粘土矿物的膨胀对钻井作业的影响和防止

《油田化学》课题研讨粘土膨胀对钻井作业的影响及抑制方法专业班级：石工1412班指导老师：吕开河学号：姓名：2016年10月摘要：各种粘土都有吸水膨胀的性质，只是不同的粘土矿物其水化膨胀的程度不同。粘土矿物水化膨胀受到三种力的制约：表面水化力，渗透水化力，毛细管作用。正是由于粘土的吸水膨胀的性质，减少了油层的孔隙喉道，另一方面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。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：粘土膨胀力的作用钻井抑制影响1.引言：粘土矿物地层受伤害有3种方式，即：原有颗粒的迁移，酸敏性所导致的化合物沉淀以及粘土膨胀。第一种的细粒迁移是由于注液冲刷喉道，粘土水化膨胀，发生迁移聚集而造成空隙喉道堵塞。许多学者对高岭石、伊利石等矿物的细粒已有较深的研究。第二种酸敏，主要是由于，绿泥石中富含Fe2+、Fe3+。地层经过酸化处理后，随着绿泥石的溶解，Fe2+、Fe3+进入溶液。绿泥石于酸处理后最终会出现Fe（OH）3沉淀，原因在于：酸处理过程在富氧的情况下进行，Fe2+容易被氧化为Fe3+，随残酸耗尽（PH）而产生Fe（OH）3沉淀。而第三种粘土膨胀，也正是本文所要说明的。在油气的开采过程中，作为油藏岩石的主要充填物——粘土，如果与外界流体接触，就会导致其吸水膨胀。粘土矿物的直接危害就是堵塞，严重的甚至堵死油气流通通道。油气流通通道的通畅与否关系到油气产量的大小。所以粘土矿物的膨胀，造成油气流通通道堵塞之后，这样就大大的降低了油藏的渗透率以及油气采收率。2.粘土矿物的膨胀对钻井作业的影响：储层中的粘土矿物按成因可以分为两类：一类为陆源粘土矿物，它与砂质同时沉积，常构成砂岩粒间的杂基和泥质纹层，由于受到搬运和沉积过程中的磨蚀，一般不能形成良好的晶形；另一类为自生粘土矿物，它是在沉积和成岩过程中形成的，一般在分选性好、渗透率好的孔隙储层砂岩中较发育，通常具有良好的晶形，其结晶程度与储层的空隙发育程度有关。自生粘土矿物的组成与空隙水的化学组成、储层骨架颗粒的成分和成岩变化程度有关。粘土矿物的颗粒细小，当它与岩石骨架颗粒的结合强度不大时容易被空隙中的流体携带运移，堵塞喉道。另外，粘土矿物具有很大的比表面积和表面能。粘土矿物具有亲水性，亲水性是指在矿物表面引力的作用下所形成的结合水的能力。粘土矿物的诸多理化性质依赖于粘土矿物的亲水性。粘土矿物的亲水性与它的化学组成、结构电荷和交换性阳离子数量有关，其总亲水性的大小在很大程度上取决于矿物的比表面积。除此之外，粘土矿物还有一些其他的性质，比如说带电性、阳离子交换性质、吸附性、絮凝和分散性。以上是关于粘土矿物的一些性质。同时最为重要的是粘土矿物的膨胀性，这是造成粘土膨胀堵塞油气流通通道的最为主要的因素。膨胀性是指粘土矿物吸水后体积增加的特性。粘土矿物吸水后，引起粘土矿物表面平衡电价的可交换阳离子解离，在粘土晶层表面形成扩散双电层，晶层表面带负电，在静电斥力的作用下，晶层间间隙增加，引起粘土膨胀。粘土矿物中，蒙脱石的膨胀性最大，高岭石、伊利石、绿泥石由于晶层间作用力较大而膨胀性较小，属于非膨胀性粘土，但是退化的伊利石具有较大的膨胀性。从粘土的不稳定特征分析知道，不同类型的粘土矿物的不稳定机制不同。对于不同种类的粘土矿物在相同或者不同油层储层改造措施中具有各自的主要伤害方式，有其特殊性。如绿泥石或含有绿泥石层的矿物在酸化作用中容易产生酸敏。但就伤害方式的普遍性来看，各类粘土矿物都有一定分散性、膨胀性、吸附性、阳离子交换性，造成微粒运移和由阳离子交换结垢，伤害储存又是其共性。实际上，在地层中只要地层微粒（37）存在，就会出现微粒运移，就有伤害储层的可能性。同样，地层流体中若含有活动的二价阳离子就有可能结垢伤害储层。结垢：由粘土矿物的结构知道，各类粘土矿物都有一定阳离子交换能力。而阳离子交换是结垢的一大主要原因，这主要是溶液中的Na+等去交换了粘土矿物中所含的部分二价Ca2+、Mg2+等。对于这种结垢机理在实验室已得到很好地额证实。用不同浓度的NaOH与Na2CO3分别对蒙脱石进行浸泡处理，在一定的反应时间后分别进行XRD分析。结果表明：无论是何种浓度的NaOH溶液还是Na2CO3溶液，随着反应时间延长蒙脱石的一级峰由低角度（大间距）向（小间距）发生漂移，证明原来高晶面间距的Ca2+蒙脱石发生Na+交换了Ca2+而成了低晶面间距的Na+蒙脱石。