石油工程技术 PETROLEUM%ENGINEERING%&%TECHNOLOGYVol.10,%No.1 %Mar.%2012第10卷第1期 2012年3月*基金项目：国家重大科技专项“低渗油气田高效开发钻井技术”课题“低渗透储层保护技术研究”（编号：2011ZX05022-004）部分内容。 收稿日期：2011-12-15改回日期：2012-02-07作者简介：蓝强（1978），男，2001年毕业于石油大学（华东）石油工程专业，2007年获山东大学胶体与界面化学专业，理学博士，高级工程师，主要从事钻井液化学理论研究及新技术推广工作。 联系电话：05468501115，Email：mlanqiangyahoo.com.cn，通讯地址：山东省东营市北一路 827号钻井工艺研究院油化所。前期对塔河油田井壁稳定情况进行初期研究的结果显示1-8： 该油田康村组以上地层胶结疏松，成岩性较差， 易发生井壁坍塌和卡钻事故； 吉迪克组富含石膏， 钻井过程中易污染钻井液并出现复杂情况； 苏维依组至上白垩系疏松砂岩发育， 易发生缩径卡钻， 生产层套管固井质量差； 奥陶系与石炭系分属两个压力系统， 且奥陶系碳酸盐岩溶孔、 溶洞、 裂缝发育， 对钻井液密度变化较为敏感， 容易发生井漏或井喷事故。 该油田已钻的20多口井出现了不同程度的复杂情况， 中生界上部地层泥页岩吸水分散缩径， 起下钻阻卡严重， 三叠系、 白垩系硬泥页岩坍塌， 同一裸眼井段气侵和盐水侵并存，奥陶系灰岩、 泥晶灰岩风化面裂缝发育， 出现先漏后喷的复杂情况，覫177.8 mm尾管入井遇阻卡，甚至无法下至设计层位。针对塔河油田泥页岩剥落掉块地层的特征， 通过不同的实验方法探索其井壁失稳机理， 研制出防塌效果突出的钻井液体系。1.1.1X-射线衍射分析在结晶学和矿物学研究领域，X-射线衍射方法的应用十分广泛。 在黏土矿物研究中， 该方法能够对地层黏土矿物的种类、 组成和水敏性泥页岩的相对含量进行定性/半定量和定量分析。 实验时，选取塔河油田井壁不稳定地层中8种具有代表性的泥页岩岩心或岩屑， 利用X-射线衍射方法分析其矿物组分， 确定易塌层位的黏土矿物组成和相对含量。1.1.2扫描电镜分析扫描电子显微镜可以观察到黏土矿物， 特别是自生矿物的真实、 自然形态特征。 因此， 利用扫描电镜成像技术对塔河油田易塌层位代表性岩样进行扫描电镜分析， 对井壁失稳进行微观机理探讨。1.1.3页岩膨胀实验参照PIA标准进行。1.1.4分散实验参照PIA标准进行。1.1.5泥页岩比表面积测定5-7，9泥页岩比表面积与泥页岩水化特性、 力学特性及渗水特性密切相关， 是评价泥页岩井壁稳定性的关键参数。 因此， 测定泥页岩比表面积对评价井壁稳定机理具有重要意义。 目前， 比表面积测定方法较多， 其中亚甲基蓝法具有重复性好、 省时、 成本较低、 简单易行等优点， 测定塔河油田易坍塌层位岩样的比表面积选用该方法。当亚甲基蓝初始溶液浓度和吸附平衡后的浓度达到适当范围内时， 在泥页岩黏土颗粒表面可以形成单分子层饱和吸附， 利用分光光度计测定吸附前后的亚甲基蓝浓度， 根据下式即可计算岩样的比表面积。Asp=2.45V Co-#$C 1000Ws（1）蓝 强（胜利石油管理局钻井工艺研究院， 山东东营，257017）实验分析了塔河油田易坍塌层位的岩心， 总结出井壁失稳地层的坍塌特征， 研制出适合该油田多复杂事故地区快速钻井的硅酸盐防塌钻井液体系。 应用结果表明， 该体系完全符合现场施工要求， 防塌性能好， 所钻井眼井径规则， 没有发生任何井下复杂事故。易塌层位井壁稳定硅酸盐防塌钻井液实验研究塔河油田蓝强： 塔河油田易塌层位井壁稳定机理及钻井液设计第10卷第1期51式中：Asp为泥页岩比表面积，m2/g；2.45表示1mg亚甲基蓝可覆盖的固体体积，m2/mg；V为亚甲基蓝溶液体积，mL；Co为亚甲基蓝溶液初始浓度，mg/L；C为吸附平衡后的亚甲基蓝溶液浓度，mg/L；Ws为泥页岩岩样质量，g。