【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 aper first introduces the domestic and foreign new inhibitive drilling fluid development present situation, respectively from the mechanical, chemical and engineering technology three respects elaborated shale wellbore stability mechanism, and introduced the shale hydration swelling mechanism: surface water, ions and permeating hydration inhibitive drilling fluid use can be a good solution of shale wellbore instability, hydration expansion of the drilling process of the problems paper is aimed at different area, different formation of novel inhibitive drilling fluid performance and structural requirements, selection of several widely used new inhibited drilling the aspects of indoor studies (including inhibitive drilling fluid treating agent and formula optimization, inhibitive drilling fluid performance evaluation), inhibitive drilling fluid system in actual application and analysis, these two aspects of this new type of inhibitive drilling fluid system is analyzed, finally the drilling fluid system summary. [Key words] Inhibition ,Drilling fluids,Development status,Analysis and Research 前言 第 1頁(yè)（共 24頁(yè)） 前 言 隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是復(fù)雜地層深井、超深井一級(jí)特殊工藝井油氣鉆探的越來(lái)越多，對(duì)鉆井液技術(shù)提出了更高的要求。目前現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井液普遍存在抑制性不足的問(wèn)題，從而使鉆井液綜合性能難以提高，特別是隨著我國(guó)穩(wěn)定東部發(fā)展西部戰(zhàn)略方針的開(kāi)展，勘探領(lǐng)域向新區(qū)拓展，鉆遇地層日趨復(fù)雜，鉆井液抑制能力已不能滿足勘探開(kāi)發(fā)形勢(shì)發(fā)展的需要。鉆井液體系抑制性的不足，可能導(dǎo)致一系列復(fù)雜情況的出現(xiàn)。如泥頁(yè)巖失穩(wěn)引起的井壁坍塌和縮徑；上部地層大井眼、高鉆速時(shí)，低密度固相污染引起的鉆井液流變性能控制困難及井眼的清潔；鉆遇鹽、膏、 鹽水層是鉆井液穩(wěn)定性的惡化等問(wèn)題。因此，新型抑制性鉆井液的開(kāi)發(fā)迫在眉睫。 現(xiàn)今常用的抑制性鉆井液可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類(lèi)。 無(wú)機(jī)類(lèi)抑制性鉆井液是使用較早的一類(lèi)。常用的處理劑有氯化鉀和氯化鈣。氯化鉀的主要抑制機(jī)理是中和作用和鑲嵌作用；氯化鈣的主要抑制機(jī)理是中和作用、同離子效應(yīng)和滲透水化效應(yīng)。這兩種處理劑要在加量較大的情況下才能有一定的抑制性，并且抑制性并不顯著。無(wú)機(jī)類(lèi)抑制性鉆井液在近幾十年也有所發(fā)展，比如硅酸鹽、季銨鹽、甲酸鹽和乙酸鹽等。其中硅酸鹽的抑制機(jī)理是成膜效應(yīng)和封堵效應(yīng)；季銨鹽抑制機(jī)理是中和作用、吸附和鑲 嵌作用；甲酸鹽和乙酸鹽抑制機(jī)理是成膜效應(yīng)和羧酸根與水的成鍵作用。而較新的正電膠更具特色，其能通過(guò)中和和吸附作用很好的解決頁(yè)巖井壁穩(wěn)定和膨潤(rùn)土造漿二者之間的矛盾，同樣也是一類(lèi)有前途的處理劑 。 