硅酸盐抑制性及稳定井壁机理探讨

硅酸盐钻井液是一种抑制性能优良、环境相容性好、成本较低的水基钻井液体系。国外近年研究应用较多,而国内研究应用相对滞后。通过抑制性实验、针入度实验及凝胶生成等实验研究,认为该体系稳定井壁机理是:堵塞泥页岩孔隙和微裂缝,阻止滤液进入地层;抑制页岩中粘土矿物水化膨胀和分散;硅酸盐与地层粘土矿物发生化学反应生成利于井壁稳定的新矿物;配合使用的高浓度氯化钠或氯化钾的协同稳定作用。     

硅酸盐钻井液的抑制性及其影响因素的研究

硅酸盐钻井液具有良好的井壁稳定作用，且无毒、无荧光、成本低，被认为是具有发展前景的水基钻井液之一。着重研究和探讨了硅酸盐的抑制能力、影响因素及稳定井壁的机理。研究表明，硅酸盐具有较强的抑制能力，抑制效果明显地优于KCl、CaCl2等无机盐类；硅酸盐的模数、加量和钻井液的PH值是影响硅酸盐抑制能力的主要因素；钻井液中硅酸钠的模数为2．8～3．0，加量为3％～4％，且钻井液的pH值维持在11以上时，硅酸钠的抑制效果更好；硅酸盐能与无机盐和聚醇类产生协同作用，从而提高硅酸盐的抑制能力。硅酸盐稳定井壁的机理：硅酸盐与地层矿物反应生成沉淀封堵地层微小裂缝和孔隙，改善和提高了泥页岩的半透膜效率；抑制粘土水化膨胀和分散；降低地层孔隙中压力传递速度；与地层中粘土矿物发生反应。     

硅酸盐钻井液LS的研制与性能评价

硅酸盐钻井液由于具有环保、价格低廉、抑制性能好等优点,近年来得到了人们的普遍关注.硅酸盐钻井液稳定井壁的机理为:当硅酸盐钻井液的pH值大于11时形成凝胶,而且硅酸盐还能与地层水中的高价金属离子形成沉淀,堵塞页岩的裂缝与孔隙,阻止了钻井滤液的侵入与压力的传递,同时由于硅酸盐与无机盐具有协同效应,增强了页岩的抑制性能,避免了井壁失稳的发生.研究了硅酸盐与无机盐KCl的加量、聚合物及pH值对钻井液性能的影响,得出了合理的钻井液配方:5%膨润土 5%硅酸钠 1%MV-CMC 2%SMP 3%KCl 0.5%其它添加剂.研究结果表明,所研制的硅酸盐钻井液LS具有很好的抑制性与抗温性能.     

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钻井过程中,由于钻井滤液的侵入,地层中的粘土矿物发生水化,膨胀,分散,削弱了岩石的力学强度,导致井壁失稳的发生,文中简述了聚乙二醇钻井液页岩抑制机理;浊点行为,协同作用,渗透作用,结合室内实验分析了影响聚乙二醇钻井液抑制作用的因素,当温度达到聚乙二醇的浊点温度后,聚乙二醇从溶液中析出封堵页岩裂缝,当在聚乙二醇钻井液中加入合适的无机盐后,无机盐与聚乙二醇起协同作用,提高了聚乙二醇的页岩抑制性能,达到稳定页岩的目的。     

MEG钻井液页岩抑制性研究

在钻井过程中,由于钻井液滤液的侵入,地层中的粘土矿物发生水化膨胀和水化分散作用,削弱了岩石的力学强度,致使井壁发生失稳。MEG钻井液是一种具有成膜作用的水基钻井液,对页岩具有较好的抑制作用。文中简单阐述了MEG钻井液页岩抑制性机理,分析研究了影响MEG钻井液页岩抑制性的因素,实验验证MEG钻井液的成膜作用。MEG钻井液主要是通过半透膜效应、封堵作用、渗透作用及去水化作用抑制页岩的水化分散和膨胀,当 钻井液中MEG浓度足够大时,MEG分子吸附在井壁岩石或钻屑表面上形成一层憎水膜,阻止钻井液滤液向地层或钻屑中渗透。研究表明,MEG浓度大于30％时,其抑制页岩的能力优于浓度为3％的KCl溶液;钻井液中MEG的加 量是影响钻井液抑制性的主要因素,并且钻井液中加入无机盐后,无机盐与MEG协同作用使MEG钻井液的页岩抑制能力提高;钻井液中MEG浓度越高,膜效率越好,MEG浓度大于50％时,页岩内水份渗出。

