流-固-化-热耦合的陆相页岩井壁稳定力学模型及应用

由于钻井液浸泡,陆相页岩中的黏土矿物发生水化膨胀,页岩力学强度会发生弱化,诱发井壁坍塌现象。为探讨陆相页岩井壁稳定机理,假设井壁页岩为多孔弹性介质,考虑页岩基质和层理随着钻井液浸泡时间的水化过程,构建了流-固-化-热耦合的井壁应力场模型,再结合剪切破坏准则,形成了陆相页岩井壁坍塌压力评价模型。以泌阳凹陷陆相页岩油藏A水平井基础参数为例进行计算,揭示了A井井壁失稳原因,并优选了钻井液密度。结果表明：水平井若沿着最小水平主地应力方向布置,则井壁坍塌风险最小;在井斜角为45～70º的造斜段内,可采用水基钻井液,但其密度应高于1.35g/cm³,在井斜角为70～90º的高造斜段内,应采用油基钻井液;研究结果与A井钻井情况吻合。该研究结果可应用于指导陆相页岩井壁坍塌压力预测和钻井设计。     

非常规天然气远景

据美国天然气研究所分析,美国西部的致密含气砂层、东部的泥盆系含气页岩、煤层和地质静压带中蕴藏着大量的不能用常规方法开采的天然气。到1990年,通过采用先进技术,每年可从致密砂层、泥盆系页岩和煤层中开采到425～539亿立方米的非常规天然气。假设改进开采工艺技术获得成功,而且不受到需要量、资本、劳动和设备的限制,到2000年这种天然气的产量将猛增到     

裂缝性页岩含气系统

美国最初(1821年)的商业性天然气产量产于阿拉巴契亚盆地富含有机质的泥盆系页岩中。自70年代以来，了解有机页岩地层的地质和地球化学特征和提高天然气产能已先后取得数百万美元的研究价值。页岩含气系统实质上是连续的生物成因(占主导地位)、热成因或生物—热复合成因气藏，其特征表现为含气饱和度分布广、具有隐蔽圈闭机理、具有不同岩性的基层和相对较短的运移距离。页岩气既可以游离气状态储藏在天然裂缝和粒间孔隙中，也可以气态形式吸附在干酪根和粘土颗粒表面或溶解在干酪根和沥青中。美国现有5套商业性产气页岩，它们的5个关键参数变化极大，这5个关键参数是：热成热度(用镜质体反射率表示)、吸附气馏分、储层厚度、总有机碳含量和天然气地质储量。另一方面，在基岩低渗透率页岩储层中，天然裂缝的发育程度是控制天然气产能的一个重要因素。迄今为止，仅在少数未实施增产措施的页岩井中获得商业产气量，这些井钻遇到天然裂缝网络中。在大多数其它情况下，在成功的页岩气井中必需进行水力压裂。1999年总共生产了380bcf页岩气，其中，产自密执安盆地泥盆系Antrim页岩和阿巴拉契亚盆地泥盆系俄亥俄页岩中的气约占84％。但是，产自后来相继投入勘探和开发的另外3套主要有机页岩的天然气年产量稳定增加，这3套有机页岩分别是伊利诺伊盆地泥盆系New A1bany页岩、沃思堡盆地密西西比系Barnett页岩和圣胡安盆地白垩系Lewis页岩。在已估算天然气储量的那些盆地中，页岩气的资源量为497—783tcf。所估算的技术上可采纳资源量(Lewis页岩除外)为31—76tcf。在2套页岩中，0hio页岩中的天然气资源量占有最大约份额。     

焦石坝页岩气储层水平井井壁失稳机理

焦石坝区块页岩气储层岩石层理发育,导致页岩强度各向异性特征明显,钻井过程中易发生井壁失稳问题。为此, 采用龙马溪组井下岩心开展直接剪切和三轴实验,结合单组弱面强度理论,建立了页岩强度各向异性表征方法;综合页岩强度各向异性表征方法、井壁应力分布模型,建立了页岩井壁坍塌压力计算方法;最后,以目标井JY1HF 井为例进行了实例计算与分析。结果表明:龙马溪组页岩发育了大量软弱层理,沿软弱层理剪切滑移是井壁失稳的主要力学机制;钻井液浸泡后页岩强度出现劣化,但强度劣化效应并不十分显著;常规模型计算的坍塌压力随着井斜角增加而减小,文中模型计算的坍塌压力随着井斜角先增加后减小,且计算结果与实际情况更加吻合;页岩薄弱层理的剪切滑移是井斜井段井壁垮塌的关键,而强度的劣化并不是主控因素。研究结果可为礁石坝区块和其他地区页岩气井钻井设计、轨迹优化等提供参考。     

