鉆井液水驅(qū)動力調(diào)控技術(shù)研究

許 杰，何瑞兵，謝 濤，胡進(jìn)軍，崔應(yīng)中

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451；2.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部油化研究院，河北燕郊 065201；3.長江大學(xué)，湖北荊州 434023；4.湖北省油田化學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，湖北荊州 434000）

渤中19-6 區(qū)塊是中國海油集團(tuán)“渤海油田3 000萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)”戰(zhàn)略的重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域。前期勘探開發(fā)過程中，遇阻卡鉆情況突出，通過統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)遇阻卡鉆主要集中在東營組地層，遇阻卡鉆的原因主要為地層鉆遇大段硬脆性泥巖過程中井壁失穩(wěn)剝落掉塊。上述復(fù)雜情況嚴(yán)重影響了鉆井時效，典型如BZ19-6-2東一段作業(yè)時效為36.2 %，BZ19-6-3 東營組作業(yè)時效為66.5 %，BZ19-6-8 東營組作業(yè)時效為77.30 %，BZ19-6-11 東三段及沙河街組作業(yè)時效不到80 %，這幾口井的東營組阻卡復(fù)雜時間分別為42.5 h、71.0 h、95.7 h、71.0 h。地層井壁失穩(wěn)一方面極大增加了作業(yè)風(fēng)險，另一方面增加了綜合作業(yè)成本。為此，室內(nèi)針對泥巖特征及失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了分析，并針對性建立一套適合渤中中深層硬脆性泥巖的鉆井液水驅(qū)動力調(diào)控技術(shù)，為預(yù)防和減少井壁失穩(wěn)提供了一項(xiàng)可靠的定性定量鉆井液控制技術(shù)措施。

1 渤中中深層硬脆性泥巖失穩(wěn)機(jī)理

BZ19-6-11 井東營組天然泥巖的X 射線衍射分析結(jié)果顯示，其主要礦物為黏土、石英、斜長石，平均含量分別為48 %、33.2 %、10.1 %，天然泥巖中黏土礦物的主要成分為伊蒙混層、伊利石、綠泥石、高嶺石，平均含量（絕對）分別為27.6 %、11.6 %、6.1 %、2.7 %（混層比S 為30 %），S 平均含量（絕對）8.28 %。泥巖在清水中的水化膨脹率約17%，水化分散熱滾回收率約75%，根據(jù)國內(nèi)外泥巖分類標(biāo)準(zhǔn)[1，2]，屬于中等膨脹、弱分散類型，該類泥巖的特點(diǎn)是溶質(zhì)滲透膨脹、裂縫加速擴(kuò)散，進(jìn)而引發(fā)力學(xué)失穩(wěn)，一般采取封堵和抑制措施來穩(wěn)定井壁。

天然泥巖的壓汞分析和掃描電鏡分析結(jié)果顯示，泥巖以泥質(zhì)為主、黏土間結(jié)合致密，平均孔喉半徑在0.003 9 μm～0.268 8 μm，基本屬于納米級范圍，由于常規(guī)鉆井液處理劑材料包括封堵劑材料粒徑分布在微米級范圍，所以很難在泥巖表面形成有效封堵，導(dǎo)致液相極易在毛管自吸、壓差、滲透作用下侵入泥巖深部，引起深部水化，進(jìn)而誘發(fā)失穩(wěn)。

室內(nèi)通過清水浸泡實(shí)驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)對天然泥巖進(jìn)行了測試。天然泥巖清水浸泡時，初始有個別微裂縫存在；1 h 左右沿水平層理及斜向方向，有微裂縫開啟；隨時間延長，微裂縫擴(kuò)展延伸明顯。天然泥巖的浸泡單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果表明，清水浸泡后巖心單軸抗壓強(qiáng)度下降幅度高達(dá)49.3 %（見圖1、表1）。

圖1 天然泥巖清水浸泡實(shí)驗(yàn)

表1 天然泥巖清水浸泡單軸強(qiáng)度測試結(jié)果

上述實(shí)驗(yàn)表明，水相侵入是此類硬脆性泥巖失穩(wěn)的重要因素[3]，因此如何阻礙和減少自由水向泥巖的侵入是減少中深層硬脆性泥巖地層井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵。

2 鉆井液水遷移驅(qū)動力技術(shù)介紹

2.1 技術(shù)原理

自由水向泥巖的侵入方式可分為兩個途徑，一方面泥巖黏土晶層可視為只能通過水分子的半透膜，自由水向晶層間的遷移主要受外部和黏土晶層內(nèi)部活度的影響，因此可通過調(diào)節(jié)鉆井液的活度來控制滲透壓進(jìn)而預(yù)防和減少自由水向黏土晶層間的滲透；另一方面，泥巖納米孔喉及微裂隙的存在，需要提供相匹配的針對性的鉆井液封堵手段[4]，從而在鉆井液和泥巖孔喉及微裂隙通道之間建立一道隔離層，阻礙自由水沿這些孔喉通道向泥巖深部遷移，但是液相侵入后自由水最終仍然是通過向晶層間逐漸滲透來加劇泥巖水化應(yīng)力失穩(wěn)。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑及措施

鉆井液活度的控制可使用各類鹽來實(shí)現(xiàn)對活度的調(diào)節(jié)，如氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、甲酸鈉、甲酸鉀，但是從經(jīng)濟(jì)性和適用性方面，最終選擇價格低廉對體系性能影響小的氯化鈉作為鉆井液活度調(diào)控的材料（見圖2）。

圖2 氯化鈉加量與鉆井液活度關(guān)系曲線

室內(nèi)通過優(yōu)選，形成了能夠覆蓋泥巖孔喉范圍的封堵體系，主要關(guān)鍵材料為固壁劑HGW-Ⅱ、環(huán)保抑制劑PF-BIOTROL 及封堵劑PF-LSF，其粒徑分布特征（見表2）。

