页岩水化膨胀性能的实验研究

在钻井工程中钻遇页岩地层时,经常由于页岩水化膨胀发生井壁坍塌事故。为进一步认识页岩水化膨胀特性,在页岩全矿物分析结果的基础上,利用高温高压页岩膨胀仪,通过实验分析了温度、压力及钻井液滤液对页岩膨胀性能的影响,并阐述了原因。     

含油污泥的干燥研究

干燥技术处理含油污泥,已经成为国内外石油化工行业的研究热点。首先简要介绍了含油污泥的来源,再通过干燥实验得到油泥的干燥曲线和干燥速率曲线,利用干燥速率方程得出干燥时间方程,并采用干燥模型及热分析动力学对干燥动力学实验数据进行数学处理,通过比较得出的干燥方程符合Page模型。     

钻井液振动筛固相运移动力学分析

在推导钻井液振动筛按圆、直线和平动椭圆三种运动轨迹振动方程的基础上,分析了钻井液固相颗粒在非淹没状态下相对于振动筛面做后滑、抛掷、静止和前滑四种状态下的运移动力学条件,即固相颗粒速度和位移的动力学方程。按方程仿真计算得到的固相颗粒运移速度与实测的运移速度相比,相对误差小于15％,吻合较好。综合分析认为,钻井液固相颗粒在平动椭圆振动筛的运移速度高于直线振动筛,在直线振动筛上的速度又高于圆型振动筛。     

钻井液滤失规律及其回归方程

由于钻井液在不同滤失介质和不同条件下的滤失性能有较大差异,按照API标准进行的滤失量测定不能全面地反映钻井液滤失性能。因此,根据Ostwarld方程,对实验条件下测定的滤失数据进行处理并得出滤失回归方程。实验证明,钻井液滤失方程既是钻井液自身滤失特性的规律性概括,又反映了钻井液与所接触地层的匹配程度,可以此为依据设计和优选钻井液、判断钻井液滤液损害深度。实验研究了滤饼渗透率的变化规律及测定方法,认为用恒定滤失速率表示滤饼渗透性是较好的方法。     

JHTP新型非接触式智能膨胀仪的研制与应用

膨胀仪是评价黏土矿物膨胀性能的重要试验仪器，目前，国内现用的膨胀仪有常温常压和高温高压2种。常温常压膨胀仪不能模拟井下温度和压力条件，试验结果不能真实地描述井下条件下黏土的膨胀情况和加入黏土抑制剂后对黏土的防膨胀效果。高温高压膨胀仪虽然能模拟井下温度和压力条件，     

油田钻井液技术及其废弃液的处理

钻井液的性能直接影响着钻井速度、井下安全,并对储层保护起着重要作用,性能良好的钻井液是钻井作业得以顺利进行的重要保证。本文介绍了钻井液的发展过程,钻井液主要新技术,并结合实际工程经验,提出了一些处理废弃钻井液的方法,为实际工程应用提供了参考。     

非接触式高温高压智能膨胀仪

一种非接触式高温高压智能膨胀仪，属石油勘探开发实验设备领域。它由加热体、实验腔体、腔盖、腔底、腔身、圆铁饼、非接触式位移传感器、试验液体加入口、加压孔、前置器、数据采集器及输出设备组成。它是利用非接触式位移传感器与圆铁饼之间的距离随粘土饼膨胀时体积变化而变短，而改变传感器的输出电压，使数据采集器得到实验参数，而达到在室内评价粘土矿物膨胀性能的。克服了现有常温常压和高温高压膨胀仪不能真实和精确地描述井下条件粘土的膨胀情况，实验误差大，加入粘土抑制剂后对粘土的防膨胀效果不能预计的问题。且结构简单，操作方便，实验数据准确，能够精确地测量在地层条件下，粘土矿物的膨胀量及加入防膨荆后的防膨率。     

交联聚合物堵漏剂室内性能研究

介绍了一种吸水膨胀性很强的交联聚合物堵漏剂GWS-1。对该堵漏剂进行了室内实验研究,分别评价了其在不同基液中的膨胀性能、耐温抗盐性能以及与水基钻井液的配伍性能,并分析了其堵漏机理。结果表明,GWS-1在几种基液中的体积膨胀倍数基本一致,常温下约为5~6倍;随着温度的升高,膨胀倍数相对增大,盐水矿化度对其膨胀性能没有明显影响,且与水基钻井液配伍性好。对GWS-1进行模拟堵漏实验得知,其配合常规桥塞材料能成功封堵3 mm裂缝,承压能力达到4 MPa以上,具有良好的堵漏效果。     

油包水钻井液钻穿煤层的可行性

通过分析煤岩地层垮塌机理,总结了煤层钻井液技术难点,并提出了稳定煤系地层的钻井液技术对策。室内通过高温高压膨胀实验、粒度分布、回收率及强度实验,评价了油包水钻井液钻穿煤层的可行性。实验表明,煤岩在油包水乳化钻井液中的强度较清水中降低了23%。通过在油包水乳化钻井液中引入无渗透钻井液处理剂,可提高油包水乳化钻井液的封堵能力,降低了油包水钻井液钻遇煤层时井壁失稳的风险。     

