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硅酸盐钻井液稳定井壁机理分析

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硅酸盐 钻井 稳定 井壁 机理 分析
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硅 酸 盐 钻 井 液 稳 定 井 壁 机 理 分 析 川(西 南 石 油 学 院 石 油 工 程 系 ,四 川 南 充 637001)摘 要   以 硅 酸 钾 或 硅 酸 钠 为 主 要 处 理 剂 的 硅 酸 盐 钻 井 液 体 系 近 年 来 应 用 较 多 ,该 类 体 系 具 有 很 强 的 稳 定 井 壁 能 力 和环 境 相 容 性 ,其 稳 定 井 壁 机 理 不 同 于 其 它 常 用 水 基 泥 浆 体 系 。 文 中 在 介 绍 该 类 泥 浆 体 系 及 应 用 情 况 基 础 上 详 细 分 析了 其 稳 定 井 壁 机 理 ,认 为 有 四 个 方 面 : ① 快 速 在 近 井 壁 堵 塞 孔 隙 和 微 缝 ,阻 止 滤 液 进 入 地 层 ,减 少 压 力 穿 透 ; ② 抑 制 页岩 中 粘 土 矿 物 水 化 ; ③ 硅 酸 盐 和 粘 土 矿 物 发 生 反 应 ; ④ 其 它 无 机 盐 的 协 同 稳 定 作 用 。主 题 词   钻 井 液 ; 硅 酸 盐 矿 物 ; 井 眼 稳 定 ; 机 理 ; 页 岩中 图 分 类 号   54. 4硅 酸 钠 具 有 很 强 的 抑 制 页 岩 水 化 、 防 止 井 塌 的能 力 ,早 在 30 年 代 就 被 人 们 所 认 识 ,并 用 高 浓 度 硅酸 盐 (20 ─ 50 %V/ V) 泥 浆 在 海 湾 地 区 钻 井 一 百 多口 , 但 存 在 粘 切 难 以 控 制 、 维 护 处 理 困 难 等 问 题 。60 年 代 人 发 现 低 浓 度 ( < 20 %) 硅 酸 盐 泥浆 具 有 好 的 稳 定 井 壁 能 力 ,使 用 稀 硅 酸 盐 无 机 盐 体系 钻 井 三 口 [1 ] 。 但 60 年 代 后 期 由 于 聚 合 物 泥 浆 的应 用 ,硅 酸 盐 泥 浆 体 系 的 研 究 较 少 。 近 十 余 年 来 ,由于 使 用 油 基 和 合 成 基 泥 浆 带 来 环 保 问 题 ,因 此 迫 切需 要 研 究 抑 制 性 非 常 好 的 水 基 泥 浆 ,故 又 对 硅 酸 盐泥 浆 进 行 了 广 泛 的 研 究 ,已 形 成 一 大 类 防 塌 泥 浆 体系 ,在 实 际 应 用 中 也 取 得 很 好 的 效 果 。 本 文 在 介 绍该 类 泥 浆 体 系 的 基 础 上 ,着 重 分 析 其 稳 定 井 壁 的 机理 。1   硅 酸 盐 泥 浆 体 系根 据 所 用 的 硅 酸 盐 不 同 。 可 分 为 无 机 、 有 机 硅酸 盐 和 硅 酸 盐 聚 合 物 泥 浆 三 类 [2 ] 。1. 1   无 机 硅 酸 盐 体 系该 体 系 主 要 依 靠 硅 酸 钠 或 硅 酸 钾 抑 制 页 岩 水化 ,典 型 配 方 及 性 能 见 表 1。 前 苏 联 应 用 该 体 系 在 地质 条 件 复 杂 的 雅 库 梯 亚 地 区 钻 井 5 口 ,制 止 了 页 岩坍 塌 ,改 善 了 井 眼 条 件 , 基 本 解 决 了 井 眼 堆 积 岩 屑和 卡 套 管 等 问 题 ,。 前 苏 联 学 者 还 对 分 别 用 聚 丙 稀 类 化 合 物 、 淀 粉 、 腐 植 酸 盐 稳 定 的 稀 硅 酸 盐 泥浆 进 行 过 深 入 研 究 [3 ] ,典 型 配 方 及 性 能 见 表 2。 60年 代 前 苏 联 用 该 体 系 钻 井 十 多 口 ,包 括 一 口 6806 深 井 ,稳 定 井 壁 能 力 和 热 稳 定 性 较 好 。表 1   无 机 硅 酸 盐 体 系 典 型 配 方 及 性 能配 方 和 加 量 (     性           能无 水 硅 酸 钠粘   土食   盐水重 晶 石746. 817132不 定ρ (g/ V (s)初 切 ( 切 ( 水 厚 (mm)p 563905~ 104~ 81. 