涠西南地区探井钻井液技术.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I I 1 NG FI U I D COM PI ETI N FI UI D Vo 1 ． 2 6 NO ． 2 M a r ． 2 0 0 9 文章 编 号 1 o o 卜5 6 2 0 2 0 0 9 0 2 o l o 5 0 3 涠西南地 区探井钻井液技术 程玉生 符士 山 王韶春 中海油服油田化学事业部 。 广东湛江 摘要 涠西南地 区地质构造 复杂． 在钻 井过程中极易发 生井壁坍塌、 漏失， 甚 至发 生卡钻事故 。通过分析研 究 涠西南地 区易垮地 层岩性、 硬脆性泥页岩的垮塌机理， 介绍 了在该地 区探井 中使 用的低 渗强封堵水基钻 井液。现 场应用表 明． 该钻井液有 良好 的封堵性和润滑性， 高 温高压滤失量小 、 泥饼渗透率低 。 基本保证 了井壁 的稳定及 井 下 安 全 。应 用该 钻 井液 的 井 ． 井径 较规 则 ． 无 井 下 复杂 情 况 ， 表 明该钻 井液 较 好 地 解 决 了涠 西 南 地 区 的 井壁 稳定 问 题 。 关 键 词 探 井 ； 水 基 钻井 液 ； 井眼 稳 定 ； 封 堵 硬 脆 性 泥 页 岩 ； 涠 西 南地 区 中图 分 类号 TE 2 5 4 ． 3 文 献标 识码 A 涠西南地 区地 质构造 复杂 ， 尤其 是 涠洲 组 涠 二 段 和流沙港组 流二段泥 页岩地层 断层多 、 地 层破碎 ， 微 裂缝 发育 、 水 敏性极强 ， 在钻井过 程 中极 易发生井 壁坍 塌 、 漏失等 复杂 情况 ． 甚 至 发生 卡钻 事故 ， 这 不 仅严重影 响了油 田的钻探 速 度 ， 还造 成 巨 大 的经 济 损 失 。针对这种 地层 特性 ． 中海 油 田服 务有 限 公 司 开发和完善 r油 基 钻井 液 ， 并在 现场 应 用 中取 得 了 较好 的效果 ． 但 考虑 到环 境 保护 、 成 本 、 井控 和 及 时 发现 油气层 的问题 ， 探 井仍 选用 水 基钻 井 液 。通 过 多年的研究和探 索 ， 该 区块优 选 和使 用 了一 套 低渗 强封堵 水基钻井 液 及配套 技 术 ． 在探 井 钻井 作业 中 较好地 解决 了涠 西南 地 区 的井壁 稳 定 问题 。 技 术也 日趋成 熟 ． 有较好 的应用前景 。 l 易垮地层 岩性分析 涠 洲组和流 沙港组地层 除浅层 以蒙 脱石 为主要 成分外 ， 其余为硬 脆性 泥 页岩 ， 其 中． 伊 ／ 蒙混层 的含 量较高 ， 但间 层 比普 遍 很 低 ， 因而 水 化 膨 胀 趋 势 较 弱 ， 其特点 为硬脆性 、 中度分散 、 有 剥落 趋势 ， 见 表 l 和表 2。 从黏 土矿物组成来 看 。 涠二 段 、 流二段 硬脆性 泥 页岩中非膨胀 性黏 土矿 物 如伊 利石 、 高 岭 石和 绿 泥 石 含量较 多 ， 而不 含膨 胀性 黏 土矿物 蒙 脱石 。 伊 蒙 混层 中蒙脱石 的混 层 比也很 低 ， 因此伊 ／ 蒙混 层遇水 不 易水化膨胀 ， 但 容易碎 裂分散 ， 引起 垮塌 。 从扫 描 电镜 分析 结果 可 知 ， 该 硬脆 性 泥页岩 含 有 裂隙和微 裂隙 ， 高温 高压 下 测得 的页 岩 回收率 偏 高 ， 膨胀率 偏低 ， 进 一 步 表 明该 泥 页岩 属 于 水 化 膨 胀 、 分散性较 弱 ， 但 具有很强剥 落趋势 的硬脆性 泥页 岩 。铺展试 验表 明 ， 该 硬脆 性 泥 页岩 的 表面性 质 为 亲水 性 。 表 1 涠 二段 硬 脆 性 泥 页岩 的 X射 线衍 射 分 析 表 2流 二 段 泥 页岩 样 品 矿 物组 成 对 比 第一作者简介 程玉生， 工程师． 2 0 0 3年毕业于中国石油大学 华东 ， 现从事钻井液现场技术服 务2 12 作。