1.2.1矿物组构（1）X-射线矿物组成。 利用D/max-IIIA X-射线衍射仪对塔河油田部分易坍塌地层的岩样进行全岩矿物组分和黏土矿物组成分析，结果见表1、表2。表1X-射线衍射全岩矿物组成分析结果注：“”代表检测不到（下表均相同）序号井号层位井深（m）不同种类的矿物含量（%）石英方解石白云石斜长石钾长石赤铁矿黄铁矿黏土矿物总量1S96C1Kl4778.874780.87751962T901T2a4820.004821.7719245213463S96T1K4999.735001.7019321663244S76C1Kl5115.875117.8323663656表2X-射线衍射黏土矿物组成分析结果序号井号层位井深（m）黏土矿物总量（%）黏土矿物组成含量（%）钾长石绿泥石伊利石蒙脱石I/S矿物C/S矿物总量蒙脱石总量蒙脱石1S96C1Kl4778.874780.8761363546502T901T2a4820.004821.77464154536453S96T1K4999.735001.70243516764S76C1Kl5115.875117.8356314226180由表中可以看出， 选取的岩心井深相差不大，但地层矿物组分差别较大， 特别是泥页岩和黏土矿物。 黏土矿物含量高的地层， 可膨胀性黏土矿物容易水化膨胀， 甚至产生分散， 黏土矿物含量低的地层， 可膨胀性黏土矿物的绝对含量更低。从地层沉积年代和埋藏深度来看10-11， 岩心矿物组成不应出现上述现象。 石炭、 三叠系地层年代久远、 埋藏深、 温度高、 上覆岩层压力大， 蒙脱石向伊利石的转化应该比较完全。 黏土矿物种类不同， 其坍塌机理不同， 以蒙脱石等膨胀性黏土矿物为主的地层容易膨胀、 分散， 井壁不稳定的主要形式是缩径、 泥包钻头、 造浆等， 以伊利石等非膨胀性黏土矿物为主的地层坍塌形式主要为剥落掉块。（2） 扫描电镜微结构分析。 对塔河油田易塌层位3块代表性岩心进行扫描电镜， 结果见图1图3。从图中可以看出， 除S96井4999.735001.7m岩心外， 其他两块岩心黏土矿物的排列具有一定的取向性。 因此， 钻井过程中在压差的作用下， 钻井液滤液优先沿层理裂隙进入地层内部， 为泥页岩提供了水化空间， 这是造成钻井复杂事故的一个重要原因。 塔河油田三叠系泥页岩中黏土矿物含量较高， 伊蒙混层及膨胀层所占比例较高， 颗粒间隙较发育， 容易产生局部水化分散作用， 导致严重的井壁岩层剥落掉块。600倍1200倍（存在盐类结晶）图1S96井4999.735001.7 m岩心（棕黄色）扫描电镜照片2012年3月石油工程技术521.2.2理化性能（1） 分散实验。 分散实验结果是评价地层坍塌特性最简单、 最直观的指标， 通过滚动分散实验可以考察地层水化程度。 本实验主要考察塔河油田典型岩样在清水中的滚动分散回收率， 结果见表3。由表中可以看出， 塔河油田层位相同、 井深接近、 不同井号的岩心回收率差别很大， 埋藏深、 年代久的岩心回收率普遍偏低， 说明该油田大部分地层具有强分散的特点。（2） 比表面积实验。 实验采用亚甲基蓝法测定岩样的比表面积， 根据经验， 入射波长=665 nm时实验效果最佳 （图4）。从图中可以看出， 亚甲基蓝溶液的浓度与吸光度的线性拟合度较高， 相关系数的平方R20.995，符合郎白-比耳定律， 可以进行比表面积实验。塔河油田岩样比表面积测试结果见表4。 可以看出， 该油田泥页岩岩心比表面积与其膨胀性黏土矿物含量基本成正比， 说明比表面积主要取决于黏土矿物和膨胀性黏土矿物的含量。 由于泥页岩的渗透性极差， 水化会引起局部压力过高， 从而降低钻井液的有效应力支撑， 引起地层化学不稳定及力学不稳定， 容易造成地层垮塌。