封堵防塌钻井液处理剂研究进展

随着钻遇地层条件日益复杂,钻井作业对钻井液的防塌性能和强化井壁能力要求越来越高。封堵防塌处理剂能通过封堵地层原生孔隙和微裂缝,阻隔水化作用通道,提高钻井液的封堵能力,减少钻井液中的自由水侵入地层,降低地层坍塌压力从而起到稳定井壁的作用。简要介绍了沥青类处理剂、硅酸盐处理剂和聚合醇等常规封堵防塌处理剂,重点介绍了铝基封堵防塌处理剂、纳米封堵防塌处理剂和仿生固壁防塌处理剂等的国内外研究和应用情况,提出了封堵防塌处理剂的发展方向。     

顺北油气田碳酸盐岩破碎性地层防塌钻井液技术

为了解决顺北油气田奥陶系碳酸盐岩破碎性地层易发生井壁坍塌的问题,从地质构造特征、地层裂缝发育及充填程度和井壁岩块受力等方面分析了井壁坍塌的原因,发现造成井壁坍塌掉块的主要原因是强挤压段应力集中、地层微裂缝发育和定向井段受重力影响。虽然地层破碎、应力集中无法改变,但可以提高钻井液的封堵性能,通过有效充填、封堵微裂缝阻止压力传递,同时钻井液保持较高的密度支撑井壁,从而解决井壁坍塌问题。为此,综合考虑强化钻井液封堵能力、控制钻井液高温高压滤失量和优化钻井液动塑比等,优选了防塌钻井液配方,并保持较高的钻井液密度以支撑井壁,形成了防塌钻井液技术。该技术在顺北X井进行了现场试验,钻进中扭矩稳定,机械钻速较高,井径扩大率较小,防塌效果良好,可为其他油气田破碎性地层的高效、安全钻井提供借鉴。     

新型封堵剂FDJ-EF封堵特性及其作用机理

封堵近井壁微裂缝是避免硬脆性泥页岩地层井壁失稳的有效手段之一。在分析各类型水基钻井液防塌封堵剂的基础上,优化研制出一种新型热塑性聚酯类封堵剂FDJ-EF;通过具有模拟微裂缝金属缝板的高温高压封堵仪,评价FDJ-EF的封堵效果,证明其在较宽的温度范围(80～140℃)内具有优异的封堵性能,且其封堵能力强于目前常用的防塌封堵剂(聚乙二醇、乳化石蜡、乳化沥青);通过荧光光度计分析,FDJ-EF无荧光显示;通过封堵特征微观观察及粒度分布测量等实验手段,探讨了FDJ-EF的封堵机理。结果表明,其封堵机理主要为:在软化温度范围内,FDJ-EF封堵粒子在压差作用下软化变形,与其他固相颗粒一同挤入微裂缝内,在短时间内形成致密的封堵层,一方面阻碍了压力和滤液传递,一方面增强了黏土矿物的胶结强度。     

钻井液用沥青类材料软化点的室内评价

沥青是原油精炼后的残留物，将沥青进行一系列的加工处理后，可制成钻井液用的沥青类防塌封堵剂，在钻井液体系中起到：维持钻井液性能稳定，保持井壁稳定等。软化点是钻井液用沥青类材料重要指标之一，在钻井液中，该类材料能在一定温度和压力下软化变形，从而封堵裂隙，并在井壁上形成一层致密的保护膜。在软化点内，随着温度升高，沥青的降滤失能力和封堵地层裂隙能力增加，井壁稳定效果增强，在井壁处形成具有护壁作用的内、外泥饼难以被冲刷掉，一旦超过软化点后，在正压差作用下，会让软化后的沥青流入岩石裂隙深处，稳定井壁的效果变差。因此，软化点是评价该类产品重要指标之一，软化点应与所处理井段层位温度相近，软化点过高或过低都会使处理效果大为降低，本研究采用沥青软化点试验仪评价软化点，为钻井液用沥青类材料软化点评价选择提供参考。     

延长气田石千峰组与石盒子组井壁失稳机理的研讨

延长气田钻进石千峰组与石盒子组过程中经常发生严重井塌。通过对该气田地应力、坍塌地层岩石力学性能、矿物组分、理化性能的测定,地层3个压力的计算,钻井液抑制性、封堵性、浸泡时间对岩石强度及坍塌压力的影响实验研究,以及对测井资料和已钻井资料的综合研究分析,揭示了该气田钻井过程井壁失稳的机理,为解决该气田井壁失稳技术难题提供理论依据。分析得出井壁失温的潜在因素有:地层属于强硬脆性地层,具有在远低于峰值应力的状态下进入扩容状态的特征,压力波动易导致井周微裂缝扩展、交汇,形成不稳定的高渗带;该气田不存在强构造应力,但存在扭转,地层裂缝发育;地层属于晚成岩期,泥岩泥质含量高,弱分散,中强膨胀,需加强钻井液的抑制水化膨胀作用。井壁失稳的主要原因为:钻井液密度低于地层坍塌压力的当量密度,空井时间过长时会造成坍塌压力增高,进一步加剧井塌;现场所使用的钻井液的封堵性不良,在井壁与微裂缝相交的界面上不能形成有效的封堵。     

