海洋钻井水基钻井液在页岩地层的使用

姜 韡

(中国石化上海海洋油气分公司海洋石油工程技术研究院，上海 200120)

海洋钻井水基钻井液在页岩地层的使用

姜 韡

(中国石化上海海洋油气分公司海洋石油工程技术研究院，上海 200120)

钻井液已经是一门比较成熟有完整体系的技术，如今研究的重点是寻找适合钻井复杂新情况的钻井液体系及使用方法。随着海洋油气勘探开发的大力推进，水基钻井液在页岩地层的使用将成为一项影响海洋钻进效率的关键技术。根据页岩与水基钻井液的自身特点，分析了水基钻井液在页岩地层使用的技术难点和产生问题的原因，结合现场实际提出了可行的解决方法，为现阶段海洋钻井水基钻井液在页岩地层的使用提供技术帮助，并为将来的深入研究明确方向。

海洋钻井 页岩 水基钻井液

我国南部海域蕴藏着丰富的油气资源，但南海东部珠江口盆地油气田韩江组、珠江组和南海北部湾盆地涠洲组等地区泥页岩地层层理发育，水敏性强，井壁垮塌等井下复杂频繁发生，成为影响南海钻井速度及钻井成本的主要原因。合理解决泥页岩地层井壁失稳已成为推进南海油气开发的技术关键。同时海洋钻井要求钻井液在满足常规性能的同时，还要毒性小，生物降解性好，无生物积累以及排放后对环境无害等[1]。因此，水基钻井液成为目前海洋油气钻探的首选。本文对海洋钻井中使用水基钻井液在泥页岩段遇见的问题以及解决方法进行了研究。

1 技术难点分析

水基钻井液的主要技术难点有：钻屑分散、钻头泥包和井壁失稳。

1.1 钻屑分散

由水、膨润土和各种对黏土、钻屑起分散作用的处理剂配制的水基钻井液称为分散钻井液。其主要特点为黏土在水中高度分散，正是通过高度分散的黏土颗粒使钻井液具有所需的流变和降滤失性能。但是在使用、维护过程中往往存在一些缺点与局限性，主要表现为：

1)性能不稳定，易受可溶性盐类的污染。

2)滤液的矿化度低，容易引起井壁附近的泥页岩水化、松散、垮塌，并使井壁的岩溶解，即抑制性能差，不利于防塌。

3)由于固相含量高，尤其是粒径小于1 μm的颗粒多，对机械钻速有明显影响。

4)滤液侵入易引起黏土膨胀，不能有效保护油气层。

1.2 钻头泥包

海上钻井PDC钻头的使用非常广泛，根据实钻经验，PDC钻头配合使用水基钻井液时，钻头泥包现象非常普遍。主要原因有：

1)钻井液性能差，如失水大、滤饼厚、抑制性差、润滑性能差等。

2)钻遇软泥岩地层、易吸水膨胀的地层或软硬交错的地层，易形成泥包。

3)钻井参数方面，钻进中排量较小，未能将钻屑及时带离井底，造成重复切削。钻进中钻压不均匀，使切削齿瞬间切入地层的深度不一致，特别是钻时变慢后，盲目加大钻压，会迅速包死PDC钻头。

4)钻头选型选用中心孔流道较小的PDC钻头，容易导致钻屑堵在底部，造成泥包。近年使用中DBS的PDC钻头泥包很少，而其他PDC钻头或试验用钻头较易泥包。

1.3 井壁失稳

1.3.1 页岩的物理化学特性

页岩是一种沉积岩，成分复杂，主要由粘土沉积经高温高压形成，但其中混杂有石英、长石的碎屑以及其他化学物质(组分比例见表1)。具页状或薄片状层理，用硬物击打易裂成碎片。由粘土物质经压实作用、脱水作用和重结晶作用后形成。页岩抵抗风化的能力弱，在地形上往往因侵蚀形成低山和谷地。页岩不透水，在地下水分布中往往成为隔水层。页岩储层孔隙处于纳米量级，孔隙类型可分为有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔、岩石骨架矿物孔、古生物化石孔和微裂缝5种类型，其中有机质纳米孔和黏土矿物粒间孔发育最为广泛[2]。在石油天然气钻井中，超过75%的地层是页岩。并且70%～90%的井眼问题都与页岩的不稳定性有关，其中硬脆性泥页岩地层约占2/3，软泥页岩地层约占1/3。

页岩由于含有黏土矿物，容易产生水化作用，而页岩水化是造成页岩岩石强度降低，从而造成钻井井壁不稳定的重要因素[3]。南海常见的硬脆性页岩的失稳机理及特点主要为：孔隙压力扩散是导致井壁失稳的根本原因；另一个原因是自吸水产生的次生裂缝；井眼压力与孔隙压力之差、钻井液与孔隙流体的化学势差、毛细管压力也会使滤液进入地层，导致井壁失稳[4]。

