页岩钻井储层伤害研究进展

由于非常规储层的特殊性(即低孔、低渗、易膨胀和易破碎等),该类储层在开发过程中极易受到不可逆的伤害。为了认识钻井过程中非常规储层伤害机理,以页岩储层为例,系统地调研了页岩钻井储层伤害的国内外研究现状,分析了目前研究中存在的问题,并对下一步储层保护工作开展提出了建议。研究发现,目前页岩钻井储层伤害研究主要体现在钻井技术和钻井液两方面,但针对非常规储层中井壁稳定性问题的研究相对较少,且对钻井液引起的储层伤害机理认识不够深入。结合页岩钻井储层伤害研究现状,应全面开展非常规储层井壁稳定性、钻井对储层伤害机理和非常规储层钻井液优选的研究。     

页岩储层伤害机理研究进展

随着世界各国对能源需求的不断攀升,页岩气、致密气、煤层气等非常规能源作为常规能源的补充,逐渐引起人们的重视。由于非常规储层的特殊性,在开发过程中极易受到不可逆的伤害。为认识非常规储层伤害机理,以页岩气储层为例,系统调研了国内外对页岩储层伤害机理的研究现状,分析了研究过程中存在的问题及不足,并对下一步页岩储层保护工作提出了建议。目前,页岩储层伤害机理研究主要包括3个方面,即储层特征、钻井过程中储层伤害和压裂过程中储层伤害,但针对储层伤害原因及钻井液适用性的研究不够全面,且储层伤害机理的研究方法以常规储层保护实验技术为主。文中结合页岩储层伤害机理研究现状,建议全面开展储层伤害机理、页岩储层保护实验技术和钻井液优选的研究。     

XC气田须五段气藏水平井井壁稳定性分析

XC气田须五段气藏属典型非常规致密气藏,砂岩、泥页岩均为储层,且频繁互层,水平井钻井面临泥页岩井壁水化失稳问题。根据水化后井壁变弹性参数的物理模型,结合数学物理公式推导、计算软件编制,形成了一套考虑泥页岩地层遇钻井液水化影响的井壁应力计算方法;通过岩心室内实验标定,研究了XC气田须五段气藏岩石力学参数特征、井壁岩石水化规律、泥页岩力学参数水化规律,及水化过程井壁稳定性特征。结果显示,水化性泥页岩地层存在水化初期高坍塌压力现象,随着水化时间的增加,井壁稳定性并未进一步恶化;对于该类地层,在钻井设计与施工中,需正确认识和处理水化初期的高坍塌压力现象,而并不一定要使用过高的钻井液密度。     

胜利油田页岩油水平井钻井液技术

胜利油田在罗家地区部署多口页岩油水平井。页岩与常规砂岩储层不同,页岩中含有膨胀矿物且微裂缝发育,当钻井液进入地层后,与黏土矿物、微裂缝发生综合作用,井壁极易不稳定。因此,对于页岩油水平井,井壁稳定是其施工主要难点。在对胜利油田罗家地区页岩矿物成分和裂缝分布情况分析的基础上,开展了钻井液井壁稳定性评价实验,证明了油基钻井液更有利于页岩井壁稳定。通过钻井液体系优选研究,确定了油基钻井液配方。渤页平1井现场试验证实该体系能够满足胜利油田页岩油水平井钻井施工需要。     

页岩气井脆性页岩井壁裂缝扩展机理

页岩钻井中井壁失稳是制约页岩气大规模开发的关键技术难题。阐述了页岩井壁稳定技术现状和存在的问题,借助固体力学、断裂力学和界面化学理论,建立了介质润湿特性控制的裂缝扩展模型,提出了基于润湿理论的页岩井壁稳定评价方法。研究结果表明,页岩地层钻井时水基钻井液应减小钻井液界面张力和增大钻井液与岩石的润湿角;油基钻井液应减小钻井液界面张力和润湿角,从而强化井壁围岩强度、防止页岩井壁发生垮塌。页岩地层井壁稳定性尺度效应明显,不同尺度条件下井壁围岩裂缝扩展机制各异。探索不同尺度条件下页岩井壁围岩失稳机制,对页岩气井钻井液设计具有重要的意义。      