而常用的有機(jī)類(lèi)抑制性鉆井液的抑制劑有聚陰離子處理劑、聚陽(yáng)離子處理劑和兩性離子聚合物處理劑。聚陰離子處理劑主要包括聚丙烯酸類(lèi)、聚丙烯酰胺類(lèi)、聚丙烯腈類(lèi)和腐植酸類(lèi)，其中 PAC 、 PAM、 PHPA、 KPAM、 KPAN 和腐殖酸鉀等是現(xiàn)場(chǎng)使用較多的試劑，抑制機(jī)理是橋聯(lián)、絮凝和包被作用、成膜效應(yīng)；聚陽(yáng)離子處理劑主要包括大小陽(yáng)離子，該 類(lèi)是抑制效果好但對(duì)環(huán)境影響較大且價(jià)格較高的處理劑，抑制機(jī)理是中和作用、絮凝和包被作用；兩性離子聚合物主要有 XY27 和 FA 系列，雖然該類(lèi)處理劑引入陰陽(yáng)離子同時(shí)達(dá)到抑制效果，但具體的抑制機(jī)理并不十分明確。 瀝青類(lèi)處理劑抑制機(jī)理是吸附作用和封堵作用，但其會(huì)造成環(huán)境污染。 新型抑制性鉆井液的研究 第 2 頁(yè)（共 24 頁(yè)） 較新的有機(jī)類(lèi)抑制性鉆井液的處理劑有聚胺、聚合醇、葡萄糖類(lèi)衍生物、有機(jī)前言 第 1頁(yè)（共 24頁(yè)） 正電膠和有機(jī)鋁等。聚胺類(lèi)抑制劑由于有和鉀離子直徑相當(dāng)?shù)?NH+或者小胺等存在，主要抑制機(jī)理是中和作用和鑲嵌作用；聚合醇是一類(lèi)來(lái)源于海洋鉆井的環(huán)境友好型抑制劑，抑制效果一般；葡萄糖類(lèi)衍生物（例如 MEG）是表面活性物質(zhì)，具有成膜效應(yīng)，是一類(lèi)價(jià)格較高的環(huán)境友好型處理劑；新型有機(jī)正電膠處理劑擁有更多的正電荷，同時(shí)具有水濕性和油濕性，是一種強(qiáng)抑制劑但同樣價(jià)格價(jià)高；有機(jī)鋁由于其在溶解和結(jié)晶狀態(tài)下均有相當(dāng)?shù)囊种菩?，也是一?lèi)新型抑制劑。 無(wú)論無(wú)機(jī)還是有機(jī)抑制劑都在不斷發(fā)展，最終目的是要尋找到抑制效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗性強(qiáng)、對(duì)基 漿常規(guī)性能影響不大、來(lái)源廣、價(jià)格低的處理劑。 新型抑制性鉆井液的研究 第 4 頁(yè)（共 25 頁(yè)） 1 泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理分析 泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理分析 井壁不穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)是力學(xué)不穩(wěn)定。當(dāng)井壁巖石所受的應(yīng)力超過(guò)其本身的強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生井壁不穩(wěn)定。其原因十分復(fù)雜，就其主要原因可歸納為力學(xué)因素、物理化學(xué)因素和工程技術(shù)措施等三個(gè)方面，但后兩方面最終均因影響井壁應(yīng)力分布和井壁巖石的力學(xué)性能而造成井壁不穩(wěn)定。 力學(xué)方面 處于地層深處的巖石，受上覆地層壓力、水平方向的地應(yīng)力和地層孔隙流體壓力的作用。在鉆開(kāi)井眼前，地下巖石處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。鉆開(kāi)井眼后，井內(nèi)鉆井液液柱壓力取代了所鉆巖層提供的對(duì)井壁的支撐，失去了地層原有的應(yīng)力平衡，引起井眼周?chē)鷳?yīng)力重新分布。當(dāng)?shù)貞?yīng)力、巖石強(qiáng)度和孔隙壓力等不可控因素與井內(nèi)液柱壓力、鉆井液化學(xué)成分等之間不能達(dá)到適度平衡時(shí)，可能引起不同的井眼破壞。當(dāng)井內(nèi)液柱壓力偏低時(shí)，可能使井壁巖石產(chǎn)生剪切破壞，此時(shí)，塑性巖石將向井內(nèi)產(chǎn)生塑性蠕動(dòng)而導(dǎo)致縮頸，脆性巖石則會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊 ,造成井徑擴(kuò)大。當(dāng)井內(nèi)液柱壓力偏高時(shí)， 則相應(yīng)使井壁發(fā)生張性破壞而造成井漏。 化學(xué) 方面 泥頁(yè)巖是一種由水敏性粘土礦物組成的巖石，其與鉆井液的相互作用是必然的。由于泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)和組分上的特點(diǎn)，采用不同的鉆井液體系，這種作用的差別也是很大的。