胺基硅醇强抑制封堵防塌钻井液体系研究与应用

济阳坳陷沾化凹陷桩西古潜山披覆构造带南部桩64-平1井的斜井段、水平段位于上第三系东营组底部和下第三系渐新统沙河街组一段,该地层为泥页岩、油泥岩、灰色泥岩夹层,极易发生坍塌掉块、井壁失稳等井下复杂情况。针对这一难点,结合室内实验研究,选择了胺基硅醇强抑制封堵防塌钻井液体系,利用胺基硅醇的强抑制性抑制泥页岩、油泥岩水化膨胀,利用强抑制钻井液体系的高膨润土容量限,提高体系的优质黏土含量,并复配封堵防塌材料对地层微裂缝进行封堵,有效地避免了钻进易坍塌地层出现掉块、井壁失稳等井下复杂情况。     

塔河侧钻水平井硬脆性泥页岩井壁失稳研究及对策

考虑到避水与垂深的限制,将塔河侧钻水平井的造斜点设置在石炭系巴楚组或桑塔木组。此外,造
斜段在泥岩段钻进井段较长,钻井液的浸泡作用使井壁极易掉块坍塌,卡钻等复杂情况经常发生。通过黏土矿物、
理化特性、ＣＴ扫描等手段分析了易失稳泥岩的组构特征,易失稳地层属硬脆性泥岩,微裂隙发育。高温高压浸泡
岩心,进行ＣＴ扫描观察微裂隙扩展,并测试其抗压强度评价钻井液的抑制封堵性。采用多元协同的钻井液防塌机
理,兼顾物理化学封堵、抑制泥页岩表面水化、井壁固结以及合理的钻井液密度,开发了可以有效应对硬脆性泥页
岩剥落掉块的强抑制强封堵钻井液。经过ＴＫ２２７ＣＨ井的现场试验,取得良好的应用效果,垮塌掉块明显减少,井
径规则,保证了侧钻水平井在复杂泥岩段的安全施工。     

鄂尔多斯盆地富县区块强抑制强封堵防塌钻井液技术

针对鄂尔多斯盆地富县区块井壁失稳技术难题,从复杂地层的矿物组成、微观结构和理化性能角度,揭示了富县区块刘家沟组、石千峰组和石盒子组井壁失稳机理。泥岩中黏土含量较高,地层孔隙、裂缝发育,为泥页岩水化提供了空间。结合“多元协同”井壁稳定理论,提出“物化封堵/固结井壁阻缓压力传递—加强抑制黏土水化性能—合理密度支撑井壁”的防塌钻井液技术对策。通过单剂优选和配方优化,构建了适用于富县区块的强抑制强封堵防塌钻井液体系,该钻井液体系流变性良好,高温高压滤失量仅为8.4 mL,抑制防塌、封堵能力强,滚动回收率大于90%,400 μm裂缝承压能力达到6 MPa,储层保护性能良好。现场应用表明,新研制的强抑制强封堵钻井液体系能有效控制刘家沟组、石千峰组和石盒子组等地层的缩径、坍塌,显著降低了井径扩大率,提高了机械钻速,无井下复杂事故发生,为保证富县区块“安全、高效”的钻井施工提供了钻井液技术保障。      

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。     

低活度强抑制封堵钻井液研究与应用

济阳坳陷沙河街组地层油泥岩黏土矿物含量高,以伊/蒙混层、伊利石为主,且微裂缝发育,钻井过程中易发生坍塌、掉块等井壁失稳问题,为此进行了低活度强抑制封堵钻井液研究。利用油泥岩的半透膜作用,根据活度平衡理论,通过优化活度调节剂的加量来降低钻井液的活度,通过优选抑制剂来提高钻井液的抑制性,并利用"钻井液全固相粒度优化+多元协同封堵"技术优选封堵剂提高钻井液的封堵性,形成了低活度强抑制封堵钻井液。室内性能评价结果表明,低活度强抑制封堵钻井液的常规性能满足钻井要求,其活度低于油泥岩的活度,抑制性能与油基钻井液接近,封堵性能良好,动滤失速率在10 min时显著降低,60 min后逐渐趋于平缓。10余口井的现场应用表明,低活度强抑制封堵钻井液的常规性能满足钻井要求,钻井过程中油泥岩和泥页岩井段未发生坍塌、掉块等井壁失稳问题。这表明,低活度强抑制封堵钻井液可以减缓油泥岩、泥页岩的吸水膨胀和水化分散,实现微裂缝的有效封堵,能够解决水平井段油泥岩、泥页岩坍塌、掉块等井壁失稳问题。      

