海洋钻井水基钻井液在页岩地层的使用

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　　摘 要：钻井液技术是在钻井行业应用非常广泛的技术，其他技术体系已经非常完备。但是在一些复杂环境下的钻井作业中，钻井液技术还存在一些技术适用性上的问题。尤其是在陆地石油资源日益枯竭的今天，可燃冰等海洋资源的开采技术成为了世界各国争相研究的重点。由于我国的海洋油气资源丰富，因此我国也在研发相关开采技术，这些技术中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，本文将对水基钻井液在页岩地层的使用过程中可能存在的技术难题和问题产生原因进行分析，并提出一些切实可行的解决方案。为我国的海洋资源开发提供一些理论指导，为未来大规模开采海洋油气资源明确研究方向。
　　关键词：海洋；水基钻井液；对策
　　1 引言
　　在我国南海海域蕴藏着丰富的油气资源，这些资源可以有效的解决我国未来可能存在的能源危机。但是由于我国南海海域海洋地质情况复杂，在实际钻井操作中是有井壁垮塌等情况发生，这些频发的事故大大增加了钻井的时间和开采成本。因此当前的首要问题是如何解决泥页岩地层井壁失稳频发的问题。同时海洋钻井在要求钻井液安全可靠性的同时，还要求对海洋环境的污染要小。因此水基钻井液成为了我国海洋钻井的首选。本文将对水基钻井液在泥页岩段遇见的问题以及解决方法进行研究。
　　2 水基钻井液在页岩底层使用的技术难点
　　2.1 钻屑分散
　　分散钻井液由水、膨润土和各种对黏土、钻屑起分散作用的处理剂配制。黏土在水中高度分散，正是这种高度分散分的黏土颗粒才是钻井液具备了工程上所需要的流变和降滤失性能。虽然这种钻井液性能优良，但是在实际使用中还是存在一定的问题：①由于钻井液是水基的，因此他对很多的物质都有很好的溶解亲和力，这导致它在实际应用中很容易溶解一些易容于水的杂质，如一些可溶性盐类；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，造成井壁垮塌频发；③钻井液的固体颗粒含量较高，因此对于钻头的磨损和钻进的速度有明显的影响；④滤液侵入易引起黏土膨胀，不能有效保护油气层。
　　2.2 鉆头泥包
　　海上钻井常用的钻头是PDC钻头，这种钻头综合性能良好。但是在与水基钻井液搭配使用的时候却很容易发生钻头泥包的现象。究其原因有以下四点：①钻井液本身的性能问题：钻井液的性能存在诸多缺点，如前面提到的抑制性比较差、润滑性能不足等；②底层性质问题：软泥岩地层、吸收水分后容易产生膨胀的底层和软硬不均匀的地层，都非常容易发生钻头泥包现象；③钻井参数问题：钻井时排量太小，导致重复切削。还有就是在钻井速度变慢时没有正确的判断情况，盲目的加大钻压，导致钻头抱死；④钻头选型问题：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。
　　2.3 井壁失稳
　　页岩是一种典型的沉积岩，海洋中的页岩由黏土、海洋生物尸体、石英等沉积而成。具有明显的薄片状层理，本身结构脆弱，与外力冲击容易变成碎片。页岩的层理结构由于其高温高压的形成过程因此非常紧密，层理之间的距离为纳米级，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。其中有机质纳米孔和黏土矿物粒间孔发育最为广泛页岩由硬脆性泥页岩地层和软泥页岩地层两部分地层组成，其中，其中硬脆性泥页岩地层约占三分之二，软泥页岩地层约占三分之一。在海洋油气田中有四分之三地底层是页岩地层。而且大部分的井壁失稳都是由于页岩的稳定性差导致的。而页岩稳定性差页很重要的一个原因是是由于含有黏土矿物，容易产生水化作用。在我国南海海域的海底地层种类中常见的地层为硬脆性页岩地层，这种地层失稳的主要原因为孔隙压力扩散；另一个原因是钻井过程中岩层吸水膨胀产生的次生裂缝。