钻井液脉冲沿井筒传输的多相流模拟技术

在随钻测量系统和闭环钻井系统中,把钻井液看作气相、液相和固相的多相流体,研究了钻井液脉冲的传输速度计算方法,分析了钻井液的组份含量和特性对脉冲信号传输速度的影响.根据多相流的动力学方程,建立了模拟钻井液脉冲动态传输特性的数学模型.研究结果表明,钻井液中的气相和固相将对钻井液密度和压缩性产生影响,进而影响钻井液脉冲的传输速度和传输特性.随着钻井液密度和压缩性的提高,脉冲信号的传输速度降低.脉冲传输速度对含气量非常敏感,随着含气量的增加,传输速度迅速下降;沿井筒往复传播的钻井液脉冲在系统边界处将产生折射和反射,类似于阻尼振荡;钻井液粘度是影响脉冲信号衰减速度的一个重要因素.该数值模拟方法简便易行,可以替代部分室内实验,对现有钻井液脉冲传输系统的改进以及新系统的开发都具有参考价值.     

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。     

有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用

针对页岩气开发中面临的页岩极易吸水膨胀、缩径、破碎垮塌等特点,优选出了有机盐聚合醇钻井液的配方.性能评价结果表明,与现场常用的聚合物和聚磺钻井液相比,该有机盐聚合醇钻井液具有较强的抑制性、封堵性能和较低的渗透性及活度,能阻止滤液进入页岩地层,防止页岩吸水膨胀垮塌,充分体现了体系的低活度防塌性能.并通过在第一口页岩气专层井宁206井的现场应用表明,有机盐聚合醇钻井液能解决易塌页岩地层的井眼稳定和页岩气井高伽玛碳质页岩的失稳问题.     

钻井液活度对川滇页岩气地层水化膨胀与分散的影响

降低水基钻井液活度是解决钻井过程中泥页岩井段井壁失稳的重要技术手段,川滇地区页岩气地层泥质含量高、水敏性强,层理与微裂缝发育,井壁易失稳。以氯化钙等无机盐、甲酸钾等有机盐及丙三醇等有机化合物作为活度调节剂,通过线性膨胀实验、热滚回收实验研究了钻井液活度对宜宾龙马溪组、宜宾五峰组等页岩水化膨胀与分散的影响。结果发现,钻井液活度对页岩水化膨胀和水化分散影响小,泥页岩渗透水化不是上述地区页岩地层井壁失稳的主要原因。解决其井壁失稳问题,应从表面水化、毛管压力及微裂缝等其他机理入手。      

川滇页岩气水平井水基钻井液技术

为解决水基钻井液钻页岩气水平井过程中出现坍塌等井壁失稳问题,以多碳醇、磺化沥青钾盐为核心处理剂,研究了一套针对川滇页岩气地层的新型水基钻井液。通过膨胀率、回收率、力学特性分析、封堵、抗污染等实验,研究了新型水基钻井液基本性能。结果表明,新型水基钻井液显著抑制云南龙马溪组、四川龙马溪组及五峰组页岩水化膨胀与分散,页岩膨胀率分别为1.23%、0.95%和0.98%,回收率分别为98.94%、99.13%和99.05%,其抑制页岩水化膨胀分散性能与油基钻井液相近;与常规水基钻井液相比,页岩抗压强度降低程度大幅减小,能有效减缓页岩抗压强度降低,对页岩裂缝具有较强的封堵性;抗盐（5% NaCl）、膨润土（5%）、岩屑（20%钻屑）污染能力强,具有良好的稳定井壁效果。      

强封堵钻井液体系在河南页岩气钻井中的研究和应用

河南中牟和温县页岩气区块在直井钻井过程中频繁出现坍塌掉块、井径扩大等井下复杂,通过对储层地质特征以及老井钻井液体系测试分析,造成此现象的主要原因为钻井液封堵性不足。因此基于抑制水化、加强封堵两方面开展钻井液研究,优选封堵剂HSM、HGW和抑制剂HAS,形成一套强封堵、强抑制钻井液体系,并对体系性能进行了测试。室内测试结果表明,该钻井液体系性能优良,100℃老化72 h仍具备较好的流变性;对泥页岩钻屑热滚回收率高达98.5%,10 h线性膨胀率仅为2.34%;封堵性能好,6 h API和HTHP滤失量分别为7.8 mL和9 mL;还具备较强的抗污染能力。现场应用后基本未发生坍塌掉块、井壁失稳现象,井径扩大率从21%降至6%,说明该钻井液体系能够满足该区块的钻井工程需要。      

