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第 2 5 卷 第 1期 2 0 0 8年 1月 钻 井 液与 完 井 液 DRI LL I NG FI UI D C0MPL ET1 0N F LUI D Vo 1 ． 25 NO ．1 J a n u ．2 0 0 8 文 章 编 号 1 0 0 1 5 6 2 O 2 0 o 8 O 1 0 0 0 3 ～ 0 3 谈钻 井液封堵特性在 防止 井壁 坍塌 中的作用 徐加放 邱正松 黄晓东 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东东营 ； 2 ． 中海油秦皇岛 3 2 6作业分公 司， 天津塘沽 摘要 从比亲水量、 能量 守恒以及岩石断裂力学等方面分析了钻井液封堵特性和滤失量对防止井壁坍塌 的重要 作用。根据现场实例指 出 岩石 内部微裂纹在 应力作用下 的扩展促进 了微裂纹 的连 接， 随之侵入的钻井液滤液与岩 石间的物理化学反应使岩石 内能增加进一步加速 了岩石裂纹 的扩提． 是造成井壁坍塌和失稳 的主要原 因。因此， 加 强钻井液封堵性能， 降低钻井液滤失量， 防止岩石 与钻井液滤液间的物理化学作用是 防止井壁坍塌的重要建径。 关键词 钻井液性能 封堵 井 眼稳定 比亲水量 能量 守恒 岩石断裂力学 中 图分 类 号 TE2 5 4 ． 3 文献 标 识 码 A 井壁坍塌 是钻井 过 程 中遇 到 的最棘 手 的井 下 复 杂事故之一 。由于钻井 液具备 了携带 和悬 浮岩 屑、 平 衡地层压力 、 防止井壁 坍塌 等很 多重 要功 能 ， 保 证 了 钻井工程的顺利实施， 而被誉为钻井工程的“ 血液” 。 然而， 钻井液需要 通过“ 物化封 固井壁 阻缓压力 传 递一加强抑制水化～化学位活度平衡一合理密度有 效应力支撑” 等多种作用方式， 即所谓的“ 多元协 同” 稳定井壁理论 _ 1 才能 较好地 实 现井 壁稳 定 。该 理论 首先强调 了“ 物化封 固井壁 阻缓压 力传递” ， 实际上是 强调了钻井液 的封堵性能 。 1 钻井液封堵性在防止井壁坍塌 中的 重 要 性 1 ． 1 在钻井液／ 泥页岩的物理化学作用方面 ， 可减 轻泥页岩的水化效应 钻井 液 滤液 在 一定 压差 下 向地 层 渗透 ， 井 壁 岩 石 特别 是 泥 页 岩 遇 水 发 生 水 化 膨 胀 ， 甚 至 分 散 。 评价 泥页 岩水化 程度 的方法很 多 ， 如膨 胀法 、 分散 回 收法 、 页 岩稳定指 数 法 、 吸 水量 以及 比亲 水 量法 等 ， 这 些方法 都在一 定程度 或某一 方面反 映 了泥 页岩 的 水化 程度 。现 以 比亲水 量法进行 讨论 。 比亲水 量 即 单位表面积吸附水的质量[ 2 ] ， 常用单位为 g ／ c m ， 表 达式为 比亲水量 S 一总吸水量 ／ 总表面积 每 克岩样 吸 水 克数 ／ 每 克 岩 样 的表 面积 比表 面积 。 根 据定 义 ， 泥 页岩 比亲 水 量 即每 平 方厘 米 表 面积 上 吸附水 的克数 ， 即为 S 一 1 c m。 h p 1 式中， h 为水化膜厚度， c m； p为吸附水的密度 ， 假 设 近似取 为 1 g ／ c m。 。则 S ≈ ， 即意 味 着 比亲 水 量 g ／ c m。 相 当于泥 页岩表 面水 化膜厚 度 c m 。因 此 比亲水 量 越 大 ， 水 化 膜 越 厚 ， 泥 页岩 颗 粒 问水 化 膜 斥力 契入 力 越 大 ， 即水 化 效应 导 致 泥页 岩井 壁失 稳越 严重 。因此 ， 强化钻井 液封 堵性能 ， 降低钻 井 液滤失 量 ， 可 以降 低 泥页 岩 颗粒 间的水 化 膜 厚度 和水化斥力， 从而减少井壁坍塌。 1 ． 2 从能量守恒的角度分析 ， 可减少内能的增加 根据热 力学 第 一定 律 ， 能 量 是守 恒 的 。在钻 井 过程 中有 多种能 量 形式 的转化 ， 如 钻 柱 振 动 、 井 壁 形变 、 钻井 液与岩 石 的温 差 、 物 理化学作 用 以及 岩石 疲劳破坏等 ， 都有可能造成岩石内部能量 的增加， 岩 石所承受的应力增大。若岩石内部能量的积累超过 其承受 极 限 ， 则 必 须通过一 些释放 机理来 降低 ， 其主 要形式 便是产 生 裂 纹 。因此 ， 当岩 石 承受 的应力 超 过其强度时， 或变形太大时， 或钻井液与岩石间发生 了一定 程度 的物理 化 学作 用 时 ， 都会 造 成 岩 石 内部 裂纹的扩展 ， 并最终导致其断裂 ， 使井壁失稳 。