鉆井過(guò)程中，井眼的形成打破了地層原有的力學(xué)和化學(xué)平衡，盡管有井壁泥餅的保護(hù)，但泥頁(yè)巖地層與鉆井液在井下溫度和壓力條件下接觸將產(chǎn)生如下的相互作用 : 1） 離子交換作用； 2） 泥頁(yè)巖和鉆井液中水的化學(xué)勢(shì)差異產(chǎn)生的滲透作用； 3） 在井底壓差作用下鉆井液中水沿泥頁(yè)巖的微裂隙的侵入； 4） 毛管力作用產(chǎn)生的滲析。 這四方面的作用使泥頁(yè) 巖地層吸水膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)變，從而產(chǎn)生水化應(yīng)力， 使井周?chē)鷰r的應(yīng)力分布和材料特性發(fā)生顯著變化，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，發(fā)生鉆井復(fù)雜事故。 泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理分析 第 3頁(yè)（共 24頁(yè)） 工程技術(shù) 方面 工程技術(shù)方面有鉆井液的性能 (失水、粘度、密度 )、井眼裸露的時(shí)間、鉆井液的環(huán)空反速對(duì)井壁的沖刷作用、井眼循環(huán)波動(dòng)壓力、起下鉆的抽吸壓力、井眼軌跡的形狀及鉆柱對(duì)井壁的摩擦和碰撞等。 總之，以上導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的三種因素可以歸結(jié)為一種因素，即力學(xué)因素。因?yàn)闅w根到底，井壁巖石的破壞和失穩(wěn)都是力 (巖石應(yīng)力，化學(xué)應(yīng)力，工程所引發(fā)的各種力 )的作用結(jié)果，其實(shí)質(zhì)是井壁巖石所受應(yīng)力超過(guò)了其強(qiáng)度而誘發(fā)失穩(wěn)破壞。 泥頁(yè)巖水化膨脹機(jī)理分析 泥頁(yè)巖的主要成分是粘土礦物。粘土礦物的成分、含量及其微結(jié)構(gòu)決定了泥頁(yè)巖的基本物理化學(xué)性質(zhì)和水化機(jī)理。對(duì)泥頁(yè)巖的水化機(jī)理進(jìn)行深入了解是研究泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)。 當(dāng)泥頁(yè)巖與鉆井液接觸時(shí)，在水力梯度和化學(xué)勢(shì)梯度的驅(qū)動(dòng)下，引起水和離子的傳遞，包括鉆井液液柱壓力與孔隙壓力之間的壓力差驅(qū)動(dòng)的達(dá)西流以及由鉆井液與泥頁(yè)巖之間的化學(xué)勢(shì)差驅(qū)動(dòng)的離子擴(kuò)散。 在這些因素的作用下，泥頁(yè)巖發(fā)生水化，一般存在表面水化、離子水化和滲透水化三種 機(jī)理。 表面水化 ：表面水化是由粘土礦物表面上的水分子吸附作用而引起的，其主要驅(qū)動(dòng)力為表面水化能。所有粘土礦物都會(huì)發(fā)生表面水化，在這一階段，大約吸附 4個(gè)水分子層厚的水，作用距離為 lnm，從而導(dǎo)致結(jié)晶膨脹。 離子水化 ：離子水化是指粘土礦物所含硅酸鹽晶片上的補(bǔ)償性陽(yáng)離子周?chē)纬伤瘹?。離子水化一方面給粘土帶來(lái)水化膜，同時(shí)水化離子與水分子爭(zhēng)奪粘土晶面的連接位置。 滲透水化 ：滲透水化是某些粘土在完成了表面水化和離子水化過(guò)程之后開(kāi)始的。水化的離子在液體中離解，遠(yuǎn)離粘土礦物表面。粘土礦物間形成擴(kuò)散雙電層，雙電層斥力和滲透壓共同作用而產(chǎn)生的水化作用為滲透水化。因此，只有表面存在可交換陽(yáng)離子的粘土才會(huì)產(chǎn)生離子水化，也只有陽(yáng)離子交換容量大的粘土礦物才會(huì)發(fā)生明顯的滲透水化。滲透水化作用距離可達(dá) 10nm 以上，體積膨脹較大。 所以當(dāng)泥頁(yè)巖與鉆井液濾液接觸時(shí)，首先產(chǎn)生表面水化，在表面水化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生離子水化，在表面水化和離子水化完成后，才發(fā)生滲透水化。由于泥頁(yè)巖的新型抑制性鉆井液的研究 第 6 頁(yè)（共 24 頁(yè)） 滲透率較低，約為 106 1012D，因此，在鉆進(jìn)泥頁(yè)巖地層時(shí)，通常不產(chǎn)生 “ 正常 ”的鉆井液濾液漏失，然而在孔隙壓力和鉆井液液柱壓力不平衡時(shí)，將會(huì)在兩者之間出現(xiàn)壓力傳遞，最終逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)處于超平衡鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液液柱壓力就會(huì)侵入泥頁(yè)巖，引起孔隙壓力增加。