准噶尔南缘膏泥岩地层井壁失稳机理研究*

准噶尔盆地南缘山前安集海河组和紫泥泉子组地层含有大量膏泥岩和泥岩,且存在复杂的破碎带,是该地区钻井过程中发生遇阻、卡钻、井漏等井下复杂事故的主要层段。从岩心粘土矿物组分、微观结构、岩石力学性能、岩屑分散膨胀性能等方面分析该层段的失稳机理。研究认为：安集海河组和紫泥泉子组地层均具有粘土含量(30%)、伊/蒙混层(57%)、混层比高(55%)是地层发生非均匀水化膨胀失稳的主要原因;岩屑清水热滚回收率和线性膨胀率可见地层具有高分散高膨胀的特点,极易造成井壁坍塌及钻井液性能恶化;岩心抗压强度较低,经水基钻井液浸泡后破碎或者产生裂纹,油基钻井液浸泡抗压强度下降,说明岩心本身的抗压强度低也是地层不稳定原因;另外,地层孔隙压力高,钻井液安全密度窗口窄,钻井液密度控制不当也是导致地层失稳(漏失和坍塌)的重要原因。     

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。     

致密油开发水平井段页岩坍塌周期的确定

鄂尔多斯盆地致密油资源丰富,具有很大的开发潜力,但长庆油田A井区在页岩油长水平段钻进时井壁失稳问题突出。现有的水平井防塌技术重点关注钻井液体系优化问题,无法给出页岩的坍塌周期。本井区页岩的主导坍塌机制是钻井液滤液沿天然微裂缝渗入地层,引起黏土矿物水化,导致岩石强度降低。考虑化学势变化和流体流动与骨架变形的耦合作用以及岩石吸水扩散过程和强度弱化规律,建立致密页岩井壁坍塌周期分析模型。结果表明:活度较低、膜效率较高的钻井液可以有效抑制地层孔隙压力增长;封堵性强的钻井液可以降低地层水含量的增长,减缓地层岩石强度的弱化;A井区使用密度为1.3 g/cm3的细分散聚合物钻井液体系和复合盐钻井液体系钻进水平段时井眼坍塌周期分别为4.5和9 d,而使用油基钻井液体系时相同密度下浸泡10 d井眼扩大率仅为4%,油基钻井液体系效果最好,坍塌周期大于10 d。     

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.     

井壁稳定性技术研究及其在呼图壁地区的应用

为了能充分利用测井等资料较精确地计算井壁受力状态和井壁坍塌压力 ,以设计合理钻井液密度窗 ,保证钻井过程中井壁稳定性 .通过对井壁失稳现象、机理及井壁应力状态的分析和计算 ,对井壁失稳问题进行了较为深入的研究 ;结合测井资料和地层破裂试验结果 ,分析并建立了一套计算地层坍塌压力及地层相关物理力学特征参数的方法和模型 .通过应用克拉玛依油田呼 2井的测井资料进行分析计算并与实际结果进行对比 ,结果表明 :地层坍塌压力和安全钻井液密度窗的计算结果吻合现场实际情况 .所提出的方法和计算结果 ,将为呼图壁气田开发过程中安全快速钻井技术提供可靠的技术基础     

井壁稳定性技术研究及其在呼图壁地区的应用

为了能充分利用测井等资料较精确地计算井壁受力状态和井壁坍塌压力，以设计合理钻井液密度窗，保证钻井过程中井壁稳定性，通过对井壁失稳现象、机理及井壁应力状态的分析和计算，对井壁失稳问题进行了较为深入的研究；结合测井资料和地层破裂试验结果，分析并建立了一套计算地层坍塌压力及地层相关物理力学特征参数的方法和模型，通过应用克拉玛依油田呼2井的测井资料进行分析计算并与实际结果进行对比，结果表明L：地层坍塌压力和安全钻井液密度窗的计算结果吻合现场实际情况，所提出的方法和计算结果，将为呼图壁气田开发过程中安全快速钻井技术提供可靠的技术基础。     

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.     