612. 22. 04480~ 510~ 204~ 81. 612. 2表 2   稀 硅 酸 盐 泥 浆 典 型 配 方 及 性 能配 方 和 加 量 (     性           能粘 土 (坡 缕 缟 石 ) 500 或 600纯       碱氯   化   钠硅   酸   钠重   晶   石水50~ 7512. 5~ 22. 5520070850600~ 620ρ (g/ 斗 粘 度 (s)初 切 ( 切 ( 水 1. 60~1. 6560~ 700. 60. 93~ 410. 01. 2   硅 酸 盐 聚 合 物 泥 浆据 所 用 聚 合 物 品 种 和 是 否 加 入 无 机 盐 ,该 体 系实 际 使 用 配 方 较 多 。 前 苏 联 以 粘 土 、 硅 酸 钠 、 成 泥 浆 在 卡 巴 科 沃 62 井 5410 - 5521 使 用 成 功 [2 ] 。 等 人 介 绍 了 一 种 以水 溶 性 硅 酸 盐 为 基 础 的 水 基 泥 浆 ,其 基 本 配 方 见 表3。 司 在 北 海 南 部 的 49 区 块 用 聚 合 物/ 硅 酸 钠 泥 浆 取 得 了 很 好 的 效 果 ,井 径 非 常 规 则 。 国第 20 卷   第 2 期                   西 南 石 油 学 院 学 报                   20   21998 年   5 月                                 1998X 1997 — 09 — 02 收 稿梁 大 川 ,男 ,1964 年 生 ,硕 士 ,讲 师 ,主 要 从 事 钻 井 液 教 学 及 井 壁 稳 定 方 面 的 研 究 工 作© 1994 ,取 得 了 较 好 的 经 济 效 益 [4 ,5 ] 。1. 3   有 机 硅 酸 盐 体 系(1) 甲 基 硅 酸 铝 / 硅 油 体 系 。 前 苏 联 在 西 伯 利亚 广 泛 使 用 甲 基 硅 酸 铝 和 甲 基 、 乙 基 硅 油 作 抑 制剂 ,该 体 系 可 耐 温 200 ℃ 以 上 ,具 有 好 的 降 滤 失 和 防塌 效 果 [2 ] 。表 3   硅 酸 盐 聚 合 物 钻 井 液 配 方添 加 剂 聚 合 物 / 硅 酸 盐体         系 饱 和 盐 / 硅 酸 盐体       系 石硅 酸 钠2. 864. 292. 8611. 441. 431. 43~ 1000. 72饱 和不 定5 % v/ 726811. 440~ 0. 57不 定5 % v/   表 中 添 加 剂 加 量 未 注 明 者 单 位 均 为 2) 甲 基 硅 油 体 系 [6 ] 。 1983 年 辽 河 油 田 应 用硅 油 钻 井 液 打 井 20 多 口 ,在 地 层 复 杂 、 易 塌 的 双 南地 区 取 得 了 很 好 的 效 果 。 1987 年 草 6 井 的 应 用 也表 明 该 体 系 抑 制 性 、 热 稳 定 性 和 流 变 性 均 较 好 ,且维 护 简 单 ,易 转 化 。(3) K 体 系 。 K 是 由 有 机 硅和 腐 植 酸 钾 在 一 定 工 艺 条 件 下 复 合 而 成 的 深 井 泥 浆处 理 剂 ,其 室 内 试 验 及 现 场 应 用 经 验 可 参 考 文 献[ 7 ]。2   硅 酸 盐 钻 井 液 稳 定 井 壁 机 理为 了 稳 定 页 岩 地 层 ,通 常 要 求 泥 浆 液 柱 压 力 过平 衡 以 提 供 有 效 径 向 应 力 支 撑 。 但 是 ,泥 浆 液 柱 的过 平 衡 又 会 导 致 泥 浆 滤 液 的 侵 入 ,侵 入 地 层 的 滤 液有 可 能 引 起 页 岩 水 化 ,产 生 水 化 膨 胀 压 同 时 降 低 岩石 强 度 ;另 一 方 面 ,滤 液 侵 入 使 近 井 眼 处 孔 隙 压 力 提高 ,从 而 消 除 泥 浆 柱 的 有 效 应 力 支 撑 ,只 要 原 地 应 力超 过 岩 石 强 度 ,就 会 导 致 页 岩 的 塑 性 变 形 和 失 稳 。滤 液 侵 入 量 可 用 下 式 表 示 :V = K (Δ P - ) /η (1)式 中 K 为 页 岩 渗 透 率 ,η 为 滤 液 粘 度 ,Δ P 为 泥 浆 液柱 压 力 和 地 层 压 力 之 差 , C 为 页 岩 - 流 体 膜 效 率 ,Δ π 为 渗 透 压 力 。 