南堡油田硬脆性泥页岩地层井壁失稳原因实验

冀东南堡油田中深层硬脆性泥页岩地层钻井过程中,井壁垮塌现象频发。为充分认识中深层硬脆性泥页岩井壁失稳机理,减少此类事故的发生,通过开展研究目标微观结构、理化特征以及钻井液对其力学特性影响的实验研究,定量研究了该区块影响井壁失稳的因素。结果表明:东二段至沙河街组泥页岩的矿物以黏土、石英为主,具有一定的脆性特征;阳离子交换容量高,岩石水化能力较强;宏观层理、裂缝、微观裂纹均较发育,应力释放及钻具扰动易使岩石发生劈裂或滑移;液相沿裂缝侵入地层导致岩石水化膨胀,降低泥页岩结构强度;在钻井液正压差作用下,产生水力尖劈作用,导致地层破碎,诱发井壁失稳。因此,预防此类泥页岩地层井壁失稳需严格控制钻井液滤失量,加强钻井液的封堵能力。针对该区块的室内实验研究,为该区块硬脆性泥页岩的安全、高效钻进提供了理论支撑,同时也为同类型地层的井壁失稳机理研究提供了技术参考。     

南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

南堡沙河街组硬脆性泥页岩是典型的井壁易失稳地层,钻井过程中,井壁垮塌、漏失现象频发。目前,针对页岩井壁失稳现象,研究主要集中在结构面影响下的井壁垮塌。然而,实际钻井过程中,由于泥页岩层理、裂缝等结构面发育,导致地层漏失明显,严重制约了安全高效钻井。因此,本文基于室内力学实验,考虑页岩结构面发育特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,构建了一种新的硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法,明确了地层漏失压分布特征及影响因素。研究结果显示：层理与天然裂缝作为典型弱结构面,是硬脆性泥页岩地层漏失的主要控制因素。相比较均质地层,结构面发育的页岩地层漏失压力明显降低,安全井眼轨迹方位减少,钻井难度增大。此外,受弱结构面影响,难见沿基体的破裂漏失现象。漏失优先出现在天然裂缝面,天然裂缝对漏失影响强于层理面。研究成果可为硬脆性页岩地层钻井设计提供理论基础,对实现页岩地层安全高效钻井具有重要意义。     

川南硬脆性页岩井壁失稳机理实验研究

川南地区是我国最早开发页岩气的地区,肩负着推动我国页岩气发展的重要任务。但是川南地区页岩气藏钻井过程中井壁垮塌严重,影响了该地区页岩气藏的勘探开发进程。基于现场取芯室内实验,从微观结构、矿物组分及流体对岩石物性的影响,对该地区页岩进行研究。分析了硬脆性页岩稳定性。得出该地层井壁失稳机理主要是在井筒压差以及毛管力作用下钻井液滤液沿层理面渗入,导致层理面的力学性质发生变化,从而引起页岩整体强度下降出现剥落,最终造成井壁失稳垮塌。通过对该区块页岩实验研究分析,为该地区页岩钻井过程中钻井液优选提供有效的理论支撑,确保页岩层段钻进高效、顺利地进行。     

渤海油田渤中区域中深部泥页岩地层井壁稳定性

渤中区域资源潜力巨大,是目前渤海油田勘探开发的重点区块.前期探井钻井过程中中深部东营组、沙河街组泥岩地层井壁坍塌失稳现象频发,出现蹩压、阻卡等复杂事故.为揭示渤中区域中深部泥页岩井壁失稳机理,指导开发井钻井设计,对取自渤中区域东营组泥岩岩心开展了电镜扫描、矿物组分测试、泥浆浸泡以及岩石力学等系列实验,定量刻画了该地层的理化特性、岩石力学特性以及钻井液对力学性质的影响规律.实验结果表明,该区块中深部泥页岩处于由水化膨胀性泥页岩向硬脆性泥页岩转化的过程,既具有硬脆性泥页岩层理、裂隙发育的特征,又仍表现出一定的水化膨胀和分散特征.在实验结果的基础上,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构和水化作用的井壁稳定模型,对渤中区域定向开发井坍塌压力及其随井斜角和井斜方位角的变化规律进行了分析,揭示了钻井液作用对坍塌压力的影响.研究结果对于渤中区域开发井安全钻井具有一定的指导意义.     