注意，少量的濾液侵入就會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力較大程度的增加。另外，還由于泥頁(yè)巖與鉆井液之間的不利的粘土陽(yáng)離子交換，這 都減小了有效應(yīng)力。再加上泥頁(yè)巖與鉆井液相互接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生一些不利的化學(xué)變化，將減弱其膠結(jié)力。上述因素的共同作用導(dǎo)致了暴露在鉆井液中的泥頁(yè)巖趨于不穩(wěn)定。 當(dāng)然也存在相反的情況，當(dāng)鉆井液液柱壓力低于孔隙壓力時(shí)，或鉆井液中各種離子的化學(xué)勢(shì)低于泥頁(yè)巖孔隙流體的化學(xué)勢(shì)，出現(xiàn)反滲透時(shí)，都會(huì)造成泥頁(yè)巖脫水，孔隙壓力減小，有效應(yīng)力增大，從而使泥頁(yè)巖趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。然而，這只能限于一定程度的范圍內(nèi)，若由于脫水作用而導(dǎo)致泥頁(yè)巖產(chǎn)生微裂隙，不僅使得泥頁(yè)巖滲透性增強(qiáng)，而且使其粘結(jié)強(qiáng)度減弱，這也就減弱了泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性。 穩(wěn)定泥頁(yè)巖井壁的相關(guān)措施 鉆井工藝 方面 (1)起下鉆速度不宜過(guò)快，避免過(guò)高的抽吸壓力而降低鉆井液作用于井壁的壓力或者過(guò)高的壓力激動(dòng)而使得作用于井壁的壓力過(guò)高，這對(duì)于坍塌性或者裂縫性泥頁(yè)巖影響尤其大； (2)鉆井過(guò)程中泵壓不宜過(guò)高，避免鉆井液在環(huán)空中返速過(guò)大，對(duì)井壁造成沖刷作用； (3)在設(shè)計(jì)井眼軌道和鉆井過(guò)程中形成井眼軌跡時(shí)避免出現(xiàn)井眼方位變化大，狗腿角過(guò)大而造成應(yīng)力集中； (4)鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)避免嚴(yán)重的機(jī)械碰擊，特別是在易塌地層； (5)在極易坍塌或者水化膨脹極強(qiáng)的淺部井段可選擇下套管來(lái)隔開(kāi)。 鉆井液 方面 (1)使用合適的鉆井液密度，取得力學(xué)穩(wěn)定，盡量避免鉆井液濾液侵入； (2)對(duì)裂縫性地層采用封堵等措施，進(jìn)一步降低其滲透率； (3)增加鉆井液中部分離子的濃度，增大其化學(xué)勢(shì)，從而誘發(fā)反滲透，以抵消泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理分析 第 5頁(yè)（共 24頁(yè)） 水力侵入。 新型抑制性鉆井液的研究 第 6 頁(yè)（共 24 頁(yè)） (4)鉆井液靜切力不宜過(guò)大，以免開(kāi)泵時(shí)帶來(lái)過(guò)大的壓力激動(dòng)，而造成井漏； (5)鉆井液粘附系數(shù)不宜過(guò)大，避免鉆頭泥包，在起下鉆或者正常鉆進(jìn)時(shí)均可能帶來(lái)井壁不穩(wěn)定問(wèn)題。 (6)合理的選擇抑制劑加入鉆井液中，則是現(xiàn)今常用的處理泥頁(yè)巖水化膨脹的主要方法。 2 強(qiáng)抑制性高鈣鹽聚合物鉆井液體系的研究 室內(nèi)研究 鉆井液 方面 (1)實(shí)驗(yàn)用材料 無(wú)機(jī)一有機(jī)單體聚合物 Siop、 兩性離 子 磺酸鹽聚合物 CPS20 聚合 鋁 防塌劑 AOP 固相化學(xué)清潔劑 ZSC201 為工 業(yè) 品，中原 油 田鉆井院生產(chǎn) ； 磺化酚醛樹(shù)脂 SMP 、 磺化褐煤 SMC、 聚合醇、羚甲基纖維素為工 業(yè) 品 ； 氯化鈣、氯化鈉、氯化鉀、鈉膨潤(rùn) 土 為工業(yè)品。 (2)實(shí)驗(yàn) 用 設(shè) 備 高速攪拌機(jī)， GJ1 型 ； 攪拌機(jī)， S361 型 ； 中壓失水儀， ZNS 型 ； 六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) ， 2NND6 犁 。高溫滾動(dòng)烘箱 50～ 300℃ ； 激光粒度儀分析， ,JL9100； 巖心流動(dòng)試驗(yàn)儀 ； 頁(yè)巖膨脹儀， NP1 型 。 強(qiáng)抑制性高鈣鹽聚合物鉆井液基礎(chǔ)配方 在處理 劑 研究、評(píng)價(jià)、篩選的基礎(chǔ)上，確定 了 強(qiáng)抑制性高鈣鹽聚合物鉆井液所需的處理劑及 用量 范 圍