     

硅酸盐钻井液对泥页岩地层井眼稳定性影响研究

油基钻井液的使用对保护环境和降低成本造成了越来越大的压力，研制出一种具有油基钻井液特性而又没有环境污染的水基钻井液成为必然。室内实验验证了硅酸盐钻井液稳定泥页岩地层井壁的机理，当硅酸盐钻井液渗入泥页岩地层时，就会和泥页岩孔隙流体迅速作用，发生聚合和沉淀反应；由凝胶物和硅酸盐沉淀物形成的屏障和高选择性渗透膜系统将进一步阻止滤液侵入和压力渗透，对页岩中的裂缝和裂纹起封堵作用。对硅酸盐钻井液性能研究表明，其流变性可通过控制钻井液的pH值（不小于11）调节；现场硅酸盐加量最好不要超过5％；无论是加重前还是加重后，硅酸盐钻井液的常规性能均能满足钻井工程的一般要求；抗粘土污染能力强。在WZ12-1-7井的应用表明，硅酸盐钻井液在钻进过程中性能良好，钻井、下套管施工顺利。     

硅酸盐钻井液防塌性能的室内研究

在一系列硅酸盐水溶液和泥浆中测定了页岩回收率和页岩稳定指数。结果表明，防塌钻井液所用的硅酸盐模数以２．８—３．２为好，加在２％—５％左右较好；当用于含ＫＣｌ的泥浆时，硅酸盐的钠钾比对防塌性能的影响不显著；适量的无机盐可与硅酸盐产生协同作用而提高防塌性能，但钙离子过量会破坏泥浆性能。有机处理剂和粘土主要影响硅酸盐钻井液的流变性和滤失性能，对防塌性能基本上无直接影响。     

稀硅酸盐钻井液防塌性能的影响因素

以多种稀硅酸盐水溶液和泥浆进行了页岩分散试验和页岩稳定指数试验.结果表明：防塌钻井液所用的硅酸盐模数以2.8～3.2为好,加量在2%～5%较好;当用于含KCl的泥浆中时,硅酸盐的钠、钾比例对防塌性能的影响不显着;适量的无机盐可与硅酸盐产生协同作用提高防塌性能,但钙离子过量会破坏泥浆性能.有机处理剂和粘土主要影响硅酸盐钻井液的流变性和滤失性能,而对防塌性能基本上无直接影响.地层特性是影响稀硅酸盐钻井液防塌效果的最复杂因素.     

硅酸盐钻井液体系在鄂尔多斯盆地东胜气田的应用

鄂尔多斯盆地东胜气田二叠系石千峰组、石盒子组发育大段泥页岩,在钻井施工中井壁失稳现象频发。结合东胜气田地层特征,分析井壁失稳原因,研究硅酸盐的封堵性和抑制性,优选形成硅酸盐钻井液配方,并对其抑制性及封堵性进行实验研究。研究结果表明:(1)石千峰组、石盒子组泥页岩中黏土矿物平均含量为56%,以伊蒙混层为主,伊利石次之;泥页岩原生层理及微裂缝,黏土矿物中伊利石、蒙脱石的水化膨胀性能差异是井壁失稳的主要原因。(2)自主研发的硅酸盐钻井液体系具有较强的抑制泥页岩水化膨胀的能力,较强的微小裂缝封堵能力;当该体系中硅酸盐的模数为2.8~3.0、加量3%、p H值维持在11以上时,硅酸盐钻井液的抑制效果更好;同时该体系中的硅酸盐与地层矿物反应生成絮状沉淀,可封堵地层微小裂缝和孔隙,阻止滤液深度侵入,维持了井壁稳定。(3)通过在东胜气田两口井的现场试验,达到了环境保护和井壁稳定的目的,取得了较好的应用效果。该研究成果为其他类似地质条件钻井液的应用提供了借鉴经验。     