泥页岩水化作用对岩石强度的影响

在常规水基钻井过程中,泥页岩地层一旦与水基钻井液接触,岩石便发生水化膨胀作用,岩石强度降低,井壁稳定性下降。因此,评价水化作用对泥页岩岩石强度的影响是开展泥页岩地层井壁稳定性研究的关键内容之一。大量的室内实验和现场实践证实,水化作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响程度与泥页岩黏土矿物组分分布、钻井液体系离子类型和摩尔浓度密切相关。文章深入研究了泥页岩水化作用的微观机理,基于扩散双电层理论和范德华理论,理论模拟了水化作用对泥页岩岩石强度的影响,并与室内实验结果进行了对比分析,理论模拟结果与室内实验结果较为吻合。     

阳离子乳液聚合物钻井液在页岩气井的应用

常规聚合物钻井液在页岩气井钻井过程中易出现各种井下故障。经对页岩气井井下故障和页岩岩心分析研究,决定选择阳离子乳液聚合物钻井液钻进页岩地层。通过室内试验,对阳离子乳液钻井液的常规性能、抑制性、抗岩屑污染能力、润滑性和储层保护性等进行了评价,并在湘页1井和彭页1井进行了现场应用。应用表明,2口井施工过程中无阻卡现象,平均井径扩大率小于8%,钻井液抑制性能、润滑性能、储层保护性能等均满足页岩地层钻井施工要求。应用还表明,阳离子乳液聚合物钻井液可解决页岩地层井壁失稳和储层损害问题,缩短钻井周期,节约钻井液成本。该钻井液的成功应用,为页岩气井的勘探开发提供了宝贵的参考经验,其在页岩气井钻井施工中具有良好的推广应用前景。      

非渗透钻井液体系在梨树断陷的研究与应用

梨树断陷碎屑岩储层多为低孔低渗致密碎屑岩储层,存在井壁稳定性差和储层保护难度大的钻井技术难点。为增强井壁稳定性和储层保护效果,开展了非渗透钻井液的研究与应用工作。根据钻井液抗温性、抑制性、储层伤害等室内试验评价结果,表明非渗透钻井液抗温稳定性好,防塌能力强,返排压力低,能够有效封堵地层孔隙,渗透率恢复率达到80%以上,表皮因数较低,具有储层保护的效果。     

鄂尔多斯盆地长北气田储层保护技术

为了评价钻井过程中钻井液对鄂尔多斯盆地长北气田储层的伤害程度并评选低伤害完井液,实验中应用先进的AC-FDS-800~10000地层伤害系统,在模拟正常钻井和储层参数条件下成功地完成了3套钻井完井液体系对长北气田储层的伤害程度评价。实验结果表明：逆乳化油钻井液对该储层伤害率高达73.91%,因伤害发生在整个岩心而不易解除;油基钻井液对气层岩心几乎100%伤害,但油基钻井液滤失很小,浸入井壁的深度浅,在完井后储层开展射孔或压裂,则伤害很容易解除;相比之下,无黏土低伤害暂堵钻井完井液体系对气层平均伤害率为11.11%,暂堵性好,完钻后可以采取裸眼完井,井壁上形成的暂堵滤饼通过气层压裂完成解堵,并直接气举投产,很大程度上简化了完井、投产作业,值得推广应用。     

国内页岩储层钻井液技术研究进展

随着页岩气资源的大力开发,近年来页岩储层的钻井作业不断增加。水平井结合水力分段压裂技术是实现页岩油气高效开发的关键,在美国、加拿大、澳大利亚等国家得到广泛应用。然而页岩储层中的水平钻井作业会遇到频繁的井下复杂,如页岩固有的井壁稳定问题、微裂缝引起钻井液漏失问题、长水平段导致的摩阻扭矩过大和井眼净化问题。因此,开发页岩气要求钻井液具有较好的页岩抑制性、封堵能力、润滑性以及携岩能力,以克服钻井过程中可能遇到的问题。为此,文章调研了具有较好性能的油基钻井液、水基钻井液、防塌堵漏的纳米钻井液,并对近几年国内页岩油气开发中钻井液的成功应用情况进行了分析,以期为国内页岩储层的钻井液技术发展、安全钻井作业以及页岩气的高效开发提供参考。     