其 中Δ π = R 水 3(2)上 式 中 , T 为 温 度 , R 为 气 体 常 数 , V w 为 水 的 偏 摩尔 体 积 。 别 为 页 岩 和 泥 浆 的 水 活 度 。 当 ,Δ π 为 负 ,增 加 滤 液 侵 入 ,当 ,页岩 和 泥 浆 间 不 会 因 活 度 差 存 在 流 体 流 动 。根 据 以 上 分 析 可 知 ,增 加 滤 液 粘 度 、 降 低 页 岩 渗透 率 ,用 有 效 渗 透 压 力 产 生 的 反 向 流 动 抵 消 压 差 产生 的 滤 液 侵 入 等 途 径 均 可 以 减 少 滤 液 侵 入 ,从 而 有利 于 井 壁 稳 定 。 硅 酸 盐 泥 浆 主 要 就 是 通 过 这 些 途 径而 稳 定 井 壁 的 ,具 体 地 说 ,有 下 面 几 个 方 面 的 机 理 。2. 1   堵 塞 页 岩 孔 隙 和 微 裂 缝 ,阻 止 滤 液 进 入 地 层 ,同 时 减 少 了 压 力 穿 透 ( 负 电 的 硅 酸 盐 聚 集 体 很 小 ,足 以 因 扩 散 和 水力 流 动 而 进 入 页 岩 孔 隙 中 ,当 这 些 聚 集 体 进 入 孔 隙水 p H 接 近 中 性 的 页 岩 后 ,会 克 服 凝 聚 而 形 成 三 维网 状 凝 胶 结 构 ,同 时 地 层 水 中 的 多 价 金 属 离 子 (如 , )会 及 时 地 与 这 些 聚 集 体 反 应 生 成 不 溶沉 淀 物 ,从 而 :(1) 提 供 物 理 屏 障 以 防 止 进 一 步 的 滤 液 侵 入 和压 力 穿 透 , 上 述 形 成 凝 胶 和 沉 淀 的 过 程 非 常 快 ,能在 发 生 较 大 量 滤 失 和 压 力 穿 透 前 形 成 。(2) 降 低 页 岩 渗 透 率 可 提 高 页 岩 2流 体 膜 效率 [8 ] ,当 然 ,为 防 止 泥 浆 中 水 向 地 层 侵 入 ,泥 浆 中 水活 度 不 能 高 于 页 岩 水 活 度 。图 1   压 力 传 递 试 验 示 意 图① 孔 隙 流 体                 ② 合 物 泥 浆③ 合 物 硅 酸 钠 泥 浆 ④ 饱 和 盐 硅 酸 钠 泥 浆图 2   压 力 传 递 试 验 结 果45 西 南 石 油 学 院 学 报                                       1998 年© 1994 [1 ] ,这 一 实 验 用 来 分 析 滤 液 侵 入和 压 力 穿 透 情 况 ,示 意 图 如 图 1 所 示 。 首 先 让 加 有围 压 的 页 岩 岩 芯 两 端 与 模 拟 孔 隙 流 体 接 触 ,在 温 度为 65 ℃ ,压 力 为 3. 5 × 105 达 平 衡 ,然 后 一 端 压力 升 至 20 × 105 检 测 另 一 端 流 体 压 力 随 时 间 的变 化 。 卸 压 后 将 一 端 孔 隙 流 体 换 为 试 验 流 体 ,重 复上 述 操 作 ,得 到 了 如 图 2 所 示 结 果 ,结 果 表 明 硅 酸 盐泥 浆 阻 止 了 滤 液 侵 入 和 压 力 传 递 ,甚 至 出 现 反 向 流动 。 G. M. 人 所 做 的 微 滤 失 试 验 也 得 到 非 常相 似 的 结 果 [9 ] 。2. 2   抑 制 页 岩 中 粘 土 矿 物 水 化 膨 胀 和 分 散硅 酸 钠 或 硅 酸 钾 有 抑 制 粘 土 水 化 膨 胀 的 作 用 ,由 表 4 可 见 在 煤 碱 剂 中 膨 润 土 的 膨 胀 可 以 由 于 加 入硅 酸 钠 而 大 大 降 低 ,极 限 剪 切 应 力 可 由 于 加 入 硅 酸钠 而 提 高 [3 ] 。表 4   硅 酸 钠 对 膨 润 土 膨 胀 的 影 响添       加       剂 g 2 水10 %煤 碱 剂10 %煤 碱 剂 + 2 %2. 84煤 碱 剂 + 3 %2. 84焊 碱 剂 + 5 %2. 8422. 350. 830. 800. 791. 425012. 3118. 