　　3 针对技术难点的对策建议
　　3.1 针对钻屑分散的技术建议
　　解决钻屑分散，主要是从合理使用页岩抑制剂、包被剂和科学隔水两方面着手。针对页岩抑制剂与包被剂，在页岩钻井时一般使用这两种处理剂来保持稳定性。经过多次钻井实践总结的经验以及整理分析大量实验结论，我们可以确定，抑制剂的作用在于防止页岩地层中黏土矿物发生水化、分解等情况，使泥浆和水眼的黏性程度降低。而包被剂顾名思义就是包被钻屑，它的作用机理在于其含有的高分子聚合物成分能够有效避免钻屑和页岩地层与水发生化合反应，保证井壁的牢固和稳定，使钻井工作的效率大幅提高。隔水的方法有三种，即增加滤液的黏性、将缝隙封住以及产生水的渗透回流。另外，合理使用成膜剂也可以起到较好的阻水效果。成膜剂就是将钻井液变成一张半透膜，这张隔离膜覆盖在井壁外层，将水和钻井液阻隔在页岩地层之外，防止水分进入地层后发生水化、或遇水膨胀、分解，填补地层中的开裂和缝隙，避免黏土颗粒在地层中发生迁移，保护油气层不受破坏。
　　3.2 针对钻头泥包的对策建议
　　防止钻头泥包首先要选对钻头的型号，在设计水眼和流道时要根据钻井的排泄需求合理分析。在下钻之前，应该清洗井眼，保持泥浆良好的循环流动性，防止下钻后井眼中滞留的钻屑发生水化反应。下钻时，为了减少泥饼的厚度，可以进行挤压、切削等操作。在钻井的过程中应该保持钻速适中，这样钻头可以一支接一支按照固定的轨迹行进。在钻头达到井底之前，将启动泵，使泥浆充分循环，同时将井底和钻头冲洗干净，只有在排量达到一定标准后才能开启转盘。另外，要注意钻头泥包和时间的联系，所以，科学使用防泥包剂和钻井提速剂也是一种有效的防治泥包的举措，这些处理剂能够在钻头形成一层膜，该膜具有憎水性，防止黏土吸附在钻头上包被钻头，良好的防泥包剂甚至可以清楚钻头的泥包。
　　3.3 针对井壁失稳的对策建议
　　在导致井壁失稳的诸多原因中，硬脆性页岩的孔隙压力扩散是最常发生的一种情况。导致硬脆性页岩产生缝隙的原因是与水的化合反应。保持井壁的稳定性的根本措施就是避免孔隙之间产生的压力相互传递，影响压力传递的速率的主要因素是页岩地层的渗透性、弹性，另外，钻井液与井壁接触后发生的一系列物理化学反应也是导致压力扩散的原因之一。防止孔隙压力的扩散就是要将孔隙封住，孔隙的密闭是降低孔压扩散的关键。封堵孔隙可以采用物理封堵和化学封堵两种方法，物理封堵就是在孔隙的最外层进行封堵，封堵材料则选用沥青、褐煤等等；化学封堵是在孔隙内部进行封堵，封堵的材料以乙二醇、硅酸盐为佳。经过研究，选出以下两种较为有效的封堵材料，第一，纳米级材料，优势在于颗粒小，渗透性更大，能够将孔隙封堵严实。第二，聚合醇封堵材料，优势在于其浊点效应在达到一定温度后可以使其形成乳化油滴，在孔隙内外存在压力的情况下，油滴可以被压入孔隙。
　　4 结束语
　　综上所述，我国对于石油的需求量会随着工业的发展逐渐增加，海洋油气勘探工作必将一刻不停地向前推进，因此，在页岩地层能否有效、科学地使用水基钻井液直接影响了海洋油气的开发进程。本文充分分析了页岩地层的土质特点以及水机钻井液的工作机理，提出了在页岩地层使用水基钻井液时难以攻破的技术难点，并针对每一个难点提出相应的应对措施。另外，随着海洋油气开发的深入推进，生产井主要分为两种，一种是定向井，一种是水平井，水基钻井液在未来的发展方向不仅能适应较长的页岩地层的水平井钻井需求，还要在钻井液的润滑程度、防卡性和膜效率三个方面进行优化和升级。
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