表1 页岩组分

1.3.2 井壁失稳机理及维稳因素分析

水基钻井液在页岩地层导致井壁失稳的机理有：压缩剪切垮塌；与钻井液相互作用；钻井液的冲刷；页岩薄弱层的滑动；塑性蠕动；拉伸破裂。产生的结果包括径向垮塌井眼扩大、缩径和井壁破裂垮塌[5]。

维持井壁稳定的主要因素分为可控因素和不可控因素[6](见表2)。

表2 维持井壁稳定的主要因素

井壁稳定应满足如下条件：

1)适当的泥浆比重。如果没有合适的泥浆比重，无论使用任何泥浆体系，均可能导致井壁失稳。

2)防止泥浆滤液侵入。降低页岩的渗透性，如封堵页岩的孔喉，增大泥浆滤液粘度。

3)尝试以下方式提高井壁稳定：改善页岩膜效率，降低钻井液水活度，产生孔隙水从页岩流向钻井液，从而降低井壁附近页岩的水含量和孔隙压力；使用溶质有效降低页岩的膨胀压力；通过溶质与页岩的化学作用提高页岩的胶结力。

4)物理和化学封堵。可提高钻井液的有效压力和膜效率，降低孔隙压力传递的速度，改变孔隙压力传递的方向。

5)提高钻井液的膜效率。要注意一定时间内页岩的膜效率随着时间的增加而减少。

2 解决问题建议

1)针对岩屑分散问题，从抑制剂、包被剂的使用和阻止水的入侵两方面解决。

水基钻井液抑制剂与包被剂是泥页岩地层钻井中经常需要添加的两种钻井液处理剂。大量的现场经验[7]与实验数据(图1，2)说明，抑制剂能有效抑制泥页岩和钻屑的水化分散，降低泥浆结构粘度和水眼粘度。

图1 离子型抑制剂页岩固结仪试验结果[10]

图2 页岩抑制剂抑制膨润土分散的评价试验结果

同时推荐使用HPHA、PAC等高分子聚合物包被剂，能更好地包被钻屑，防止钻屑和泥页岩水化，防止井壁垮塌，有利于井壁稳定，提高钻井速度。

阻止水的侵入，推荐主要从提高滤液粘度、封堵孔隙和产生水的渗透回流三方面着手；同时推荐使用乙二醇，胺类聚合物的成膜剂。成膜剂可使钻井液具有半透膜性能，增加抑制能力。在井壁上能形成一层(多层)隔离膜，在井壁的外围形成保护层，阻止水及钻井液进入地层，可有效地防止地层水化膨胀，封堵地层层理裂隙，防止地层内粘土颗粒的运移，防止井壁坍塌，保护油气层。

2)井壁失稳有多种原因，在此针对一种主要原因进行研究

对硬脆性页岩，孔隙压力扩散是导致井壁失稳的根本原因；硬脆性泥页岩矿物颗粒间微孔隙自吸水后产生较强水化作用，促使次生微裂缝的产生、扩展与连通，自吸水产生次生裂缝是硬脆性泥页岩地层井壁失稳的主要原因。维稳的关键是阻止孔隙压力传递，孔隙压力扩散的快慢取决于泥页岩的渗透性、弹性和钻井液与井壁之间物理化学作用等边界条件。阻止孔压传递须加强微裂缝的封堵，防止其开启。只有有效的封堵才能有效控制和延缓孔隙压力的扩散[8]。

采用物理与化学封堵两种方式：物理封堵即表面封堵，一般使用沥青及磺化沥青、褐煤、乙二醇、可变形的纳米颗粒等；化学封堵即内封堵，一般使用乙二醇、络合铝和硅酸盐。研究认为以下封堵材料使用效果最优：

图3 纳米乳胶的电子显微镜扫描照片

图4 可变形纳米级颗粒物理封堵页岩的裂缝

(1)纳米级封堵材料(图3)。其固相成分的粒径均为纳米级，粒径减小不但使其能够进入渗透率更小的地层(图4)，而且该封堵剂还具有一些特殊的性能，如无需添加膨胀剂固化体体积就会膨胀，浆体具有高流动度等。

(2)聚合醇堵漏材料。聚合醇的浊点效应，当温度超出其浊点后，聚合醇从溶液中析出，形成乳化油滴，在井内压差的作用下被挤入井壁孔隙或裂缝，起封堵作用，同时，聚合醇具有很强的吸附性能，能够与水分子争抢页岩中粘土矿物上的吸附位置，并优先吸附到粘土矿物表面，阻止水分子进入粘土矿物的晶层中，降低了粘土膨胀压；控制钻井液中劣质固相的含量，降低失水，形成良好的泥饼，减少滤液的侵入。