低荧光强封堵型防塌剂LFT的研究与应用

研制出了可替代磺化沥青的以聚乙烯副产物和有机铝为主要作用物质的低荧光强封堵型防塌剂LFT。介绍了防塌剂LFT的合成和性能评价。结果表明，合成出的防塌剂LFT在其加量不大于2％时对钻井液流变性无影响；加量为0．2％时即可有效抑制黏土的水化膨胀，同时又可在地层温度和压力作用下挤入井壁微裂缝中，与泥饼一起有效封堵地层，LFT在90℃下对人造岩心的封堵率在90％以上。在白33侧井和桥81-2井的现场试验表明，防塌剂LFT的封堵效果好，井径规则、扩大率小，而且无荧光，不影响气测录井。     

渤中34-5区块深层小井眼钻井液体系优选

渤中地区沙河街地层微裂缝非常发育,地层易坍塌,井壁稳定周期短。用常规封堵材料的钻井液无法进入微裂缝内,其滤液浸入地层水化膨胀,造成剥落掉块、井壁失稳。为提高钻井液的防塌性能,保持井壁稳定性,解决裸眼段储层保护问题,通过对新型无固相储层强抑制钻井液体系的研究,得出适用于渤中地区深部沙河街地层的钻井液体系,该钻井液选用具有单向液体开关性能的暂堵剂。性能评价结果表明,钻井液能加强储层保护,降低其水活度,提高其抑制性和封堵性,增强井壁稳定周期。现场运用效果表明,该钻井液体系不仅能满足渤中地区深层小井眼段钻井中的井壁稳定和防塌要求,还能有效保护储层,提高钻井时效。     

裂缝性泥页岩地层防塌误区及强封堵防塌对策

对于裂缝发育等破碎性地层,在井筒内外压差作用下钻井液极易沿裂缝等天然通道侵入地层,致使近井裂缝发育带孔隙压力增加,引发泥页岩水化膨胀及强度性能下降,导致坍塌压力增加,从而使得井壁垮塌越加严重,搞清破碎性地层垮塌机理至关重要。结合延安气田石盒子和石千峰组裂缝性泥页岩“越提密度、垮塌越严重”井塌处理误区,指出缺乏对裂缝有效封堵是症结所在。为此提出适用于裂缝发育等破碎性地层“封堵为先、抑制水化、合理密度”的防塌技术对策,在此基础上,优选出延安气田强封堵钻井液配方并在现场成功应用,相关技术思路及研究成果可为类似破碎性地层防塌提供参考。      

温敏变形封堵剂合成研究与应用

针对现有可变形封堵防塌处理剂作用温度过窄的问题,基于地层温度诱导控制材料形态变化实现对地层定向吸附的技术思路,开展温敏变形封堵处理剂分子结构设计,通过优化设计骨架、形变和分散性能,利用诱发分子内交联反应逐级拓宽有效作用温度区间,研发出适用于100～150 ℃的温敏变形封堵剂SMSHIELD-2。通过红外光谱、核磁和压力传递实验等对SMSHIELD-2进行结构表征和性能评价。结果表明SMSHIELD-2在100～150 ℃广谱温度范围内,有效封堵硬脆性泥岩的微裂缝,提高钻井液的封堵防塌性能且具有良好的配伍性。SMSHIELD-2在新疆顺北X1井复杂井段应用中,通过封堵地层原生孔隙和微裂缝,提高钻井液的封堵能力,稳定井壁,保障了复杂地层钻井安全。      

低荧光防塌封堵剂的研制及评价

针对现有防塌封堵剂沥青类荧光级别高,石蜡类、聚合醇类易起泡、易大幅增大钻井液黏度,不能满足防塌钻井液需要的缺点,应用二异氰酸酯、乙酸乙酯和多羟基化合物合成出了一种新型封堵剂JA。应用荧光分光光度计和高温高压封堵仪研究了JA的荧光性和封堵性,评价了JA钻井液的流变性能。结果表明:JA荧光强度与蒸馏水近似;120℃、3.5 MPa条件下JA能在微裂缝和孔隙处快速封堵,形成致密封堵层;3%JA加入钻井液中不增黏不增稠,对钻井液体系流变性基本无影响。     

