南海西江油田古近系泥页岩地层防塌钻井液技术

为了解决南海西江油田古近系泥页岩地层钻井过程中出现的井下掉块和阻卡等问题,进行了防塌钻井液技术研究。通过地层矿物组分、理化特性和力学参数分析,明确了古近系泥页岩地层井眼失稳机理;建立了维持井壁稳定的钻井液密度与岩石黏聚力关系图版,确定了保持井壁稳定的最低岩石黏聚力;为提高泥页岩经钻井液浸泡后的强度,优选了抑制剂和封堵剂并确定了其加量,得到了新防塌钻井液配方。研究发现,钻井液滤液进入地层引起泥页岩强度降低,是该油田古近系泥页岩地层井眼失稳的主要原因;在KCl–聚合物钻井液中加入2.0%聚铵盐、0.5%纳米二氧化硅和3.0%碳酸钙配成的新防塌钻井液,泥页岩岩样在其中浸泡10 d后黏聚力可达8.8 MPa,满足预计工期内岩石内聚力大于8.7 MPa的要求。研究认为,新防塌钻井液具有较好的抑制性、封堵性和良好的防塌效果,能有效减小井径扩大率,从而解决南海西江油田古近系泥页岩地层钻井中出现的井眼失稳问题。      

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。      

钻井液处理剂及体系对泥页岩坍塌压力的影响研究

水基钻井液通常使泥页岩坍塌压力增加,研究钻井液及处理剂体系对地层坍塌压力的影响有助于研究优选防塌钻井液处理剂及体系.介绍了通过岩心力学性能测试分析计算地层坍塌压力的方法,研究了部分处理剂对地层坍塌压力的影响,认为增强抑制和封堵能力可降低地层坍塌压力.文中提出的钻井液处理剂及体系对泥页岩坍塌压力影响的研究方法是切实可行的,可用来优选研究防塌钻井液处理剂、优选防塌钻井液体系、确定合理的防塌钻井液密度.研究表明,在聚合物或聚磺钻井液中加入抑制剂(如KCl)和粒度及软化点适当的封堵材料可降低地层的坍塌压力.     

长垣东部深井井壁失稳及技术对策

大庆油田在长垣东部深层油气田勘探开发过程中存在井眼不稳定问题。在对深层失稳井段资料调研的基础上，开展了易塌地层泥页岩水化膨胀及分散特性评价以及比亲水量研究。通过泥页岩--试液模拟作用的化学位差反渗透实验以及压力传递实验等，探讨了不同条件下泥页岩水化应力变化规律。利用井壁稳定性模拟实验装置（SHM仪），评价了不同钻井液防塌效果。理论分析和实验表明，当使用水基钻井液在复杂泥页岩地层钻进时，如何控制泥页岩压力传递和流体侵入是解决泥页岩井壁不稳的技术关键。使用长垣东部深层泥页岩与硅酸盐钻井液作用的实验表明，硅酸盐钻井液能显著降低泥岩渗透率，阻止钻井液滤液与孔隙压力的传递，改善膜效率，有助于充分发挥化学位差诱导的反渗透防塌作用效果。     

多功能聚合铝防塌剂AOP-1的室内评价和现场应用

防塌剂AOP-1是一种优良的化学反应型封堵防塌剂,兼具有抑制石膏溶解、固相清洁等作用.室内评价了多功能聚合铝防塌剂AOP-1的性能,介绍了其现场应用情况,并对其作用机理进行了分析.该防塌剂适用于微裂缝性泥页岩地层的封堵防塌、造浆性强的泥页岩防泥包和固相清洁,是一种具有广阔应用前景的处理剂.现场应用结果表明,防塌剂AOP-1具有抑制硬脆性泥页岩地层掉块、抑制石膏溶解和固相清洁作用,钻进过程中钻井液性能稳定,井下正常,起下钻畅通,开泵顺利,电测和下套管顺利,井径扩大率仅为4.1%.     

