主要有三种形式：高温增稠、高温减稠、高温固化。

（3）高温影响钻井液pH值。钻井液经高温作用后pH值下降，矿化度越高下降越明显。钻井液pH值下降将影响钻井液热稳定性。

（4）高温增加处理剂用量。钻井液在高温下为了维持钻井液性能将消耗更多的处理剂，为了改善高温对钻井液的影响必须做必要的补充。

1.2高温对黏土的影响

1.2.1高温分散钻井液中黏土颗粒在高温作用下自动分散的现象。水基膨润土在高温影响下分散度增加，比表面积增大，粒子浓度增大，表观黏度及动、静切力随之增大。

1.2.2高温聚结高温加剧黏土表面水化粒子及水化基团的去水化能力，促进处理剂在黏土表面解吸附，加剧固相颗粒碰撞，三种因素共同作用，产生不同程度的黏土聚结。

1.2.3高温钝化黏土悬浮颗粒在高温作用下降低表面活性，称为高温钝化。一般认为黏土晶格里Si、Al、O与钻井液中的Ca2+、OH-、Fe3+、Al3+在高温下反应生成类似硬硅酸钙或铁铝硅钙的物质。

1.3高温对处理剂的影响

1.3.1高温降解有机高分子化合物在高温作用下产生高分子主链断裂，亲水基团与主链断离两个方面。前者使处理剂相对分子质量降低，部分或全部失效，后者降低处理剂亲水性。

1.3.2高温交联高温促使处理剂分子发生反应，相互联接，增大相对分子质量。一方面可能会交联过度，使处理剂完全失效；一方面可能交联适当，增大相对分子质量，抵消降解作用。

1.3.3高温解吸处理剂在高温作用下解吸，使黏土表面的吸附平衡向解吸方向移动，从而使吸附量降低。加剧电解质的高温聚结作用，使钻井液滤失量增大，流动性能变坏。

1.3.4去水化作用由于黏土水化薄膜减薄，促进高温聚结作用。影响钻井液流变性，使钻井液滤失量上升。

2　高温深井井壁失稳机理及对策分析

2.1井壁失稳影响因素分析

2.1.1滤失量在相同压差下，滤失量越大，进入地层的滤液越多，加剧了水化作用，造成井壁失稳[2]。

2.1.2滤液矿化度在钻井液中加入无机盐提高钻井液滤液矿化度有利于提高钻井液渗透压力，当高于地层水渗透压力可有效减少滤液进入井壁，维持井壁稳定。

2.1.3密度钻井液液柱压力有支撑井壁的作用，密度越高，可支持的钻井深度越深，有利于深井井壁稳定。但钻井液密度过大时将加剧钻井液向地层滤失。所以在钻井工程中钻井液密度需要适当。

2.1.4流变性循环压力随黏度、切力增加而增加，使井壁所受侧压力增大，起钻时抽吸作用增强。反之可能会改变环空流态，井壁冲刷作用增强。

2.2井壁失稳对策分析

2.2.1高温稳定性控制原理在高温深井的作业环境下维持和控制钻井液体系的滤失性和流变性十分重要。因此用于高温深井钻井液体系的降滤失剂和稀释剂必须具有较好的抗温能力[3]。

目前高温深井水基钻井液高温稳定性的控制主要思路是：（1）研发各种抗高温处理剂，利用处理剂有效防止、抑制、去除高温对黏土粒子的高温分散、高温聚结和高温钝化作用；（2）严格控制黏土含量，并偏向下限。

2.2.2流变性、沉降稳定性能控制原理深井钻井要求钻井液具有较高的密度来平衡井底压力，高密度钻井液的流变性与沉降性很难控制。高温深井钻井液体系要求具有合适的密度、良好的流变性、高温稳定性、失水造壁性、抗污染性能、润滑性、抑制性以及能很好地保护油气层等。所以必须选择合适的加重材料，合理的调整膨润土含量，同时满足流变性及沉降性的要求。具体方法如下：

（1）研制抗高温降黏剂，目前主要使用的降黏剂有四大类：以木质素、栲胶、单宁等天然原料为基础的降黏剂；聚合物降黏剂：包括含马来酸（酐）或丙烯酸的共聚物；含磺酸基团的共聚物，两性或阳离子型聚合物；无机降黏剂（磷酸盐类，有机硅类）；正电胶钻井液降黏剂。

