防塌钻井液技术应用与实践

防塌钻井液技术应用与实践

钻井工程技术研究院二〇一四年二月

汇报人：马文英汇报人：马文英

钻井工程技术研究院

汇报提纲

一、概述

二、研究与应用

三、体会与认识

四、下步工作方向


一、概述

井壁失稳是钻井过程中永恒的技术难题，严重制约着

施工安全，延长钻井周期，增加钻井综合成本。中原油

田研究应用了以饱和盐水、聚磺钾盐等为主的防塌钻井

液体系，较好解决了中原、新疆、西南等地区泥页岩地

层井壁失稳问题。


随着勘探开发的深入、施工区域拓展，钻遇地层复杂。页岩、碳质泥岩、煤层等地层，以及长水平段钻井易出现井壁失稳问题，因此，对钻井液防塌性能提出更高要求。

中原地区：泥岩含量高，易水化分散内蒙地区：火成岩地层，易破碎陕北地区：碳质泥岩、煤层，胶结差

泥页岩遇水分散泥页岩遇水分散硬脆性掉块硬脆性掉块火成岩掉块火成岩掉块

一、概述


针对不同地层特征，进一步开展了防塌钻井液技术研究，并在中原、四川、陕北、内蒙等地区应用 70 余井次。

针对不同地层特征，进一步开展了防塌钻井液技术研究，并在中原、四川、陕北、内蒙等地区应用 70 余井次。

泥页岩硬脆性泥岩

提高抑制性

碳质泥岩和煤层抑制 + 封堵

火成岩地层抑制 + 封堵 + 固壁

一、概述


汇报提纲

一、概述





（一）提高抑制性

（二）封堵技术

（三）固壁技术


从以下三方面提高钻井液防塌性能：从以下三方面提高钻井液防塌性能：


针对现有无机盐类等处理剂抑制能力不足，研究应

用了 2 种高性能抑制剂：

聚胺抑制剂（ FYZ-1 ）

阳离子烷基糖苷（ CAPG ）

（一）提高抑制性


（一）提高抑制性—聚胺抑制剂

基于特殊分子结构及作用机理，研究应用了聚胺抑制剂 FYZ-1 。基于特殊分子结构及作用机理，研究应用了聚胺抑制剂 FYZ-1 。

• 锚固作用• 疏水作用

作用机理

吸附基团（胺基、羟基）控制分子量大小、分布范围引入疏水基团，阻止水分子进入

吸附基团（胺基、羟基）控制分子量大小、分布范围引入疏水基团，阻止水分子进入

N* (CH2)n

++N

CH2

CH

CH2

*

OHR2

m

OHOH

R1

R3 R4

疏水基团疏水基团

吸附基团吸附基团

聚胺与粘土层无机阳离子存在化学势差

• 静电引力• 氢键作用


性能评价性能评价

试液 PVmPa.s

YPPa

Gel(Pa/Pa)

