英买力地区古近系地层钻井液技术.pdf

第 4 1 卷第 2期 2 O 1 3年 3月 石 油 钻 探 技 术 PE TR I EUM DRI I I I NG TECHNI QUES Vo1 ． 41 No． 2 M a r ．， 2 l 3 ． _ 钻 井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 1 英买力地 区古近系地层钻井液技术 张作清 ，窦金涛 ， 付建 国。 ，蒲 杰 ，吴迎彰。 1 ．中国石化华东石油局测井公 司， 江苏扬 州 2 2 5 0 0 7 ； 2 ．西南石油大学研究生院 ， 四川成都 6 1 0 5 0 0 ； 3 ．中国石油西部钻 探工程公 司准东钻井公司 ， 新疆库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 英买力地区古近 系地层在钻井中频繁 出现卡钻、 掉块、 坍塌 、 井漏等井下故障， 严重影响了钻井速度。 为了弄清英买力地区古近系地层的井壁失稳机理， 为钻井液选型和性能优化提供理论依据， 对该地 区黏土矿物组 成及理化性能进行 了系统分析 。结合该地 区盐膏层钻 井液技 术研 究 ， 对 K C 1 一 聚磺 欠饱和 盐水钻 井液体 系性 能进 行了优化， 提 出了该钻井液体系在维护井壁稳定方面的技术要求。YM2 6井现场应用结果表明， KC 1 一 聚磺欠饱和 盐水钻井液体系能够满足古近系膏泥岩段井壁稳定的要 求， 减小了发生井下故障的风险； 黏土矿物的膨胀并不是 导致膏泥岩段井壁失稳的主要原 因。通过研 究该地 区古近 系地层 的井壁 失稳机理 ， 减 小 了井壁失稳 的风 险， 为古 近 系地层的顺利钻进提供 了理论 支持 。 关键词 古近 系 井眼稳 定 失稳机 理 钻井液 中图分类号 TE 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 2 0 0 5 4 0 5 Dr i l l i n g Fl u i d Re s e a r c h f o r Pa l e o g e n e S t r a t a i n Yi n g ma i l i Ar e a Zh a n g Zu o q i n g ，Do u J i n t a o ，F u J i a n g u o 。 ，P u J i e 。 ，W u Yi n g z h a n g g 1 ． Lo g g i n g Co mp a n y， Ea s t Ch i n a Pe t r o l e u m Bu r e a u， S i n o p e c ， Y a n g z h o u， Ji a n g s u， 2 2 5 0 0 7 ， Ch i n a； 2． Po s t gr adu at e Sc ho o l， So ut hwe s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Che n gd“， Si c hu an， 6 1 05 00， Chi na；3 ． Zhu n do n g Dr i l l i n g Co mpa n y， CNPCXi b u Dr i l l i n g En gi n e e r i n g C o ． Lt d．， Ku e r l e ， X n j i a n g， 8 4 1 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Du r i n g t h e d r i l l i n g p r o c e s s o f Yi n g ma i l i ’ S Pa l e o g e n e s t r a t a ， c o mp l e x u n d e r g r o u n d t r o u b l e s ， s u c h a s s t i c k i n g ， s l o u g h i n g， c o l l a p s e ， l o s s o f c i r c u l a t i o n， o c c u r r e d f r e q u e n t l y ， d r a g g i n g d o wn d r i l l i n g r a t e ． I n o r d e r t o d e t e r mi n e t h e me c h a n i s m o f we l l b o r e i n s t a b i l i t y i n P a l e o g e n e s t r a t a o f Yi n g ma i l i ， a n d p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e s e l e c t i o n o r o p t i mi z a t i o n o f p e r f o r ma n c e a n d t y p e s o f d r i l l i n g f l u i d s ， s y s t e ma t i c a n a l y s i s h a d b e e n c o mp l e t e d b y e x p e r i me n t s o f c l a y mi n e r a l c o mp o s i t i o n a n d t h e i r p h y s i c a l a n d c h e mi c a l p r o p e r t i e s ． Co mb i n e d wi t h t h e s t u d y o f t h e d r i l l i n g f l u i d t e c h n o l o g y f o r g y p s u m s a l t f o r ma t i o n， t h e KC1 一 p o 一 1 y s u l f o n a mi d e u n s a t u r a t e d b r i n e d r i l l i n g f l u i d s wa s o p t i mi z e d， t h e t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s o n t h e d r i l l i n g f l u i d s i n ma i n t a i n i n g we l l b o r e s t a b i l i t y wa s p u t f o r wa r d ．