BZ29-4S油田软泥页岩钻井液技术研究

胡友林 （长江大学石油工程学院，湖北 荆州434023）

岳前升 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

刘书杰 （中海油研究总院，北京100027）

陈 良 （中海油服油化事业部，北京101149）

BZ29-4S油田软泥页岩钻井液技术研究

胡友林 （长江大学石油工程学院，湖北 荆州434023）

岳前升 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

刘书杰 （中海油研究总院，北京100027）

陈 良 （中海油服油化事业部，北京101149）

针对BZ29-4S油田预探井和评价井软泥页岩地层钻井过程中起下钻不畅、起泥球现象严重、机械钻速低、钻井液流变性难以调控以及维护困难的问题，通过抑制作用机理分析，优选了NaCl作为该油田软泥页岩钻井液的抑制剂；根据泥球形成条件和形成机理，研制了一种不影响钻井液性能的防泥球剂。通过抑制剂和防泥球剂加量优选，构建了适用于BZ29-4S油田软泥页岩地层的钻井液体系。现场应用表明，该钻井液体系能够有效防止钻屑形成泥球，缩短了起下钻时间，降低了倒划眼难度，提高了机械钻速。

钻井液；软泥页岩；抑制性；泥球；BZ29-4S油田

BZ29-4S油田位于渤海南部海域黄河口凹陷中，是渤海海域油气富集最有利地区之一。BZ29-4S油田自上而下钻遇依次为第四系平原组、新近系明化镇组和馆陶组。新近系明下段为油田的主力含油层段，BZ29-4S油田从明化镇组下段至馆陶组将钻遇大段泥页岩地层，上部主要为红褐色泥岩与浅灰色粉砂岩及细砂岩不等厚互层，中部为大段灰褐色泥岩，下部为浅灰色粉砂岩及细砂岩与绿灰色泥岩不等厚互层。X射线衍射分析结果表明，该段地层黏土矿物含量很高，黏土矿物以蒙脱石、伊－蒙混层为主，其次为高岭石和绿泥石，另有少量伊利石。

1 BZ29-4S油田已钻井作业情况

BZ29-4S油田已钻2口预探井和3口评价井。分析BZ29-4S油田已钻5口井的资料，该油田的主要问题集中在明化镇组的活性软泥页岩上。在前期5口井的施工作业中使用的有机正电胶钻井液 （PEC）存在的主要问题为：起泥球严重、机械钻速低、憋钻具、起下钻不畅，且钻井液的流变性难以调控和维护困难。后期钻井过程中在钻井液中加入了KCl，起泥球程度明显下降，但加剧了起下钻不畅程度，且倒划眼十分困难。

2 BZ29-4S油田活性软泥页岩钻井液需解决的问题

目前，在钻活性软泥岩地层时，常用的钻井液体系有多聚物复合盐欠饱和钻井液、ULTRADRILTM水基钻井液、饱和盐水钻井液、铝盐聚合醇钻井液、硅酸盐欠饱和盐水钻井液、正电胶聚合物钻井液、阳离子钻井液等，但70%以上用的是欠饱和／饱和盐水钻井液［1］。

BZ29-4S油田活性软泥岩地层钻井作业的钻井液必须解决以下问题：①冲蚀－蠕变平衡。钻井液的黏度和动切力相对较低，以利于现场采用大排量钻井液钻进，增大钻井液对井壁的冲蚀，并使井径扩大率的速率与蠕变缩径的速率基本保持在一个动态平衡状态。②分散－抑制平衡。BZ29-4S油田活性活性软泥岩地层钻井作业的钻井液应具有很强的抑制性，能有效抑制钻屑和井壁泥岩水化、分散、膨胀。③软抑制。传统KCl抑制剂并不适用于抑制BZ29-4S油田活性软泥岩地层，BZ29-4S油田活性软泥页岩地层岩样具有较高的阳离子交换容量，会造成近井壁地带硬化 （硬抑制），这一方面给起下钻带来一系列问题，另一方面又会加剧钻井液中固、液相侵入地层，进一步加剧地层水化膨胀、失稳。采用软抑制，通过加入NaCl产生化学势梯度，阻止水进入泥页岩颗粒而抑制黏土水化膨胀，在钻井液体系中加入一定量的NaCl降低钻井液的活度，降低压力传递效应，从而提高井壁稳定性。④抑制钻屑形成泥球。当钻遇大段活性软泥页岩段时，钻井过程中钻屑会形成大量的泥球，影响正常钻进，钻井液中必须添加处理剂，有效防止钻屑形成泥球。⑤无黏土相钻井液体系。为了减少黏土对抑制剂、包被剂的消耗，减少钻井液性能维护时钻井液的黏度和切力上升对分散剂的依赖性，减少钻井液对储层造成的伤害［2］，同时钻井液体系中黏土含量影响钻屑形成泥球，钻井液中黏土含量越大，形成泥球现象越严重［3］。