硫酸钾/硅酸盐钻井液技术在Prosopis E1-1井的应用

乍得Bongor盆地Prosopis区块Kubla、Mimosa地层易水化膨胀粘土矿物含量高,地层中层理和微裂隙发育,为解决钻井过程中的膨胀、垮塌、缩径等井下复杂情况,限于乍得严格的环保要求,KCl/硅酸盐钻井液体系不能适应现场需要,通过室内实验,研制出一种强抑制的K_2SO_4/硅酸盐钻井液体系,并对其性能进行评价。在现场Prosopis E1-1应用表明,K_2SO_4/硅酸盐钻井液具有良好的抑制泥页岩水化膨胀能力,能够防止地层的垮塌,起到了保护井壁的作用,井径规则,悬浮携岩能力强,安全环保。     

Investigation on influence of drilling unloading on wellbore stability in clay shale formation

Wellbore collapse frequently happens in the clay shale formation. To maintain wellbore stability, appropriate mud pressure is a vital factor. When clay formation is opened, drilling unloading occurs, modifying rock structure and strength at the wall of borehole, which affects the selection of mud pressure. Currently, mechanism of drilling unloading is still poorly understood which in return will bring a concern to wellbore stability. Therefore, in this study, a combination of triaxial compressive test and ultrasonic wave test has been used to simulate drilling unloading and analyze its mechanism. Results indicate that more void space is created inside the clay shale sample due to unloading. This structure change leads to a decline of strength and acoustic amplitude. Additionally, unloading influence is depended on varying drilling unloading parameters. Small unloading range and fast unloading rate are able to enhance stability. With various degrees of unloading impact, collapse pressure equivalent density has a clear modification, proving that unloading is a non-negligible influencing factor of wellbore stability.Besides, the unloading effect is much stronger in large confining pressure, implying that more attention should be given to unloading when drilling is in extreme deep or high geostress formation. Findings in this paper can offer theoretical guidance for drilling in the clay shale formation.     

空气泡沫钻井流体井壁稳定性研究

针对空气钻井中遇到地层大量出水时无法钻进、需转化为空气泡沫钻井的情况,优选出了有利于空气泡沫流体钻井时井壁稳定的处理剂GXG、AP-1和WJ-3,形成了一套具有良好井壁稳定性能的空气泡沫钻井流体配方,对该泡沫流体的抑制性、井壁稳定性等性能进行了评价。结果表明,所研究的空气泡沫钻井流体具有强抑制性,页岩回收率达97.4%,页岩膨胀量较清水降低67.1%。该空气泡沫钻井流体能使泡沫在井壁上形成保护膜,阻止水进入地层,有效防止井壁坍塌,井壁稳定效果良好。     

力学温度和化学耦合作用下泥页岩地层井壁失稳研究

为减少泥页岩地层,特别是高温-高压泥页岩地层的井眼失稳问题,将泥页岩地层视为孔隙介质,在综合考虑岩石特性、井眼周围三维地应力、化学及热效应等因素对泥页岩地层井眼稳定的影响的情况下建立了井眼周围有 效应力计算模式,通过有限差分法进行求解。结合地层失效准则,得到了温度、渗流以及岩石特性对坍塌压力和破裂压力的影响规律。研究的结果表明对低渗透率的泥页岩来说,热效应以及化学反应在确定钻井液密度窗口时起到重要作用。计算结果对实际钻井有理论上的指导意义。     

硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展

硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。基于此，从硬脆性泥页岩的基本特征出发，根据其组成成分和结构特征的差异，总结了纯力学、渗流– 应力耦合和渗流– 应力– 化学耦合3 种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。研究了硬脆性泥页岩4 种力学失稳机制、钻井液侵入裂缝的驱动作用、存在和不存在活性黏土矿物情况下强度弱化机制以及不同裂缝形式下的井壁稳定计算模型。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布规律是影响井壁稳定分析的关键因素，从微观角度描述多场耦合作用下硬脆性泥页岩裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程将成为未来研究的热点和难点。     