FLmL

聚磺钾盐井浆 1# 74 17.0 3.5/17 2.2

1# +0.3%FYZ-1 74 17.5 2.5/15 1.8

饱和盐水井浆 2# 74 17.5 2.5/15 1.8

2#+0.3%FYZ-1 60 17 4/24 3.4

聚磺井浆 3# 28 28 10/27.5 5.2

3#+0.3%FYZ-1 28 30.5 10.5/29 3.2

与不同类型钻井液配伍性与不同类型钻井液配伍性

FYZ-1 加量%

R1%

R2%

R%

0 10.8 - -

0.2 96.0 95.0 99.0

0.3 96.0 95.6 99.6

页岩回收实验页岩回收实验

吸附稳定性好，抑制泥页岩水化分散能力强加量低， 0.2%-0.3% 即达到良好抑制效果与现场常用饱和盐水、聚磺钾盐等钻井液的配伍性良好



聚胺抑制剂研发后快速转化、全面推广，在中原、吉林、陕北、冀东、四川等地区的白 - 平 3HF 、冠古 1 等 50 余口井现场应用。

解决了复杂地层井壁失稳问题有效减少井下复杂，实现安全快速钻进

部分施工井情况统计地区井号施工井段施工地层岩性

中原

白 - 平 2HF 斜井段沙三段深灰色泥岩白 -3HF 斜井段沙三段泥页岩

文 72-439 直井段文九盐盐膏层文 88-FP1 水平段沙三中软泥岩

东北长深登平 26 水平段登楼库组泥岩

长深平 14 水平段营城组火山熔岩、火山碎屑岩、砂岩、砾岩和泥岩互层

冀东 NP23-P2016 水平段沙河街组灰色泥岩、凝灰岩西南中江 16H 水平段沙溪庙组泥岩



井号平均井径扩大率， % 井号平均井径扩大率，%

白 - 平 2HF 4.90 中江 16H 7.03

白 -3HF 9.16 YD2HF 3.4

濮深 21 0.49 NP23-P2016 12

文 88-FP1 5.88 文 72-439 6.6

钻遇地层为水敏性泥页岩、软泥岩或硬脆性泥岩等地层，施工井段井壁稳定、井径规则，拓宽了安全密度窗口，为后期作业提供保障。

应用效果应用效果

部分施工井井径扩大率



白 - 平 2HF 井三开面临无法钻进，使用

聚胺解除了复杂，顺利中完。因此，白 - 平 3H

F 井钻进至三开易失稳井段前使用聚胺抑制剂。

三开钻进过程中没有复杂出现，井壁稳定，定向顺利，起下钻通畅，

每一次下钻均能顺利到底使用钻井液密度不超过 1.65 g/cm3 ，而邻井白 - 平 2HF 井钻井液最高密

度达到 1.78 g/cm3

同比缩短钻井周期 22d （ 3304-4086m ）

应用井例—白 -3HF 井应用井例—白 -3HF 井

白 - 平 2HF 井掉块



应用井例—冠古 1 井应用井例—冠古 1 井

在井眼加深过程中， 3400m 遇阻，井壁发生泥页岩周期性坍塌，无法正常钻进。在提高钻井液抗温性、保证应力支撑、加入沥青材料的基础上，加入聚胺抑制剂 600Kg ，有效抑制了泥页岩的水化坍塌，解除了划眼复杂，确保了该井的安全施工。

应用井例—南堡 23- 平 2016 井应用井例—南堡 23- 平 2016 井

4800-4930m 出现掉块、井壁垮塌后使用 FYZ-1 ，复杂解除，顺利钻进至中完，电测、下套管顺利；井底位移 3792m ，创造了冀东油田同类井同井段位移最大纪录；在井斜 80° 、井深 5377-5379m 处潜山风化壳地层取心成功，创大位移水平井取心新纪录。