(3)有机络合铝的使用，可以对页岩孔喉和微裂缝进行有效的封堵，能够在页岩表面和近井壁形成致密的铝络合物沉淀层，使用后能有效提高页岩的半透膜效率，使钻井液效果接近于油基钻井液(图5)。

图5 有机络合铝在页岩形成的“内泥饼”

图6 页岩类型对PDC泥包-时间曲线的影响

3)泥包问题解决方案

对不同类型页岩对泥包-时间曲线的影响进行分析(图6)，认为钻头泥包与时间有直接关系，因此针对如何解决泥包问题，优先推荐添加钻井提速剂；同时推荐使用防泥包剂。需要注意的是防泥包剂与钻遇地层、包被剂的配伍性问题。

3 结论与建议

(1)随着海洋油气勘探开发的大力推进，水基钻井液在页岩地层的使用将成为影响钻进效率的关键技术。本文根据页岩与水基钻井液的自身特点，分析了在页岩地层使用水基钻井液的技术难点和问题产生的原因，提出了可行的解决方案。

(2)随着海洋开发的进一步扩大，生产井基本都为定向井和水平井，未来海洋水基钻井液既要适合大段页岩地层钻水平井的要求，还要进一步提高钻井液的润滑性、防卡性及膜效率。大规模的使用可以促使国内在此方面进行更深入的研究。

[1] 吴长勇，梁国昌，冯宝红，等.海洋钻井液技术研究与应用现状及发展趋势[J].断块油气田，2005，12(3)：69-71.

[2] 吉利明，邱军利，夏燕青，等．常见黏土矿物电镜扫描微孔隙特征与甲烷吸附性[J].石油学报，2012，33(2)：249-256.

[3] 王中华.钻井液处理剂应用现状与发展方向[J].精细与专用化学品，2007，15(19):1-4.

[4] 王建华，鄢捷年，丁彤伟，等.高性能水基钻井液研究进展[J].钻井液与完井液，2007，24(1)：71-75.

[5] 邓金根，郭东旭，周建良，等．泥页岩井壁应力的力学-化学耦合计算模式及数值求解方法．岩石力学与工程学报，2003;22(增刊11):2250-2253.

[6] 金衍，陈勉．井壁稳定力学．北京:科学出版社，2012:14-15.

[7] 汪海，王信，张民立，等.BH-WEI完井液在迪西1井的应用[J].钻井液与完井液，2013，30(4)：88-90.

[8] Cliffe S，Young S.Agglomeration and accretion of drilled cuttings in water-based fluids [C].AADE-08-DF-HO-10，2007.

(编辑 谢 葵)

《苏北盆地致密砂岩储层定量评价及成藏研究》通过验收

2016年4月12日，江苏油田分公司承担的集团公司项目《苏北盆地致密砂岩储层定量评价及成藏研究》，在东营顺利通过了中国石化科技部组织的验收。

项目经过3年的深入研究，认清了苏北盆地致密砂岩的成因类型与展布特征。通过运用多种实验方法，定量分析苏北盆地致密砂岩储层的孔喉特征、流体赋存与可动性，确定了致密砂岩储层的下限与分级，并进行定量评价与预测。研究过程中，结合储层微观特征与成藏动力学分析，总结苏北盆地致密砂岩储层的孔隙形成机制与演化特征，详细分析致密化与成藏过程的关系。研究还形成了一套适合苏北盆地致密砂岩油气藏勘探的储层定量评价技术。

专家高度评价本项研究，认为项目形成的方法和技术，对深化中石化东部老油田的勘探，具有较好的指导作用。

(徐 铭)

Application of water-based drilling fluids in the shale formation of offshore drilling

Jiang Wei

(OffshorePetroleumEngineeringInstituteofShanghaiOffshoreOilandGasCompany，SINOPEC,Shanghai200120，China)

The drilling fluid has been a mature technology with complete system.The key of the current study is to seek the drilling fluid system suitable for the drilling complexibility.With the offshore drilling development,the use of the water-based drilling fluid will become an important technology affecting the efficiency of ocean drilling.According to the characteristics of shale and water-based drilling fluid,it was analyzed the difficulties of water-based fluid used in shale formation and problem causes.For the field actulality,the feasible solutions were put forward，to provide help for the now use and directions of the future study.

offshore drilling；shale formation；water-based drilling fluids

2016-01-18；改回日期：2016-02-04。

姜韡(1989—)，硕士，工程师，现主要从事钻井工程设计和科研工作。电话：13816543005，E-mail：2099830472@qq.com。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.02.017

TE254

A