硅酸盐钻井液降低易失稳地层钻井液密度可行性分析

珠江口盆地古近系地层在钻井过程中,多口井出现坍塌、卡钻、起下钻遇阻等井壁失稳问题,现场通过增加钻井密度解决垮塌问题,但又出现压差卡钻、钻井时效低的问题。从黏土矿物含量分析、扫描电镜、滚动回收率及膨胀性实验入手,分析珠江口盆地古近系地层井壁失稳原因。古近系地层为微裂缝发育,在钻井过程中井壁周围应力发生变化及钻井液侵入,引起井壁坍塌,继而出现卡钻、起下钻遇阻等问题。为了解决以上问题,结合硅酸盐钻井液抑制性强、封堵性好、可增强岩石强度的特点,降低地层坍塌压力。对硅酸盐水基防塌钻井液进行优化及性能评价,结果表明,其性能参数满足钻井要求,具有提高岩石内聚力、抗压能力的特点,同时与古近系已用PLUS-KCl钻井液、油基钻井液相比,优化的硅酸盐水基防塌钻井液浸泡后岩石具有抗压强度高、内聚力高等特点,其内聚力高达11.7 MPa,是PLUS-KCl钻井液的1.9倍,是油基钻井液的1.5倍,可见在保证井壁稳定的前提下,用硅酸盐钻井液降低地层坍塌压力是可行的。      

BZ13-1油田防塌钻井液的研制及应用

分析了BZ13-1油田易坍塌地层井壁失稳的原因,研制了适合该油田东营组和沙河街组泥页岩地层的具有强抑制性、强封堵能力的防塌钻井液。实验评价表明,所研制的防塌钻井液具有良好的抑制性能、润滑性能和滤失性能,油气层保护效果良好。新研制的防塌钻井液在BZ13-1油田和其它地层岩性类似油田钻井作业中取得了良好的应用效果。     

华北古近系及潜山内幕地层井壁稳定性研究

华北油田古近系地层以砂泥岩为主体,间或有玄武岩、煤层等,存在不同压力系统,复杂情况以垮塌、漏失、遇阻、划眼为主,潜山带灰岩地层裂缝发育,卡钻和井漏事故多发,钻井复杂事故占全井的73.62%。从矿物组分分析、岩石力学特征、地应力测试、钻井液浸泡的影响入手,探索出古近系地层井壁失稳机理。古近系地层黏土矿物含量高,岩石水化膨胀严重,地层岩石黏聚力和内摩擦角变化幅度大（6~25 MPa、26°~45°）,长时间浸泡后易形成缝网,当钻井液液柱压力高于坍塌压力达到某种程度时,裂隙宽度呈几何倍数增加,导致井壁掉块;奥陶系和蓟县系灰岩地层地应力差相对较大,岩石微裂缝发育,高地应力作用下易产生微裂缝,且多沿弱面破坏,而引起坍塌和漏失。为解决以上问题,在KCl-聚磺钻井液中引入了聚胺抑制剂和纳米防塌封堵剂BZ-PNP,提高抑制性和封堵能力,并增大润湿角,降低岩石亲水能力。该技术在阳探1、文安101x、安探1x等深井古近系地层进行了应用,取得了井壁稳定、钻井复杂事故为零的效果,其中阳探1井顺利钻穿邻井垮塌严重的大段泥页岩地层,平均井径扩大率1.8%,最大井径扩大率14.82%;安探1x风险探井钻井液密度最大为1.50 g/cm3,低于邻井的1.69 g/cm3。得出,在华北古近系地层使用密度过高的钻井液钻井,会增大微裂隙开启程度,并增加地层的吸水量,建议在井控安全前提下以高过坍塌压力当量密度15%为宜。      

塔河油田深侧钻井防塌钻井液技术

塔河油田深部巴楚组和桑塔木组地层为以伊/蒙混层或伊利石为主的硬脆性泥页岩地层,水化分散性较强且发育有微裂缝,钻井过程中易因泥页岩水化而导致井壁失稳,为此,提出了"抑制表面水化-物化封堵-有效应力支撑"三元协同防塌对策,并构建了三元协同防塌钻井液。室内性能评价试验结果表明:三元协同防塌钻井液抗温达170℃、抗盐5.0%、抗钙0.5%~1.0%、抗劣土8.0%,泥页岩膨胀率和滚动回收率分别为5.05%和91.33%,能封堵宽400 μm的裂缝,承压能力达到4 MPa。三元协同防塌钻井液在塔河油田20余口井进行了应用,均未发生由于井壁失稳造成的井下故障,桑巴楚组和桑塔木组地层的井径扩大率平均降低63.4百分点,建井周期平均缩短4.3 d。这表明,三元协同钻井液防塌技术可有效解决塔河油田深侧钻井巴楚组和桑塔木组地层的井壁失稳问题。      

