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。     

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。     

龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究

硬脆性页岩水化对页岩气开发井壁稳定有重要的影响,为此,对龙马溪组硬脆性页岩进行水化实验研究,包 括矿物组成、微观结构、水化应力、自吸吸水率及岩芯浸泡等方面实验研究,探讨分析了硬脆性页岩水化过程与机理。 研究结果表明,页岩黏土矿物以伊利石为主,黏土矿物呈片状且定向排列,层理和微裂纹发育,为水化提供作用空间 和流动通道;页岩水化应力和自吸吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定,页岩组构对上升速率或幅度有重要影 响;浸泡过程中,岩样表面主要形成平行层里面的裂缝,随着浸泡时间增加,岩样保持完整性或水化剥落成碎块,页岩 组构和胶结程度对页岩水化程度有重要影响;页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合结果,前者使岩石断裂韧 性下降,后者使I 型裂纹应力强度因子增大,当应力强度因子大于岩石断裂韧性时,裂纹将扩展或增宽,逐渐形成宏观 裂纹,可进一步扩展成裂缝。     

准噶尔盆地玛湖凹陷泥页岩水化特性及分类研究

准噶尔盆地玛湖凹陷在使用水基钻井液钻进时,因所用钻井液体系与地层配伍性差,导致地层崩落掉块严重,井壁失稳频发;且储层损害较大。为解决所存在的问题,对取自玛湖凹陷的岩样进行了全岩矿物成分与黏土矿物分析。在相关分析的基础上对该区块泥页岩的水化特性进行了预测;并通过水化膨胀与水化分散实验对所预测的泥页岩水化特性进行了验证。在室内实验的基础上,建立了泥页岩水化特性分类图版概念;并利用此图版对玛湖凹陷泥页岩的水化特性进行了准确和直观的分类界定,为今后开展的适用于该区块的多元协同钻井液体系中各个单元的权重设计,以及整个钻井液体系的技术研究提供了重要的理论指导依据,最终实现钻井液体系与地层的配伍,服务钻井作业。     

高温下页岩水化损伤的各向异性实验研究

为了研究高温页岩水化损伤的各向异性特征,以龙马溪页岩为例,利用FEI Qemscan 650F型矿物定量分析-热场发射环境扫描电子显微镜(EDS-FESEM),系统观察不同温度、压力和浸泡时间下页岩平行层理和垂直层理面特征黏土矿物及微观结构变化特征.研究结果表明,龙马溪页岩细观尺度的各向异性引起页岩水化特征存在明显区别,即平行层理面表现为大量微纳米溶蚀孔伴生发育的原生裂隙膨胀、闭合、塌陷的损伤模式,而垂直层理面表现为大量微纳米长石矿物溶蚀孔隙的损伤模式.相同浸泡时间和压力下,温度越高页岩细观结构的水化损伤越快;相同温度和压力下,随着浸泡时间增加,页岩细观结构的水化程度先增大后逐渐趋于平缓,温度升高减小了页岩水化特征时间,其内在联系需进一步开展实验探讨.     

页岩储层渗吸特性的实验研究

页岩含有大量黏土矿物,遇水会导致页岩中黏土矿物水化、膨胀,为研究页岩吸水特性及探究页岩气井返排率的影响因素。开展了页岩动态渗吸及静态渗吸实验;并对实验结果进行了详细的分析。研究表明:页岩水化作用主要发生在页岩与水或水基溶液接触的表层附近,液体侵入深度十分有限;不同的液体介质下页岩的吸水能力各不相同;页岩吸水量由表面水化吸水量、渗透水化吸水量和毛管吸水量组成,而且水化吸水量基本无法排出,在一定程度上降低了页岩气井压裂液的返排率;相同的成藏条件下页岩的渗透水化吸水量及表面水化吸水量相同;页岩水化能力及压裂效果是影响返排率的主控因素。     

缅甸D区块非渗透性防塌钻井液研究

 针对缅甸D区块钻井过程中存在的井壁失稳问题,系统分析了缅甸D区块易塌井段泥页岩黏土矿物组分、岩石微观结构、泥页岩水化性能,结合现场实际对前期钻井液存在的问题进行分析,优化出适宜缅甸D区块特点的非渗透性防塌钻井液配方。室内性能评价表明,该非渗透性防塌钻井液具有较强的抗污染能力、抗温能力,泥页岩抑制能力以及封堵能力。在现场应用4口井过程中,该钻井液取得了较好的井眼稳定效果,可有效解决缅甸D区块井眼坍塌和井径扩大率的问题,显著降低了井下复杂事故的发生。     