S a n t o s c 等根据 能量守 恒定 律提 出了井 壁稳 定性 能 量 理论 模 型 。 基金项目 山东省 自然科学基金 Y 2 0 0 6 F 6 6 ， 中海石油 中国 有限公司 2 0 0 6 综合科研项 目C N R C L T D Z H KY 2 0 0 6 0 0 5 。 第一作者简介 徐加放， 讲 师， 博士 在读 ， 1 9 7 3午生， 2 0 0 1午毕业于中国石油大学 华东 获硕士学位 ， 留校 任教， 主要从 事井壁稳定 、 钻井液体 系与处理剂开发 、 油气层保护等教 学与科研工作。地址 山东省东 营市北 2路 2 7 1号 中国石油大 学 华 东 石油工程学院； 邮政编码 2 5 7 0 6 1 ； 电话 0 5 4 6 8 3 9 1 6 7 9 ； E ma i l x j i a f a n g h d p u ． e d u ． c n 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 0 8年 1月 △ UE E E E 一 Ef 2 式 中 ， E 、 E 。 、 E 和 E 分别 为机 械 能 、 应 变 能 、 热能 和 化学能 ， E f 为裂缝表 面能 ， 其 表达式 为 Ef 一 7F 3 式中， ， 为单位面积表面能 ， F 为新增裂纹表面积 。 将某泥页岩浸没于 3 0 8。 C、 浓度为 2 4 w／ w 的 Na C 1 溶 液中 2 4 h ， 其 化学能增 加 1 2 0 ． 2 J ／ g 。而一般 岩石裂纹 扩展 的能量释放率 为 0 ． 4 J ／ c m2 。可 见增强 钻井液 的封堵性 ， 降低 钻井 液滤失 量 ， 可 以减 少 钻井 液／ 岩石 的物理化学作用 引起 的内能增 加 。 1 ． 3 从岩石断裂力学的角度分析 ， 可防止裂缝扩展 G r i f f i t h在做实 验研究 时发现 固体 的实测 强度 比理论 强度低 得多 ， 有时低 两个数量 级 ； 如果 固体 在 达 到理 论强度 时破 坏 ， 则 断裂 时 所加 应 力应 达 到 最 大值 ， 这意味着此时弹性模量为零 ， 因为与汽化热大 致相等 的所有储 存 的 弹性 应变 能 的突然 释 放 ， 能使 构成材 料本身 的原子猛 烈分离 。但 实际它们 是沿 着 比较确 定 的平 面 裂 开 ， 动 能 也 很 小 。所 以 Gr i f f i t h 得 出结论 典 型的脆 性 固体 中必定 包 含许 多 亚 微 观 缺陷 、 微 型裂纹 或其 他用 常 规 手段 无 法发 现 的非 常 小 的不均 匀颗粒 。这被称 之 为 Gr i f f i t h缺陷[ s - s ] 。 Ne u b e r L 7 ] 在研究椭圆裂纹时曾得出下列公式 一d [ 1 2 a ／ p “ ] 4 式 中 ， 为应力 ； 为椭 圆裂 缝 尖端 所集 中 的应 力 ； n为椭 圆长 轴半 径 ； ．D为椭 圆裂 缝尖 端 的 曲率半 径 。 由式 4 可 以看 出 ， 曲率半 径越小 ， 集 中的应力 越大 。 对 于长为 2 n 、 宽为 2 6的椭 圆裂纹 ， 当 6 n时 ， 一 2 0 a ／ p ， 。因此 ， 当应 力 一旦 超过其 理论 断裂 强度 ， 裂 缝便 开始扩展 。 根据 最大 拉应 力 脆 断理论 ， 对于 如 图 1所示 岩 石 ， 中间存 在一长 为 2 n宽为 2 6的椭 圆形裂 纹 ， 则 一 O 1-- 03 C O S 2 8 5 r 一 s i n 2 8 ，． f f f 图 1 带椭圆形裂纹的岩石 因为 与椭 圆孔 主轴平 行 ， 对椭 圆尖 端张 应力 影 响不大 ， 可忽 略 不计 。于是 椭 圆孔 周 围拉 应 力 只 由 与 引起 。引入双 曲坐标 ， 且 一岛 时 ， 得 些 每 [ 6 一 二 _ ■ 一 式 中 ， 、 刁 为椭 圆坐标 ； 岛 为裂 纹边 界 值 。经 过繁 复 的推算 整理可 得 岛 一 寺 [ s 一 -- O 。 c o s 2 ] 4r E 2 ； 一2 ； c o s 2 ] 7 式中， 即为拉应力的最大最小值。求出临界裂纹 的方位角 ， 代入式 7 中， 得 岛一 旦 8 一 丽 对于单轴拉伸来说 ， 一0 ， 。 O 。设实测拉伸 强度为 ， 将 一0 代入式 7 得 一口 3 [ 专 1 c o s 2 B ] -- 0 。 [ 专 1 c o s 2 B ] 9 最 大拉应 力发生 在右边 最 大 时的条 件 为 c o s 2 一1 ， 一0 。此 时 岛一2 O a 一2 o 。所 以式 8 发 生 断 裂 的条件 为 一 一 8 1 o d1_ 厂 d3 对 于单 轴 压应 力 下 的裂 纹 令 。 