地址 广 东省湛 江市坡头 区2 3号信箱 中海油服 油田化学事 业部 ； 邮政编码 5 2 4 0 5 7 ； 电话 O 7 5 9 3 9 0 1 7 3 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 2 硬脆性泥 页岩垮塌机理 1 由于泥 页岩 中存 在 发育 的层 理 和微 裂 隙 ， 黏 土矿物的膨胀压差引起井壁剥落坍塌。钻井液滤液 在毛细 管压力 作用 下 ， 沿 层 理 、 裂缝 侵 入 地层 内部 ， 增大 了钻井 液与地 层 的接 触 面 积 ， 加 速 了地 层 中 黏 土矿 物 的水 化作 用 。此外 ， 泥 页岩 是 由 多种 黏 土矿 物组 成 的 ， 这些 黏土 矿物 遇 水后 的吸 水 膨胀 速 率 相 差 很大 ， 所 产生 的膨胀压 力亦相 差很 大 ， 因而使地 层 受力不 均 ， 这种 力超过 地层水 化后 的强度 时 ， 地 层就 会沿层理、 裂缝的断面发生剥落坍塌。对于以伊蒙 混层 和伊利石 为 主 的泥 页岩 ， 虽 然 泥 页岩 中不存 在 单纯 的蒙脱石 矿物 ， 但 由于 伊蒙 混 层是 伊 利 石 与蒙 脱 石无序 地沿 C轴 方 向叠 置而 形成 的一种 矿 物 ， 其 在 C轴 方 向上 叠 置 的伊 利 石 和 蒙 脱 石 的水 化 膨 胀 特征不 同 ， 所产 生 的膨 胀压 力不等 ， 因而层 问受 力不 均， 仍会导致井壁剥落坍塌。泥页岩段长而多裂隙 导致井 眼稳 定状况 恶化 ， 这 类地层 如果 钻井 速度快 ， 一 般 不会 发生与黏 土矿物 的膨 胀和分 散有关 的井 眼 稳 定 问题 。但如 果 施工 周 期长 ， 必须 考 虑 它 的时 敏 性 。 2 大多数 情况 下 ， 硬 脆性 泥 页 岩 的主 要 水 敏方 式是 水沿微 裂缝渗 入 后 引起 的剥 落 ， 由于水 的极性 极强 ， 水就 与黏 土颗 粒及 粉 砂 颗粒 表 面 上 的羟 基 相 互 作用 ， 取 代原来 的黏 土颗粒 间 、 粉砂 颗粒 间 以及黏 土 颗粒 与粉砂 颗粒 问 的氢 键 这 相 当 于将 颗 粒 间 的 接触点 水化 ， 在颗 粒 间的接触 点上原 来使泥 页岩保 持稳 定的氢 键不存 在 了 ， 泥 页 岩变 得 不稳 定 或 开 始 崩解 。 3 泥 页岩 的渗 透 率在 1 x 1 0 ～ 1 1 0 ～ 肚 m 范 围内时 ， 不 发生 常见 的钻井液 滤失现 象 ， 井壁 几乎 无泥饼 形成 。裂缝 性 页 岩 就象 一 个 双渗 透 率介 质 ， 其 中的微裂 隙是 流体 的主要通 道 ， 具 有高 渗透率 ， 而 页岩 本身 渗透 率极 低 。钻 井 液压 力 大 时 ， 从井 眼到 半 无 限的介质 页 岩 之 间逐 渐 趋 于平 衡 ， 产 生不 稳 定的孔隙压力 ， 其方 向是从井眼向地层 。水基钻井 液 用于钻 强度较 低 的地层 如 页岩 时 效果 不 好 ， 需 要 有效径 向支撑 应力 。这个 有效径 向支撑 应力 是 由 钻井液 柱产生 的正 压差来 提供 的 ， 它用 于稳定 井 眼。 然而 ， 正压 差驱使 钻井液 滤液流 人页岩 ， 并 且将液柱 压力 传人 页岩 ， 造 成 页 岩 中黏 土 水化 膨 胀 、 分 散 ， 引 起 井眼不 稳定 。对 于 裂缝 性 页岩 ， 钻 井 液 侵 入裂 缝 后升高 了裂 隙 内流 体 压力 ， 使 这 些 页岩 迅 速 失 去 了 稳定性 ， 造 成井壁 垮塌或 剥落 掉块 ， 降低 了井 眼的稳 定性 。 3 钻井液技 术 3 ． 1 井壁稳定技术 针 对 北 部 湾 涠 西 南 油 田群 硬 脆 性 泥 页 岩 微 裂 缝 、 微层 理 、 破碎带 发育 和水敏 性强 的泥 页岩地层 的 情况 和垮塌 机理 ， 加 强 钻井 液 的 封堵 和抑 制 能力 是 钻井 液技术 的关 键技术 之一 。①用 物理 化学方 法封 堵 地层 的层理 和微裂 缝 ， 实 现物 化阻 隔 ， 有效 支撑 井 壁 ， 同时阻止 钻井液 滤液进 入地 层 ； ② 强化钻 井液 的 抑制性 ， 提高膜效率； ③提高钻井液的黏度 ， 降低钻 井 液 高温高 压滤失 量 和 泥 饼渗 透 率 ， 减 少 钻井 液 滤 液进 入地层 ； ④选 用合 适 的钻 井液 密度 ， 以平衡 地层 坍塌 应力 。