泥页岩地层水化后井眼周围应力的计算模型

由于泥页岩中含有水敏性黏土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。水化作用后的围岩,在假定泥页岩为线弹性的条件下,建立了均匀地应力作用下泥页岩水化后井眼周围应力分布的计算模型。对该模型利用差分方法进行了求解,可以编制程序,该程序可以计算出泥页岩水化后井眼周围岩石的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力。     

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。      

川东地区二迭系梁山组地层井壁不稳定机理及对策

川东地区属高陡构造,二迭系梁山组地层破碎松散,断层多,钻井过程常遇到掉块、坍塌、泥页岩水化膨胀缩径等严重井下复杂情况,已成为该地区深井钻控的严重障碍,在分析地层岩石矿物组成微观结构和理化特性的基础上,从地质、水化、物理和工程等方面分析井壁失稳机理,提出梁山组地层防塌技术对策：（1）严格控制当量钻井液浓度;（2）钻井液应具有良好的封堵性和抑制性;（3）严格控制失水小于10ml;（4）钻井液pH值控制在8～9;（5）尽量缩短浸泡时间。     

有机胺抑制剂WAN-1室内评价及应用

通过黏土造浆、页岩分散回收率、岩心浸泡和蒙脱土黏土颗粒Zeta实验,对有机胺WAN-1的抑制性进行了评价,结果表明有机胺抑制剂WAN-1能有效抑制泥页岩的水化膨胀,保证井壁稳定。有机胺强抑制封堵防塌钻井液体系在盐227区块,解决了长水平段泥页岩水化失稳导致井塌的难题,施工中井壁稳定,井下安全,井身质量良好,机械钻速明显提高,达到了优快钻井的目的。     

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。      

龙马溪页岩井壁失稳机理及高性能水基钻井液技术

目前长水平井段井壁失稳问题仍是制约国内外页岩气资源钻探开发的重大工程技术难题。为解决龙马溪组页岩长水平井段的井壁失稳问题,采用X射线衍射分析、氦气孔隙体积测试、高压压汞测试、高分辨率场发射扫描电镜、CT扫描、岩石连续刻划强度等实验,分析了龙马溪组页岩微观组构特征及理化特性,探讨了微观组构特征、理化特性对龙马溪组页岩井壁稳定的影响。研究表明:龙马溪页岩富含脆性矿物,黏土矿物以伊蒙混层为主,微纳米孔隙发育,微裂隙呈缝状、近平行分布,敏感性矿物的存在及其层理、微裂缝发育是导致页岩井壁失稳的主要内在因素。为此,针对性地提出了多元协同稳定井壁水基钻井液防塌技术对策,即"强化封堵-适度抑制-合理密度-高效润滑"。应用该技术对策构建了高性能水基钻井液优化配方,评价表明,该体系有较好的封堵性和抑制裂缝扩展的能力。该体系在黄金坝区块2口井三开进行了现场试验。现场试验结果表明,该体系较好地解决了页岩长水平井段的井壁失稳和水平段摩阻较大的问题,为中国采用水基钻井液技术高效钻探开发页岩气资源提供了新的思路及经验。      

威远区块深层页岩气水平井水基钻井液技术

为解决威远区块深层页岩气水平井长水平段井眼失稳的问题,研制了具有强抑制性、强封堵能力的水基钻井液。分析了威远区块页岩储层矿物组分、储层物性和页岩地层井眼失稳机理,认为在该地层钻进水平段时,所用钻井液应具有较强的抑制性、封堵能力和一定的润滑性。在优选抑制剂、封堵剂和润滑剂的基础上,配制了深层页岩气水平井水基钻井液SM–ShaleMud,并对其性能进行了室内评价。室内试验结果表明:该钻井液流变性能好,高温高压滤失量低,润滑系数小;可抗温140 ℃,能有效抑制黏土水化和裂缝的产生、扩展;封堵能力和抗污染能力强。SM–ShaleMud水基钻井液在威远区块威页23平台3口井进行了应用,结果表明具有良好的综合性能,特别是井眼浸泡67 d后仍保持稳定,说明其具有强抑制性和强封堵能力。研究表明,SM–ShaleMud水基钻井液能够解决威远区块深层页岩气水平井长水平段井眼失稳问题,现场应用效果显著。      