一0 此 时 口 一O ， 由式 1 0 得 l 一 一 8 o 1 1 即单 轴抗压 强度是 单轴抗 拉强度 的 8 倍 。在上 覆岩层压力和地应力作用下， 岩石原有平衡状态一 旦被 破坏 ， 岩 石 内部微裂 纹发 生扩展或 断裂后 ， 使原 本并 不连通 的微 裂纹 相 互 连接 ， 而 随之 侵入 的钻井 液滤 液进一 步与 之发 生 物 理化 学 反 应 ， 加速 了裂 缝 的扩 展 ， 成 为井 壁 失稳 的导 火 索 ] 。 因此 ， 使 用 封 堵型钻井液 ， 增强钻井液封堵性能 ， 降低钻井液滤失 量 ， 对于 防止 裂缝 扩展 ， 减 少井 下事故 复杂有着 重要 的意 义 。 2 现 场 实例 涠洲油 田是 中海油在 南海 重点勘 探开发 区块之 一 。在其一期工程实施过程 中， 由于钻井液 的井眼 稳定性 能不 好 ， 井下 不断发 生 复杂事故 ， 事故 损失率 占整个 钻井 时 间 的 5 O 9 ／ 6 以 上 。而 二 期 工 程 除 进一 步优 化井身 结构 、 优化 钻井参 数外 ， 重点 改善 了钻井 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 1期 徐加放等 谈钻井液封堵特性在防止井壁坍塌中的作用 5 液的封堵 防塌性 ， 结果事故复杂损失率下降 为 0 。 一 期 和二期 工程使 用 的钻 井 液 基本 配 方 如 下 ， 性 能 如表 1所 示 。 一 期 2 ． 0 9 ／ 6 ～2 ． 5 9 ／6 膨 润土 0 ． 6 NP AN 5 KCl 0 ． 5 P AC LV0 ． 1 9 ／ 6 XC 二期 2 ． 0 9 ／ 5 ～2 ． 5 膨 润 土 0 ． 5 P A C - L V l TEMP0 ． 3 ％L Yl 1 ． 5 TEXKl WL D 5 ． 2 KCl 0． 2 XC 表 1 涠洲油田一 、 二期钻 井液性能对 比 钻井 实验 PV y P G e l 膨胀率 回收率 F L F L 液条件 mP a S P a P a ／ P a mL mL 注 老化条件为 1 2 0℃、 1 6 h ； 实验岩心取 自该 区块某井 井深 2 2 1 8 ． 3 4 ～2 2 2 0 ． 3 4 m处 ； 砂 床 的砂 粒粒径 为 0 ． 2 8 ～ 0． 4 5 m m 。 由表 l 看 出， 一期 和 二期 工程 使 用 的钻 井液 流 变性 和抑制性 相差 不 大 ， 但 二期 工程 使 用 的钻 井 液 中增加 了 T E X K 和 WL D等 封堵 性 材 料 ， 钻井 液 滤 失量降低， 封堵效果增强， 而且在现场实际应用中井 壁坍塌问题明显减少。由此可见 ， 钻井液封堵特性 在防止井壁坍塌 中起到的重要作用 。 3 结 论 与认 识 岩石 中存在 着大量 亚微观 缺 陷 、 微 型裂 纹 、 裂 缝 以及其它常规手段所无法发现的非常小的不均匀颗 粒 ， 地下岩石被钻开后， 钻井液液柱压力替代了原来 平衡 的地层应 力 ， 钻 井液 与地层 的物理 化学反应 、 起 下钻的抽吸激动压力等， 超出了岩石内裂缝扩展极 限 ， 造成 裂缝 扩张 ， 使原 本并 不 连通 的裂纹 连 接 ， 随 之侵 入 的钻井 液滤 液 与 岩石 之 间 的物 理化 学 反 应 ， 加速 了裂纹 的扩展 ， 同时使 岩石强 度降低 ， 是引 起井 壁坍 塌 的主要 原 因。因此 ， 使 用封堵 型钻 井液 ， 增 强 钻井 液封堵 性 能 ， 降低 钻井液 滤失 量 ， 对 于防止裂 缝 扩展 ， 减少 井下 复杂事 故有着 重要 的意义 。 参 考 文 献 E l i 邱正松 ， 徐加放 ， 吕开河 ， 等． “ 多元 同” 井 壁稳 定新理 论． 石油学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 1 7 1 1 9 [ 2 ] 邱正松 ， 李健鹰 ， 沈 忠厚． 泥页岩水敏性评价新方法一 比 亲 水 量 法 研 究 ． 石 油 钻 采 工 艺 ， 1 9 9 9， 2 1 2 1 6 r 3 ] S a n t o s H D，e t a 1 ．W e l l b o r e s t a b i l i t y a n e w c o n c e p t u a l a p p r o a c h b a s e d o n e n e r g y ．S PE 4 9 2 6 4，1 9 9 8 [ 4 ] 徐加放 ， 邱正松 ， 李 云贵 ， 等． 井壁稳定 新观点 能量 守恒． 