表2 封堵劑粒徑測定數(shù)據(jù)結(jié)果

環(huán)保抑制劑PF-BIOTROL 屬于表面活性類材料，含有胺基吸附抑制基團(tuán)，柔性可變形，更容易適應(yīng)和進(jìn)入泥巖孔喉通道。一種可變形的彈性粒子形態(tài)狀聚合物，無熒光，粒度分布范圍廣，聚合物結(jié)構(gòu)分為凝膠內(nèi)核和交聯(lián)外殼。在一定溫度和時間下，聚合物逐漸水化膨脹，單元外殼相互吸引、核殼間逐漸相互粘連，可以在井壁上快速形成一層憎水隔離層有效隔離和阻礙水相侵入地層；聚合物具有的納米級粒子分布特征及可變形特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)對泥巖納米級孔喉及納米到微米尺寸范圍孔喉縫隙的有效封堵；聚合物粒子之間的粘連作用可以增強(qiáng)井壁的抗沖蝕能力進(jìn)而加固井壁。上述封堵劑柔性可變性及吸附粘結(jié)的特點(diǎn)可規(guī)避傳統(tǒng)惰性材料進(jìn)不去站不住的弊端，也可規(guī)避瀝青類需要達(dá)到軟化點(diǎn)才能發(fā)揮效用的不足。

3 評價與測試

3.1 泥巖活度測定

室內(nèi)用智能水分活度儀測定BZ19-6-11 東營組天然泥巖活度，其活度在0.820 左右（見表3）。

表3 BZ19-6-11 東營組天然泥巖活度測定結(jié)果

3.2 水遷移驅(qū)動力預(yù)測擬合軟件擬合分析

以BZ19-6-11 井為例，從1 500 m～4 500 m 井深范圍，參考實(shí)測地層溫度參數(shù)，通過專用的水遷移驅(qū)動力預(yù)測擬合軟件，液柱壓差選擇3.5 MPa，地層巖石活度參考天然泥巖活度值0.820，代入一系列鉆井液活度參數(shù)和溫度參數(shù)，得到一系列維持水遷移驅(qū)動力小于等于零的擬合預(yù)測活度值數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成隨井深和地層溫度變化的鉆井液活度曲線（見圖3）。

圖3 鉆井液活度及地層溫度變化曲線

從擬合分析結(jié)果來看，鉆井液活度控制范圍在0.775～0.785 可實(shí)現(xiàn)水遷移驅(qū)動力小于等于零，即鉆井液和地層巖石之間水遷移驅(qū)動力為零即無遷移，或者地層巖石中自由水向鉆井液中遷移即反向遷移。

3.3 鉆井液活度值的選擇

室內(nèi)通過測定不同氯化鈉加量下的鉆井液活度值，形成氯化鈉加量與鉆井液活度的關(guān)系曲線，根據(jù)此關(guān)系曲線，使用NaCl 作為活度調(diào)節(jié)劑，其加量控制在18 %～20 %范圍，可將鉆井液活度控制在0.775～0.785范圍，滿足水遷移驅(qū)動力≤0 的基本需要。

圖4 海上某井實(shí)測鉆井液活度與水遷移驅(qū)動力分析結(jié)果

3.4 水遷移驅(qū)動力控制效果驗(yàn)證

某海上作業(yè)井實(shí)例分析：地層巖石活度約0.920，地層壓力系數(shù)1.15，鉆井液密度1.20 g/cm3，經(jīng)軟件擬合計(jì)算，調(diào)控鉆井液活度至0.886～0.895 范圍，對應(yīng)的滲透壓差、液柱壓差和水遷移驅(qū)動力（見圖4），從圖4中可以看出，水遷移驅(qū)動力值基本為負(fù)值，即鉆井液中的自由水不會向地層遷移。

4 現(xiàn)場調(diào)控工作流程

第一步，現(xiàn)場實(shí)時取樣用活度儀來測定鉆井液活度值；第二步，通過軟件擬合，判斷分析水遷移驅(qū)動力的情況；第三步，根據(jù)水遷移驅(qū)動力的數(shù)據(jù)擬合分析結(jié)果，當(dāng)水遷移驅(qū)動力大于零時說明鉆井液活度偏高，此時需要補(bǔ)加氯化鈉來降低鉆井液活度；當(dāng)水遷移驅(qū)動力小于等于零時，說明活度達(dá)到基本要求，不需要調(diào)節(jié)活度。

5 結(jié)論

（1）渤海中深層硬脆性泥巖地層井壁失穩(wěn)的重要原因?yàn)樗嗟那秩霂淼臐B透水化和應(yīng)力破壞，因此室內(nèi)針對泥巖特征優(yōu)選出適合其孔喉特點(diǎn)的封堵材料，采用固壁劑配合環(huán)保抑制劑及常規(guī)封堵材料實(shí)現(xiàn)對泥巖大部分孔喉尺寸的全面封堵，從物理層面阻礙自由水的侵入，減少液相侵害。

（2）針對泥巖滲透水化，通過研究，建立地層泥巖活度、鉆井液活度、水遷移驅(qū)動力的有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對水遷移驅(qū)動力的實(shí)時預(yù)測、監(jiān)測、調(diào)控，從動力學(xué)角度實(shí)現(xiàn)了鉆井液和泥巖間自由水遷移的定性定量控制。

上述技術(shù)針對性和實(shí)用性強(qiáng)，有助于增強(qiáng)泥巖地層的穩(wěn)定、保障作業(yè)安全，有利于提高鉆井時效和提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。