钻井液密度对裂缝性泥页岩地层坍塌压力影响的力化耦合研究

 缝性地层井壁失稳是钻井工程中经常遇到工程难题之一,裂缝发育地层常伴随严重的井壁坍塌,具有水化性质的裂缝性地层在钻井液侵入后更易发生坍塌。扫描电镜观察某油田泥页岩发育的层理实际为尺寸极小的微裂缝,使用XRD 衍射仪测定了该泥页岩黏土矿物质量分数为30%~40%,泥页岩水化性质较强。通过剪切实验测定了泥页岩吸水后的抗剪强度,求解了不同含水量裂缝面的黏聚力及内摩擦角。建立了钻井液滤液向地层内的渗流方程及裂缝性地层坍塌压力方程,计算了不同钻井液密度和浸泡时间的坍塌压力。计算结果表明,高钻井液密度导致钻井液滤液向裂缝内加速渗流,裂缝面强度降低导致地层更加容易坍塌。裂缝性地层井壁失稳不宜提高钻井液密度稳定井壁,应采用措施提高钻井液封堵性及抑制性,降低钻井液滤液侵入量。     

川西硬脆性页岩力学特征及井壁稳定性研究

在硬脆性页岩地层钻井过程中井壁失稳现象频发,严重阻碍了现场钻井作业的进程。针对小塘子组页岩钻进过程中发生的井下垮塌现象,通过开展系统室内实验测试,并结合实验数据建立的理论模型,评价分析小塘子组页岩地层的井壁稳定情况。结果显示,小塘子组页岩属于典型的硬脆性页岩,层理缝发育,在外力或高应力环境下可以产生张性裂缝;钻井液浸泡效应可降低小塘子组页岩地层力学强度,层理走向及力学弱面效应对小塘子组页岩力学性能影响明显;裂缝走向、井眼轨迹及井壁渗流场影响小塘子组页岩地层井壁稳定性,当裂缝面与井眼轴线之间夹角满足一定关系,井壁岩石容易沿裂缝面发生滑移垮塌。     

页岩气层钻井压力穿透效应研究

页岩段井壁稳定问题是钻井工程中的难点之一,国内外许多学者在研究钻井液与页岩之间的化学势差和水化膨胀作用方面作了大量工作,但对于压力穿透方面的研究工作则相对较少。为此,通过在压力容器中充满钻井液,模拟近井壁过平衡钻井所导致的压力穿透环境,测量压力对垂直于页岩层理和平行于页岩层理方向应变的影响。结果表明,垂直于层理方向的应变随压力增大呈现出显著的阶梯式变化,同一压力作用时页岩压力穿透效应具有时间延迟效应和各向异性。通过理论分析发现,在页岩有效孔隙度一定的条件下,页岩压力穿透效应主要受滤饼渗透率、钻井液液柱压力与地层孔隙流体压力之间的压差、页岩与钻井液接触时间以及钻井液黏度的综合作用。页岩压力穿透效应对研究页岩段钻井过程中井壁稳定与控制具有重要意义。     

流-固-化耦合条件下硬脆性泥页岩井壁渐进破坏效应探讨

通过对硬脆性泥页岩理化性能、微观结构和力学特性等室内试验和现场测试结果的分析,探讨泥页岩井眼失稳机制,在综合考虑泥页岩吸水扩散、压力传递、强度弱化以及固体变形之间相互耦合效应的基础上,建立泥页岩井壁稳定渗流-应力-化学耦合数学模型,并且根据修正的Drucker-Prager破坏准则,以ABAQUS软件为求解器,编制计算程序,然后应用提出的耦合数学模型模拟了硬脆性泥页岩地层中井眼破坏的动态演化过程。研究结果表明:不同钻井液当量密度下井眼扩大率随着钻井液当量密度的增大而减小,适当的提高钻井液当量密度,有利于井壁保持稳定。若不考虑泥页岩水化效应,井眼钻开后便趋于稳定,渗流场的变化并不足以引起井眼继续破坏,而考虑泥页岩水化效应后,井眼扩大率随钻井液浸泡时间的增大而增大,水化效应对井眼扩大率的影响远大于渗流场,计算出的井眼渐进破坏过程与实际钻井情况基本一致。     