渤中区块破碎性地层井壁失稳机理及对策

渤中区块东下段及以下地层泥页岩破碎性发育,已钻井井壁坍塌严重。通过综合分析破碎区地层特性,地质力学特征,以及钻井液性能的适应性,明确了渤中区块破碎性地层的井壁失稳机理,并提出了定制化的技术对策。研究结果表明,该区块泥岩地层为硬泥页岩,微裂缝发育,孔缝宽度为2～6μm,具有弱水化性质。东下段及以下泥页岩地层属于中等偏低强度地层,在聚胺PEM钻井液中浸泡7 d后,岩石强度下降40.82%。同时,上覆岩层压力和水平最大地应力之间差值较小,水平最小地应力值较低。井壁失稳机理主要为地层受走滑断层伴生正断层控制,钻井坍塌压力相对较高,地层微裂缝发育,钻井液封堵性不能满足微裂缝封堵要求,同时,破碎区泥页岩存在安全稳定周期。建议使用密度为1.40 g/cm³的聚胺PEM钻井液,在破碎区中钻井安全周期超过10 d,并添加3%的TEX封堵剂增强钻井液封堵性能。研究结果能够有效指导渤中区块开发井的安全钻井。     

钻井液类型对井壁稳定的影响实例与防塌机理分析

针对东海油气田N区块钻井过程中易发生井壁坍塌的问题,通过梳理分析N5区块及周边构造三口探井地质条件、地层特性、测井数据,基于地质力学与岩石力学基本原理计算了井壁坍塌压力;并对使用水基钻井液和油基钻井液的钻井工况进行对比。研究发现在钻井液密度高于坍塌压力的情况下,使用密度相对较低的油基钻井液即能够保持井壁稳定,无阻卡等复杂问题。使用水基钻井液钻井,则部分泥页岩井段井径扩大,起下钻明显阻卡,处理复杂问题耗时较长。分析主要原因,在于油基钻井液能够降低泥页岩水化程度,减缓钻井液向微裂隙中的渗流,抑制微裂隙扩展,提高钻井液对井壁的有效支撑作用。因此,在东海油气田复杂泥页岩地层钻井中,使用油基钻井液能够更好地保持井壁稳定,避免或减少钻井复杂问题。     

泥页岩井壁坍塌周期分析

应用力学/化学耦合理论对泥页岩井壁延迟坍塌机理进行了分析.以多孔介质渗流力学为基础,建立了近井壁地层孔隙压力的计算模型,计算了不同时期的临界坍塌压力,分析了钻井液物性参数对井壁稳定性的影响,得到了近井壁地层孔隙压力及强度参数在时空域内的分布,以及一定钻井液密度下泥页岩井壁坍塌破坏的时间.算例分析表明,在同一膜效率下,随着钻井液水活度增加,坍塌周期缩短;在同一钻井液水活度下,提高膜效率可以延长坍塌周期;钻井液水活度越小,膜效率的影响越显著.现场选择钻井液时,同时考虑水活度和膜效率并根据井壁坍塌压力改变钻井液密度,效果才会更好.     

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。     

陇东长7地层组构、理化性能及坍塌机理研究

采用X-射线衍射、扫描电镜、铸体薄片及高压压汞分析技术对长庆油气田陇东长7地层组构进行研究,并对阳离子交换容量、膨胀率、分散性及页岩稳定指数等理化性能指标进行了测定。结果表明:陇东长7地层主要是由石英和长石组成的泥质致密粉砂岩,黏土矿物质量分数约10%,其成分以伊利石和绿泥石为主,含有一定量的伊/蒙间层;岩心孔隙度小,渗透率低于0.5×10-3μm2,无微/大裂缝存在,属于超低渗地层;地层的膨胀率和分散性属于中等偏弱,其中页岩稳定指数(SSI)值中等偏低,阳离子交换容量(CEC)值中等偏高,膨胀率为4%~19%,回收率为88%~92%。该地层井壁失稳的物理化学因素是黏土矿物经钻井液长期浸泡而发生水化膨胀。     

罗平煤矿勘探复杂地层组构分析

罗平煤矿勘探地层复杂,钻遇的岩层主要有泥岩、页岩和煤层,利用XRD和SEM技术对该区地层岩心进行微观组构分析。结果表明,该地层伊蒙混层含量高,易引起孔壁不均质膨胀而坍塌;颗粒间接触呈泥质重胶结,岩层微孔隙发育,且易溶残余物多,极易受孔内流体介质侵蚀造成孔壁坍塌。根据以上特点并结合钻井液与孔隙流体之间的驱动原理,研究提出了三种钻井液体系,通过室内性能测试与防塌试验,以及现场应用的实际效果证明,上述三种钻井液体系适用于罗平煤矿地质勘探。     

泥页岩井壁坍塌周期分析

应用力学／化学耦合理论对泥页岩井壁延迟坍塌机理进行了分析。以多孔介质渗流力学为基础，建立了近井壁地层孔隙压力的计算模型，计算了不同时期的临界坍塌压力，分析了钻井液物性参数对井壁稳定性的影响，得到了近井壁地层孔隙压力及强度参数在时空域内的分布，以及一定钻井液密度下泥页岩井壁坍塌破坏的时间。算例分析表明，在同一膜效率下，随着钻井液水活度增加，坍塌周期缩短；在同一钻井液水活度下，提高膜效率可以延长坍塌周期；钻井液水活度越小，膜效率的影响越显著。现场选择钻井液时，同时考虑水活度和膜效率并根据井壁坍塌压力改变钻井液密度，效果才会更好。     