川西知新场地区稀硅酸盐防塌钻井液技术

川西知新场地区泥页岩发育,特别是同一裸眼段,含有多层硬脆性泥页岩,极易发生井壁失稳,给钻井施工带来极大的影响。针对现用聚磺钻井液体系防塌封堵能力难以满足需要的实际情况,在深入研究井壁失稳机理的基础上,通过正交实验,研究形成一套以聚磺钻井液为基础的稀硅酸盐防塌钻井液技术。经过性能评价,稀硅酸盐钻井液克服了以往流变性难控制的难题,可控密度为1.40～2.20 g/cm3,并具有较强的防塌封堵能力。研究成果在ZX31井进行了现场应用,实钻三开井径扩大率远低于邻井,表明稀硅酸盐钻井液具有较好的防塌封堵能力,解决了川西知新场地区井壁失稳问题,为知新场-石泉场构造带的勘探开发积累了经验。     

考虑泥页岩黏弹性的钻井液密度计算方法

泥页岩地层受到外来流体侵入后，岩石具有明显的流变效应，易造成井壁坍塌。为了研究泥页岩井壁受入井流体影响产生的黏弹性力学行为对井壁稳定性的影响，建立了黏弹蠕变本构模型来反映井壁流变失稳破坏的力学机理与演化规律。根据井壁围岩受力推导出平衡方程、几何方程，结合物理方程和边界条件，得到考虑泥页岩黏弹性特性的钻井液密度方程。结合现场钻井数据给出不同时间、不同收缩速率下泥页岩的钻井液密度图版。结果表明:泥页岩地层钻进时，井眼的收缩速率越小，则所需的钻井液密度越大；井越深，钻井时间越长，所需钻井液密度越大。     

泥页岩井壁稳定研究及在临盘地区的应用

从岩石力学和物理化学两个主要因素简要分析了井壁失稳的机理，指出泥页岩井壁失稳是由力学与化学两方面因素共同作用的结果。钻井液与泥页岩存在化学势差，并改变了井壁附近的孔隙压力，降低岩石强度。借助于井壁处有效应力的变化,将泥页岩与钻井液相互作用时页岩水化所产生的力学效应与纯力学效应结合起来，计算出任意井斜方位井眼围岩应力状态，利用测井资料求出有关岩石力学参数和Mohr Couloumb准则，计算得出防塌的临界钻井液密度。     

西江区块古近系地层井壁失稳机理分析及钻井液体系优化北大核心CSCD

为解决西江区块古近系地层井壁失稳、电测遇阻等技术难题,通过分析古近系地层井下复杂情况、全岩及黏土矿物组成、微观结构、理化性能特征及钻井液特性,认为井壁失稳机理为微裂隙弱面发育和高含黏土矿物的水化作用。在此基础上,建立了钻井液关键性能与井壁稳定性的内在联系,即钻井液密度为1.30g/cm3时,满足井径扩大率≤15%且坍塌周期≥10d(工期)的岩石浸泡10d后的内聚力≥7.2MPa。通过添加抑制剂PF-UHIB、物理封堵剂PF-AquaSeal和化学封堵剂PF-SmartSeal等对钻井液性能进行了优化,实验评价表明优化后的钻井液体系岩屑回收率大于90%、线性膨胀率小于3%、内聚力8.9MPa。目前优化后的钻井液体系已在西江区块古近系地层取得成功应用,具有较好的推广应用价值。     

泥页岩地层微纳米封堵水基钻井液技术研究

泥页岩地层钻井过程中容易发生井壁失稳问题,钻井液滤液侵入后,泥页岩水化膨胀产生的膨胀压加剧了裂缝的扩展,降低了岩石强度;钻井液的压力传递作用会减少液柱与井壁岩石的压差,降低了钻井液液柱对井壁的支撑作用.本文优选了纳米封堵剂GW-NBA、亚微米封堵剂GW-MPA、超细钙、磺化沥青作为钻井液的封堵剂,将刚性封堵剂与柔性封堵...     

西江区块古近系地层井壁失稳机理分析及钻井液体系优化

为解决西江区块古近系地层井壁失稳、电测遇阻等技术难题,通过分析古近系地层井下复杂情况、全岩及黏土矿物组成、微观结构、理化性能特征及钻井液特性,认为井壁失稳机理为微裂隙弱面发育和高含黏土矿物的水化作用。在此基础上,建立了钻井液关键性能与井壁稳定性的内在联系,即钻井液密度为1.30 g/cm3时,满足井径扩大率≤15%且坍塌周期≥10 d(工期)的岩石浸泡10 d后的内聚力≥7.2 MPa。通过添加抑制剂PF-UHIB、物理封堵剂PF-AquaSeal和化学封堵剂PF-SmartSeal等对钻井液性能进行了优化,实验评价表明优化后的钻井液体系岩屑回收率大于90%、线性膨胀率小于3%、内聚力8.9 MPa。目前优化后的钻井液体系已在西江区块古近系地层取得成功应用,具有较好的推广应用价值。     