陆相页岩气水平井段井壁失稳机理及水基钻井液对策

鄂尔多斯盆地陆相页岩气井水平段井壁失稳问题,是制约该盆地延长区块中生界上三叠统延长组页岩气资源勘探开发的重大工程技术难题。为此,采用X射线衍射分析获取页岩矿物组分特征,并分析其理化特征、比表面积及微观结构,在此基础上研发了基于纳米封堵的低自由水活度页岩水基钻井液体系(PSW-2),并现场应用于5口陆相页岩气水平井,保障了其长水平段钻进井眼的稳定性。研究结果表明:①该区延长组页岩黏土矿物含量高,属弱膨胀、易分散、多层理裂缝地层,井壁失稳是力学、物理化学、钻井机械扰动等因素综合作用的结果 ;②页岩平均孔径为4.494～8.502 nm,毛细管作用明显、吸水能力较强、水化不均匀,导致页岩局部强度下降,易形成突发性垮塌;③研制的PSW-2体系API滤失量低于2.8 mL、滚动回收率为95.15%(接近于油基钻井液98.25%的回收率)、线性膨胀率低至1.38%,润湿角由干岩样的26°增大为56.5°;④该钻井液体系浸泡后抗压强度增加至95.806MPa,接近于原岩的强度(110.70MPa)。结论认为,该水基钻井液体系通过微纳米成分封堵页岩孔隙、降低液相活度提高抑制性、减弱页岩毛细管自吸效应的多元协同,破解了井壁失稳的难题。     

巴彦河套盆地临河区块深层井壁失稳钻井液对策

巴彦河套盆地临河区块深层钻井过程中井壁失稳严重,制约油田的高效开发。利用X射线衍射、扫描电镜等分析测试方法对失稳地层岩样的黏土矿物成分和微观结构进行分析,确定井壁失稳原因主要是地层水敏性强,同时微裂缝发育,钻井液滤液侵入后,水楔作用下造成微裂缝扩张,地层水化引起坍塌压力的增加导致剥落掉块。解决井壁失稳的关键是针对性提高钻井液体系的抑制性和封堵性。结合现场钻井液技术需求,引入微纳米封堵剂提高钻井液体系的封堵能力、引入聚胺与KCl配合提高体系的抑制性能。室内实验表明,优化后的钻井液体系页岩膨胀降低率62%,滚动回收率可达90%以上。现场应用3口井,古近系地层平均井径扩大率小于20%,有效提高了巴彦河套盆地临河区块深层井壁稳定性,为油田的高效开发提供了技术支撑。     

长宁区块强封堵油基钻井液技术研究及应用

分析清楚长宁区块龙马溪组和五峰组井眼失稳的原因,提出强化井眼稳定的钻井液技术对策,对该区块水平井水平段的钻进至关重要。基于X射线衍射、扫描电子显微镜、页岩膨胀、滚动分散试验,揭示了复杂地层的井眼失稳机理,提出了“强化封堵微观孔隙、抑制滤液侵入和阻缓压力传递”协同的井眼稳定技术对策。采用砂床滤失仪、高温高压滤失模拟装置、微孔滤膜等试验装置,优选了以封堵剂为主的长宁区块油基钻井液处理剂,构建了适用于长宁区块的强封堵油基钻井液体系,其抗温135 ℃,抗盐10%,抗钙1%,抗劣土8%,400 μm宽裂缝的承压能力达5 MPa,0.22和0.45 μm孔径微孔滤膜的滤失量均为0,封堵效果突出,综合性能优于常规油基钻井液。该钻井液在长宁区块现场试应用10余口井,龙马溪组和五峰组水平段均未出现井眼失稳的问题;与同区块采用常规钻井液的已钻井相比,复杂地层的井径扩大率平均降低10.82%,建井周期平均缩短4.5 d。研究结果表明,强封堵油基钻井液技术解决了长宁区块水平井龙马溪组和五峰组水平段的井眼失稳问题,具有较好的推广应用价值。      

