利用压力传递实验技术评价硅酸盐钻井液井壁稳定性能

大庆油田在长垣东部深层油气田勘探开发过程中遇到了严重的井眼不稳定问题,如何控制泥页岩压力传递和流体侵入是解决泥页岩井壁失稳的根本问题,石油大学（华东）研制的井壁稳定物化-力学耦合模拟实验装置（SHM仪）,攻克了复杂高温高压釜体机械结构设计,三轴液压稳压系统设计,加温控制系统设计,试液循环系统设计以及计算机数据采集与处理系统设计等技术难题,可自动边疆记录压力,差压,应力及应变等信号,主要功能和技术指标达到国外Shell研究中心同类仪器的水平,利用该仪器,采用泥页岩压力传递和化学位差诱导的渗透压力传递实验技术,通过定量系数,对硅酸盐钻井液进行了性能评价,实验结果表明,硅酸盐钻井液具有很强的降低泥岩渗透率,改善膜系数,稳定井壁的能力,“封固”能力随作用时间的延长而加强。     

泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响

钻井过程中,当存在水基钻井液化学渗透作用时,泥页岩井壁将更加不稳定.建立了力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,通过采用有限差分法对该模型求解,得出了井壁周围应力分布,通过利用破坏准则计算井壁坍塌压力,得出了合理的防塌钻井液密度,同时研究了井周应力分布和坍塌压力的时间效应.研究表明,泥页岩地层的膜效应较好时,渗透水化作用越大,膜效应不存在时则不发生渗透水化作用；维持泥页岩井壁稳定所需的防塌钻井液密度是随时间增大而增大,当使用钻井液溶质浓度低时,破坏发生在地层内部,需使用高密度钻井液防止井壁坍塌,对于过平衡钻井,当使用高浓度钻井液时破坏发生在井壁,对实际钻井有理论指导意义.     

泥页岩压力传递特性的实验研究

井壁失稳一直是困扰油气井工程的难题,泥页岩渗透特性的定量测定是评价泥页岩井壁稳定性的重要指标之一.由于泥页岩的低渗透性,无法利用常规方法测定,借助于泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置(SHM仪)和压力传递实验新技术,定量测定了泥页岩渗透率,评价了钻井液处理剂阻缓压力传递特性及效果,并分析了其作用机理,为高效水基防塌钻井液体系的研制和开发奠定了室内实验基础.     

硅酸盐钻井液防塌机理研究

基于电位、粒径分布、红外稳定性、压力传递和吸附量等测定方法,对硅酸盐钻井液的防塌机理进行的研究结果发现,无机盐类型和浓度以及pH值是硅酸盐粒径分布的主要控制因素,通过影响硅酸盐粒径分布从而影响硅酸盐钻井液的防塌效果,适当的无机盐也有利于协同防塌。通过压力传递实验研究发现,硅酸盐钻井液阻缓压力传递的效果显著,诱导的化学渗透压力效果也非常明显,其膜效率高。这也从另一个侧面反映了钻井液的强封堵能力可能源于在井壁上所形成的硅酸盐与页岩作用的膜,用实验验证了硅酸盐钻井液能够在极短时间内有效封堵井壁。     

泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置与压力传递实验新技术

建立了压力传递实验技术以及泥页岩极低渗透率、半透膜效率计算模型,得到了压力传递技术测定泥页岩渗透率和半透膜效率的计算公式,研制了泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置(SHM仪)。定量测定了泥页岩极低渗透率和泥页岩-水基钻井液体系半透膜效率,证明了极低渗透率泥页岩与水基钻井液之间存在半透膜效应,且半透膜效率与无机盐种类有关,泥页岩渗透率和半透膜效率可以通过物理-化学的方法得以改善。压力传递实验技术的建立为深入开展泥页岩井壁化学-力学耦合作用机理研究以及高效防塌水基钻井液体系的研制,提供了一种先进的实验研究手段。     

新型防塌剂XFT-1的研制及性能评价

通过丙烯腈和阳离子化单体发生聚合反应,合成出了新型防塌剂XFT-1。利用滚动分散回收率、电动电位测量、粒度分布测量、吸附以及压力传递等实验,对其使用效果进行了评价。实验结果表明,新型防塌剂XFT-1的抑制性好,具有较强的吸附作用,可通过吸附包被作用将泥页岩颗粒与水隔离,防止其水化分散,或通过吸附于泥页岩表面形成半透膜,阻缓钻井液中的水向地层渗滤,且新型防塌剂XFT-1对钻井液性能无不良影响。     

泥页岩渗透水化井壁稳定分析

钻井过程中,由于水基钻井液化学渗透作用的影响,泥页岩井壁更加不稳定。钻井液与地层水不仅存在压力差,而且还存在渗透水化,这些因素都成为控制泥页岩井壁稳定的重要考虑因素。本文建立力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,采用有限差分法求解该模型,得出井壁周围应力分布,利用破坏准则计算井壁坍塌压力,得出合理的防塌钻井液密度,研究井周应力分布和坍塌压力的时间效应,对实际钻井有一定的理论指导意义。     