钻井 液与完井液 ， 2 0 0 7 ， 2 4 5 1 2 1 4 [ 5 ] 李贺． 岩石断裂力学 ． 重庆 重庆大学出版社， 1 9 8 8 [ 6 ] 丁遂栋． 断裂力学．北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 7 [ 7 3 张永兴． 岩石力学．北京 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 [ 8 ] 汤连生 ， 张鹏程 ， 王思敬． 水一 岩化学作用之岩石断裂力 学效应 的试 验研 究． 岩石 力 学 与工 程学 报 ， 2 0 0 2 ，2 1 6 8 2 2 8 2 7 [ 9 ] 徐加 放 ， 邱正松 ， 吕开河 ． 泥页岩水化一 力学耦合模拟实 验装 置 与压 力 传 递实 验 新技 术． 石 油学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 6 11 5 - 1 1 8 [ 1 O ]岳前升 ， 向兴金 ， 李 中， 等． 油基钻井液的封堵性 能研 究 与应用． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 6 ， 2 3 5 4 0 4 2 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 0 2 ； HG F 一0 8 1 W2 ； 编辑 汪桂娟 上 接 第 2更 3 ．计算高温深井钻井液 的当量静态密度必须 考虑高温和高压对钻井液密度的影响 。 4 ．温度对高温高压条件下水基钻井液 当量静 态 密度 的影 响程度 大 于压 力 的影 响 程 度 ， 钻井 液 地 面密度对当量静态密度变化量的影响很小 。 参 考 文 献 1- 1 ] Ku t a s o v e I M．E m p i ri c a l c o r r e l a t i o n d e t e r mi n e s d o wn ～ h o l e mu d d e n s i t y ．O／ l Ga s J o u r n a l ， 1 9 8 8， 6 1 6 1 6 3 [ 2 ] E i r i k k a r s t a r d ， e t a l ， D e n s i t y B e h a v i o r o f D r i l l i n g F l u i ds Dur i ng Hi gh Pr e s s u r e Hi gh Te m p e r a t ur e Dr i l l i n g Ope r at i o ns ．SPE 47 8 06，1 9 98 1- 3 ]Ho b e r o e k L L ，T h o ma s D c ，Ni c k e n s H V ．He r e ’ s ho w c o mpr e s s i b i l i t y a nd t e mpe r a t ur e a f f e c t bo t t om- h o l e mu d p r e s s u r e ．C K ； J， 1 9 8 2 ，8 0 1 2 1 5 8 ～ 1 5 9 1 [ 4 3 S o r e l l e R R， J a r d i o l i n R A，B u c k l e y P，B a r i o s J R． Mat h e ma t i c a l f i e l d mod e l pr e di c t S do wn hol e de n s i t y c ha n ge s i n s t a t i c dril l i n g．SPE 11 1 18，1 9 8 21 [ 5 3 汪海阁， 刘岩生， 杨丽平． 高温高压井中温度和压力对 钻井液密度的影响． 油 田化学 ， 2 0 0 0 ， 2 3 1 5 6 6 0 [ 6 ] 王贵 ， 蒲 晓林 ， 等． 高温高压 水基钻井液静态密度研究． 西南石油大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 5 [ 7 ] 李庆扬 ， 王能超 ， 易大义． 数值 分析． 北京 清 华大学 出 版 社 ， 2 0 0 5 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 ～ 2 4 ； HGF 0 7 6 Wl l ； 编辑 汪桂 娟 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m