3 BZ29-4S油田活性软泥页岩钻井液体系

3.1 抑制剂作用机理及加量优选

图1 钻井液表观黏度与NaCl、KCl质量的关系曲线

首先配制基液A，其组成为：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS （部分水解聚丙烯酸盐）＋20g FLO （改性淀粉）＋10g SMP（磺甲基酚醛树脂）＋15g LUBE（润滑剂）＋15g TEX （低荧光磺化沥青），然后在1L基液A中分别加入10、20、30、40、50g的 NaCl和 KCl，再加入80g的BZ29-4S-1井明化镇组下段泥岩钻屑 （烘干粉碎过100目筛），以下简称钻屑粉。在80℃条件下热滚16h后测其表观黏度，结果见图1。

由图1可见，加入不同质量的NaCl和KCl能够有效抑制BZ29-4S-1井明化镇组下段活性软泥岩钻屑造浆。尽管在较低浓度条件下Na＋的抑制性不如K＋的强，然而随着加量的增加，其抑制能力相当，每升基液中加入50g的NaCl和KCl后钻井液的表观黏度基本相当。BZ29-4S油田明化镇组地层黏土矿物含量高，且黏土矿物以蒙脱石、伊－蒙混层为主，BZ29-4S油田明化镇组地层岩样具有较高的阳离子交换容量。加入KCl能提高钻井液的抑制性，但由于BZ29-4S油田明化镇组地层存在大段的活性软泥岩，在近井壁地带由于K＋的交换而硬化，一方面影响了起下钻 （如渤中25-1南油田一期工程和BZ34-1油田钻进过程中起下钻不畅，且倒划眼十分困难），另一方面加剧了孔隙压力传递作用以及滤液的侵入，同时水化离子的局部浓集会增加黏土颗粒界面间的短程斥力，从而造成水化膨胀压升高，不利于井壁稳定［4］。NaCl抑制泥页岩分散作用机理不同于KCl，NaCl主要是通过阻止水进入泥页岩颗粒而起作用，不是通过与泥页岩中的黏土发生离子交换而起作用。使用NaCl抑制活性泥页岩在某种程度上解决了由于K＋的镶嵌作用，阳离子交换的地层会变硬等问题［5］。

通过以上研究，选用NaCl作为BZ29-4S油田明化镇组地层大段的活性软泥岩抑制剂。在每升基液中分别加入30、50、80g NaCl，再加入80g钻屑粉，在80℃条件下热滚16h后测其流变性。加有50～80g NaCl的钻井液其表观黏度和动切力变化相对较小，能有效抑制BZ29-4S油田明化镇组地层大段的活性软泥岩水化分散，结果如表1所示。