为此 ， 优选 出了低 渗强 封堵 钻井液 ， 其 配 方 如下 ， 根据 泥页岩垮 塌程 度 的不 同 ， 封堵 剂 的选 择 和加量也 有所 不 同。 2 ～3 海 水 膨 润 土 浆 0 ． 4 ～0 ． 6 P F P AC LV 3 ～ 5 PF GJ C 3 ～ 5 KCl 3 PF GBL 3 ～ 5 P F CMJ - - 3 ～ 5 PF L S F 0 ． 1 ～0 ． 2 P F XC 0 ． 3 ％～ 0 ． 7 ％ P F PL US 3 ． 2 钻井液 性能 评价 3 ． 2． 1 抑 制性 将 岩心在 海水 、 低渗 强封堵 钻 井 液 密度 为 1 ． 2 g ／ c m。 中浸泡 2 4 h的线 性膨 胀 率分 别 为 5 8 ． 6 和 2 0 ． 5 。钻 屑在 海 水 、 低 渗 强 封堵 钻 井 液 中 的热滚 回收 率分别 为 1 4 ． 3 和 8 8 ． 0 9 ／ 5 。 3． 2． 2封堵性 能 1 砂 床 漏 失 实 验 。采 用 粒 径 为 0 ． 4 5 ～ 0 ． 9 0 mm 的砂 粒和 F A 型无 渗透 滤失 仪 ， 在 0 ． 6 9 MP a的 压力 下进行 封堵 实验 。测得 低渗 强封堵 钻井 液 的砂 床 滤失量 均为零 ， 侵 入深度 仅 为 2 ． 0 c m。 2 堵 漏仪 封堵 实验 。在微 裂 缝 宽分 别 为 0 ． 0 1 、 0 ． 0 3 、 0 ． 0 5 、 0 ． 0 7 、 0 ． 1 mm 的试 验 中， 在 压力 达 到 1 MP a 时 ， 测得滤 失 量 全 部 为 零 ， 说 明该 钻 井 液 对 微 裂缝 有较好 的封 堵效 果 。 3 泥饼 渗 透率评 价 。在 高温 高 压滤 失 9 0℃和 1 2 0℃、 3 ． 4 5 MP a 实 验 结束 后 ， 保 留泥 饼 ， 在 高温 高压 失水仪 中装 入一定 量清 水 ， 在 9 0。C、 3 ． 4 5 MP a 的实 验条件 下 ， 测得低 渗强 封堵 钻井液 在 3 0 mi n的 滤 失量 为 3 ． 6 mL； 清 水分 别在 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 S 和 1 、 5 、 1 O 、 2 O 、 3 O 、 3 5 mi n的 滤 失 量 为 0 ． 0 8 、 0 ． 0 8 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 2期 程 玉生等 涠 西 南地 区探 井钻 井液技 术 1 0 7 0 ． 1 2、 0．1 2、 0．1 2、 0．1 2、 0．1 6、 0． 24、 1 ．2、 1 ． 6、 2． 2、 2 ． 6 mL 。由此可知 ， 钻井液 能形成 较低 渗透 率 的泥 饼 ， 有利 于减少滤 液进入地层 。 3 ． 2 ， 3 储 层保护性 能 低渗强封堵钻井液污染前后岩心渗透率及其恢 复值见 表 3 。从 表 3可 以看 出 ， 不 同岩 心 的 渗 透 率 恢复值 均大于 9 O 。 表 3 低渗强封堵钻井液污染前后岩心渗透率及其恢 复值 L 孔隙度 K a K c Kd 渗透率恢 石 c m 1 0 一 ． m 1 O 一 ． m 1 0 ～ m 。 f ff／ ％ E6 6． 1 20 3 ．3 0 2 3 8． 6 2 27 ． 97 2 9 ．0 2 9 6 ．3 8 E 6． 2 45 3 ．6 3 2 l 2． 3 7 2 4． 88 2 6 ．2 3 9 4 ．8 5 综 上 所述 ， 低 渗强 封堵 钻井 液具 有 良好 的抑 制 性 和低 渗强封堵 特性 ， 高温高压 滤失量小 ， 形成 的泥 饼 渗透率低 ， 岩心渗透率 恢复值 高 ， 具有 良好 的储 层 保 护性 能 。 