力—化耦合作用下泥页岩井眼动态破坏分析

为进一步研究中深层硬脆性泥页岩在水化条件下的井眼失稳问题,基于泥页岩矿物组成、微观结构及力学试验研究,考虑泥页岩吸水扩散、强度弱化、化学势变化以及流体流动对固体变形的影响,建立了泥页岩井壁稳定流—固—化耦合模型,提出了模拟泥页岩井眼动态破坏过程方法,并应用建立的模型计算实例井井眼动态破坏过程。结果表明:开挖后井眼围岩渗流场的变化不足以引起井眼继续破坏,水化效应对井眼扩大率的影响起决定作用,井眼扩大率随钻井液浸泡时间的增大而增大。提出的模型可有效模拟硬脆性泥页岩井眼动态破坏过程,计算出的井眼动态破坏过程与实际钻井基本一致。     

黏土矿物水化膨胀及无机盐溶液对其抑制作用

为揭示富有机质页岩水化膨胀机理,借助于X射线衍射仪对富有机质页岩中主要黏土矿物水化膨胀规律及无机盐溶液对其抑制效果进行了物理实验研究。结果表明：随着去离子水浸泡时间的增加,蒙脱石、伊利石和绿泥石都可以发生一定的膨胀,表明三种黏土矿物都可以发生水化反应,但蒙脱石晶层间距的膨胀程度远高于伊利石和绿泥石。无机盐溶液可以抑制蒙脱石和伊利石的水化膨胀,且对伊利石水化膨胀抑制性更好。不同类型无机盐的抑制效果受到无机盐溶液浓度的影响,在无机盐溶液浓度小于1.2 mol/L时,随着浓度的增加,同种类型无机盐溶液的抑制作用逐渐增强。加入无机盐溶液后随着时间的推移,黏土矿物水化作用始终在进行,晶层间距仍在增大,即无机盐溶液不能完全杜绝黏土矿物水化反应的发生。该研究成果可为页岩气水平井井壁稳定、水力压裂设计及现场工程应用提供技术参考。     

聚胺高性能水基钻井液特性评价及应用

根据泥页岩水化特点和多元协同抑制思路,构建了聚胺高性能水基钻井液。介绍了该体系的关键处理剂聚胺页岩抑制剂、包被抑制剂、铝盐封堵防塌剂和清洁润滑剂。通过屈曲硬度实验和粘结实验对比评价了聚胺高性能水基钻井液与几种典型防塌钻井液的性能。结果表明,聚胺页岩抑制剂能在低浓度下最大限度降低黏土水化层间距,有效抑制黏土水化膨胀。聚胺页岩抑制剂与铝盐封堵防塌剂复配后能显著阻缓孔隙压力传递。聚胺高性能水基钻井液抑制性和清洁润滑性突出,与油基钻井液接近。聚胺高性能水基钻井液在胜利油田田305区块进行了成功应用,解决了该区块泥页岩井壁失稳问题。     

基于H-J-C模型的水化页岩破碎有限元分析

针对页岩地层钻井过程中钻井液对页岩水化作用的问题,提出了基于H-J-C模型的页岩含水饱和度与钻头破岩效率对应关系研究方法,开展了页岩含水饱和度对页岩力学特性影响规律的室内实验。通过室内实验研究发现:页岩含水饱和度对页岩强度、弹性/剪切模量、泊松比等宏观力学参数影响较大,得到不同饱和度工况下水化页岩力学参数值。借助LS-DYNA有限元软件,基于页岩破坏的H-J-C模型,利用室内实验得到的水化页岩的力学参数,模拟了钻头破碎页岩的动态过程。对水化页岩的应力变化、破碎形态、破碎效率进行了研究。结果表明:随着页岩含水饱和度增加,页岩强度降低,钻头破碎岩石的效率增加,当页岩含水饱和度从0.05增加到0.4时,钻头破碎岩石的效率增加了3.3倍。     

水化对泥页岩地层“安全”钻井的影响

泥页岩地层与其它“惰性”岩石不同,当其与水基钻井液接触时,岩体强度、内部应力都将随钻井液类型及地层与钻井液的接触时间变化而变化,因此,一个有效的力学本构方程应该能够体现出发生在泥页岩地层中的力学和物理化学动态过程,Yew C H等在这一领域作了开创性工作;并引用Yew C H等提出的水化应力模型,计算分析了水化对水敏性泥页岩地层井周应力分布状态,地层坍塌应力和破裂应力的影响。     

渤海中部BZ34-2EW区块防塌钻井液试验研究

对ＢＺ３４２ＥＷ区块地层岩样进行了理化性能分析和电镜分析,结果表明,该区块属于层理、裂隙发育的易剥落坍塌的硬脆性页岩地层。无机盐几乎不能抑制岩样水化膨胀,而合适的钻井液可以抑制其水化膨胀,且具有较高的页岩回收率。加入硅酸钠的低粘土相海水聚合物钻井液体系的流变性能好,抑制能力强,泥饼质量好,可用于层理、裂隙发育的硬脆性页岩地层的钻进。     

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.