表1 每升基液中的不同NaCl质量对应的钻井液的性能

3.2 泥球形成机理及防泥球剂研制

3.2.1 泥球形成机理

前期5口井在钻进过程中起泥球现象严重，泥球将使井下环空间隙变窄，起下钻不畅，划眼困难；同时，泥球还堵塞井口及出口管汇，造成大量钻井液溢出，污染钻井平台，恶化作业环境。钻屑形成泥球的条件主要有：①钻遇活性软泥页岩地层。活性软泥岩地层是BZ29-4S油田钻屑形成泥球的主要物质来源。②钻屑黏土发生水化。BZ29-4S油田明化镇组地层黏土矿物含量高，且黏土矿物以蒙脱石、伊／蒙混层为主，钻屑黏土易发生水化。③钻屑的表面特征与表面亲水性质。经机械破碎后的钻屑颗粒表面有Si—OH、Si—O—Si、Si—O—和Al—OH官能团，这些官能团与水分子形成氢键联结产生水化作用，同时具有化学反应活性，能够与钻井液中的某些处理剂作用形成新的亲水或者疏水点。如在前期5口井钻进过程中使用抑制能力较强的有机正电胶钻井液 （PEC）均存在起泥球现象严重的问题，后期钻井过程中在钻井液中添加了KCl，在一定程度上防止了泥球的形成，但效果不明显，其主要原因是K＋并不能使钻屑的表面性质发生质的变化，无法从根本上改变钻屑表面的水化作用。④较差的井眼净化能力。⑤较高的钻井液黏度和切力。⑥存在钻屑颗粒相互吸引的电化学环境［6］。在钻井液体系中，由于含有多种有机和无机处理剂，电化学环境非常复杂，高分子链及无机盐影响钻屑表面的电动电位和水化膜厚度，改变了钻屑表面特性，为钻屑颗粒之间相互黏结创造了条件［6］。同时破碎后的钻屑表面积增加，表面能量剧增，为降低体系能量，钻屑会自动吸附黏结在一起形成泥球［7］。

3.2.2 防泥球剂的研制及机理分析

单纯通过添加盐类抑制泥球的形成是不科学的。只有通过改变BZ29-4S油田钻屑表面性质，抑制钻屑相互黏结成球，才能从根本上解决泥球形成的问题。通过大量试验，研制了一种具有快速吸附作用的防泥球剂——FNQ。FNQ的分子结构带有一定正电荷的强吸附基团，能在钻屑表面快速吸附，同时FNQ具有较长的烃基侧链，能在FNQ吸附到钻屑后，使钻屑的表面润湿性由强亲水向弱亲水方向转变，从而改变了钻屑表面的性质，阻止了钻屑相互黏结［8］。

3.2.3 防泥球剂FNQ性能评价

1）试验装置 常规热滚炉及老化罐在滚动过程中速度慢、转动半径小，岩样总是处于底部，岩样颗粒之间相互碰撞的机会较少，不容易生成泥球。试验采用了能有效模拟泥球生成的翻转加热炉及相应的老化罐。与常规热滚炉相比，翻转加热炉的优点在于翻转加热炉中老化罐沿径向360°翻转 （常规热滚炉中老化罐是轴向转动），岩样在老化罐中可以上下翻转，增加了岩样颗粒之间相互碰撞、黏结的机会，与现场钻井过程中井下钻屑的运动状态非常相似。

2）FNQ对钻井液性能的影响 在钻井液体系中分别加入不同质量的FNQ，研究FNQ对钻井液性能及防泥球的影响。钻井液配方为：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS＋20g FLO＋10g SMP＋15g LUBE＋15g TEX＋50g NaCl，在该钻井液中加入80g钻屑粉，配制成基液B。在每升基液B中分别加入5、10、15、20g的FNQ，测试其在80℃条件下热滚16h后的性能，结果见表2。由表2可以看出，加入不同质量的FNQ后，钻井液体系的表观黏度、滤失量变化不大，滤饼的黏滞因数逐渐降低。FNQ对钻井液体系的流变性能、滤失量均无不良影响，且在一定程度上提高了钻井液的润滑性能。

表2 每升钻井液中不同FNQ质量对应的钻井液性能

3）FNQ防止泥球效果评价 在钻井液体系中分别加入不同质量的FNQ，研究其防泥球的效果。根据配方配制好钻井液，并在1L钻井液中分别加入不同质量的FNQ和150g的BZ29-4S-1井明化镇组下段泥岩钻屑 （过6～10目筛），80℃条件下热滚16h后观察是否有泥球形成，结果见表3。随着FNQ质量的不断增大，钻井液抑制泥球形成的效果逐渐增强，当每升钻井液中加入15g FNQ时，钻井液中无泥球形成，FNQ吸附在钻屑表面后，改变了钻屑表面性质，阻止了钻屑之间的相互黏结。推荐每升钻井液加入15～20g FNQ。