4 现 场 应 用 1 现场 处理及维 护 ①采用 海水膨润 土浆开 钻 ， 在钻进过程 中根据岩性 变化转化 为低渗 强封堵钻 井 液 。补充高浓 度 的胶液 以提高钻 井液 的封堵性 和对 页岩的抑制性 。② 涠二 段 地层 岩性 硬 脆 、 易 吸水 碎 裂和垮塌 ， 在该钻井液 钻进过程 中 ， 维护 封堵剂 的浓 度在 3 ％左右 。在 提 高钻 井 液封 堵 性 的 同时 ， 渐 进 式地提高钻井 液 的密度 ， 实现有 效支撑井 壁 ， 防止 掉 块 。③在进入 流二 段地 层前 ， 适 当提 高 钻井 液 的 密 度 ， 并及时补 充因包 被钻 屑 和形 成 泥饼 等 消耗 的 抑 制 剂 ； 确保钻井 液具有 良好抑制性 的同时 ， 提高钻 井 液的膜效果 ， 降低 泥饼 的渗 透 率 。④ 充 分使 用 好 固 控设 备 ， 控 制低 密 度 固相 含量 小 于 5 ％。全 程 用 离 心 机除去细小 的 固相 颗 粒 ； 及时 更换 破 损 的振 动 筛 筛 布和使用尽可 能 密 的筛 布 ， 以便 维 护 钻井 液 有 良 好 的流变性和泥 饼质量 。 2 现场典 型钻井液性 能见表 4 。由表 4可 以看 出， 低 渗强封堵水 基 钻井 液表 现 出 良好 的封 堵 性 和 润滑性 ， 高温高压 滤失 量 小 、 泥饼 渗 透率 低 ， 基 本保 证 了井壁 的稳 定 及 井 下安 全 。在 现场 应 用 的过 程 中， 井径较 规则 ， 无 井下 复 杂情 况 ， 该 钻井 液较 好 地 解决 了涠西南地 区的井壁稳 定问题 。 表 4现场典型钻井液性能 5 结论 1 ．北部 湾涠 西 南油 田群 井壁 失 稳 的主 要原 因 是存在微 裂缝 、 微 层理 、 破 碎带发 育和水敏 性强 的泥 页岩地层 ， 对微裂 缝 的封 堵应该采 取变缝 为孑 L 、 堵孔 和逐级填 充 的技 术 方法 ， 选 用粒 径 级配 与 地层 微 裂 缝匹配 的刚性封 堵 剂 、 多软 化点 且 粒径 级 配与 地 层 微裂缝 匹配 的可 变形封堵 剂和成 膜剂 ， 在 微裂缝 、 微 层理和破 碎带快 速封堵成 膜 。 2 ．北部 湾涠 西南 油 田群 井壁 稳 定 技 术 的关 键 是确保 钻井液具 有 低渗 强 封堵 特性 和高 的膜 效率 ， 同时使用 合适 的钻井液 密度平衡 地层坍塌 应力 。 3 ．现场 应用表 明 ， 低渗 强封 堵水 基钻 井 液具 有 良好 的封 堵性 和润滑性 ， 高温高压 滤失量 小 、 泥饼 渗 透率低 ， 基 本保证 了井 壁 的稳 定 以及井 下 安 全 。应 用低渗强 封堵水 基钻井 液的井 ， 井径较规 则 ， 无井下 复杂情况 ， 表 明该 钻 井液 较 好地 解 决 了涠 西南 地 区 的井壁稳 定 问题 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张克勤 ， 陈乐亮． 钻井技术手册 二 钻井 液[ M] ． 北京 石油 工 业 出版 社 ， 1 9 8 8， [ 2 ] 张绍槐 ， 罗平亚． 保护储集层技 术[ M] ． 北京 石油 工业 出版 社 ， 1 9 9 6 [ 3 ] 李克 向． 保护油气层 钻井完井技 术[ M] ． 北京 石油工 业 出版 社 ， l 9 9 3 [ 4 ] 徐同 台， 洪培云 ， 潘世奎． 水平井钻井液 与完 井液 [ M] ． 北 京 石 油工 业 出 版社 ， 1 9 9 9 [ 5 ] 徐同台 ， 崔茂荣 ， 王允 良， 等． 钻井工程井壁稳定新技术 [ M] ． 北京 石油工业出版 ， 1 9 9 9 [ 6 ] 鄢捷年． 钻 井液工 艺学 [ M] ． 山东 石油大 学 出版社 ， 2 001 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 - 2 6； HGF一0 9 0 2 N2 ； 编 辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m