烷基糖苷（ APG ）润滑性好，较好解决定向、托压问题，但针对强水敏地层抑制性不足，因此，研制开发出阳离子烷基糖苷（ CAPG ），大幅度提高了抑制性。

烷基糖苷（ APG ）润滑性好，较好解决定向、托压问题，但针对强水敏地层抑制性不足，因此，研制开发出阳离子烷基糖苷（ CAPG ），大幅度提高了抑制性。

吸附成膜、拉紧晶壁、嵌入去水化等多重作用吸附成膜、拉紧晶壁、嵌入去水化等多重作用

作用机理

CAPG溶液 CAPG晶体

（一）提高抑制性—阳离子烷基糖苷


CAPG润滑性好，抑制性强，岩屑一次回收率达 99.15% ，相对回收率达 99.45% ，达到一剂多用

钻井液性能稳定，抗盐达饱和、 5%氯化钙、 10% 钻屑、 20% 水侵、 10% 原油

初步形成 CAPG 钻井液的性能初步形成 CAPG 钻井液的性能

温度℃

老化条件

PVmPa.s

YPPa

GPa/Pa

FLmL

130热滚 16h 30 28 9.0/12.0 4.4

热滚 48h 25 30 8.5/12.5 4.4

160

热滚 16h 28 23.5 3.5/4.5 3.8

热滚 32h 27 22 3.0/3.5 4.0

热滚 48h 26 14 2.0/2.5 5.6

CAPG润滑性

CAPG 与同浓度 APG降低 76.7%

名称浓度%

极压润滑系数

APG3 0.180

5 0.150

CAPG3 0.071

5 0.035

性能评价性能评价



在中原、四川、鄂尔多斯等地区长段水平井和小井眼侧钻井等 10口井应用，较好地解决了致密砂岩、含泥砂岩、碳质泥岩等地层井壁失稳、润滑防卡等问题。

（ 1 ）长段水平井应用部分施工井情况

区域施工井号开次密度 /(g/cm3) 岩性应用井段 /m

西南中江 16H 二开 1.95 含砂泥岩 1500-3001

陕北

靖南 72-13H1 三开 1.25 白云岩、泥岩 3753-4440 ； 4263-4714

高桥 26-126H 三开 1.30 泥岩、煤层、致密砂岩 3001-3547 ； 3333-4109

高桥 46-118H1 三开 1.30 泥岩、砂岩 2750-4271

大牛地DPH-90 三开 1.32 泥岩、砂岩 3188-3980

DPS-50 三开 1.30 砂岩夹泥岩 3452-4021



• 靖南 72-13H1 井水平段使用 CAPG 和 KCl ，钻完井期间（完钻静止 44天）井壁稳定；邻井靖南 70-6H1 井水平段 4925m 遇阻卡

• 高桥 26-126H 井造斜段和水平段使用 CAPG 和 KCl ，钻遇泥岩、煤层，井壁稳定，起下钻、完井作业顺利，分段管柱下入到位

• 高桥 46-118H1 井造斜段和水平段使用 CAPG ，起下钻顺畅，井壁稳定，钻完井施工顺利

• 靖南 72-13H1 井水平段使用 CAPG 和 KCl ，钻完井期间（完钻静止 44天）井壁稳定；邻井靖南 70-6H1 井水平段 4925m 遇阻卡

• 高桥 26-126H 井造斜段和水平段使用 CAPG 和 KCl ，钻遇泥岩、煤层，井壁稳定，起下钻、完井作业顺利，分段管柱下入到位

• 高桥 46-118H1 井造斜段和水平段使用 CAPG ，起下钻顺畅，井壁稳定，钻完井施工顺利

钻井液抑制性强，井壁稳定能力好钻井液抑制性强，井壁稳定能力好




钻井液润滑性能优良，利于提高机械钻速钻井液润滑性能优良，利于提高机械钻速

• 水平段摩阻平均 6-8t ，较好解决了水平位移大、井斜角大、泥质含量高导致的钻头泥包、托压、摩阻大等问题

• 水平段摩阻平均 6-8t ，较好解决了水平位移大、井斜角大、泥质含量高导致的钻头泥包、托压、摩阻大等问题

井号靖南 72-13H1 高桥 26-126H 高桥 46-118H1 DPH-90 DPS-50

井身结构四开三开三开三开三开

转化前摩阻 /t — 7-8 — 9 10

转化后摩阻 /t — 5-6 8-10 5-6 5-6

水平段摩阻 /t 6~8 6-8 7~9 7-8 7-8

水平段钻速 /(m/h)

9.71 3.22 3.42 4.63 7.23



（ 2 ）小井眼侧钻井初步应用

施工井号密度 /(g/cm3) 岩性侧钻井段 /m

春 17 侧 1.20 含泥砂岩 2873-3039

文 25-62H 1.40 含泥砂岩 2130-2681

文 234-17H 侧 1.45 膏泥岩 2080-2650

部分施工井情况

东濮凹陷小井眼侧钻井钻遇泥岩、含泥砂岩等井段，存在失稳、卡钻、摩阻高等情况，影响安全施工，钻井液成本加大。

钻井液抑制了膏泥地层水化造浆，性能保持稳定，摩阻低完井电测一次成功，下套管施工顺利 CAPG 钻井液综合成本降低 25%-35% 。

钻井液抑制了膏泥地层水化造浆，性能保持稳定，摩阻低完井电测一次成功，下套管施工顺利 CAPG 钻井液综合成本降低 25%-35% 。



粒径小（ 10-70um ），可变形进入孔缝，形成密实封堵

耐温 135℃ ； 20-40目沙床封堵承压强度达 8.5MPa

封堵端面封堵端面 4.5cm 深度4.5cm 深度

针对微孔隙、微裂缝渗透性地层，使用常规封堵材料不匹配的难题，研发了微米级可变形封堵剂—凝胶微球 OFP-I 。


通过凝胶微球、超细植物纤维、超细钙、沥青类产品等选择配伍，以及粒度级配，形成封堵技术。


靖南 70-6H 井斜井段施工效果靖南 70-6H 井斜井段施工效果

井号井段 /m 钻井液体系平均井径 /cm扩大率，

%

应用井靖南 70-6H 3150-3390 聚磺钻井液 23.10 6.99

靖南 70-6H 3390-3830 聚胺钻井液 21.96 1.71

对比井靖平 69-12井 3395-3770 聚磺钻井液 27.21 12.77

靖南 70-6H 井与邻井井径对比

钻井、完井顺利，岩屑均匀，顺利穿过四套煤层和大段碳质泥岩

起下钻、通井顺利，井径规则，井径扩大率较邻井大幅度降低

掉块

在陕北地区通过抑制技术、强化封堵技术的应用，较好解决了煤层和碳质泥岩地层坍塌问题。

在陕北地区通过抑制技术、强化封堵技术的应用，较好解决了煤层和碳质泥岩地层坍塌问题。



川东北地区陆相地层倾角大，破碎、胶结性差。在保证抑制性的同时，采用 SCL 、磺化沥青 FT-1 和超细碳酸钙协同强化封堵，改善泥饼质量，扩宽了钻井液密度的安全窗口。