（2）提高液相密度，固相加重剂使用过度会引起钻井液黏度增加、沉降稳定性变差的问题。通过添加高溶解度有机盐增加钻井液密度，使钻井液在相同密度的情况下大幅度减少固相加重剂用量。

（3）优选加重材料，优选高密度的加重材料可以大幅降低钻井液中固相体积含量，使流变性能增强。目前常用的加重材料有石灰石粉、重晶石、铁矿粉和钛铁矿粉、方铅石粉。

2.2.3失水造壁性控制原理钻井液滤失造壁性指在钻井液滤失过程中，自由水先进入岩层，固相颗粒黏附于井壁形成泥饼的性质。泥饼性质好，可以有效阻止钻井液侵入地层，对高温深井井壁稳定有重要作用。高密度水基钻井液由于有重晶石与黏土存在，形成泥饼过程中未按逐级填充的原则有序填充，泥饼质量不好。

因此，目前基于深井的失水造壁性能的控制机理，解决高温深井井壁稳定的方案主要有下面几个方面：

（1）选择抗温能力、抗盐能力极强的高效处理剂（抑制剂、降滤失剂、降黏剂或流型控制剂等），确保处理剂不发生高温解吸、降解、具有较强的抑制性。

（2）选择高密度且粒度级配合理的重晶石，使固相颗粒间距增大，粒子间相互作用减小，降低摩擦力，降低黏度效应，改善流变性；再借助序列分布的连续合理粒径，获得理想的充填效果，形成致密滤饼，降低滤失量。

（3）在钻井液中加入高效稀释剂，使重晶石表面形成有一定厚度、一定弹性的水化膜；同时因斥力增大使重晶石颗粒处于分散状态，使重晶石颗粒平均粒径和粒径中值变小；并增大重晶石表观体积，使其在钻井液中的浮力增大。

（4）选择高纯度、高密度重晶石，使重晶石粒度大小、级配与黏土相当，这样形成的泥饼性能良好、HTTP失水量低、造壁性好。

（5）在高温高盐降滤失剂基础上添加惰性封堵剂弥补钻井液体系固相颗粒级差，协调流变性与造壁性，维持井壁稳定。

3　结论及建议

（1）高温深井钻井过程中，高温对钻井液体系影响较大，易造成井壁失稳。

（2）钻井液滤失量、滤液矿化度、密度、流变性等因素对井壁稳定性有较大影响。

（3）针对影响高温深井钻井液井壁稳定性因素，应研发抗高温处理剂、优选加重材料与膨润土含量、优化钻井液密度。

（4）高温深井钻井液体系中重晶石的粒度的选择对钻井液体系的流变性与造壁性十分重要。

参考文献：

［1］许京国，陶瑞东，杨静，等.大港滨海油田深井井壁失稳原因分析及对策［J］.石油地质与工程，2014，28（5）:133-136.

［2］姚新珠，等.泥页岩井壁失稳原因及对策分析［J］.钻井液与完井液，2001，18（3）:38-41.

［3］白杨.深井高温高密度水基钻井液性能控制原理研究［D］.成都：西南石油大学，2014.

Wellbore stability mechanism and countermeasures of high temperature deep well drilling fluid system

WANG Yaojia，SHEN Liyang，WANG Zaixing，LI Xuyang
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Abstract:Deep drilling fluid properties under high temperature environment will be subject to great impact,changing the original characteristics could easily lead to wellbore instability phenomenon.This paper analyzes the impact of high temperature on drilling fluid properties, and propose countermeasures aim at the factors that drilling fluid system affect the wellbore stability under high-temperature environment.

Key words：deep well；high temperature；drilling fluid；wellbore stability

作者简介：王耀稼，男（1992-），在读研究生，研究方向为井壁稳定及钻井液体系，邮箱：wangyaojia101@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目：“基于多源信息和智能计算的钻井异常自适应预警方法研究”，项目编号：51574194。

*收稿日期：2016－01-15

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.006

中图分类号：TE254.1

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）03-0023-03