油基钻井完井液对页岩储层保护能力评价

在中国,页岩气储层长水平井段钻进中普遍采用油基钻井完井液,钻进过程中时常发生井壁垮塌和漏失,不得不频繁处理井下事故,导致页岩段钻井速度慢,浸泡时间长,引发严重的储层损害问题。为了探究油基钻井完井液对页岩储层的损害机理及防治策略,以四川盆地志留系龙马溪组和寒武系牛蹄塘组页岩为研究对象,开展了页岩储层敏感性评价、油基钻井完井液静态和动态损害评价系列实验。结果表明,油基钻井完井液滤液对裂缝岩样的损害率为63.5%～99.9%,体系动态损害率为49.0%～87.2%,综合损害程度为中等-强。结论认为：固相侵入、油相圈闭损害、碱敏损害、流-固耦合强化的应力敏感损害是主要的损害方式;及时高效封堵裂缝、降低滤失量、控制合理的pH值和正压差,并与井眼轨迹优化设计相结合既是强化页岩井壁稳定的技术对策,也是提高油基钻井完井液保护页岩气储层能力的重要途径。     

页岩气储层伤害30年研究成果回顾

目前页岩气储层伤害主要依据碎屑岩和碳酸盐岩研究方法,重点研究渗流能力影响因素。结果认为,内因主要是孔隙度低易水锁,黏土矿物含量较高易水化膨胀堵塞通道,页岩表面毛细管力增加气体流动阻力,高温高压环境削弱工作流体性能易增加储层液相残留量,页岩气中二氧化碳流向地面过程中污染工作流体增加储层液相残留量;外因主要是工作液抑制能力不足造成储层黏土水化膨胀,工作液侵入、工作液残留、工作流体添加剂残留、工作液生成生物被膜阻碍气体流动,生产压差过小导致井眼附近液相挥发速度较慢造成水锁堵塞渗流通道。尚未系统研究形成产能过程中解吸、扩散能力伤害及其原因,以及钻完井、储层改造、排采伤害对储层解吸、扩散能力的影响。没有形成系统的页岩气储层伤害基础理论,也没有室内和矿场公认的评价方法。     

页岩气钻井过程中的储层保护

页岩气储层通常渗透率极低,钻井过程中的固液相浸入,使其易受损害。为此,就川渝地区上三叠统须家河组页岩露头,开展了页岩储层的孔隙结构、矿物组成、流体赋存方式、压力特征分析,指出了可能引起储层潜在损害的因素,即黏土水化膨胀、应力敏感及水锁效应。进而采用仿真模拟页岩裂缝储层在压差作用下的液相浸入过程,在正压差下,水相以渗流和渗透方式通过裂缝表面向孔隙基块内浸入,随时间延长,裂缝表面渗透、吸水带范围扩大,直至含水平衡饱和,导致页岩气被水相伤害带封闭在孔隙基块内,造成水锁损害。最后建议页岩气藏储层保护应采用全过程欠平衡钻井技术或气体水平井钻井技术。     

低渗透致密砂岩气藏保护技术研究与应用

分析了低渗致密气藏的损害机理与保护措施,认为低渗透致密砂岩气藏在钻井过程中的损害因素主要是水敏损害和水锁损害,其次为固相颗粒堵塞损害。为此,针对试验区块提出了“合理的屏蔽暂堵-强抑制-防水锁” 保护气层技术思路,进行了水锁损害机理与预防方法研究;以自行研制的气层专用保护剂为主剂,研制出了保护气层的钻井完井液配方,并进行了现场试验。实验表明,岩样被水侵之后,渗透率明显降低。因此,对于低渗透岩样,在钻井过程中,尽量避免滤液侵入储层;研制的保护气层钻井完井液配方抑制性强（页岩回收率为97.8%）,岩样气体渗透率恢复率高（大于80%）,能有效减小钻井液对气层的水敏和水锁损害。现场试验表明,该钻井完井液体系抑制能力强,气层保护效果较好。     