元坝 10 井施工效果元坝 10 井施工效果井壁稳定，平均机械钻速较邻井大幅度提高，钻井进尺为

35-40m/d 同层位钻井液密度较邻井降低 0.12-0.37g/cm3

钻遇高压层后，钻井液密度最高提至 2.17g/cm3 ，钻井液流变性好，抗污染能力强

该井是勘探南方分公司七口提速井速度最快，最先完成的井！




解决了常规硅酸盐钻井液的抗温、抗粘土污染能力差，流变难以控制等难题，并提高了封堵固壁能力。

￭密度 1.03-1.80g/cm3

￭抗温 130℃

￭硅酸钠含量 5%~10%

￭密度 1.03-1.80g/cm3

￭抗温 130℃

￭硅酸钠含量 5%~10%

岩心体系封堵率%

岩心抗压强度MPa

原始岩心

盐水 0 6.5

聚磺钾盐钻井液 86.37 9.5

聚合物钻井液 90.45 9.0

硅酸盐钻井液 98.26 11.5

针对破碎性和应力掉块地层，完善形成了硅酸盐钻井液。针对破碎性和应力掉块地层，完善形成了硅酸盐钻井液。

硅酸盐进入地层，与地层矿物和地层水反应，生成无机胶结物封堵孔道、固结井壁。

作用机理：


在内蒙地区查干凹陷意 7 井和意 11 井应用，在抑制、封堵技术的基础上，强化化学固壁能力，初步解决了火山岩坍塌掉块和泥岩失稳的问题。

井号意 7 井意 11 井试验井段 /m 860-2298.4 500.9-3504.3

火山岩厚度 /m 477 803

钻井周期 /d 33.6 83.7

同比节约周期 /d 16 26

井径扩大率 /% 6.2 5.6

机械钻速 /(m/h) 4.97 2.68

现场应用情况现场应用情况

应用井情况应用井情况



意 7 井井径扩大率 6.2% ，同比降低幅度 41％意 11 井井径扩大率 5.6% ，同比降低幅度 54％意 11 井目的层钻井液密度 1.32g/cm3 ，较邻井降低 0.10-0.15g/

cm3

井壁稳定、井径规则

井下复杂少起下钻较通畅，测井、下套管均一次成功复杂时效由平均 5.73%降低到 1.4% ，有助于缩短钻井周期




硅酸盐钻井液能够抑制大段泥岩水化分散，泥岩钻屑完整，坂含小于 35.75g/L ，流变性易于控制

钻井液抑制性强，固相含量低



汇报提纲

一、概述






1 、聚胺抑制剂与现场常用钻井液配伍性良好，低加量下抑制效果突出；目前尚未形成有效含量测定方法。

2 、 CAPG 在致密砂岩、含泥砂岩及碳质泥岩等地层取得良好应用效果，与 APG相比，低加量条件下（ 3%-5% ）兼顾了良好抑制性和润滑性，钻井液性能稳定。

3 、硅酸盐钻井液在火山岩地层应用取得初步效果，为进一步提高井壁稳定能力，需进行快速封堵技术研究。

进一步强化“抑制、封堵、固壁”等综合防塌技术研

究及应用，树立预防为主理念。

进一步强化“抑制、封堵、固壁”等综合防塌技术研

究及应用，树立预防为主理念。


汇报提纲

一、概述





1 、深入聚胺、 CAPG 作用机理及适应性研究；开发配套的处理剂，

形成以聚胺、 CAPG 为主的防塌钻井液

2 、针对不同区域地质条件，开发相应的封堵技术，进一步提高井壁

稳定性

3 、研发硅铝酸盐钻井液，强化封固层的胶结强度，保障破碎地层或

多套压力系统地层的安全钻进

4 、针对强水敏性泥页岩，研究高浓度氯化钙钻井液，降低钻井液活

度，进一步提高井壁稳定能力


技术研究


1 、从岩石力学方面，开展不同地层岩石应力变化规律、

以及垮塌机理等研究

2 、进一步完善井壁稳定评价方法，解决室内评价结果

与现场防塌能力对应关系不强的问题

基础研究



汇报完毕敬请指正！

防塌钻井液技术应用与实践

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