锦州25-1油田井壁稳定问题

 锦州25-1油田沙河街组地层井壁失稳严重,为解决该油田的井壁失稳问题,对该油田的泥页岩矿物组分进行了分析,开展了泥页岩的力学及水化特性实验,分析了锦州25-1油田沙河街组泥页岩的岩石力学特性和井壁失稳机制.研究发现,沙河街组地层层理性泥页岩和水敏性泥页岩共同发育;层理性泥页岩具有显著的各向异性,易发生沿层理面的剪切滑移,造成井壁失稳;水敏性泥页岩在钻井液作用下会发生水化膨胀,导致井周地层的力学性质和应力状态发生变化,表现为坍塌压力随井眼钻开时间的改变而改变;两种地层相互影响造成油田复杂事故频发.结合室内实验结果,建立了合理钻井液密度的确定方法,研究了锦州25-1油田层理性泥页岩坍塌压力随井眼轨迹的分布规律和水敏性泥页岩的水化坍塌周期,给出了保证安全钻进的工程对策,该油田的井壁失稳问题必须在优化井眼轨迹和选择合理钻井液密度基础上,并增强钻井液的封堵性和抑制性才能解决.     

基于有限坍塌宽度的层理性泥页岩地层井壁稳定性评价

 钻井工程中一般允许实钻井眼存在有限宽度的崩落区域,如按传统井壁稳定理论模型进行设计会导致钻井液密度偏高、钻井成本增加、钻井效率降低、钻井液漏失甚至地层破裂等一系列问题。针对脆性层理泥页岩地层特性,根据测井资料和测试数据进行地质力学建模,利用基于有限坍塌宽度的定量风险分析方法合理地评估井壁稳定概率,优选钻井液密度窗口。以中国西部某油田泥页岩地层钻井实例进行分析,在基于有限崩落存在的情况下,通过定量分析方法在井壁稳定段及失稳段对钻井液密度窗口进行动态优化,可以提高机械钻速,降低钻井成本,评估的井壁稳定概率可达91%~98%,计算结果与实际情况基本吻合,说明该方法具有重要的工程价值和实际意义。     

页岩气地层纳微米孔隙结构特征及封堵实验评价

目前水平井段井壁失稳是制约页岩气资源钻探开发进程的主要技术难题之一。针对上述技术难题,采用低压氮气吸附与高压压汞实验,分析了硬脆性页岩的微纳米孔隙结构特征,探讨了微纳米孔隙结构特征对页岩气地层井壁稳定性的影响。利用压力传递实验,开展了页岩微纳米尺度裂缝封堵评价实验。研究表明,页岩气地层的井壁失稳与其自身的微纳米孔隙结构特征具有密切关系,微纳米尺度裂缝发育是导致页岩气地层井壁失稳的内在主要因素;在此基础上,提出了页岩气协同稳定井壁钻井液技术对策,其中强化封堵页岩微纳米尺度裂缝是解决页岩气地层井壁失稳的关键技术措施。进一步优选了新型微纳米封堵剂,其粒径在80~200 nm之间呈"单峰"分布,能够有效封堵页岩微纳米尺度裂缝,阻缓压力传递与滤液侵入,增强裂缝性页岩井壁稳定性。     

川南龙马溪页岩地层井壁失稳实验研究

川南地区页岩气开采是我国页岩气发展的重点工程,然而其主要产气层龙马溪页岩地层的井壁失稳问题十分严重,影响了该地区页岩气藏勘探开发的进程。基于室内试验的方法对页岩矿物组成、微观结构和理化性质进行了归纳分析;并对流体作用下,页岩力学性质变化进行了研究,分析了页岩的稳定性。实验结果表明:龙马溪页岩属于典型的硬脆性页岩,以伊利石为主,具有弱膨胀性。微裂缝发育明显,为流体侵入的主要通道。流体侵入后,导致微裂缝扩展延伸,页岩岩石整体强度减弱,从而影响井壁稳定。     

