顺北油田破碎地层井壁稳定钻井液技术

针对顺北油田多口井钻遇破碎地层时发生坍塌掉块、阻卡频繁的技术难题,开展了地质研究、钻井液对策和室内优化研究及现场应用。研究发现,破碎地层岩性为非黏土矿物,钻井液或滤液侵蚀后使自发育孔缝网易增压连通,使层理界面黏合力降低,单元变得松散,进而诱发大规模剥落掉块和坍塌卡钻等。在岩性组成无黏土矿物但应力集中且地层破碎的基础上,实现亚微米-微米级(0.1～100μm)全面有效封堵,遏制钻井液或滤液侵入井周地层孔缝,保证钻井液具有高效携岩性,是破碎地层钻井液稳定井壁的关键。以原四开抗高温聚磺钻井液为基础,进行室内配方优化,研发了适合破碎地层的井壁稳定钻井液。四开应用全程未出现掉块阻卡等钻井事故,安全顺利钻达设计井深8014 m,创该区块储层段钻时最短记录。顺北Y井现场应用表明,井壁稳定钻井液性能优异,可防止破碎地层坍塌失稳,推广意义重大。     

顺北油田破碎地层井壁稳定钻井液技术

针对顺北油田多口井钻遇破碎地层时发生坍塌掉块、阻卡频繁的技术难题,开展了地质研究、钻井液对策和室内优化研究及现场应用。研究发现,破碎地层岩性为非黏土矿物,钻井液或滤液侵蚀后使自发育孔缝网易增压连通,使层理界面黏合力降低,单元变得松散,进而诱发大规模剥落掉块和坍塌卡钻等。在岩性组成无黏土矿物但应力集中且地层破碎的基础上,实现亚微米-微米级（0.1～100 μm）全面有效封堵,遏制钻井液或滤液侵入井周地层孔缝,保证钻井液具有高效携岩性,是破碎地层钻井液稳定井壁的关键。以原四开抗高温聚磺钻井液为基础,进行室内配方优化,研发了适合破碎地层的井壁稳定钻井液。四开应用全程未出现掉块阻卡等钻井事故,安全顺利钻达设计井深8014 m,创该区块储层段钻时最短记录。顺北Y井现场应用表明,井壁稳定钻井液性能优异,可防止破碎地层坍塌失稳,推广意义重大。     

破碎性地层封堵效果的评价方法探讨

评价井壁不稳定的传统方法主要是基于泥页岩的水化分散与膨胀两个特性，而破碎性地层，煤层及硬碎性地层的井壁垮塌机理完全不同于泥页岩地层，以前的评价方法难以适用，必须重新建立评价模型。作者在此做了一些定性的工作，供参考。     

破碎性地层坍塌压力计算模型

破碎性地层裂缝、微裂缝及层理十分发育,地层各向异性明显,地层坍塌压力高,安全钻井液密度窗口窄,在低井筒液柱压力下井壁易垮塌,在高井筒液柱压力下又容易发生井漏。不同于均质各向同性地层,这类地层的井壁围岩力学稳定性主要取决于这些单元体结构面的强度(抗滑能力)。当单元体所受应力超过了其结构面抗滑能力时,井壁围岩即出现滑动失稳。由均质各向同性地层井壁力学稳定性分析理论出发,引入地层岩石破碎程度指数Bd来定量的描述地层岩石破碎程度对井壁围岩等效应力状态的影响,并根据Mohr-Coulomb准则建立了破碎性地层坍塌压力计算式,Bd值越大,井壁坍塌压力越大,井壁越易失稳,实例计算表明所建立的模型计算结果与工程实际吻合较好。     

顺北油气田深部破碎性地层井壁失稳机理及对策研究

顺北油气田多口探井在奥陶系碳酸盐岩地层钻遇破碎带,井壁失稳严重,已成为制约顺北油气田安全建井的突出问题。文章在综合分析顺北奥陶系破碎性碳酸盐岩地层井壁失稳类型及理化特性、裂缝面物理—力学特性和岩石力学实验的基础上,提出了井壁稳定钻井液技术对策。研究发现,区域断裂带附近地应力方向复杂,地应力差大;地层天然多尺度裂缝发育、破碎程度大、岩体等效强度较低;钻井液易沿天然裂缝侵入地层,钻井液-裂缝面水岩作用造成缝面粗糙度减小、摩擦系数降低,易诱发地层沿裂缝面失稳,是深部破碎性地层井壁失稳的主要机理。明确“合理密度支撑+钻井液刚柔并济多级配封堵”,配合使用“耐高温随钻/段塞固壁剂”是顺北油气田深部破碎性地层稳定的井壁钻井液技术对策。研究成果对促进深部破碎性地层安全高效钻井具有重要借鉴意义。     