南海神狐海域水合物地层多物理场耦合模型及井壁坍塌规律分析

为了研究水合物地层钻井过程中井壁及近井地层力学稳定性的演化规律,采用ABAQUS软件建立考虑水合物相变的"热?流?固"多物理场耦合井壁稳定分析模型,通过自适应网格方法模拟地层的坍塌过程,并对不同钻井时间、钻井液温度及钻井液密度下井壁坍塌演化规律进行分析.基于分析结果建立不同钻井液温度、钻井液密度及钻井时间时的井眼扩径图...     

库车北部构造侏罗系煤层井壁稳定对策研究

为解决塔里木盆地库车北部构造带侏罗系煤系地层井段井壁稳定问题，采用X射线衍射、扫描电镜等方法对煤岩理化性能和微观结构进行分析，明确了煤系地层井壁失稳机理；建立考虑多割理面影响的煤层井段坍塌压力模型，评价了煤系地层地质力学参数和井壁稳定性，并优化了煤系层段井眼轨迹；根据煤岩微观结构特征，开展了钻井液封堵材料优选，形成煤层段水平井井壁稳定对策。结果表明，煤系地层主要为力学失稳，推荐煤层沿最大主应力方位、井斜45°～80°钻井，钻井液密度1.70～1.74 g/cm³，钻井液封堵复配体系为3%磺化沥青+3%乳化沥青+3%超细钙；应用发现煤系层段定向钻井无复杂事故，煤层斜井段井壁稳定防治效果好。研究成果对塔里木盆地库车北部构造带侏罗系油气安全高效开发具有重要指导作用。     

罗平煤矿勘探复杂地层组构分析与防塌技术研究

罗平煤矿勘探地层复杂,泥页岩和煤层的稳定是最主要的问题。利用XRD(X-ray diffraction)和SEM(scanning electron microscope)技术对该区地层岩心进行微观组构分析表明,该地层伊蒙混层含量高,易引起孔壁不均质膨胀而坍塌;颗粒间接触呈泥质重胶结,岩层微孔隙发育,且易溶残余物多,极易受孔内流体介质侵蚀造成孔壁坍塌。根据以上特点并结合钻井液与孔隙流体之间的驱动原理,研究提出了相应的防塌钻井液体系,通过室内性能测试与防塌试验,以及现场应用的实际效果证明,上述防塌钻井液体系能适用罗平煤矿地质勘探,具有较好的防塌护壁效果。     

地层力学特性参数求解及其在苏里格地区的应用

为了能充分利用测井等资料较精确地计算井壁受力状态和井壁坍塌压力,以帮助设计合理钻井液密度窗,保证钻井过程中井壁的稳定,通过对井壁失稳问题深入的研究,结合测井资料和目前常用的经验公式,分析并建立了一套快速计算地层三压力及地层相关力学特征参数的方法和模型.对长庆油田苏里格苏4、苏6井测井资料的分析计算结果表明,地层三压力和地层力学特性参数的计算结果以及其可行的安全密度窗与现场实际情况吻合.所提出的方法和计算结果,将为苏里格气田开发过程中的安全快速钻井技术提供可靠的技术基础.     

胜北构造泥页岩水敏性与井眼稳定性关系

为探求吐哈油田胜北构造粘土矿物水敏特性与井眼稳定性的关系,详细分析了Ｅｎｓｕｌｉｎ膨胀仪和ＣＳＴ分散仪使用中存在的问题,解释了泥页岩理化性能评价中各参数的物理意义,提出Ｍ５０００和Ｙ１５—Ｂ评价泥页岩的潜在膨胀和分散能力,以台参２井为例测试了泥页岩吸水膨胀和吸水分散的特性,研究表明在３０００ｍ以上,由于伊蒙混层矿物含量较高,地层压实弱,吸水膨胀和分散能力较大,水敏性强．在３０００～４０００ｍ井段,地层吸水快,但膨胀慢、分散慢,且膨胀和分散潜在能力较小,属中弱膨胀、中弱分散地层．在４０００ｍ以下,地层压实性好,膨胀弱分散慢,属弱膨胀的分散地层．总体上说,用泥页岩分类标准来评价,均属低膨胀低分散地层．井眼的不稳定主要不是由于粘土矿物的膨胀和分散而是过长时间的钻井液浸泡引起的地层周期性应力剥蚀所为．