大港油田页岩油水平井钻井液技术

针对大港油田沧东凹陷和歧口凹陷页岩油水平井水平段钻进过程中存在的井壁易失稳、井眼清洁效果差、摩阻和扭矩高等技术难点,在分析页岩油地层地质特征的基础上,制定了增强钻井液抑制性、封堵性和携岩性的技术对策,通过优选封堵剂、润滑剂等关键处理剂,形成了BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液。性能评价结果表明,BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液具有良好的抑制性能、携岩性能和封堵性能,能降低页岩渗透率,阻止压力传递,保证井壁稳定。大港油田36口页岩油水平井使用BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液钻进水平段,平均井径扩大率6.8%,未发生与钻井液有关的井下故障。这表明,BH-KSM-Shale和BH-WEI-Shale强抑制强封堵高性能水基钻井液能解决大港油田页岩油水平井水平段钻进过程中的技术难点,可为大港油田页岩油水平井钻井提供技术支撑。      

深层脆性页岩力学性能及井壁稳定性研究

四川盆地中部龙马溪组页岩地层硬度高、脆性强,钻井过程中井壁坍塌严重,阻卡频发。为解决钻井过程中井壁坍塌问题,测试了以四川盆地自201井为代表的深层页岩微细观组构、水理化性能及力学性能参数各向异性特征,并考虑井眼轨迹、层理缝产状、井筒-地层耦合渗流效应、层理缝力学弱面效应等因素,建立了深层脆性页岩水平井井壁稳定理论模型。实验结果表明:深层页岩脆性矿物含量高达70%,水化膨胀性极低,页岩基质力学强度高,但层理缝间强度低,页岩容易沿层理缝滑移崩落。模型计算结果表明:层理缝力学弱面效应影响明显,当井眼轨迹与层理缝面法向之间夹角满足一定角度,井壁倾向沿层理缝剪切滑移垮塌;井筒-地层间渗流效应不可忽略,压力穿透效应降低钻井液的有效径向支撑力,诱发层理缝起裂、延伸至崩落,合理的钻井液密度及有效封堵性可提高深层页岩水平井井壁稳定性。研究成果揭示了深层脆性页岩井壁坍塌作用机理,可为深层脆性页岩水平井关键工程参数设计提供理论依据。     

高性能水基钻井液在大庆油田致密油水平井的应用

大庆长垣外围青山口组高台子油层和泉头组扶余油层的致密油储层物性较差,单层厚度薄;施工中存在地层摩阻大、机械钻速低、钻井周期长、井壁失稳等一系列问题。对于钻井液的抑制性、携岩性等都提出了较高要求。综合考虑成本、环保等因素,油基钻井液已经无法适应当前致密油藏大规模效益开发的要求。针对松辽盆地中深层致密油藏水平井开发需要,研发了一套高性能水基钻井液体系,即在阳离子聚合物钻井液体系中引入胺基抑制剂AP-1及聚合醇。利用聚合醇的"浊点效应"对泥页岩地层微裂缝进行内封堵。结果表明,该体系具有抑制性强、润滑性好、滤失量低等特点,能够有效解决大庆长垣外围致密油水平井施工中存在的一系列问题。     

力化耦合作用下的层理性页岩气水平井井壁失稳研究

针对现有页岩气水平井井壁稳定力化耦合分析大都仅考虑水化作用对岩石强度的影响,鲜有考虑水化应力应变影响的情况,以弹性力学和岩石力学等理论为基础,同时考虑水化作用对岩石力学参数的弱化效应和附加水化应力,建立了力化耦合作用下层理性页岩气水平井井壁坍塌压力预测模型,研究了层理性页岩气水平井井壁失稳机理,分析了影响井壁稳定的因素及影响规律。研究结果表明:存在层理面时,会使坍塌压力大幅升高;沿层理面方位钻进,井壁稳定性最好;当水化时间一定时,坍塌压力随距井壁径向距离增加而降低,水化时间越长,近井壁处易坍塌区域越大;考虑水化应力影响后坍塌压力会大幅升高,在设计钻井液密度时,不能忽略水化应力的影响。研究成果丰富了页岩气水平井井壁失稳理论,对层理性页岩气水平井钻井设计具有指导作用。