井壁化学稳定技术课件.ppt

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1、井壁化学稳定技术井壁失稳的影响因素：物理化学因素和力学因素。物理化学因素：粘土的水化作用。因为泥页岩的主要成分是粘土矿物，粘土矿物具有带电性与亲水性（水化性），由此引起页岩体积膨胀、颗粒分散和强度下降，这种特性被称为泥页岩的水敏性。由于泥页岩的水敏性，降低了页岩的强度，改变了井眼周围的应力分布，从而造成井塌。因此，很多学者认为，井塌在很多情况下都与粘土的水化作用有关。几十年来，研究的焦点多集中在页岩的水化作用及其抑制方法上。1、井壁失稳的化学因素从化学因素考虑，井塌主要是由于钻井液滤液与地层相互作用，引起岩石强度下降，因

2、此，化学稳定井眼的根本途径就是阻止钻井液滤液进入地层。90年代国内外的研究结果表明，钻井液滤液进入地层的主要驱动力有：水力压差—主要决定于钻井液密度；化学势差—主要决定于钻井液的活度与地层的半透膜效率；毛细管力—主要决定于岩石的表面特性。钻井液进入地层的驱动力页岩（粘土）的水化作用机理页岩水化膨胀受三种力制约——表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。表面水化—页岩中粘土水化的第一阶段，是粘土晶体表面上吸附水分子的作用，也称为晶格膨胀。渗透水化—页岩中粘土水化作用的第二阶段，发生的条件是：当粘土暴露在自由水中，由于粘土表面的

3、阳离子浓度大于溶液内部的浓度，因此，水发生浓差扩散，形成双电层。渗透水化引起粘土体积增加比表面水化大得多，可高达原体积的20-25倍。页岩（粘土）水化的影响因素粘土矿物种类及其交换性阳离子组成。粘土矿物不同，其交换性阳离子组成不同，水化膨胀的程度有很大差别，如蒙皂石的阳离子交换容量高，水化膨胀厉害，分散度也高，而高岭石、伊利石、绿泥石都属于非膨胀型的粘土矿物，水化膨胀较差。同一种粘土矿物，当其交换性阳离子不同，水化膨胀特性也不相同，如钠土的膨胀比钙土、钾土大得多。泥页岩中无机盐含量。泥页岩中含有氯化钠、氯化镁等无机盐时，

4、会促使它吸水量增加。例如胜利油田的“红层”（泥页岩），在钻井过程中发生严重的水化膨胀，就是因为其中含有大量的氯化钠。温度与压力。温度升高，页岩的水化膨胀速率和膨胀量都明显提高，而提高压力可抑制页岩的水化膨胀。钻井液的pH。钻井液的pH升高会促进页岩水化膨胀。我们的研究结果表明，当pH在9以下时，随pH升高，对页岩水化影响不大，而当pH达到11以上时，则会使页岩的水化作用加剧，促进页岩剥落掉块。2、解决井壁失稳问题的化学途径为了稳定井眼，60年代广泛使用钙处理泥浆（如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆）、盐水泥浆、木质素磺酸盐

5、泥浆。70年代，油包水乳化泥浆、聚丙烯酰胺—kcl泥浆、钾褐煤—kcl泥浆得到了较大的发展。80－90年代国内外又发展和完善了几种新型的防塌钻井液体系：聚合物—kcl钻井液阳离子聚合物钻井液复合离子聚合物钻井液正电胶钻井液3、化学固壁技术化学固壁的基本思路：由过去采用的抑制页岩水化分散的钻井液，转变为通过化学反应在井壁上形成化学封固壳的钻井液，降低井壁岩层的渗透率，阻止钻井液中的水侵入地层，从而提高井壁围岩的强度。化学法封固井壁的工艺主要分为随钻封固法和挤注段塞法。随钻封固法要求封固材料必须与钻井液的配伍性好，而工艺比较

6、简单可行。本讲重点介绍随钻封固法的材料、理论与钻井液体系。化学固壁理论通常认为油基与合成钻井液是钻复杂地层的最可靠方案。然而，油基泥浆会污染环境并且成本昂贵，因此，逐渐被改善的水基钻井液所代替。九十年代以后美国E.Van.Ort提出了水基钻井液稳定井壁的的新理论，他认为水力压差引起的孔隙压力增加是造成井壁坍塌的主要原因。为了稳定井壁，常常用提高钻井液密度的方法，但是超过平衡压力太多，会促使泥浆滤液与压力传递，进入页岩，于是，井眼附近的岩层孔隙压力升高，降低了泥浆液柱的支撑应力，从而造成井壁坍塌。化学固壁理论化学固壁理论众

7、所周知，页岩具有半透膜特性，然而，这种半透膜可以是理想的（只让水分子通过）或非理想的，表示页岩的半透膜效率，即其理想化的程度。Ort提出，该半透膜效率可以通过添加剂锁住孔隙喉道而增加，如使用硅酸盐钻井液可以达到这一目的。硅酸盐稳定井眼的机理水溶性的硅酸盐会迅速形成带负电荷的聚合体，当pH为11～12时。这些低聚合度的聚合体由于负电荷的相互排斥作用，聚合作用便停止了。这种聚合体的直径约为几纳米，这种小颗粒通过扩散或水力压差能够钻进页岩的微小孔隙中。这种颗粒一旦进入页岩孔隙中便会发生下列现象：所有页岩孔隙流体的pH都接近中

8、性，当硅酸盐聚合体遇到中性环境时，其颗粒间的排斥力便消失了，并发生胶凝，形成三维凝胶网络。几乎所有页岩孔隙流体中，都有游离的多价阳离子存在（如Ca2＋、Mg2＋等），它们可以在瞬间与硅酸盐低聚体反应，形成水不溶的沉淀物。胶凝或沉淀的硅酸盐提供了阻止钻井液滤液和孔隙压力传递的物理屏障。试验结果表明，硅酸盐基钻井液对稳定