顺北油气田奥陶系破碎性地层油基钻井液技术

针对顺北多口超深井采用水基钻井液钻遇奥陶系地层时井壁失稳和井漏并存的技术难题,通过井壁失稳机理分析,设计合成了具有三头双尾结构的Gemini型高温乳化稳定剂和支化型流型调节剂,采用微胶囊化处理方法研制了一种可在156℃以上的温度下激发后膨胀5.37倍以上的温度敏感型膨胀性堵漏材料,开发了一种抗高温强封堵低黏高切油基钻井液体系。室内评价结果表明,该体系抗温不小于180℃,所形成的油包水乳化液滴尺寸为1.2～26.9 μm,具有较宽的粒径分布,高温高压滤失量为2.4 mL ;塑性黏度不大于40 mPa·s,动塑比为0.31～0.40 Pa/mPa·s,与传统油基钻井液相比,塑性黏度降低10%～15%,动切力提高15%～25%,表现出优异的低黏高切特性和微裂缝的匹配性封堵能力。该体系在顺北Y井进行了现场应用,破碎性地层平均井径扩大率仅为7.77%,钻井过程中除出现一次短暂的放空性漏失外,未见其他明显漏失,避免了奥陶系破碎性地层井壁失稳,减少了裂缝性储层段油基钻井液损耗,助力了亚洲陆上最深定向井纪录的创造和顺北油气资源的提速、提效开发。      

椭圆形井眼的井壁稳定分析

本文分析了由井眼崩落造成的椭圆形井眼的井壁稳定问题,推导出了椭圆形井眼的地层破坏压力和地层坍塌压力的计算式,结果表明椭圆形井眼的破裂压力和坍塌压力都比圆形井眼大,从而提高了钻井液密度的设计下限。     

破碎地层护壁防塌剂研制及性能评价

针对顺北奥陶系碳酸盐岩地层揭开后坍塌掉块严重,遇阻卡钻频发的难题,以二甲基二烯丙基氯化铵、N,N-二甲基丙烯酰胺及自制含甲氧基硅烷基团的有机硅单体为原料,合成了可与碳酸盐岩地层发生键合反应的抗高温有机硅护壁防塌剂SMHB-1。通过红外光谱、核磁共振氢谱及热重等表征了产物的分子结构及稳定性,并评价了其搭接抗剪切强度、降滤失性能及封堵性能等进行了研究。结果表明,1.5%SMHB-1溶液处理过的碳酸盐岩岩心片的搭接抗剪强度可达到0.2 MPa, 160℃老化16 h后1%SMHB-1可使4%土浆滤失量降低60.7%,SMHB-1可降低体系渗透率降约61.68%,并且与现场钻井液的配伍性能好。以SMHB-1为核心的水基护壁防塌钻井液体系在顺北X井奥陶系地层进行应用,奥陶系井壁稳定性好,没有掉块产生,扭矩平稳,起下钻顺利,无阻卡,试验井段平均井径扩大率8.6%～11.4%。     

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。      

一种颗粒离散元的井壁稳定性分析模型

井壁失稳问题一直制约着渤海油田的高效开发。随着向深层要油气的战略实施,钻井持续向深层、致密层攻关,维持井壁稳定性对安全经济钻井作业的支撑作用更加明显。因此,为了揭示井壁失稳的微观机理,精确预测坍塌压力区间,建立了一种适用于井壁稳定性分析的离散元模型,剖析了多个颗粒接触微观参数对地层力学特性的影响规律,引入崩落宽度准则判断井壁失稳,分析了井内液柱压力对井壁岩石破坏形态的影响。研究结果表明,代表地层的颗粒发生黏结断裂后,整体刚度下降引发应力重分布,原损伤位置承担的载荷会转移到未损伤部位,既而诱发局部的接续破坏并渐进式向地层深部发展,直至形成一个稳定的破坏区。因此,坍塌压力当量密度的合理区间下限应使井壁发生适度破坏而不失稳,窄密度窗口钻井时,钻井液密度应贴近下限值。对BZ13-1油田12口井进行现场应用,钻井复杂率降低了67%,验证了离散元井壁稳定性分析模型的准确性。     

各向异性地层中斜井井壁失稳机理

深部层理性地层井壁稳定性必须考虑地层物理力学性质的各向异性,然而目前井壁稳定设计方面仍粗略地将其近似为各向同性体,使得预测的维持井壁稳定的坍塌压力和破裂压力不能满足安全钻井的需要。笔者在研究层理地层岩石力学特性的基础上,获得了一种考虑地层方向特性的井壁围岩应力分布公式,分析了横观各向同性地层的井壁应力分布特征,建立了新的斜井地层井壁稳定分析模型。研究结果表明,岩石的弹性模量、地应力和地层倾斜度的变化对井壁围岩的应力分布和坍塌、破裂压力均会产生影响,克服了常规各向同性井壁稳定分析模型不能准确预测层理性地层斜井井壁稳定的难题。因此在钻井施工设计当中,须根据地层特性选择合适的分析模型,以更好地指导现场实践。     