对于粘土矿物的膨胀，原因在于粘土中可交换的阳离子，比如说钠离子，在水中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，带负电的片状结构自行分开而引起粘土膨胀。粘土矿物广泛存在于油层中，全世界97%的油层都有不同程度地含有粘土矿物。通常，当油藏含粘土5%20%时，则认为是粘土含量较高的油层。如果在开发过程中措施不当，就会造成粘土矿物膨胀、分散和运移，导致渗透率下降，产生地层伤害。在不含见水膨胀型粘土矿物的砂岩地层中，其他微粒也会造成地层岁还，这些微粒是可运移的石英微粒和一些非膨胀型粘土矿物高岭石、伊利石、绿泥石及一些混合层粘土等。大多数低渗透的油气层都含有粘土矿物质，它们有的是碎屑粘土在沉积作用下沉积下来的，也有矿石在热力、压力的长期作用下形成的，还有在水流流过基岩时，自生的粘土沉积形成的。通过对这些矿物质在油、气生产中的重要性和它们对渗透率危害的广泛调查，一般认为膨胀和运移是这些矿物质损害渗透率的两个重要因素。膨胀过程中，粘土把水吸入到晶体结构中，导致粘土体积的增加，从而堵塞地层孔道；在运移的过程中，粘土物质被外来液体分散，或为产出液所携带，在毛细管的空隙喉道处形成桥阻或者节流点，然后导致地层渗透率的下降。防止发生伤害的常用方法是使用粘土稳定剂。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。同时粘土膨胀后，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，造成钻速下降和钻头过热，对于PDC和TSP钻头会造成十分严重的伤害，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量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,水分子易进入晶层之间,引起晶格膨胀，采用钻井法施工通过膨胀性粘土层时,由于这些地层遇水后体积膨胀,易使井筒直径缩小,从而造成钻头在钻进过程中提升困难以及卡钻现象。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时排除,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。3.粘土矿物膨胀的防止为了保护油气地层的渗透性，必须使用化学处理剂稳定地层中的粘土矿物。其中能防止粘土矿物膨胀的处理剂称为防粘土膨胀剂（防膨剂），能防止粘土微粒运移的处理剂称为防粘土微粒运移剂（防运移剂），两者都属于粘土稳定剂。根据粘土矿物的水敏机理，如果在注入水中添加一些注剂，让注入水成为带正电离子的溶液，利用正电离子与粘土晶片表面负离子作用，结合成一个防膨的体系，在粘土表面形成一个憎水面，隔离粘土晶面硅氧键或氢氧键的偶极对水分子的吸引，从而起到防止粘土水膨胀的作用；其次利用这种溶液在水化的粘土体系中产生离子间排斥和聚合凝缩作用，使粘土矿物在这种分子间力的作用下聚结，起到防止粘土分散运移的作用，这种能消除粘土矿物水敏性的注剂就是粘土稳定剂。低渗透油层一般粘土含量高、孔喉半径小、渗透率低，大相对分子质量的阳离子聚合物类粘土稳定剂往往会加重对低渗透油层渗透率的伤害，因此中小相对分子质量粘土稳定剂的使用在低渗透油田开发中起了关键作用。低渗透油层一般粘土含量高、孔喉半径小，渗透率低，相对分子质量大的阳离子季铵盐型粘土稳定剂的合成研究及防膨胀性能评价聚合物类粘土稳定剂往往会加重对低渗透油层渗透率的伤害，因此适合储层特征的中小相对分子质量粘土稳定剂的使用在低渗透油田开发过程中起了关键作用。油气粘土矿物的稳定，主要是根据粘土上表面离子交换的特点，用某些化合物离解出的强结合力离子代替粘土表面结合力弱的易解离的阳离子，改变粘土的理化性质，控制水化膨胀、分散和运移。油田用长效粘土稳定剂一般为阳离子型聚合物。通过与粘土吸附的阳离子的交换，这些带正电荷的阳离子聚合物中和粘土上的负电荷，是电斥力消除，粘土呈压缩状。由于聚合物在粘土晶格中多点结合，要同时解脱所有的结点是不可能的，这就达到了长效防止粘土膨胀的目的。用一价、二价阳离子控制粘土膨胀是石油工业中普遍采用的方法。但是这种阳离子易被交换，仅能暂时控制粘土膨胀。一些水解的金属化合物能有效的控制粘土膨胀。4.结语粘土矿物的膨胀对地层的伤害非常之大，它是影响井壁稳定的直接因素，必须及时采取相应的措施防止粘土矿物的膨胀，以降低其对油田开发的影响。粘土稳定剂对于防治粘土矿物的膨胀有着比较显著的作用，目前对粘土稳定剂还在研究之中。相信在以后的科研水平上，会对防止粘土膨胀这一方面有卓越的进步。