川西低渗透气藏气体钻井井壁稳定性评价方法

川西低渗透气藏采用气体钻井技术钻进时,致密砂岩井段井下垮塌频繁,为给制定防塌技术措施提供依据,在分析非达西渗流、储层敏感性对孔隙压力影响,计算气层产气时径向拖曳力的基础上,分析了径向拖曳力影响下井周的有效应力场,利用川西X3井实钻数据分析了气体钻井井壁垮塌的机理,并与摩尔库伦准则和拉伸破坏模型相结合,提出了适用于川西低渗透气藏气体钻井的井壁稳定性评价方法。川西低渗透气藏气体钻井井壁垮塌机理为:低渗透储层中高速非达西渗流和气体产出时产生的径向拖曳力使坍塌压力升高,井壁稳定性变差,同时在径向拖曳力作用下先发生拉伸破坏,随后地层压力降低进而发生剪切破坏,出现垮塌。利用低渗透气藏气体钻井井壁稳定性评价方法评价了X3井低渗透储层的井壁稳定性,评价结果与实钻情况相符,说明采用该评价方法可以评价川西低渗透气藏气体钻井时的井壁稳定性,能够为川西低渗透气藏气体钻井制定防塌技术措施提供指导。      

川南海相深层页岩气钻井关键技术

川南海相深层页岩气目的层埋藏深、地层温度和地层压力高、岩石可钻性差、优质储层薄,钻井提速与井身质量、页岩坍塌与钻井成本、控时钻进与优质储层钻遇率间的矛盾制约了其高效开发。为此,在借鉴常规页岩气开发经验的基础上,进行差异化的井身结构和井眼轨道设计,采用预弯曲动力钻具组合,优化钻井参数,试验应用垂直钻井技术和气体钻井技术,研制应用高性能水基钻井液,并优化井眼轨迹控制措施,形成了川南海相深层页岩气高效开发的钻井关键技术。该技术在川南地区27口海相深层页岩气井进行了应用,钻井周期缩短了46.0%,优质储层钻遇率达到93.17%。研究结果表明,川南海相深层页岩气钻井关键技术能解决深层页岩气井钻井过程中存在的技术难题,可为国内外类似页岩气的开发提供借鉴。      

油气储层氧敏性概念、机理与意义

储层损害和流体敏感性等概念的提出使油气储层保护成为油气勘探与开发领域的重要研究方向,储层保护技术从系统工程理论出发,研究工程作业与地质对象的适应性问题,为油气田开发提供重要理论支持和技术保障.生烃层中形成的油气会发生滞留或短距离运移、初次运移和二次运移至储集层中,不仅多数油气仍然保留着还原性,而且也将储层岩石还原;源-...     

富有机质页岩储层热激致裂增渗的有利条件

页岩气藏的经济开发成为了当前非常规天然气开发关注的焦点。页岩气藏开发方式以"水平井+水力压裂"为核心技术,水力压裂过程中存在"大量压裂液滞留储层,难以返排,形成水相圈闭损害,阻碍气体产出"的工程难题。此外,水力压裂能形成大规模复杂缝网,沟通了微米级裂缝,而基块纳米级孔隙中气体仍然难以进入裂缝。从室内实验和矿场试验两方面概述了储层高温热处理的研究进展,提出了与水力压裂技术协调的富有机质页岩储层热激致裂的方法,从页岩储层地质特征与工程实际分析了页岩储层适合热激增渗的有利条件。研究认为,热激条件下有机质生烃增压、丰富多样的矿物组分差异热膨胀、微米-纳米级孔隙压力仓作用是页岩热致裂的有利地质条件;基于页岩气井体积改造形成的裂缝网络,滞留压裂液不仅能提高页岩导热能力,且在热激条件下水热增压、热液溶蚀作用可为页岩致裂增渗提供重要的工程条件。充分利用页岩储层独特的地质优势和有利的工程条件,包括热液作用、矿物组分非均匀膨胀致裂和热促吸附气解吸的热激法对压裂后的页岩储层进行改造,能够有效缓解甚至解除水相圈闭等储层损害,促使水力裂缝或天然裂缝两侧基质岩石热致裂,改善裂缝网络,增强页岩储层基质-天然缝-人工缝多尺度传质能力,同时实现压裂液的回收再利用,这将是一种环境友好型的有效开发页岩气藏的新方法。