钻井过程中井壁不稳定因素与防塌钻井液技术探

【摘 要】井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂等三中基本类型;前两者造成井径扩大
或缩小,后者易造成井漏。井塌大多发生在泥页岩地层中,约占90%以上。
【关键词】泥页岩;井壁稳定;防塌;钻井液
前言
在钻井过程中,引起井径扩大、固井质量差;大段泥页岩
的坍塌、剥落掉块,造成塌卡、塌划、井眼不规则,钻井施工困难,
严重影响了快速优质钻井,延长了钻井周期,增加了钻井成本。
1.泥页岩矿物组分
泥页岩矿物其主要由大段灰色、灰绿色泥页岩组成,地层胶
结性好,易水化剥落、微裂缝发育,特别是沙河街泥页岩微裂缝
十分发育,膨胀率在10%~25%。地层粘土矿物中伊蒙无序间
层含量为40%~79%,伊利石含量在17%~62%,进入沙河街
后一般含量均大于30%,高岭石3%~17%。地层构造应力强,
孔隙压力异常,地层孔隙压力系数一般为1.14~1.50g/cm3。
2.钻井过程中井下复杂情况及原因分析
发育的微裂缝和间隙提供了优先水化作用的空间,水化作
用容易优先沿微裂缝和层间进行,产生局部水化作用,水化膜的
锲入力能使相临连接面间的斥力大于吸力,导致泥页岩的剥落掉
块和分散。从微观机理研究分析得出: Na+、Ca2+、Mg2+三种
阳离子的释放量分别有不同程度的增加,尤其Na+的释放量明显
保持最多,而K+的释放量则变化不大,表明该地区泥页岩水化
分散作用主要是沿间层粘土矿物中Na+、Ca2+离子集中的膨胀
间层进行,沿富含K+离子的非膨胀层间的水化作用较弱。
一、井壁不稳定的原因分析
在钻井施工中,井壁的失稳破坏,从钻井液角度来研究解
决这一问题,取得了一定的成效,解决井壁失稳的另一因素是
井壁稳定力学因素。
1.井壁不稳定的力学因素
(1)钻进坍塌地层时钻井液的密度低于地层坍塌压力的当
量钻井液密度;(2)起钻时的抽吸作用造成作用于井壁的钻井
液压力低于地层坍塌压力;(3)井喷或井漏导致井筒中液柱压
力低于地层坍塌压力;(4)钻井液密度过高。
2.物理化学因素
由于地层中所含的粘土矿物吸水发生水化膨胀,产生水化
应力,改变了井筒周围地层的孔隙压力与应力分布,从而引起
井壁岩石强度降低,地层坍塌压力发生变化。当井壁岩石所受
到的周向应力超过岩石的屈服强度时,就会发生井壁不稳定。
因此可以说,井壁不稳定是物理化学因素与力学因素共同作用
所导致的结果。
3.钻井工程措施
(1)井内压力激动过大造成井塌;(2)井内液柱压力大
幅度降低,造成井壁岩石受力失去平衡而导致井塌;(3)钻井
液对井壁的冲蚀作用成井壁坍塌;(4)井身质量不好。如井眼
方位变化打,狗腿度过大,易造成应力集中,加剧井塌的发生;
(5)对井壁过于严重的机械碰击。钻进易坍塌地层时,如转速
过高、起钻用转盘卸扣,由于钻具剧烈碰击井壁,从而加速井塌。
4.钻井液与泥页岩的相互作用研究
井壁稳定性分析中,弄清钻井液与泥页岩的相互作用的机
理及钻井液对泥页岩的力学性能影响的规律是至关重要的。钻
井液对泥页岩井壁稳定的影响有两方面的作用:一方面提供静
液柱压力支撑井壁;另一方面通过渗透水化作用影响泥页岩的
理化、力学性质。为此我们进行了室内模拟试验,模拟地层条
件下的上覆岩层压力、水平地应力、钻井液循环压力、排量和
原地层温度,对钻井液与泥页岩的相互作用进行了系列的试验
研究。通过试验发现提高钻井液的密度,可以降低井眼周围泥
页岩的应力水平,有利于井壁稳定,但又使泥页岩的含水量升高,
降低泥页岩的强度,不利于井壁稳定。
5.稳定井壁的技术措施
(1)选用合理的钻井液密度,保持井壁力学稳定;(2)
优选防塌钻井液类型与配方,采用物理化学方法阻止或抑制地
层的水化作用。国内外常用的防塌钻井液有以下几种类型:油
基(或油包水)钻井液、饱和盐水钻井液、KCl(KCl聚合物)
钻井液、钙处理钻井液、聚合物(包括聚丙烯酰胺、甲铵基聚合
物、两性离子聚合物、阳离子聚合物、聚磺等)钻井液、硅基(稀
硅基酸盐)钻井液和聚合醇(或多元醇)钻井液等。
二、钻井液技术对策研究及现场应用
通过对泥页岩粘土矿物组分、理化性能和钻井过程中复杂
情况分析:钻井中经常发生因井塌、掉块造成的阻卡、坍塌、
测井困难、井径扩大、固井质量不好等复杂情况,核心问题是
要解决层理、解理发育的泥页岩的坍塌、剥落掉块及力学不稳
定因素,其次是要解决高压油气水层、石膏层、漏失层等问题。
在多年钻井实际经验总结的基础上,针对油田的地层特
点,以及要解决的井壁稳定及防塌问题,对钻井液体系进行
综合配伍评价优选实验。根据处理剂在钻井液中的功用,选用
KPAM、PMHA-Ⅱ、GWJ、MMH等为主处理剂,以控制泥页
岩的水化分散,选用NPAN、CPAN、CMC等为降滤失剂,控制
钻井液API滤失量;FCLS、XY-27、硅稀释剂为降粘剂,调节
钻井液流变性能;硅腐钾、KCL、无荧光防塌剂、KHm为防塌
处理剂,选用SAS、SMP为封堵剂与泥饼改善剂,用于封堵微
裂缝和降低高温高压滤失量,依据以上处理剂为主配合其它处
理剂,利用正交试验方法优选钻井液类型配方。
三、结论及建议
1.使用有机正电胶钻井液体系与甲酸盐钻井液体系,可以
减小井下复杂事故,尤其是井塌的发生,大大降低了井径扩大率;
2.建议现在某个区块试点使用阳离子聚合物钻井液体系,
分析该体系在本区块的应用效果,评价该体系的适应性,进而
在易坍塌地层推广使用。
3.建议在试点区块使用先进技术的钻井液体系,如:两性
离子聚合物钻井液,多元醇树脂钻井液等钻井液体系,使得钻
井的整体成本下降,提高经济效益。
参考文献:
[1]鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营:中国石油大学出版社,2001.
 

田雨佳
东北石油大学  黑龙江大庆  163318
 

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