基于扩展有限元的离散缝网渗流数值模拟方法

裂缝性储层具有强非均质性和多尺度特征,传统方法在离散裂缝群数值模拟中对网格设置有较高的要求,通常难以平衡计算效率和精度,在高效且精细模拟多尺度无序交叉裂缝渗流方面的局限性日益凸显。基于离散裂缝模型显示表征每一条裂缝,针对不同尺度裂缝构造基于渐近解析解的加强形函数,建立了一种裂缝和网格解耦的多尺度扩展有限单元法用于模拟无序交叉裂缝群的渗流特征。该方法利用渐近解析解捕捉网格内裂缝局部渗流特征,避免使用非结构网格在裂缝壁面和尖端的局部加密,因此能有效降低计算量,提高计算精度。建立了单裂缝模型和大规模裂隙群模型用于模拟,新方法相较于传统有限单元法将裂缝壁面法向流速的计算精度提高80 %以上;在采用粗网格模拟大规模裂隙群时,在计算量(网格数和结点数)降低约90 %的情况下,单井产量误差保持在仅约5 %,验证了新方法的准确性和有效性。新方法为裂缝性油气藏流体流动模拟以及后续解决两相流、流固耦合、裂缝扩展等一系列复杂问题提供了一种新的思路和方法。     

运用多种方法综合解释川东构造断陡带

在川东地区二级构造单元中，无论是高陡背斜，或是低陡构造，尤其是两翼不协调(不对称)褶皱的构造类型，其陡翼轴部附近都存在一个断陡带。由于这些断陡带地质结构复杂、地震信息杂乱，较难准确解释，导致了部分油气探井的失利，制约着许多构造主体部位勘探领域的扩展；在气田开发方面，断陡带的构造细节解释不正确，偏离地下实际，造成了气藏地质模型与气藏动态特征不吻合，静态储量与动态储量误差大，直接影响了气藏开发设计方案的准确性。在卧龙河、高峰场等构造断陡带的精细解释中，运用了地质、地震、钻井、试井、气藏工程等多学科知识进行综合分析，进一步查明了断陡带特殊的内在联系，找出了断陡带构造细节变化的客观规律，初步形成了一套行之有效的解释方法。这种方法效果好、可信度高，对今后川东断陡带构造细节解释有一定的参考作用。图4参10     

复杂断块区低级序断层的井-震联合识别

由于断距小、延伸长度短,低级序断层在地震资料上难以识别,成为影响复杂断块油气开发的一个重要因素。为此,对东营凹陷永3断块内断距在3m以上的低级序断层进行精细刻画。首先,利用开发后期高密度井网的优势,依据同一沉积微相中邻井测井曲线的相似性,构建低级序断层发育系数,并逐点计算,以小波重构后的测井曲线为辅助条件,定量识别井钻遇的低级序断层;其次,在精确的井-震标定及断点投影约束下,利用井钻遇断点指导地震剖面的低级序断层解释,并引导蚂蚁痕迹对低级序断层的平面追踪。该套方法能将测井数据在垂向上高分辨率的优势与地震资料在横向上对低级序断层追踪的能力相结合,即井—震联合,从点（井点）—线（地震剖面）—面（沿层属性）三个角度依次推进、实现对低级序断层的识别。经注采井网的生产动态数据等验证,识别效果较好,能有效剔除岩性变化等“伪断层”响应的干扰。因此,该方法既提高了低级序断层的解释精度,降低了对人工经验的依赖程度,又为后期井网的调整提供指导。     

松辽盆地南部长岭断陷断陷层油气成藏组合特征

松辽盆地南部长岭断陷的断陷层勘探程度低,沉积充填具有“火山—沉积”二元特征,成藏组合类型多,且不同构造带主力成藏组合差异大。从成藏组合类型划分入手,剖析不同成藏组合的差异,分析了长岭断陷研究区火山岩与致密碎屑岩两大类油气成藏组合的特点、分布规律和成藏主控因素,构建了3种成藏模式：（1）营城组火山岩油气成藏组合主要表现为近源、近火山口亚相、断裂输导、区域盖层、继承性古隆起控油气富集;（2）营城组下生上储式碎屑岩成藏组合表现为直接盖层、不整合—断裂复合输导、近源、继承性斜坡带（超剥带）控油气富集;（3）沙河子组源内致密油气成藏主要表现为优势相带、埋深、反转构造带控油气富集。基于成藏主控因素分析,提出了不同类型成藏组合油气评价关键参数及标准,分类分区计算了不同成藏组合的油气富集概率,指出了查干花地区营城组火山岩成藏组合、东岭斜坡带、龙凤山反转构造带以及伏龙泉地区致密碎屑岩成藏组合为下步重点勘探方向,尤其是沙河子组源内致密油气勘探潜力较大。     