“三低”水基钻井液防塌技术在四川超深井中的应用

气体钻井在川渝地区大幅度地提高了机械钻速，受到钻井界的青睐，但气体钻井结束替入常规水基钻井液后普遍出现了严重的井壁失稳难题，导致了长时间大段划眼复杂情况的频繁发生。为此，从分析气体钻井替入钻井液后井壁失稳的水敏性原因入手，提出了解决井壁失稳的技术思路，即将润湿反转防塌技术-低渗透防塌技术-低活度防塌技术三者有机集成在一套钻井液体系中，形成具有“低润湿反转角、低渗透、低活度”特点的“三低”水基钻井液防塌技术，并在室内对获得的“三低”水基钻井液成果配方进行了定量的防塌效果评价。研究结果与现场试验表明，“三低”水基钻井液能够很好地解决气体钻井结束替入水基钻井液后出现的井壁失稳难题；它能在30 min内使泥页岩地层发生明显润湿反转和惰性化反应；在180 min内能彻底密封裂缝，并在泥页岩表面形成致密疏水涂层；无论是在短期防塌，还是在长效防塌方面都具有显著的效果。适合在类似川中地区的气体钻井中推广应用。     

新型弱凝胶水基钻井液研制及作用机理分析

目前弱凝胶钻井液存在抗温、抗盐和封堵性能差等问题,限制了其推广使用。研制出一种新的弱凝胶成胶剂,其抗温达150℃,抗钙可达4 000 mg/L。以该成胶剂和优选出的降滤失剂IMPERMEX、封堵剂JA为主剂,以CX-215和KCl作抑制剂,形成了一种新型弱凝胶水基钻井液。评价结果表明:该钻井液在接近静止状态下的黏度可达90 000m Pa·s,剪切后黏度快速下降,且静切力表现出无时间依赖性,属于快的弱凝胶体系;具有好的降滤失和稳定井壁能力。环境扫描电镜和蔡司体显微镜分析结果表明,该钻井液微观结构由三维空间网状结构与包裹、镶嵌在网状结构节点上的溶胶颗粒组成,是一种具有独特空间结构的复杂胶体分散体系;该钻井液在微裂缝内能形成具有良好压缩性的致密封堵层,封闭岩石通道,具有良好的井壁稳定作用。     

成膜封堵低侵入保护油层钻井液技术的研讨

为使钻井过程所采用的钻井液对所钻遇的不同渗透率油层均能有效地阻止其固相与液相进入油气层,不诱发储层的潜在损害因素,防止对储层发生损害,提出了成膜封堵低侵入保护油气层钻井液技术的新构思.其核心是在钻开油气层钻井液中加入成膜剂、特种封堵剂和降滤失剂.在钻开油气层的极短时间内,此钻井液中的膨润土、加重剂、岩屑等固相在不同渗透率的油层表面架桥、填充形成内外泥饼,特种封堵剂和高温高压降滤失剂封堵近井壁油层内外泥饼的孔喉,成膜剂在井壁上成膜,封堵孔喉未被架桥粒子、填充粒子、降滤失剂封堵的空间,从而形成钻井液动滤失速率为零、厚度小于1 cm的成膜封堵环带,有效阻止钻井液固相和液相进入油气层.此项技术对钻遇的不同渗透率油层均能有效减少损害,通过室内实验证实了其可行性.     

强抑制封堵钻井液体系研究及应用

针对伊拉克米桑油田Fauqi区块钻井过程中易发生井壁坍塌、漏失难题,设计开发了新型强抑制封堵钻井液体系。该体系通过KCl、硅酸钠和聚胺抑制剂的多元复合作用,实现对页岩水化分散的有效抑制,页岩膨胀率较清水降低67.6%,毛细管吸入时间较清水降低64.4%。该体系在物理封堵基础上配合硅酸盐的化学固壁作用,低渗沙盘封堵试验滤失量仅为9.6 mL,能有效封堵地层孔隙、微裂缝,减少滤液对地层侵入,提高井壁稳定性,避免井下漏失发生。该体系在伊拉克米桑油田FQCS-41井的五开井段进行了现场应用,结果表明该体系在钻进过程中性能稳定,流变状态良好,井径规则,五开井段平均井径扩大率仅为1.2%。     