防透固壁技术在YM—21井的应用

针对ＹＭ－２１井吉迪克 页岩及含膏页岩造成壁失的特点，在分析井壁失稳原因的基础上，提出了防透固壁技术解决井壁失稳问题的方法，经过现场实施证明防透因壁技术能有效地解决该井迪克组井壁失稳的问题。     

破解塔里木盆地群库恰克地区井壁失稳难题的钻井液技术

塔里木盆地群库恰克地区油气产层主要位于石炭系和泥盆系,岩性复杂,已完钻的几口探井钻进过程中共发生了200次井下复杂及钻井事故,严重影响了钻井工程进度、增加了钻井成本。采用X射线衍射仪、页岩线性膨胀分析仪等对该地区失稳井段的地层矿物组分及其理化性质进行了分析测试,结合泥页岩线膨胀率评价试验、滚动回收率评价试验、失稳井段岩石黏土矿物和全岩矿物分析,找到了井壁失稳的原因：①失稳井段泥页岩的矿物成分以伊利石为主,其次为伊/蒙间层、高岭石和绿泥石,缺失蒙脱石,岩样泥页岩膨胀率低;②井壁不稳定的原因主要是伊利石的分散作用;③现场所用水基钻井液体系滤液进入地层是导致井壁不稳定的重要原因之一。据此认为：采用抑制能力和封堵能力强钻井液是预防和减少该区块井壁失稳的重要措施,具体的技术对策包括：①筛选合适的防塌钻井液处理剂及体系;②分地层设计和使用钻井液体系。现场应用结果表明,防塌钻井液和分地层钻井液设计较好地满足了该地区钻井工程的实际要求,降低了井下复杂和钻井事故的发生概率,缩短了钻井周期,提高了钻井效率,节约了钻井成本,经济效益显著。     

页岩水平井井眼轨迹方位与层理面产状的关系

准确掌握层理面产状对页岩水平井井眼轨迹方位选取的影响规律,能有效预防井壁坍塌,节约钻井成本。对长宁区块H1井龙马溪组岩心进行三轴压缩实验,依据页岩岩石强度单一弱面剪切破坏准则和页岩水平井井壁应力分布模型,建立了页岩水平井井壁坍塌压力计算模型。利用页岩水平井测井资料和岩石力学实验数据,采用数值模拟方法,得到层理面产状对页岩水平井井壁坍塌压力的影响规律。当页岩层理面倾向一定时,随层理面倾角的逐渐增大,页岩水平井井壁坍塌压力当量密度范围逐渐变宽。当层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面的剪切破坏;当层理面倾角大于45°时,井壁岩石发生本体破坏,且当井壁岩石发生本体破坏时,页岩水平井沿层理面倾向的相反方向钻进有利于井壁稳定。     

抑制性抗钙盐岩盐与石膏侵污钻井液工艺技术试验研究

石油天然气与盐矿钻探中,常钻遇长段泥岩、页岩、盐岩、石膏、以及膏盐互层和泥盐互层等复杂地层。本项研究形成的钻井液体系,具有超强的抑制性和抗多种高浓度可溶性盐岩对钻井液污染能力,确保在这类复杂地层钻进中井壁化学稳定,有效控制钻屑分散造成污染,维持钻井液性能稳定、流动性好。该体系对地层泥页 岩水化膨胀具有超强抑制性,能有效控制井壁掉块、垮塌与缩径,并抑制泥页岩钻屑水化分散、稳定钻井液性能;在石膏与高纯度复合盐层钻进中,可减少井壁溶蚀、预防形成“糖葫芦”型井眼,并抑制膏盐类钻屑分散、溶蚀,避免钻井液性能恶化;在储层钻进中,能有效保护油气储层,无需添加任何油气层保护剂,就能充当优良的钻井完井液与修井液,是目前国际国内应用效果理想而又价格便宜、配制与维护工艺简单的水基钻井完井液。     

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。      

气体钻井中泥页岩地层遇水时的井壁稳定性研究

常规钻井液钻井中,水在正压差、毛管力和化学势等作用下进入泥页岩发生井壁失稳,而气体钻井除了自身的力学失稳外,主要在毛管力作用下吸收下部地层水造成泥页岩地层井壁失稳。因此,随着气体钻井技术的发展,在钻遇下部地层出水后,泥页岩地层的井壁失稳机理值得研究。从分析气体钻井条件下泥页岩吸水扩散系数、吸水膨胀系数和吸水后的力学参数变化入手,结合建立的力学化学耦合模型,紧紧抓住气体钻井和水基钻井液钻井的不同点,使得该模型能较好地运用到气体钻井泥页岩井壁稳定性的分析中,并通过DY1井气体钻井实践验证了文中的模型。     