钾离子稳定井壁作用机理研究

研究了钙蒙脱土、钠蒙脱土和钾蒙脱土在清水和7%KCl溶液中的水化膨胀,用X射线衍射仪测定了3种蒙脱土在清水和7%KCl溶液中浸泡后的层间距,结合粘土膨胀机理的最新研究结果,对K 抑制粘土水化膨胀的作用机理进行了探讨.在粘土膨胀实验中发现,KCl溶液在岩心中的渗透速度较清水快,使得在实验前期,岩心在7%KCl溶液中的膨胀高度大于在清水中的膨胀高度,这种现象对井壁稳定是不利的,有必要进行更深入的研究.研究结果表明,在粘土的晶层膨胀阶段,层间阳离子受束缚而不能进行离子交换,因此K 不能有效抑制钠蒙脱土和钙蒙脱土的晶层膨胀;在粘土的渗透膨胀阶段以及完全分散的粘土中,层间阳离子能进行离子交换,K 能有效抑制粘土的渗透膨胀和分散,控制地层造浆.与渗透膨胀相比,粘土的晶层膨胀量低但膨胀压力大,晶层膨胀引起的近井壁地层应力变化对井壁稳定有重要影响.     

陆相页岩气水平井段井壁失稳机理及水基钻井液对策

鄂尔多斯盆地陆相页岩气井水平段井壁失稳问题,是制约该盆地延长区块中生界上三叠统延长组页岩气资源勘探开发的重大工程技术难题。为此,采用X射线衍射分析获取页岩矿物组分特征,并分析其理化特征、比表面积及微观结构,在此基础上研发了基于纳米封堵的低自由水活度页岩水基钻井液体系(PSW-2),并现场应用于5口陆相页岩气水平井,保障了其长水平段钻进井眼的稳定性。研究结果表明:①该区延长组页岩黏土矿物含量高,属弱膨胀、易分散、多层理裂缝地层,井壁失稳是力学、物理化学、钻井机械扰动等因素综合作用的结果 ;②页岩平均孔径为4.494～8.502 nm,毛细管作用明显、吸水能力较强、水化不均匀,导致页岩局部强度下降,易形成突发性垮塌;③研制的PSW-2体系API滤失量低于2.8 mL、滚动回收率为95.15%(接近于油基钻井液98.25%的回收率)、线性膨胀率低至1.38%,润湿角由干岩样的26°增大为56.5°;④该钻井液体系浸泡后抗压强度增加至95.806MPa,接近于原岩的强度(110.70MPa)。结论认为,该水基钻井液体系通过微纳米成分封堵页岩孔隙、降低液相活度提高抑制性、减弱页岩毛细管自吸效应的多元协同,破解了井壁失稳的难题。     

泥页岩水化对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

气体钻井钻遇地层水后，井壁岩石力学特征变得复杂，给钻井施工带来较大的安全威胁。从泥页岩水化机理着手，通过实验和理论计算方法，对气体钻井过程中泥页岩水化对井周岩石力学参数的影响规律进行分析研究，给出地层出水条件下泥页岩井段井壁稳定性分析评价方法，结合工程地质特征，对川西特殊复杂地层出水情况下气体钻井井壁稳定性进行定量评价。分析结果表明，由于川西地区中浅～中深井段泥页岩层段较多，且地层水丰富，气体钻井过程中井壁容易发生失稳破坏。因此在气体钻井过程中，应充分认识待钻井段地层出水情况和泥页岩地层的纵向分布规律。     

南堡油田保持中深层泥页岩井壁稳定钻井液研究

在南堡油田中深层钻井过程中,东二、东三、沙一段泥页岩的剥落掉块经常造成井壁坍塌掉块、钻具阻卡、电测遇阻等井下复杂情况。分析了中深层泥页岩的理化特性,研究探讨了泥页岩的坍塌机理。在此基础上,提出了选用强封堵抑制型钻井液是有效抑制中深层泥页岩剥落掉块的根本措施。这一研究成果对于在南堡油田中深层开发工程中提高钻速、减少井下复杂情况发生具有重要意义。