伊拉克东巴油田Tanuma组泥页岩高效防塌钻井液技术

伊拉克东巴油田South-2区块采用水平井开发Khasib组储层,但该区块首口以Khasib组为目的层的水平井在钻井过程中,因Tanuma组泥页岩多次发生坍塌卡钻,导致井眼报废。研究Tanuma组矿物组成、孔缝发育情况和水化膨胀特性发现,该组泥页岩具有黏土矿物含量高、水敏性较强、宏观层理发育明显、微观孔缝发育度高和水化膨胀速率快等特点,导致钻井过程中因黏土矿物快速水化膨胀而发生井眼失稳问题。基于此,通过室内试验,优选了封堵剂N-Seal及抑制剂U-HIB,对氯化钾聚磺钻井液的配方进行了优化,形成了高效防塌钻井液。室内试验发现,高效防塌钻井液具有良好的流变性、较强的封堵和抑制能力,能够满足Tanuma组泥页岩井段高效封堵的要求。该防塌钻井液在South-2区块3口水平井进行了现场试验,均成功钻穿Tanuma组泥页岩层段,顺利钻至设计井深,未出现坍塌掉块等井眼失稳问题。室内研究与现场试验结果表明,高效防塌钻井液能够有效解决Tanuma组泥页岩坍塌的技术难题,为实现Khasib组储层的有效开发提供技术支撑。      

大港油田页岩油水平井钻井液技术

针对大港油田沧东凹陷和歧口凹陷页岩油水平井水平段钻进过程中存在的井壁易失稳、井眼清洁效果差、摩阻和扭矩高等技术难点,在分析页岩油地层地质特征的基础上,制定了增强钻井液抑制性、封堵性和携岩性的技术对策,通过优选封堵剂、润滑剂等关键处理剂,形成了BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液。性能评价结果表明,BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液具有良好的抑制性能、携岩性能和封堵性能,能降低页岩渗透率,阻止压力传递,保证井壁稳定。大港油田36口页岩油水平井使用BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液钻进水平段,平均井径扩大率6.8%,未发生与钻井液有关的井下故障。这表明,BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液能解决大港油田页岩油水平井水平段钻进过程中的技术难点,可为大港油田页岩油水平井钻井提供技术支撑。      

南海东部M区块古近系地层井壁稳定钻井液技术

在南海东部古近系地层作业期间,常规的钻井液体系对硬脆性裂缝地层及渗透性砂岩地层无法起到有效的封堵作用,也就无法改善地层的承压、防漏失能力,导致在多口井中出现井壁失稳、卡钻、井漏等复杂情况。该文以南海东部M区块为例,探索一种KL强封堵钻井液体系,该体系在现场应用时表现出优良的封堵性能,起到了维持井壁稳定的良好效果。KL强封堵钻井液体系在M区块古近系地层的成功应用可为后续提高井壁稳定性的钻井液选型提供参考。     

防塌与保护气层的钻井液技术

利用X-射线衍射、电镜扫描、岩心流动、表面张力测定等试验，对胜利油田孤北区块中生界及上古生界易塌地层的矿物组构、理化性能以及气层损害主要机理进行了分析。在分析易塌地层井眼失稳与气层损害机理的基础上，依据化学力学耦合井眼稳定理论，针对易塌地层特点，确定了“强化封固井壁-强化抑制降高温高压滤失-合理密度力学支撑井壁合理的钻井水力参数”钻井液协同防塌技术。利用优选的高效防塌剂和新研制的气层专用保护剂，开发出了一套防塌与保护气层的钻井完井液体系，并进行了2口井的现场试验。2口试验井均未发生井下复杂情况，与邻井相比，井眼稳定性明显提高，气层保护效果较好，钻井液维护处理较简单，基本形成了一套与地层匹配、防塌、气层保护效果较好的钻井完井液技术。     

龙马溪页岩井壁失稳机理及高性能水基钻井液技术

目前长水平井段井壁失稳问题仍是制约国内外页岩气资源钻探开发的重大工程技术难题。为解决龙马溪组页岩长水平井段的井壁失稳问题,采用X射线衍射分析、氦气孔隙体积测试、高压压汞测试、高分辨率场发射扫描电镜、CT扫描、岩石连续刻划强度等实验,分析了龙马溪组页岩微观组构特征及理化特性,探讨了微观组构特征、理化特性对龙马溪组页岩井壁稳定的影响。研究表明:龙马溪页岩富含脆性矿物,黏土矿物以伊蒙混层为主,微纳米孔隙发育,微裂隙呈缝状、近平行分布,敏感性矿物的存在及其层理、微裂缝发育是导致页岩井壁失稳的主要内在因素。为此,针对性地提出了多元协同稳定井壁水基钻井液防塌技术对策,即"强化封堵-适度抑制-合理密度-高效润滑"。应用该技术对策构建了高性能水基钻井液优化配方,评价表明,该体系有较好的封堵性和抑制裂缝扩展的能力。该体系在黄金坝区块2口井三开进行了现场试验。现场试验结果表明,该体系较好地解决了页岩长水平井段的井壁失稳和水平段摩阻较大的问题,为中国采用水基钻井液技术高效钻探开发页岩气资源提供了新的思路及经验。      