长北气田CB21-2井长水平段煤层防塌钻井液技术实践与认识

CB21-2井是一口壳牌中国勘探与生产有限公司长北气田二期开发井,地处工区边缘,储层地质复杂,特别是下二叠统山西组煤层易碎、易塌,水平井段更为突出。为此,基于长北气田和苏里格气田普遍应用的低伤害钻井液体系,重点考虑泥岩、碳质泥岩、煤层交替出现的水平井段安全钻井的需要,研制了适合该区块的有机盐加重钻井液体系（0.2%～0.3%提切剂+0.1%～0.2%提黏剂+0.3%～0.5%降失水剂+0.1%～0.2%抗盐降失水剂+0.5%～1.0%G301-SJS+18%～20%有机盐+4%～5%无机盐+高效润滑剂+防腐剂+除氧剂+缓蚀剂+石灰石）,CB21-2井第2条分支钻穿多套煤层,没再出现卡钻等井下复杂情况,平均井径扩大率只有1.0%。由此总结出该区山西组长水平段煤层防塌技术对策：①钻井液密度提高至1.22 g/cm³,平衡地层坍塌压力;②提高钻井液抑制性,防止地层水化膨胀;③强化钻井液体系封堵能力,封堵煤层裂缝,降低钻井液滤失量;④控制钻井液流变性,保持井眼清洁和润滑性。     

提高地层承压能力的钻井液堵漏作用机理

应用线弹性岩石力学和岩石断裂力学基本理论,揭示了钻井液堵漏阻止诱导裂缝延伸并提高裂缝重启压力从而提高地层承压能力的作用机理。通过分析承压堵漏后缝内压力分布,建立了封堵诱导裂缝的断裂力学模型,并给出承压堵漏阻止诱导裂缝延伸的必要条件;基于井周围岩裂缝诱导应力场的数学模型,提出了堵漏提高诱导裂缝重启压力的力学实质。理论研究表明,堵漏材料在裂缝入口后一定距离封堵为封堵诱导裂缝的最佳位置形式;裂缝尖端部分流体压力必须低于水平最小主应力,且该压力越低,越有利于裂缝的阻裂;诱导裂缝重启压力的提高依赖于周向诱导应力,堵漏材料必须支撑裂缝以维持周向诱导应力;承压堵漏作用机理包含密封和支撑裂缝两方面,堵漏材料应同时具有封堵性能和机械强度。     

长裸眼井筒强化钻井液技术

X1井区长裸眼钻井液技术难点集中在上部二叠系火成岩微裂缝发育易漏、下部志留系等硬脆性泥岩易塌,同一裸眼钻井液维护处理难度大。该区X1-1H井二叠系8个漏点、井漏25次,累漏钻井液2 568 m³;X1井志留系泥岩掉块阻卡划眼处理22.1 d。使用聚合物胶凝堵漏剂和竹纤维等,研发随钻防漏配方,0.69 MPa/30 min承压无漏失;研发针对1 mm、2 mm、3 mm裂缝的随钻堵漏配方,承压6.9 MPa;协同成膜隔离-抑制水化作用,优化形成钾胺基成膜钻井液,150℃高温高压滤失量8.8 mL,泥岩滚动回收率较KCl聚磺钻井液提高15.1%。在X1-5H、X1-6H 2口井应用效果显著,二叠系钻进及中完过程无漏失,近5 000 m长裸眼无泥岩阻卡等复杂情况发生,志留系平均井径扩大率仅9.01%。长裸眼井筒强化钻井液技术对X1井区降本增效意义重大。     

页岩气井钻井液井眼强化技术

页岩气地层有着易表面水化剥落掉块、微裂缝发育、脆性好而裂缝易压裂等理化特性,目前,页岩气开发中常用的油基和合成基钻井液体系,起到了很好的防塌防卡效果。但随着开发的深入和地层特性的变化,如钻遇破碎带、裂缝异常发育的地层,采用油基体系仍然会出现大量掉块和严重井塌。为了解决易破碎性地层又垮又漏的复杂情况,需要及时有效地强化已形成的井眼。在钻井液中引入井眼强化剂YH11和BT100,室内实验对加入2种处理剂的钻井液进行了评价,研究出了一套适用于页岩气钻井液的井眼强化技术。该钻井液密度可调范围大,现场可控制在低密度范围1.14~1.50 g·cm-3,该体系抑制能力强,在防漏方面实现了低密度钻进,并且该钻井液体系具有良好的成膜封堵效果,解决了井壁稳定和承压能力低的矛盾,减少了井下复杂情况,确保了井下安全,进一步促进了机械钻速的提高。室内实验和现场应用都表明,井眼强化剂能及时胶结破碎性地带和封堵微裂缝而使井壁变得更致密,大大降低井壁的孔隙度和渗透性,有效阻止液柱压力向井壁孔隙的传递和阻止滤液的深度侵入,减少井壁支撑力的损失,获得防塌和防漏的双重效果。