ZY-APD高性能水基钻井液在常压页岩气井的应用

针对武隆等常压页岩地层的特点与工程情况,应用ZY-APD高性能水基钻井液。井壁稳定效果好,解决了小河坝、龙马溪等页岩地层的井壁稳定难题;钻井液的润滑性好,定向无托压,机械钻速高;井眼清洁度高,避免了岩屑床的形成,起下钻通畅,较好地满足了常压页岩气钻完井的施工要求。     

页岩气藏地层井壁水化失稳机理与抑制方法

页岩气井水平井段井壁失稳是目前中国页岩气资源勘探开发的关键技术难题。通过云南昭通108区块龙马溪组页岩的X-射线衍射分析、扫描电镜（SEM）观察、力学特性分析、润湿性、膨胀率及回收率等实验,研究了其矿物组成、微观组构特征、表面性能、膨胀和分散特性,揭示了云南昭通108区块龙马溪组页岩地层井壁水化失稳机理。该地层黏土矿物以伊利石为主要组分,不含蒙脱石及伊蒙混层,表面水化是引起页岩地层井壁失稳的主要原因。基于热力学第二定律,利用降低页岩表面自由能以抑制页岩表面水化的原理,建立了通过多碳醇吸附作用改变页岩润湿性,有效降低其表面自由能、抑制表面水化,进而显著抑制页岩水化膨胀和分散的稳定井壁方法。      

雪古2井钻井液技术

雪古2井位于胜利油田沾化东区块,目的层为第三系地层。该井东营组以上地层胶结松散,易水化分散引起井壁坍塌;沙河街组以下地层以泥岩,砂岩、泥页岩、薄煤层为主,地层裂缝发育,易水化膨胀引起坍塌掉块,导致井壁失稳。使用氯化钾聚合醇(KCl-AQUAL)钻井液,井壁稳定,井下正常,较好地解决了这一技术难题。     

钒钛铁矿加重材料的应用

华北油田曹家务地区,四开钻进前,地层压力系数高达1.57,油气显示活跃,地层渗透率低;曹5井(已完)首次测试时,天然气产量仅有2700立方米/日,井口压力却高达420大气压;地层倾角大,泥页岩水化膨胀明显,井壁易垮塌;井底温度高达130℃,泥浆体系易造成复杂化。     

塔河油田盐下探井三开长裸眼井壁稳定问题的探讨

塔河油田盐下探井设计井深在6300 m左右,三开φ 311.1 mm井段为井深3000～5300 m.在这一井段面临的井眼稳定问题主要是:①侏罗系-三叠系、石炭系上部硬脆性泥岩及二叠系玄武岩地层易剥落和掉块、坍塌,扩径严重;②需要解决裸眼段多个地层压力系统共存和地层岩性差异较大的漏失问题,目前承压堵漏工艺技术还不过关;③巨厚盐膏层的塑性变形极易导致发生缩径卡钻,由于含盐膏泥页岩中的盐溶解及泥页岩的水化分散作用易造成井壁的不稳定性.近期在φ 311.1 mm井段发生了多起事故,例S106-3井、T761井下复合套管卡钻;TK1102井、TK1103井承压堵漏后,在盐膏层钻进中又发生井漏事故等等.因此提出盐下探井三开井段井壁稳定是全井钻井液技术的关键,并针对目前三开井段存在的问题,提出了稳定该井段井壁的技术思路和措施.     

英国页岩天然气潜能的研究

一八二一年美国首次从裂缝性页岩储层中开采石油。继之，在肯塔茯－纽约州的阿巴拉契亚盆地建成了大规模的页岩天然气的开采基地（图1）。从泥盆系，宾夕法尼亚系富含有机质的黑色页岩中开采天然气，但在构造形态清楚的油田很少圈闭这种天然气。这种天然气多聚集在粉砂岩夹层和不规则的页岩裂缝系中，其发热量很高（C.1200BTu)，一般都为湿气，含有10％以上的乙院，井口压力稳定，多在300－500Psi之间，天然气的流量约为50－10百万立方基尺，日，衰减速率约10％，每年。某些单井可开采40－50年。油井浅，很少超过2000英尺深，因此，钻井勘探的费用也低。     