川中地区上部地层钻井液增速技术

将单项技术进行集成应用,以目前常用的钾聚磺钻井液技术为基础,采用硅基防塌技术和防泥包技术,解放钻井液密度,形成一套适用于川中地区的增速钻井液体系。室内研究表明,该钻井液体系具有较强的抗盐污染及防泥包能力;增速钻井液岩屑滚动回收率高达95.0%,岩心膨胀降低率高达96.8%,均优于聚合物钻井液和聚磺钻井液,仅次于油基钻井液,说明该钻井液具有较强的防塌能力。现场应用中,通过对比川中地区井身结构、钻井工艺措施一致的井,采用该钻井液体系钻进的井机械钻速平均提高48.66%、划眼时率平均降低74.97%、井径扩大率平均降低18.14%,达到了提高钻头破岩效率、提高机械钻速、降低复杂事故率的目的,具有很好的现场应用前景。     

活度与半透膜对页岩水化的影响

井壁稳定性的研究多是探讨页岩水化作用的规律。本文将热力学基础概念应用到对页岩水化的研究中来,推演出水迁移驱动力——化学势的表达式。指出只有存在效率显著的半透膜作用时,才能通过降低泥浆水活度来防止页岩水化,油包水泥浆中的油在页岩与水相之间起到较理想的半透膜作用。常压下页岩与水基泥浆之间的物质迁移中主要以流动和扩散方式进行。     

一种适合页岩气水平井的水基钻井液

由于泥页岩地层特性以及页岩气钻井工艺技术特点,目前页岩气井多采用成本较高、易污染环境的油基钻井液。优选一种基于纳米材料的水基钻井液体系,该钻井液利用纳米二氧化硅封堵泥页岩微小孔隙,采用磺化沥青Soltex作页岩井壁稳定剂。对该体系的高温高压滤失性能、高温高压流变性、膨胀性、滚动回收率、润滑性、泥饼摩阻系数以及表面张力等参数进行了测试。结果表明,该钻井液对泥页岩有较强的抑制性,抑制效果好于具有强抑制性的聚合醇体系,可防止泥页岩水化膨胀分散,保证井壁稳定;具有很好的润滑性,润滑系数为0.21,泥饼摩阻系数为0.049 7;在120℃下滤失量较低,流变模式较符合赫-巴模式;纳米二氧化硅/纳米碳酸钙近似球型结构,以及与Soltex的协同作用,使钻井液具有低表面张力,可削弱水锁损害。该水基钻井液体系适用于泥页岩地层钻进。     

水化作用和润湿性对页岩地层裂纹扩展的影响

页岩地层裂纹扩展对页岩气井井壁稳定有重要影响,而钻井液与页岩间相互作用(毛细管效应和水化作用)将对页岩地层裂纹扩展产生影响。选择四川盆地龙马溪组露头及井下岩心开展室内实验研究页岩润湿性和水化作用,基于断裂力学理论,考虑水化作用和润湿性(毛细管效应),建立页岩裂纹裂缝扩展模型,分析了水化作用和润湿性对页岩裂纹扩展的影响。研究结果表明,龙马溪组页岩表面既亲油又亲水,且页岩表面更倾向于油湿;页岩浸泡在水中,水化应力随着时间增加而先上升后趋于稳定,而先浸泡在白油中、后浸泡在水中或浸泡在10%KCl溶液中测试膨胀应力,水化应力上升速度减慢;页岩浸泡在水中,岩样表面形成的裂缝主要平行于层理面,随着时间增加,岩样保持完整或剥落成碎块,而页岩浸泡在10%KCl中,岩样表面形成裂缝数量少且破裂程度轻;水化作用和润湿性对应力强度因子增量影响较大及对页岩裂纹扩展有重要影响,钻井液体系应减小钻井液滤失量及钻井液界面张力、增加黏土矿物水化抑制剂和增大钻井液与页岩表面接触角,减小自吸作用,抑制水化作用。油基钻井液与页岩表面接触角小,但其界面张力小,造成毛细管力小,因此页岩地层钻井中,采用油基钻井液能在一定程度上抑制裂纹扩展,使井壁不易失稳。     

基于页岩气“水替油”的高性能水基钻井液技术

常规油气井钻井用的高性能水基钻井液无法满足页岩气长段水平井的钻井需要,而油基钻井液存在成本高和巨大的环境压力问题。以昭通页岩气示范区为目标区块,通过分析页岩气的地层特点和存在的技术难题,有针对性地研制出了一种呈黑褐色液体的高效抑制剂、一种纳微米封堵剂、一种成膜降滤失剂和一种特种液体润滑剂,并形成了一套新型高性能水基钻井液体系。该体系的流变性、降滤失性、润滑性和抑制性与油基钻井液的性能基本相当,并且具有较好的抗污染性能,具备了页岩气钻井液"水替油"所需的各种主要性能;密度为2.05 g/cm3的该钻井液中加入研制的润滑剂后,润滑系数降低26%;该钻井液具有较强的成膜封堵能力,能够封堵页岩微裂缝,阻隔压力传递;页岩岩心在该钻井液中高温浸泡10 d后仍有较高的强度,有利于页岩井壁稳定。该体系在昭通页岩气示范区黄金坝YS108H4-2井水平段的现场应用表明,该体系在钻进过程中性能稳定,流变性良好,返砂正常,润滑性良好,无掉块,电测一次成功,井径规则,平均井径扩大率为5.71%,机械钻速为11.74 m/h。该体系完全满足页岩气水平井现场施工的技术要求。