粘土膨胀对钻井作业的影响及抑制方法

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1、粘土膨胀对钻井作业的影响及抑制方法石工1307曲正天摘要：由于膨胀性粘土遇水膨胀，减少了油层的孔隙喉道，另一方面是一些非膨胀性矿物遇水产生分散脱落，释放微粒，并且微粒跟随流体运移而堵塞孔隙通道。最易产生水化膨胀的粘土矿物有蒙脱石、伊利石一蒙脱石、绿泥石一蒙脱石等混层矿物。粘土颗粒的膨胀、孔隙的压缩变形、外部微粒的入侵、地层微粒的释放和运移以及颗粒在孔喉处的“桥接”综合作用导致油层伤害。主要表现在孔隙度、渗透率的降低。关键词：膨胀，抑制，钻井，粘土，彫响1引言各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同，粘土矿物是油藏岩石的主要充

2、填物。在与不配伍的外界流体接触时，粘土矿物会发生水化膨胀、分散运移或者产生沉淀，堵塞甚至堵死油气流动通道，大大降低油藏的渗透率及原油采收率。2粘土膨胀对钻井钻井作业的影响粘土具有吸水特性，甚至会与水发生水合作用，产生膨胀。地层中常含有一定数量的粘土。主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石。这些粘土在注水、酸化、永力压裂、砾石充填过程中碰到水或水基物质就会产生膨胀，然后进一步分散（如蒙脱石、绿泥石）或直接分数（如高岭石伊利石）形成直径小于10m的细小微粒粘土膨胀和微粒的移动会降低地层的渗透率或堵塞井服的通路，这都会减少油井的产量，严重损害油管线和

3、油泵。粘土彭胀的原因是粘土屮可交换的阳离子如钠离子在水屮解离形成扩散双电层，使片状结构表面带负电，由于静电斥力，带负电的片状结构白行分开而引起粘土膨胀。粘土膨胀会引起井壁垮塌，在最小水平主应力的作用下会发生井壁崩落，造成井壁质量下降，不利于后续的起下钻和下套管以及其他井筒作业。再就是，粘土膨胀后，就会产生井眼（不是井筒）缩径，严重的话有可能会使泥质成分紧紧箍住钻具或套管等工具，极大提高摩阻，发生卡钻或下不去工具的情况。还有，若在近钻头附近发生，那么有可能会引起钻头泥包，就是钻头被一大堆泥巴紧紧包住，堵塞水眼，无法传递水功率和给钻头降温，造成钻

4、速下降和钻头过热，这是PDC和TSP钻头最怕的，因为金刚石是不耐热的；此外，钻头泥包如果发生在牙轮钻头上，会造成钻头自洁能力下降，重复切削岩石，严重磨损钻头，降低钻速，提高钻头成本，频繁起下钻换钻头，这样的话会过多地抽汲、激动井筒，易引发井涌（或喷）井漏的事故。缩径的主要原因是钻遇粘土层中含有大塑的蒙脱石等易膨胀粘土矿物，土工实验结果表明，部分粘土层中含量高达40%。该类粘土膨胀性强，主要原因是这类粘土晶层上下面皆为氧原子，各晶层之间以分子间力连接，连接力弱，水分子易进入品层之间，引起晶格膨胀采用钻井法施工通过膨胀性粘土层时，由于这些地层遇水

5、后体积膨胀,易使井筒直径缩小,造成钻头在钻进过程中提升困难和卡钻现象。在膨胀性粘土层中钻进易出现泥包钻头现象：钻进过程中刀具刮下来的土屑不能被钻头的吸收口及吋排除,粘糊在钻头的刀具上，堵塞吸收口及钻头的内腔，甚至包裹刀盘,使钻头无法继续正常钻进。采取有效防范措施，解决好井筒缩径和泥包钻头现象，不仅缩短了工程建设工期，还为企业带来3.抑制粘土膨胀3.1第一类粘土防膨剂…••聚合物聚合物抑制粘土膨胀机理：粘土遇水后,水分子进入晶胞层间，使晶胞层间距增大，体积膨胀,称为粘土的水化膨胀过程。经聚合物处理过的泥浆，当粘土颗粒与聚合物接触时,聚合物靠氢键

6、或静电吸力吸附到粘土颗粒上，将多个粘土颗粒“桥联”在一起，聚合物长链缠绕于粘土表面形成阻止粘土水化的保护层，降低了粘土的水化膨胀能力。粘土浸泡在不同介质中的体积膨胀率决定于粘土的自身性质、浸泡时间3.1.1无机阳离子聚合物这种防膨剂是永久性的防膨剂，是三价和三价以上的金属离子（如A产"，C严”，T产“等）在一定条件下组成多核轻桥络离子，带有很高的正电价能紧密地吸附在土表面上，有效地控制粘土膨胀和微粒的移动。最好的无机阳离子聚台物是羟基铝和軽基错络离子3.1.2阳离子活性剂由千阳离子活性剂中的阳离子有憎水基团，因而它与粘土表而的结合程度远大千盐

7、的阳离子结合程度，所以防膨效果较好。但阳离子活性剂作粘土防膨剂肘易与几种阴离予化学药剂反应产生沉淀，如石油磺酸盐或为提高采收率使用的部分水解聚丙烯酰胺及一些生物聚合物。ch3[C12HiH一N一jClCH,活性剂3.1.3有机聚阳离子聚合物有机聚阳离子聚合物是含氮、磷和硫的聚合物它在永中解离产生高正电价的高分子阳离子,有效地中和粘士表而的负电性。它少量存在就有很好的防膨效果，并有耐酸、耐盐的优点。ch33・2•第二类粘土防膨剂•…有机物321强抑制性三甲基硅烷基葡萄糖哥近年来，甲基葡萄糖昔（MEG）钻井液作为新型水基钻井液体系已经较为成熟。研

8、究表明，甲基葡萄糖芹钻井液可以有效地抑制泥页岩水化，维持井眼稳定，并且润滑性好、毒性低、易生物降解，因而对环境造成的污染很小，在油气层保护方面显示出其较强的优越性。