井眼强化随钻防漏技术研究与应用

长段裸眼孔隙-裂缝发育带来的漏失问题,严重影响钻井提速,并造成相当大的经济损失。在孔隙-微裂缝地层或诱导性裂缝地层中作业,钻井液密度较低时会出现井壁不稳定现象,而钻井液密度较高时又出现井漏、安全密度窗口较窄等问题,文章研究了解决这一问题的井眼强化随钻防漏体系。体系中的微米级和纳米级高强度刚性颗粒随钻头破岩时迅速嵌入到井周孔隙和微裂缝中,产生沿井眼切线方向的挤压,微米级纤维材料快速充填,形成致密的网络封堵结构,在井壁形成“桶箍效应”,大大提高了井眼承压能力和井壁稳定性。室内评价实验表明,清水封堵体系承压 ５ＭＰａ以上,井浆封堵体系承压 ７ＭＰａ以上。在实际现场应用中,井眼强化随钻防漏体系在解决安全密度窗口较窄问题方面取得了满意的效果。     

鄂尔多斯盆地延长组页岩气井壁稳定钻井液

针对鄂尔多斯盆地延长组页岩气水平井钻井过程中存在的裸眼井壁失稳问题,对该组地层进行理化性能分析,明确了导致页岩井壁失稳的主要因素,即钻井液滤液沿地层微裂缝进入地层引起伊蒙混层膨胀,岩石强度降低,为此提出了采用油包水乳化钻井液的技术对策。在此基础上,通过室内实验优选了一套页岩水平井油包水乳化钻井液。室内性能评价实验表明：该体系可加重至1.60 g/cm3,破乳电压高于800 V,抗温120℃,封堵突破压力为7.28 MPa,浸泡后对页岩强度影响较小,能够有效抑制页岩膨胀和封堵裂缝性地层,对于解决该区页岩气钻井过程中的井壁失稳问题具有指导意义。     

海上复杂易垮塌地层高性能油基钻井液研发与应用

南海西部北部湾盆地涠西南油田涠洲组地层受构造应力及地层高含硬脆性泥页岩影响,井壁失稳风险极高,传统油基钻井液在钻进涠二段过程中不断出现起钻困难、井壁失稳和固井质量差等诸多问题。在分析传统油基钻井液应用情况的基础上,通过对乳化剂、封堵剂以及提切剂等处理剂优选,研发了新型高油水比（95∶5）高性能油基钻井液体系,该钻井液具有良好的井壁稳定、封堵能力以及优异的ECD控制能力,抗劣质土污染可达15%,岩心被钻井液损害后渗透率恢复值在90%以上,返排压力为0.4 MPa,具有良好的储层保护能力,并可提高机械钻速和起下钻效率。现场应用结果表明,高性能油基钻井液钻进涠洲组二段地层时,钻井液流变性稳定,封堵性强,井眼清洁效果好,ECD值低,未发生井漏现象,井深2 500 m钻井周期为8.09 d,较前期开发井钻井周期降低48%,储层保护效果良好。为今后北部湾海域类似油田开发提供了良好借鉴。      

微裂缝发育泥页岩地层井壁稳定技术研究与应用

泥页岩微裂缝发育,微裂缝宽窄不等,形状多变不规则,导致钻井过程中泥页岩地层易出现井壁失稳问题,为此,提出了全固相粒度优化+多元协同封堵技术,通过对钻井液自身的固相粒度及需添加的暂堵剂的粒度进行优化,并对胶乳沥青、纳米乳液和铝基聚合物等3种封堵材料进行复配,以期达到多元协同封堵泥页岩微裂缝的目的。室内试验结果表明,粒度优化后的钻井液API滤失量由4.8 mL降为3.2 mL,高温高压滤饼的抗剪切强度系数为0.74,岩心动滤失量显著降低。全固相粒度优化+多元协同封堵技术在渤海某油田和胜利油田多口井进行了现场应用,优化后的微裂缝封堵钻井液高温高压滤失量显著降低,成功钻穿大段含油泥页岩,未发生井下故障。室内试验与现场应用结果表明,全固相粒度优化+多元协同封堵技术能显著提高泥页岩地层的井壁稳定性,为同类型地层水平井的安全快速钻进提供技术借鉴。