表3 防泥球的试验结果

4 现场应用

通过大量室内试验，研究了BZ29-4S油田活性软泥岩钻井液体系，其配方为：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS＋20g FLO＋10g SMP＋15g LUBE＋15g TEX＋50g NaCl＋15g FNQ。研制的钻井液体系在BZ29-4S油田成功应用，该体系明显改善了一期作业中存在起泥球严重，机械钻速慢、憋泵、起下钻不畅等问题，有效抑制了泥球的形成，缩短了起下钻时间，降低了倒划眼难度，提高了机械钻速。

5 结 论

1）通过抑制剂作用机理分析及加量优选试验，每升钻井液中加入5～8g NaCl作为BZ29-4S油田明化镇组地层大段的活性软泥岩抑制剂。

2）通过改变BZ29-4S油田钻屑表面性质，才能从根本上防止BZ29-4S油田钻屑形成泥球。根据改变钻屑表面性质这一技术思路，研制了一种不影响钻井液性能并具有较强防泥球能力的防泥球剂。

3）通过大量室内试验，研制出了BZ29-4S油田活性软泥岩钻井液体系，其配方为：1L海水＋1g NaOH＋1.5g Na2CO3＋5g PLUS＋20g FLO＋10g SMP＋15g LUBE＋15g TEX＋50g NaCl＋15g FNQ。现场应用表明，该体系有效抑制了泥球的形成，缩短了起下钻时间，降低了倒划眼起钻难度，提高了机械钻速。

［1］艾贵成，梁志印，赵雷青，等.软泥岩钻井技术探讨 ［J］.西部探矿工程，2009，21（4）：110～112.

［2］梁文利，赵林.适合海洋钻井无土相强抑制性钻井液体系的研究 ［J］.海洋石油，2008，28（1）：88～92.

［3］刘海水，王超，魏子路，等.钻井过程中泥球形成的影响因素探讨 ［J］.化学与生物工程，

［4］张岩，吴彬，向兴金，等.BZ25-1油田软泥页岩井壁稳定机理及其应用 ［J］.钻井液与完井液，2009，26（3）：20～22.

［5］鄢捷年.钻井液工艺学 ［M］.东营：中国石油大学出版社，2006.

［6］蒲晓林，梁大川，王平全，等.抑制钻屑形成泥球的钻井液研究 ［J］.西南石油学院学报，2002，24（2）：46～49.

［7］张岩，向兴金，鄢捷年，等.快速钻井中泥球形成的影响因素与控制措施 ［J］.中国海上油气，2011，23（5）：335～339.

［8］岳前升，刘书杰，黄凯文，等.钻井液提速剂性能研究 ［J］.石油天然气学报，2011，33（4）：115～117.

Research on the Soft Shale Drilling Fluid in BZ29-4SOilfield

HU You-lin，YUE Qian-sheng，LIU Shu-jie，CHEN Liang（First Author’s Address：College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

Aiming at the pipe trip blocking，the serious phenomena of mud ball forming，low penetration rate，the difficulty in regulating and maintaining rheological properties of drilling fluid encountered in wildcat and evaluation wells of BZ29-4SOilfield during drilling in the soft shale formation，NaCl was optimized as the inhibitor for the soft shale formation in BZ29-4SOilfield，through the analysis of inhibition mechanism.According to the condition and mechanism of mud ball forming，a anti-mud ball agent which would be affect the performance of drilling fluid was developed.According to the optimization of dosage amount of inhibitor and anti-mud ball agent，the drilling fluid suitable for the soft shale formation in BZ29-4SOilfield is established.Field application shows that the drilling fluid can avoid mud ball forming，decrease the time of pipe tripping，reduce the difficulty of back reaming，raises the penetration rate.

drilling fluid；soft shale；inhibitory；mud ball；BZ29-4SOilfield

TE254.3

A

1000-9752（2012）10-0094-04

2012-05-20

胡友林 （1978-），男，2002年江汉石油学院毕业，硕士，讲师，现主要从事钻井液与完井液的教学与科研工作。

［编辑］ 萧 雨