欠饱和复合盐硅酸盐钻井液KSN配方研究

欠饱和盐水钻井液具有较强的抗盐能力和抑制性能,而硅酸盐钻井液具有费用低、抑制性强、保护环境等优点,因此考虑用欠饱和复合盐硅酸盐体系解决盐膏层的井壁不稳定问题.通过室内实验,研制出了一种防塌能力强的欠饱和复合盐硅酸盐钻井液(KSN)体系.该体系稳定盐膏层井壁机理为:Na2SiO3/GXL-1协同封固井壁,阻缓压力传递及滤液传递;KCl/Na2SiO3协同抑制石膏溶解;KCl/Na2SiO3/NaCl协同抑制地层水化,防塌作用效果显著.评价了该体系的抗石膏和抗劣土污染性能、阻缓压力传递和滤液传递能力、抑制石膏溶解能力、抑制水化以及稳定井壁效果.实验结果表明,所研制的KSN体系具有优异的护壁防塌能力和滤失造壁性能,动塑比高,携带能力强.     

新型KCl/硅酸钠钻井液在强水化分散泥页岩中的应用

井壁稳定一直是影响钻井进度的重要因素.长期以来,油基钻井液一直是解决井壁稳定问题的首选,但因其成本高、环保性差而被成本更低、环保性更好的硅酸盐钻井液所替代.针对苏丹南部油田强水化分散的泥页岩地层,研制出了一种新型KCl/硅酸钠钻井液,该钻井液克服了传统的硅酸盐钻井液流变性控制困难、滤失量偏高等缺点,其防塌性能也明显优于原来在该油田使用的KCl/聚合物钻井液.现场应用表明,该钻井液具有流变性易调、滤失量可控、配制维护简便等特点,使井下复杂情况大大减少,取得了很好的稳定井壁效果,值得其他地区钻进强水化分散地层时借鉴.     

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。      

The role of osmotic effects in fluid flow through shales

A transient flux model for fluid loss from the wellbore into shales during drilling has been developed. The model takes into account the coupled flow of water and ions due to hydraulic, osmotic, and electrical potential gradients imposed on the formation. Solute concentration profiles and hydraulic pressure propagation are calculated as a function of time and the flux of water and ions are obtained for various drilling conditions. The model provides a method to quantify interactions between drilling fluid and shales and constitutes a useful tool for formulating drilling fluids. It assists in the establishment of proper bottomhole hydraulic and osmotic drilling fluid pressures so as to minimize flow into or out of shales, which could result in wellbore instability problems.     

控压钻井过程中泥页岩井壁破坏分析

控压钻井过程中,控制井底压力与地层压力相当,可以减少井壁由于井底压力过小或过大引起的井壁坍塌或破裂问题。对于水敏性泥页岩地层,即使在压力平衡的情况下,由于水基钻井液和泥页岩之间的水化渗透作用,泥页岩井壁也有可能不稳定。为此,建立了控压钻井条件下泥页岩井壁稳定非线性流-固-化耦合新模型,考虑了离子扩散与岩石变形的全耦合以及流体流动和离子扩散过程的非线性;通过有限元分析泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场的变化,计算井壁周围地层破坏系数,检查井壁是否破坏。研究结果表明：①控制压力钻井与常规钻井相比,水化渗透引起的孔隙压力剖面变化较小,有利于泥页岩井壁稳定;②泥页岩井壁失稳主要有井壁破坏、井壁附近地层破坏两种方式且后者是有时间效应的;③现有模型与非线性全耦合模型相比,过大地预计了井周孔隙压力和总应力且其压力峰值传播较慢;④泥页岩井壁失稳后,新的泥页岩表面暴露在钻井液中继续进行水和溶质交换,井眼扩大到一定值后,发生进一步失稳的可能性较小。     

泥页岩井壁稳定研究及在临盘地区的应用

从岩石力学和物理化学两个主要因素简要分析了井壁失稳的机理，指出泥页岩井壁失稳是由力学与化学两方面因素共同作用的结果。钻井液与泥页岩存在化学势差，并改变了井壁附近的孔隙压力，降低岩石强度。借助于井壁处有效应力的变化,将泥页岩与钻井液相互作用时页岩水化所产生的力学效应与纯力学效应结合起来，计算出任意井斜方位井眼围岩应力状态，利用测井资料求出有关岩石力学参数和Mohr Couloumb准则，计算得出防塌的临界钻井液密度。     