新庄储层疏松砂岩岩心制作新技术

针对新庄疏松砂岩储层没有成形岩心无法进行油气层保护室内评价的现状,介绍了制作疏松砂岩岩心的技术思路、制作条件及制作方式对岩心孔渗特性的影响,天然人造岩心制备程序和压制压力的确定。试验结果表明,新庄岩样进行先洗油处理,采用分次装砂、连续压制5min的压制方式,选用7．0MPa或10.5MPa的压制压力,压制的岩心的孔渗参数与实际地层较为接近。     

用动态试验方法研究井壁化学稳定性

结合大庆油田的实际情况,利用高温高压径向动态模拟装置进行了4个方面的研究:(1)高温高压下钻井液的径向动滤失;(2)高温高压下钻井液的防塌性能评价;(3)硬脆性泥页岩防塌剂的防塌机理;(4)防塌钻井液的体系。并对钻井液及降滤失剂、防塌剂在不同温度、压力下的滤失特性进行了试验,分析了径向动滤失形成的泥饼结构。认为在动态条件下钻井液的滤失速率随时间变化趋向一个常数;滤失速率随温度升高而增加,随固相增加而减少,随压差的增加而略有增加;降滤失剂对降低动滤失是有效的。经泥饼分析发现,降滤失剂在花饼形成过程中起重要作用。通过动态防塌装置可以模拟地下条件对泥页岩稳定性进行研究,也可以评价各种防塌剂的效果,认为降滤失剂和封堵剂的共同作用对非膨胀硬脆性泥页岩坍塌的预防有显著效果。     

华北牛东地区深井抗高温防塌钻井液技术研究与应用

华北油田牛东地区油层埋藏深,井底温度超过200℃,且钻井中易发生井壁失稳等复杂事故,常规钻井液体系稠化严重、防塌性能不足。基于深部地层岩样X射线衍射、扫描电镜组构分析结果,进行了深部地层井壁失稳机理及对策研究,结果表明牛东地区深层岩样黏土矿物含量较低,微裂缝发育,钻井液滤失是井壁失稳的主要原因。通过实验优化构建了两性离子聚磺抗高温防塌钻井液体系,并优选了刚性及可变形封堵防塌剂,形成了适合牛东地区的两性离子聚磺抗高温防塌钻井液体系,在牛东101井目的层段(井底温度207℃)进行了试验应用。室内评价结果表明,两性离子聚磺抗高温防塌钻井液体系在240℃热滚前后具有良好的流变、滤失性能,加入复配的刚性及可变形封堵防塌剂后砂床滤失量降低80%以上。现场应用过程中,钻井施工正常,电测一次成功,与邻井同井段相比,平均井径扩大率从56.74%降低为9.6%,实现了安全钻井的目标。该体系及其现场应用技术对牛东地区甚至其他高温超深井钻井具有非常重要的参考意义。图2表7参9     

满深区块深井强封堵钻井液技术

满深区块中深部地层断裂破碎,微裂缝发育,且黏土矿物含量高,组分差异大,硬脆性和水敏性泥页岩相互共存,钻井过程中易发生水力劈裂和水化不等速膨胀而导致的井壁失稳。为此,提出了“物理支撑+化学抑制封堵”防塌技术对策,并构建了多元协同防塌强封堵钻井液。室内评价表明：强封堵钻井液抗温达180℃;抗10%饱和盐水污染;T层和S层岩样滚动回收率高达89.36%和91.33%、膨胀率低至7.3%和4.2%;能有效封堵20～120目不同粒径石英砂间微孔隙。该钻井液在ManS5-H4井现场应用中性能稳定,流变性好,滤失量低,具有较好的抑制和防塌性能,解决了中深部地层阻卡、坍塌掉块和扩径等井壁失稳问题,井眼通畅规则,二、三开井段平均井径扩大率分别为4.28%和6.75%,返出岩屑代表性好,无钻井液事故发生,能满足复杂地层复杂工艺钻进需要,提高了钻井综合效益。     

吐哈西部油田井壁失稳机理实验研究

在勘探开发过程当中,吐哈油田西部的葡北、神泉和雁木西区块存在着严重的井壁不稳定等原因导致的划眼、卡钻、电测遇阻遇卡、固井留塞等问题.利用X射线衍射、电镜扫描、电动电位分析和泥页岩压力传递实验研究新技术,以及比亲水量测试等实验手段,对吐哈西部油田岩样的结构及理化性能进行了系统分析,论述了该地区复杂地层井壁失稳机理.依据“多元协同”防塌理论,通过单剂优选和配方优化实验,研制出了适合吐哈西部油田地层特性的钾-钙-醇强化防塌钻井液体系.现场试验结果表明,该钻井液体系能满足现场使用的要求.     