二氧化碳对页岩力学性质劣化规律的影响

针对目前缺少不同相态CO_2对页岩微观结构及力学参数影响规律研究的现状,通过室内岩石-压裂液浸泡测试系统,对不同相态CO_2浸泡后岩石矿物组分、微观结构及力学参数进行了测试。研究结果表明:液态、超临界态CO_2相比较滑溜水对矿物颗粒微观结构的影响更为明显,矿物颗粒之间的孔隙增大4%～15%,易导致页岩宏观力学性质受到劣化影响;不同介质浸泡后页岩力学参数劣化受影响程度排序为:抗拉强度泊松比峰值强度弹性模量,滑溜水浸泡后页岩脆性特征变化不明显,而液态、超临界态CO_2浸泡后页岩脆性增强40%～50%。液态CO_2有利于改善岩石微观孔隙和降低岩石抗拉强度,超临界态CO_2有利于提高微孔隙/裂隙穿透性,提高岩石脆性和降低破裂压力。研究结果为页岩气CO_2干法压裂工艺优化提供了一定的实验支撑和理论依据。     

井壁稳定多场耦合分析研究进展

井壁稳定问题是石油钻井过程中十分重要的问题,而地层流体、钻井液性能、温度等因素对井壁稳定有重要影响。通过对目前国内外井壁失稳分析的研究现状进行总结,将钻井过程中井壁失稳的影响因素分为岩石结构场、应力场、渗流场、温度场和化学场等5类作用场,分析了这5类作用场的具体内容及产生原因,由此对井壁失稳多场耦合的作用场影响和发展现状进行了较为系统的分析。在进行井壁失稳多场耦合分析时,应力场和岩石结构场是研究的基础,在总结国内外井壁失稳研究方法的基础上,对岩石结构类型和岩石变形机制进行了分类;以岩石结构场和应力场为基础,结合其他3种作用场的影响,着重分析了包括三场、四场和五场耦合在内的井壁稳定多场耦合研究发展现状;对于四场和五场耦合分析而言,孔隙介质热弹性理论和孔隙介质化学热弹性理论应用较为广泛。最后结合不同作用场的特点和现代钻井工艺的发展方向展望了其发展趋势。     

加蓬G 区块破碎地层井壁失稳机制与钻井液技术对策

 加蓬G区块是中石化海外重点勘探开发区块,LPC和ANG复杂地层钻井施工中出现了严重的井壁失稳问题。通过破碎地层的泥页岩岩心表观特征分析、泥页岩钻屑清水浸泡试验、泥页岩黏土矿物分析和泥页岩滚动回收试验得出,以伊/蒙混层和伊利石为主的黏土矿物组分和微裂隙发育特征是加蓬G区块破碎地层井壁失稳的外在物质条件;钻井液滤液沿裂隙和微裂隙进入地层深部,使黏土矿物水化膨胀,使井壁失去平衡,是导致坍塌掉块的内在原因。制定了钻井液密度应力防塌、屏蔽封堵防塌、优质钻井液体系配方等综合防塌技术措施,在加蓬G区块进行了现场试验,G-9井和G-10井2口井LPC和ANG地层的平均井径扩大率分别降低到11.6%和12.1%,井身质量较邻井有显著的提高,取得了良好的井壁稳定效果。     

新型聚合醇钻井液抑制性能研究

基于页岩气开发中对页岩井壁稳定的严格要求和聚合醇抑制剂在钻井液中性能特点,应用聚合醇(丙三醇、乙二醇和聚乙二醇200)与水共同构建钻井液液相的研究方法,配制了新型聚合醇钻井液。通过抑制膨润土造浆实验、页岩膨胀实验和页岩滚动分散实验,对比评价了新型聚合醇钻井液与传统应用抑制剂的钻井液的抑制性能。结果表明,与传统应用抑制剂的钻井液相比,新型聚合醇钻井液更有利于抑制膨润土的水化造浆、页岩水化膨胀和页岩水化分散,具有更佳的应用前景。