10注 :   ① 每 克 干 燥 膨 润 土 吸 附 膨 胀 水 的 体 积 ;② 极 限 剪 切 应 力 ,反 应 水 化 后 的 结 构 - 力 学 特 性 。图 3   粘 土 在 不 同 泥 浆 体 系 中 的 形 变 曲 线. 等 人 所 做 的 在 不 同 体 系中 的 形 变 (膨 胀 或 收 缩 ) 试 验 结 果 (见 图 3) 也 说 明 硅酸 盐 和 无 机 盐 共 同 作 用 有 效 地 抑 制 了 粘 土 的 水 化 膨胀 ,三 种 聚 合 物 / 硅 酸 钠 体 系 (代 号 使 粘土 脱 水 而 产 生 收 缩 。2. 3   硅 酸 盐 与 粘 土 矿 物 发 生 反 应 [10 ]在 较 高 温 度 下 ,让 硅 酸 盐 和 粘 土 接 触 一 定 时 间 ,粘 土 会 和 硅 酸 盐 反 应 生 成 一 种 类 似 沸 石 的 新 矿 物 。将 高 岭 石 浸 泡 于 模 数 为 2. 83 ,浓 度 为 3 %和 5 %的硅 酸 钾 溶 液 中 一 周 时 间 ,维 持 温 度 为 150 ℃ , X - 射线 衍 射 结 果 表 明 高 岭 石 和 石 英 含 量 减 少 了 一 半 左右 ,生 成 了 一 种 非 晶 质 的 连 接 非 常 致 密 的 新 矿 物 ,这种 新 矿 物 的 剪 切 强 度 达 6 当 然 ,在 钻 井 条 件下 ,泥 浆 中 的 硅 酸 盐 能 否 与 页 岩 中 粘 土 反 应 及 其 反应 程 度 尚 需 深 入 研 究 。2. 4   无 机 盐 的 协 同 稳 定 井 壁 作 用硅 酸 盐 泥 浆 体 系 常 配 合 使 用 高 浓 度 氯 化 钠 或 氯化 钾 ,这 些 无 机 盐 本 身 具 有 抑 制 页 岩 中 粘 土 矿 物 渗透 水 化 的 作 用 ,从 而 协 同 硅 酸 盐 稳 定 井 壁 。3   结 束 语(1) 以 硅 酸 钾 或 硅 酸 钠 为 主 要 井 壁 稳 定 添 加 剂的 泥 浆 体 系 近 十 多 年 研 究 较 为 深 入 ,应 用 较 为 广 泛 ,取 得 了 很 好 的 井 壁 稳 定 的 效 果 。(2) 硅 酸 盐 泥 浆 体 系 稳 定 井 壁 机 理 有 以 下 四 个方 面 :硅 酸 盐 进 入 地 层 孔 隙 形 成 三 维 凝 胶 结 构 和不 溶 沉 淀 物 , 快 速 在 近 井 壁 处 堵 塞 页 岩 孔 隙 和 微 裂缝 ,阻 止 滤 液 进 入 地 层 ,同 时 减 少 了 压 力 穿 透 。硅 酸 盐 能 抑 制 页 岩 中 粘 土 矿 物 水 化 膨 胀 和分 散 。硅 酸 盐 可 能 与 页 岩 中 粘 土 矿 物 发 生 反 应 生成 利 于 井 壁 稳 定 的 新 矿 物 。氯 化 钠 或 氯 化 钾 的 协 同 稳 定 作 用 。(3) 国 内 对 硅 基 泥 浆 体 系 的 研 究 和 应 用 相 对 较少 。 由 于 该 体 系 具 有 强 的 稳 定 井 壁 能 力 和 好 的 环 境相 容 性 ,有 可 能 成 为 替 代 油 基 或 合 成 基 泥 浆 的 水 基泥 浆 体 系 ,建 议 国 内 泥 浆 界 加 强 该 类 体 系 的 研 究 。参 考 文 献1   , 50592   鄢 捷 年 ,黄 林 基 . 钻 井 液 优 化 设 计 与 实 用 技 术 . 石 油 工业 出 版 社 ,1993 :215~ 2193   B Д 戈 罗 德 诺 夫 , 李 蓉 华 等 译 . 预 防 钻 井 过 程 中 复 杂 情况 的 物 理 - 化 学 方 法 . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 ,1992 :196~ 230 (下 转 60 页 )55第 2 期                           梁 大 川 :   硅 酸 盐 钻 井 液 稳 定 井 壁 机 理 分 析© 1994 (3) 由 图 7、 8 可 以 看 出 ,当 钻 至 6 375. 6 m 后 ,钻 井 液 密 度 加 重 至 2. 12 g/ (3 ,此 时 循 环 一 开 始井 底 钻 井 液 的 总 液 柱 压 力 和 静 液 柱 压 力 就 均 大 于 此时 的 地 层 压 力 。 同 时 ,循 环 静 止 24 h 后 ,钻 井 液 静液 压 力 也 足 以 平 衡 地 层 压 力 。