A Novel Aluminum-based Shale Stabilizer

A novel aluminum-based shale stabilizer used in drilling fluid composed of humic acid and aluminum (HA-Al) was synthesized. The expansion rate of shale sample in HA-Al solution was 12.87% (23.21% in pure water) in linear expansion test. Shale stability index values of high water content and low water content samples were 73.00 and 55.94, respectively, indicating HA-Al had good inhibition performance by absorbing between clay particles. The pore pressure transmission test indicated that after 20 h, the result was 0.4 MPa in glycols solution, 0.15 MPa in sodium silicate solution, and 0.07 MPa in HA-Al solution. Obviously, the last one was the best. So HA-Al had excellent performance to reduce pore pressure transmission. By scanning electron microscopy and energy-dispersive spectrometer analysis, it was confirmed that HA-Al could precipitate in the shale pores. As a result, the pore pressure transmission reduced and the shale stability increased.     

龙马溪组页岩强度评价与分析

准确全面地评价页岩储层的岩石强度,对页岩水平井井壁稳定性研究具有重要意义。针对龙马溪组页岩储层的特性,采用抗压法、屈曲硬度法和刻划测试法等多种评价方法,对其页岩抗压强度进行了综合评价与分析。评价表明,龙马溪组页岩的抗压强度大体为100~300 MPa,平均为123.71 MPa;与水接触后,页岩微裂缝附近的抗压强度可降低80%左右。研究表明,龙马溪组页岩的抗压强度受矿物组分相对富集的影响较大,石英含量高、黏土矿物含量低的区域抗压强度大;微裂隙对页岩整体强度具有决定性影响;在页岩水平井采用水基钻井液钻进时,必须加强对微裂隙的封堵能力,才能有效降低井壁失稳的风险。      

复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

四川自贡、泸州等区块深层页岩硬度高、脆性强、层理缝发育,水平钻井过程中井下阻卡、溢流等事故频发。针对该问题,通过开展深层脆性页岩钻井液封堵性实验及不同卸载围压速度下力学性能实验,研究了钻井液的封堵性及起钻速度对脆性页岩力学性能的影响及页岩破坏规律。实验结果表明:钻井液封堵性对深层脆性页岩强度和弹性模量具有明显影响,封堵性好时,页岩抗压强度可达350 MPa,弹性模量为16 000 MPa;封堵性差时,页岩抗压强度仅为40 MPa,弹性模量为6 000 MPa;围压卸载速度越快,脆性页岩越容易发生破坏,即起钻速度过快会导致井底有效液柱压力降低,引发井壁岩石崩落;井底压力环境下页岩多为沿层理裂缝发生破裂。该研究解释了复杂工况下深层脆性页岩力学性能及破坏规律,为现场制订防塌工艺措施提供了科学依据。     

XAN-YZ页岩稳定剂实验研究

为提高页岩气钻井的井壁稳定性和承压强度,开发了页岩气水基钻井液体系,研究了XAN-YZ页岩稳定剂对不同钻井液体系流变性能、抑制性能和封堵性能的影响规律,同时开展了XAN-YZ页岩稳定剂对页岩微裂缝/层理愈合修复性能和作用机理的探索实验。实验结果表明,XAN-YZ页岩稳定剂加入聚磺钻井液体系后,能够改善钻井液的剪切稀释性能,对钻井液的滤失性能影响不大;在聚磺钻井液体系中加入2%XAN-YZ页岩稳定剂后,页岩膨胀率下降40%,滚动回收率提高16%,封堵承压强度由2 MPa提高到5 MPa以上。XAN-YZ页岩稳定剂通过化学反应在页岩微裂缝和层理中生成水化产物,形成致密的防水屏蔽层,迅速愈合修复页岩的微裂缝和孔隙,使滤液在页岩中的穿透压力由2 MPa提高到15 MPa以上。XAN-YZ页岩稳定剂在聚磺钻井液体系中的最佳加量是2%。XAN-YZ页岩稳定剂及其作用机理的研究为页岩气水基钻井液体系的研究提供了一个新的技术思路和手段。     