表3塔河岩样清水滚动分散结果序号井号层位井深（m）膨胀性黏土矿物总量（%）回收率（%）1Tk906HT2a4632.004673.0012.622TK723T2a4660.004698.0012.103T903T1K4760.004780.003.984S96C1Kl4778.874780.871.3881.625TK215T1K4809.004861.001.866S76C1Kl4953.654955.658.507S76C1Kl5115.875117.8727.339.588S100C1Kl5157.305158.306.28表4塔河油田岩样比表面积测试结果序号井号层位井深（m）膨胀性黏土矿物总量（%）比表面积（m2/g）1Tk906HT2a4632.004673.00129.552TK723T2a4660.004698.00125.77600倍1200倍图2T901井48204821.77 m岩心（深灰色）扫描电镜照片1200倍2500倍140倍图3塔河油田三叠系库车凹陷露头1#岩心（深灰色） 扫描电镜照片图4亚甲基蓝标准工作曲线0.00.40.60.81.01.20.2吸光度-226101814浓度（mg/L）实验结果拟合曲线Y15.47x-0.506 R2=0.995蓝强： 塔河油田易塌层位井壁稳定机理及钻井液设计第10卷第1期53近几十年来， 防塌钻井液研究有了长足发展，研制出多种类型的防塌钻井液， 其中硅酸盐钻井液以防塌效果显著、 固壁防漏性能好、 材料费用低、不污染环境等特点备受国内外钻井界的青睐1-13。针对塔河油田易坍塌地层的坍塌特性和机理， 首先优选出单剂和基础配方， 然后筛选出最佳配方。单剂优选实验筛选出的主要处理剂： 大分子包被剂采用LHB-105； 抗高温降滤失剂为AT-2； 降滤失剂选用KNPAN； 降黏稀释剂为GD-18。2.2.1基础配方根据筛选的最佳单剂， 通过正交实验优选出基础配方。 基础配方：350 mL（1.040 g/cm3，MBT=5.5 g/100mL） 基 浆+0.15LHB -105 +0.5% KNPAN +0.5%AT-2+3%SD-202+3%SD-101。 其性能见表5。从表中可以看出， 基础配方的表观黏度、 塑性黏度和动塑比均符合现场要求， 老化前后的滤失量均很低， 高温高压滤失量小于10.0 mL。序号井号层位井深（m）膨胀性黏土矿物总量（%）比表面积（m2/g）5TK215T1K4809.004861.00156.056T901T2a4820.004821.777.45104.867S76C1Kl4953.654955.65110.568S96T1K4999.735001.7018.24118.214S96C1Kl4778.874780.81.3842.353T903T1K4760.004780.00157.97续表4表5配方性能条件表观黏度（mPas）塑性黏度（mPas）动切力（Pa）动塑比静切力（Pa/Pa）API 滤失量（mL）pH值高温高压滤失量（mL）常温55.04114.00.344.5/123.88.5150/16h44.53113.50.441.5/2.54.48.56.82.2.2最佳配方根据优选的单剂和基础配方， 首先初步确定两种硅酸盐体系配方， 然后再从中优选最佳配方。1配方：350 mL（=1.040 g/cm3，MBT=5.5g/100mL） 基 浆+ 0.15%LHB-105 + 0.5%KNPAN+0.5%AT-2 + 3%SD-202 + 3%SD-101 + 3%GLA-2 +3%SD-301+0.5%Na2SiO3。 2配方：350 mL（=1.040 g/cm3，MBT=5.5g/100mL） 基浆+0.2%LHB-105+1.0%KNPAN+0.3%AT-2+3%SD-202+3%SD-101+3%GLA-2+3%SD-301+0.5%Na2Si