综 上 所 述 ,由 于 温 度 对 钻 井 液 柱 压 力 和 地 层 压力 的 影 响 ,研 究 井 下 压 力 平 衡 关 系 时 ,必 须 考 虑 温 度的 影 响 ,并 根 据 具 体 要 求 ,依 据 提 出 的 热 力 学 模 式 设计 合 理 的 钻 井 液 密 度 。3   结   论(1) 在 深 井 、 超 深 井 中 发 现 溢 流 或 后 效 后 关 井求 压 、 计 算 井 底 地 层 压 力 和 平 衡 该 压 力 的 钻 井 液 密度 应 采 用 文 中 提 出 的 热 力 学 模 型 ;(2) 现 行 井 下 压 力 平 衡 分 析 方 法 不 足 以 保 证 深井 、 超 深 井 起 完 钻 后 地 层 流 体 不 进 入 内 ;(3) 深 井 、 超 深 井 的 最 优 钻 井 液 密 度 窗 口 (范围 )极 窄 ,稍 高 即 漏 ,稍 低 则 溢 流 或 喷 ,因 此 ,准 确 计算 钻 井 液 密 度 或 波 动 压 力 尤 为 重 要 ,而 文 中 提 出 的热 力 学 模 型 可 以 作 到 这 一 点 ;(4) 对 于 油 层 和 气 层 ,采 用 文 中 提 出 的 热 力 学模 型 计 算 压 力 平 衡 ,钻 进 过 程 中 能 基 本 平 衡 ,起 钻 完后 再 下 钻 时 ,可 能 会 有 少 量 溢 流 (即 有 后 效 ) ,这 是 发现 和 保 护 油 气 藏 所 需 要 的 。(5) 过 去 ,人 们 一 般 认 为 ,在 一 口 井 的 不 同 钻 井阶 段 ,井 筒 附 近 的 地 层 孔 隙 压 力 即 为 原 始 地 层 压 力 。而 根 据 文 中 的 分 析 ,由 于 受 温 度 的 影 响 ,井 筒 附 近 的地 层 孔 隙 压 力 会 随 时 间 的 变 化 而 变 化 。 因 此 ,不 允许 停 钻 长 期 不 循 环 ;起 钻 前 应 充 分 循 环 钻 井 液 且 要注 意 控 制 起 钻 速 度 。参 考 文 献1   R . in a J 1969 ,21 :333~ 3412   H , J & M. 1973. 2 :23~ 303   A in a J 1982. 1~ 2 : 63~ 754   J 1970. 6 :670~ 6745   C. in a J 1990. 6 (112) :79~ 836   S , E. L , C & V. s O 1982. 3 :159~ 1648   11189   H . J 1963. 7 :779~ 78910   K . A 1970. 3 : 33~ 4011   D . as a 345812   H . J . 8035(编 辑 袁 国 君 )(上 接 55 页 )4   金 军 . 浆 — — — 一 种 新 型 深 井 淡 水 泥 浆 . 石 油 钻 采工 艺 ,1984 ,6 (5)5   甘 平 西 . 固 体 硅 酸 钾 抑 制 剂 的 研 究 与 应 用 . 钻 采 工 艺 ,1987 ,10 (2)6   柴 彭 城 . 甲 基 硅 油 的 现 场 应 用 . 石 油 钻 探 技 术 ,1988 ,16(1)7   李 德 江 . 新 型 页 岩 控 制 剂 内 试 验 及 现 场 应用 . 石 油 钻 探 技 术 , 1989 ,17 (1)8   ,of of to 04999   G M J 99410   ui O 996(编 辑   张 鸾 清 )06 西 南 石 油 学 院 学 报                                       1998 年© 1994 , ag It is in is to   — — 998 , 20( 2) :39~ 46 637001) , to of in is of on be in it be in In of of in in   1998 , 20( 2) :47~52 637001 ) , of of in of of of in   1998 , 20( 2) :53~55 637001)or in (1) (2) of (3) (4)of wo
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