中美海相页岩气地质特征对比研究

通过中国海相页岩气详细研究和美国典型页岩气区带解剖,对比研究了中美页岩气地质特征的异同,这些研究对指导我国四川盆地海相页岩气的研究具有重要理论和实践意义。 ①美国Barnett页岩、Marcellus页岩和Haynesville页岩气区带的盆地类型为前陆盆地,中国四川早古生代盆地为克拉通。沉积环境均为深水陆棚,岩石类型以硅质和硅质钙质页岩为主,脆性矿物含量高。②Barnett页岩TOC值为3%~13%,平均为4.5%,Marcellus页岩TOC值为3%~12%,平均为4.0%,Haynesville页岩TOC值为0.5%~4%。四川盆地五峰组-龙马溪组和筇竹寺组页岩TOC值分别为1.5%~3%和2.5%~4.5%。③美国三大页岩成熟度适中,四川盆地海相页岩处于过成熟阶段。Barnett页岩、Marcellus页岩和Haynesville页岩R_O值分别为0.5%~2.1%、1.2%～3.5%和1.2%~3%。四川盆地筇竹寺组页岩R_O值一般为2.5%~4.5%,平均为3.5%,龙马溪组页岩R_O值为1.5%~3%。 ④Barnett页岩核心区厚度为30~180m,总孔隙度为4%~5%,基质渗透率小于1×10^-3μm²,Marcellus页岩厚度为 15～60m,孔隙度平均为10%,渗透率小于1×10^-3μm², Haynesville页岩厚度为70~100m,孔隙度为8%~9%,渗透率小于5×10^-3μm²,四川盆地五峰组-龙马溪组页岩厚度为25~120m,孔隙度为3%~10%,渗透率为(0.01~)×10^-3μm²,筇竹寺组页岩厚度为40~100m,孔隙度为0.1%~3%,渗透率为(0.01~42)×10^-3μm²。⑤Barnett页岩、Marcellus页岩和Haynesville页岩含气量分别为4.2~9.9m³/t、1.70～2.83m³/t和2.5~9m³/t。四川盆地五峰组-龙马溪组和筇竹寺组页岩含气量分别为1.7~4.5m³/t和0.55~1.2m³/t。中国海相页岩吸附气含量大于美国。⑥美国海相页岩埋深为1 220~3 990m,中国海相页岩埋深可高达5 000m,一般为1 500~4 000m;Barnett页岩和筇竹寺组页岩为正常地层压力,压力系数分别为0.99~1.01和1,Marcellus页岩,Haynesville页岩和五峰组-龙马溪组为异常高压,地层压力系数分别为0.9~1.4、1.61~2.07和1~2.3。⑦除四川盆地筇竹寺组页岩外,其他4套页岩均具有良好封盖层,有利于天然气保存。⑧美国地表条件更有利,多以平原为主,而四川多为丘陵。 ⑨四川盆地五峰组-龙马溪组页岩气地质资源量为17.5×10¹²m³,技术可采资源量为1.77×10¹²m³,筇竹寺组页岩气地质资源量为8.86×10¹²m³,技术可采资源量为0.886×10¹²m³。     

页岩自吸水化控制剂的研制与性能评价

为了有效控制页岩亲水性和毛细管自吸效应导致的水化破坏, 进行了页岩自吸水化控制技术室内研究。通过优化多种两亲表面活性剂复配增效的配比,以及岩样表面滴润与浸泡效果对比评价等,研制出了自吸水化控制剂FZXJ。室内评价试验结果表明,FZXJ的接触角为78.8°,岩样被处理后吸水量为0,水化作用明显降低,岩样完整,且与聚合物钻井液具有较好的配伍性。FZXJ具有较为突出的两亲能力,具有较强的优先吸附、主动防止页岩毛细管效应自吸水化功能,可以降低滤饼形成前的吸水量,与钻井液中的抑制剂、封堵剂协同作用,可起到强化井筒、稳定井壁的作用,具有较好的应用价值。      