准噶尔盆地硬脆性页岩强化致密封堵水基钻井液技术

为解决准噶尔盆地硬脆性页岩地层井壁失稳的问题,在分析准噶尔盆地硬脆性页岩矿物组成与组构特征的基础上,根据多元协同井壁稳定理论,提出了以多尺度致密封堵为核心的协同稳定井壁技术对策,构建了多尺度致密封堵水基钻井液YHDF-1和YHDF-2。矿物组成和组构特征分析结果得知,准噶尔盆地硬脆性页岩地层井壁失稳与“微裂缝–裂隙–孔隙”的多尺度特征密切相关,加强封堵微纳米尺度缝隙,提高抑制页岩表面水化的能力,发挥合理密度钻井液有效应力支撑井壁的作用,才能协同强化稳定井壁。性能评价结果表明,多尺度致密封堵水基钻井液YHDF-1和YHDF-2可耐150 ℃高温,其400 mD砂盘的PPA滤失量分别为17.8和13.2 mL,可使页岩的渗透率降低90%以上。钻井液YHDF-1和YHDF-2分别在准噶尔盆地的D-72井和D-12井进行了现场试验,钻井过程中均未出现井壁失稳现象,试验井段平均井径扩大率均小于10.0%,电测均一次成功。研究和现场试验结果表明,多尺度致密封堵水基钻井液YHDF-1和YHDF-2具有优异的封堵防塌性能,可以解决准噶尔盆地硬脆性页岩地层井壁失稳的问题。      

基于疏水改性的纳米二氧化硅页岩稳定剂的制备及性能评价

钻井过程中泥页岩井壁失稳问题频发，严重制约了油气田的钻探开发进程，亟需研制新型纳米页岩稳定剂。将疏水基团接枝到纳米二氧化硅表面制备了新型页岩稳定剂(SNL)，采用红外光谱、粒度分布测试表征了其微观结构，利用泥页岩膨胀、分散及压力穿透测试评价了其页岩稳定效果，并探讨了新型页岩稳定剂的作用机理。结果表明，新型页岩稳定剂能有效抑制黏土的水化膨胀和分散，其水化抑制效果优于常用水化抑制剂。新型页岩稳定剂通过在泥页岩裂隙中填充、弱化黏土的静电斥力，包被黏土粒子，并将其表面变得疏水，来弱化泥页岩水化作用，改善泥页岩井壁稳定性。SNL在JYHF-2井进行了现场应用,相比邻井,该井的井下复杂率明显降低,现场钻井作业周期显著缩短。SNL的现场应用结果为开发新一代基于润湿性改善的纳米页岩稳定剂提供了思路。     

即时封堵防塌水基钻井液在四川页岩地层的应用

针对四川盆地多个构造采用普通的水基钻井液体系斜穿页岩井段时遇到的井壁失稳难题,结合国内外对页岩理化性能的研究成果,在钾聚磺钻井液的基础上引入润湿反转技术、固相粒度分布调节技术、瞬时失水控制技术,形成一套具有即时封堵井壁孔隙、即时胶结近井壁带微裂缝、即时形成油润湿性致密滤饼特征的钻井液技术。该技术
在公山庙、莲花山、张家坪等构造大斜度长页岩井段和破碎性垮塌井段进行了应用,取得了钻井周期节约 33.5%,机械钻速提高 29.4%,井径扩大率降低 52.0%,划眼时率降低 93.9% 的良好效果,同时为使用水基钻井液钻页岩水平井提供了一定的技术积累和新的思路。      

抗高温强封堵油基钻井液在足201-H1井的应用

足201-H1井龙马溪组页岩为弱膨胀性页岩,页岩的微裂缝和微孔洞发育,脆性指数高,钻进过程中易发生偶然掉块,井壁易失稳。针对足201-H1井龙马溪组页岩的地质特点,分析该井采用油基钻井液钻井过程中的技术难点,提出相应的技术对策。通过实验优选出抗高温强封堵油基钻井液配方,对其性能进行实验分析评价。实验结果表明,抗高温强封堵油基钻井液在150℃下静恒72 h后,罐底无况淀,罐内钻井液上下密度差0.03 g/cm~3; 150℃高温高压滤失量小于1.2 mL;对足201井的页岩岩屑的膨胀率为0.3%,回收率为98%;抗9%岩屑污染。现场应用表明,抗高温强封堵油基钻井液能满足足201-H1井钻井技术需要,能抗井底150℃高温,钻进过程中,井壁稳定,钻井液性能稳定,井眼净化良好,井下安全,完钻井深6 038 m,刷新国内最深页岩气水平井记录。建议抗高温强封堵油基钻井液可在其他埋深较深的页岩气区块推广应用。