钻井液对页岩力学特性及井壁稳定性的影响

钻井液长期浸泡会对层理性页岩产生影响,进而影响到页岩地层的井壁稳定性。利用川南地区龙马溪组页岩开展了不同钻井液浸泡后页岩单、三轴力学实验,分析了其力学特性及破坏形式的变化特征,并探讨了井壁失稳机理。结果表明:受层理影响,页岩力学特性具有明显的各向异性特征,且具有围压效应;油基钻井液对层理面的润滑作用增强了各向异性,页岩沿层理面发生剪切破坏,破坏形式受层理面控制;水基钻井液对页岩造成水化损伤,微裂缝扩展沟通层理,降低了各向异性,易发生复合破坏,破坏形式受基质体和层理面双重控制,井壁更易失稳;黏土矿物水化作用和孔缝毛细管效应是页岩地层井壁失稳的根本原因。该研究可为层理性页岩井壁稳定分析提供参考。     

A study of wellbore stability in shales including poroelastic, chemical, and thermal effects

This paper presents the development of a model for determining wellbore stability for oil and gas drilling operations. The effects of mechanical forces and poroelasticity on shale behavior are included, as well as chemical and thermal effects.Chemical effects are caused by the imbalance between the water activity in the drilling mud and the shale water activity. The magnitude of this contribution depends on the effectiveness of the mud/shale system to perform as a semipermeable membrane. Experimental results show that osmotic pressures develop inside shales when they are exposed to different drilling fluids. This osmotic pressure is treated as an equivalent hydraulic potential, and is then added to the hydraulic wellbore and pore pressure as time progresses.Thermal diffusion inside the drilled formation induces additional pore pressure and rock stress changes and consequently affects shale stability. Thermal effects are important because thermal diffusion into shale formations occurs more quickly than hydraulic diffusion and thereby dominates pore pressure changes during early time.Rock temperature and pore pressure are coupled for most porous media studies; however, we have found that they can be partially decoupled for shale formations by assuming that convective heat transfer is negligible. The partially decoupled temperature and pore pressure effects can therefore be solved analytically under appropriate initial and boundary conditions. Experimental data for shale strength alteration, which occurs when shales are exposed to different fluids, are also included for the determination of cohesion strength decay.Pore pressure, collapse stress, and critical mud weights are variables investigated for determining poroelastic, chemical, and thermal effects on shale stability. The most important factors, which affect wellbore stability, are clearly identified.     

The Development and Application of a Novel Polyamine Water-based Drilling Fluid

Polyamine water-based drilling fluid has been used around the world in recent years. The authors investigated the key additive SDJA-1 as polyamine shale hydration inhibitor. Results indicate that SDJA-1 can suppress clay hydration effectively and provide a pH buffer effect. Polyacrylamide and nano-emulsion ZX-8 were selected as shale encapsulator and lubricant, respectively. The properties of polyamine water-based drilling fluid including inhibition, lubrication and toxicity were evaluated compared with other inhibitive water-based drilling fluids and conventional oil-based drilling fluid. Results show the fluid outperforms other water-based drilling fluids and approaches to the performance of oil-based drilling fluid. Furthermore, the system is non-toxic and environmental friendly, superior to oil-based drilling fluid. This system was successfully applied on well Tian 310 in Shengli oilfield. A caliper log was run which indicated the highest quality wellbore ever recorded in the entire block.     

络合铝化学封堵剂PF-ChemSeal评价与现场应用

探讨了络合铝作为化学封堵材料的化学基础和化学封堵原理,并对络合铝化学封堵剂PF-Chem Seal进行了室内评价。SEM电镜扫描实验结果显示,PF-Chem Seal可以对页岩孔喉和微裂缝进行有效封堵,能够在页岩表面和近井壁形成致密的铝络合物沉淀层。动态页岩孔隙压力传递实验结果显示,使用PF-Chem Seal后页岩的半透膜效率提高率达到80%以上,作用效果接近于油基钻井液。氟离子浓度测量实验可以实时监测PF-Chem Seal在钻井液体系中的含量,为现场作业提供可靠的化学封堵剂浓度数据。渤海CFD区块现场使用结果显示,PF-Chem Seal与水基钻井液体系配伍性好,泥页岩井段井壁稳定,井径规则。PF-Chem Seal减少了泥页岩孔隙压力传递效应,能满足页岩复杂地层井壁稳定要求。     

力学温度和化学耦合作用下泥页岩地层井壁失稳研究

为减少泥页岩地层,特别是高温-高压泥页岩地层的井眼失稳问题,将泥页岩地层视为孔隙介质,在综合考虑岩石特性、井眼周围三维地应力、化学及热效应等因素对泥页岩地层井眼稳定的影响的情况下建立了井眼周围有 效应力计算模式,通过有限差分法进行求解。结合地层失效准则,得到了温度、渗流以及岩石特性对坍塌压力和破裂压力的影响规律。研究的结果表明对低渗透率的泥页岩来说,热效应以及化学反应在确定钻井液密度窗口时起到重要作用。计算结果对实际钻井有理论上的指导意义。