四川盆地及周缘上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩岩相划分

页岩岩相对页岩气勘探"甜点"的确定具有十分重要的意义,不同专家和学者提出了不同的页岩岩相划分方案,但目前还未形成明确统一的标准。在总结前人对四川盆地及周缘上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩岩相划分的基础上,从页岩品质和可压性的角度,开展了页岩硅质成因分析和岩相划分特征参数的研究,明确了五峰组-龙马溪组页岩岩相综合划分方案:(1)分别以钙质含量大于50%、硅质含量大于75%、黏土含量大于50%为界,划分出泥灰岩、硅质岩和黏土岩3大类岩相和页岩混合岩相区;(2)将页岩混合岩相区以页岩气储量申报标准有机质含量1%、2%和4%为界,形成了低碳、中碳、高碳和富碳页岩4种页岩岩相;以页岩常见硅、钙矿物组分含量25%和50%为界,形成了低硅/中硅/高硅+低钙/中钙页岩等5种页岩岩相。该套以有机碳-矿物组分为基础、结合硅质成因分析的岩相综合划分方案,在科学研究和实际应用中适用性强、可推广,为五峰组-龙马溪组页岩纵横向优势岩相展布规律的研究奠定了基础。     

利用X荧光元素录井资料评价页岩脆性的新方法

为了对页岩气藏的可压性进行评价,指导储层改造选层,研究了评价页岩地层脆性的方法。基于矿物组成与岩石力学性质之间的关系,根据页岩矿物组成来表征其脆性的思路,在测得页岩地层化学元素组成后,经过相关性分析,选取能代表砂质、泥质和钙质的元素,采用适当的计算方法来求取砂质、泥质和钙质含量,并建立基于矿物组成的页岩脆性评价方法。利用该方法对3口页岩气井的元素录井资料进行了分析,其结果和ECS测井解释结果之间有较好的线性关系;与X衍射矿物测试进行了对比,数值整体趋势一致,可对比性强,能够满足现场实时评价页岩脆性的要求。这表明利用元素录井资料对矿物组成进行建模来表征页岩脆性的方法是可行的,可为页岩气藏压裂改造选层提供一种手段。      

页岩含油率多种测试方法对比

页岩含油率是页岩油资源评价的基本参数,但其测定方法尚无统一认识,制约了页岩油资源潜力的评估准确率。选取松辽盆地页岩油井的密闭取心页岩样品,依次开展二维核磁共振(T₁—T₂ NMR)、有机溶剂蒸馏萃取(Dean Stark)、热解气相色谱(PY-GC)和岩石热解(Rock-Eval)4种页岩含油率测定实验。对比分析表明,T₁—T₂ NMR法与Dean Stark法的页岩含油率测试结果相近,均高于PY-GC法,Rock-Eval法测试结果最低。样品处理方式对页岩含油率的测试结果具有重要影响,块状样品的测试含油率明显高于粉碎样品。综合分析认为,T₁—T₂ NMR法测试页岩含油率结果的可靠性高,具有时间短、样品无损、样品非均质性影响小等特点,是分析页岩含油率的最优手段,具有良好的推广应用前景。建立了不同热演化成熟度页岩的含油率恢复系数、轻烃恢复系数及校正图版,对于湖相I型有机质页岩发育区开展页岩含油率分析具有重要参考价值。     

含气页岩组分构成与岩石力学特性

页岩气储层的岩石力学特性能够影响钻井速度,进行含气页岩组构与岩石力学特性研究,可以为钻井设计和施工提供技术支持。采用X射线衍射分析、氩离子束剖光后扫描电镜观测和三轴岩石力学试验等方法,从矿物组分、微观结构、岩石力学性质等方面对蜀南页岩气钻井所取岩心和龙马溪组页岩野外露头进行了岩石力学特性研究。结果表明,龙马溪组含气页岩中黏土矿物的质量分数为16.3%~64.3%,伊利石占黏土总量的74.0%,不含蒙脱石,属于低水敏性页岩;粒径小于5 μm的基质矿物含量占绝对优势,其中分布少量细粉砂级碎屑或颗粒;平行于层理面方向和垂直于层理面方向的单轴抗压强度分别为137.0和132.4 MPa,45°方向抗压强度为平行层理面方向的66%,表明页岩力学性质存在明显的各向异性。