Research regarding coal-bed wellbore stability based on a discrete element model

Wellbore instability is a key problem restricting efficient production of coal-bed methane. In order to perform thorough and systematic research regarding coal-bed wellbore stability problems, a new discrete element model which fully considers the features of cleat coal-beds is established based on the Kirsch equation. With this model, the safe pipe tripping speed, drilling fluid density window and coal- bed collapse/fracture pressure are determined; in addition, the relationships between pipe tripping speed and pipe size, cleat size, etc. and wellbore stability are analyzed in the coal-bed drilling and pipe tripping processes. The case studies show the following results： the wellbore collapses （collapse pressure： 4.33 MPa） or fractures （fracture pressure： 12.7 MPa） in certain directions as a result of swab or surge pressure when the pipe tripping speed is higher than a certain value; the cleat face size has a great influence on wellbore stability, and if the drilling fluid pressure is too low, the wellbore is prone to collapse when the ratio of the face cleat size to butt cleat size is reduced; however, if the drilling fluid pressure is high enough, the butt cleat size has no influence on the wellbore fracture; the factors influencing coal-bed stability include the movement length, pipe size, borehole size.     

温度对超深井非水化地层安全钻井的影响

超深井钻井中普遍存在高温高压等地质环境，钻井过程中经常发生喷、漏、卡、塌等复杂情况。为减少复杂情况发生、研究了温度对井壁稳定性的影响，探讨了井周有效应力、岩石力学性质及钻井液密度随温度变化的规律。研究发现温度变化会产生热应力，导致孔隙弹性系数变化，从而改变井周有效应力的分布；温度升高岩石力学性质逐渐变差，并有可能产生热开裂现象，从而引发井漏、井塌等复杂事故；高温高压井中压力和温度同时起作用，但温度效应更加明显，将引起钻井液当量密度降低。综合考虑以上3 个方面，认为温度对超深井地层安全钻进具有重要影响，钻井过程中应该尽量减少起下钻次数，保持钻井液循环，该研究结果可为进一步确定合理的安全密度窗口及入口钻井液密度提供依据。     

中低渗透复杂断块油藏水平井优化部署——以江苏油区为例

为了提高中低渗透复杂断块油藏水平井的开发效益,根据江苏油区复杂断块油藏水平井井网布置的基本形式,在充分考虑低渗透油藏渗流特征的基础上,运用数值模拟技术,对低渗透油藏水平井开发的各种注采井网部署方案进行了研究。通过优化对比,认为江苏油区中低渗透复杂断块油藏应首先考虑天然能量条件下水平井与边底水之间能否建立有效渗流场,然后再考虑有效的能量补充方式;一对一注采井网是在低渗透油藏中优先采用的注采井网形式。现场应用结果表明,江苏油区瓦2块2口水平井经能量补充后,开发效果得到明显改善,动液面和产液量明显升高,到2010年底2口井累积增产油量为2 550 t,所提出的水平井优化部署方案适用于江苏油区中低渗透复杂断块油藏,为同类型油藏的水平井能量有效利用与补充提供了思路和经验。     

定向井泥页岩地层复杂事故处理

定向井钻进至泥页岩地层容易发生复杂情况,甚至会出现卡钻填井事故。针对此问题开展了预防及处理复杂事故的实践技术研究,以安全经济为主的原则,通过分析地层岩性,在钻井液性能调节、复杂事故处理及设备配套方面进行了优选, 采用不同的途径解决钻进至泥页岩地层出现的复杂事故问题。通过对马2-1H 井、高庙103D 井、雷X 井3 口定向井/ 水平井施工过程中出现的复杂事故概况进行分析研究,尤其是出现不同的井下影响因素条件下,分析处理事故复杂的共性,把钻进至泥页岩地层前后的施工概况、出现复杂事故的处理过程、原因分析等归纳总结,以点带面,找出共同点,提出预防定向井/ 水平井泥页岩地层钻进发生复杂事故的建议,同时对已经发生复杂事故的定向井/ 水平井处理积累经验。     

基于GGA优化的PNN方法在气水储层识别中的应用

能够校准确地进行气水层识别一直以来都是油气勘探开发非常关注的一个问题.在认真分析Z气田山2段储层地质特征的基础上,提出了基于格雷码遗传算法优化的概率神经网络方法(GGA-PNN),探索了该方法在气水层识别中的应用.首先综合常规测井资料和试气资料构建59个气水层样本(其中学习样本36个,预测样本23个),并进行数据归一化...