F i e l d a p p l i c a t i o n r e s u l t s i n t h e W e l l YM 26 s h o we d t h a t t h e KC1 一 p o l y s u l f o n a t e u n s a t u r a t e d b r i n e d r i l l i n g f l u i d s c o u l d me e t t h e r e q u i r e me n t s o f k e e p i n g we l l b o r e s t a b i l i t y i n t h e Pa l e o g e n e g y p s u m mu d s t o n e ， a n d r e d u c e t h e r i s k o f d o wn h o l e t r o u b l e s ； me a n wh i l e ． e x p a n s i o n o f t h e c l a y mi n e r a l s wa s n o t t h e ma i n r e a s o n o f b o r e h o l e i n s t a b i l i t y i n mu d s t o n e ． Th r o u g h t h e r e s e a r c h o n i n s t a b i l i t y me c h a n i s m o f t h e Pa l e o g e n e s t r a t a i n t h i s a r e a ， t h e r i s k o f b o r e h o l e i n s t a b i l i t y h a d b e e n r e d u c e d． a n d p r o v i d e d t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r s mo o t h d r i l l i n g i n t h i s f o r ma t i o n ． Ke y wo r d s p a l e o g e n e ； h o l e s t a b i l i z a t i o n； i n s t a b i l i t y me c h a n i s m ； d r i l l i n g f l u i d 在钻井 中经常会 遇到井壁失稳问题 ， 尤其是在 含有盐膏岩、 泥页岩的地层中更为普遍， 导致井壁坍 塌 、 卡钻 、 掉块 、 井漏等一 系列井下故 障_ 1 ] ， 严重影 响勘探开发 的进程 ， 为此 ， 国内众多学者做了大量研 究 ， 并取得了一定的成果 。例如 ， 梁大川等人_ 5 ] 采用 岩石力学性能测试 的方法证 明， 在聚合物或聚磺钻 井液 中加入抑制剂和封堵材料可以降低地层的坍塌 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 一 ； 改回 日期 2 0 1 3 一 O 3 一 7 。 作者简 介 张作 清 1 9 6 4 ， 男， 江 苏南通人 ， 1 9 81 年毕 业于华 东石油学院地球 物理测井专业， 高级 工程 师． 现 主要从事测 井资料 采 集和评价工作。 联系方式 z h a n g z u o q i n g 1 2 6 ． C O I ] I 。 基金项 目 国家重点基础研 究发展 计划 “ 9 7 3 ” 计划 项 目“ 中国 陆块 海相成钾规律及预测研 究” 编号 2 0 1 1 C B ,1 0 3 0 0 2 资助 。 第 4 l 卷 第 2期 张作 清等． 英 买力地 区古近 系地 层钻井液技术 5 5 压力 ； 孟庆生等人_ 6 ] 用室内试验的方法 ， 验证了聚磺 欠饱和盐水钻井液体系在塔河油田盐膏层钻井是可 行的。但是这些研究大多都局限于单纯的盐膏岩以 及泥页岩地层， 对于含有膏岩、 泥岩和盐岩的复合地 层 目前研究仍然很少 ， 而英买力地区古 近系地层上 部膏泥岩伴有裂缝发育 ， 膏岩和泥岩吸水膨胀使井 壁更容易发生坍塌； 而中部的盐膏层， 埋藏深， 在上 覆地层压力的作用下 ， 盐膏层蠕动变形 易造成缩径 卡钻 ， 盐 的溶解造成井径扩大 ， 并影响钻井液性能稳 定 ， 含盐泥页岩中泥页岩 的水化分散和盐 的溶解更 增加 了井壁的不稳定性r 7 ] 。针对上述 问题 ， 笔者对 古近系地层井 壁失稳机理进行 了多方面 的分析研 究 ， 为钻井液体系的选择和制定技术对策提供 了理 论依据。 1 地层特点 1 英买力地 区上部膏泥岩段 由于地质运动作 用 ， 地层破碎程度 高， 存在微裂缝且胶结程度差 ， 膏 泥岩多伴有裂缝发育 ， 水很容易沿裂缝进入地层深 处 ， 使井壁周 围地层中的黏土矿物发生水化 ； 膏岩具 有吸水膨胀性 ， 且存在裂缝 ， 使井壁更容易坍塌 。泥 岩遇水极易发生水 化膨胀 ， 造成膏泥互层或含膏泥 岩的分散 、 剥落， 使井壁发生掉块 、 坍塌[ 1 ； 同时 ， 膏 泥不等厚互层 中层 理、 裂缝 的存在 ， 加上膏岩 、 泥岩 的吸水膨胀性不同， 更增大了井壁失稳 的风险。 2 中部盐膏层段 的盐岩 在与钻井液接触 时会 发生溶解 ， 造成井径扩大和盐水侵， 并直接污染钻井 液 ， 影响钻井液 的性能 ； 盐岩在受到井下应力作用时 会发生塑性变形 ， 造成缩径 。 2 岩石组分及理化性能分析 统计分析英买力地 区钻井井下故障发现 ， 古近 系上部地层钻井井下故障频发 ， 几乎每 口井在该层 段都会 出现井壁失稳 的情况 ， 因此首先应从岩石组 分及理化性能角度研究膏泥岩段井壁失稳的原因。 2 ． 1 岩石组分分析 地层 中所含矿物的种类和质量分数是影响井壁 稳定的关键 ， 因此首先对所含矿物尤其是黏土矿物 的种类 和含量 进 行 深 入分 析。利 用 X衍 射仪 对 Y M3 2 2 一 H4井古 近系上部层段进行 了全岩矿物和 黏土矿物组分分析 ， 结果见表 1和表 2 。 表 1 Y M3 2 2 - H 4井全岩矿 物分 析 Ta bl e 1 W h ol e - r o c k mi ne r a l a na l y s i s f or W e l l YM 3 22 一H4 从表 1可以看 出， 古近系地层黏土矿物 的质量 分数并不高， 膏泥岩段主要含有硬石膏， 由于其具有 很强的吸水膨胀性 ， 所 以其 含量在某种程度上对井 壁的稳定性起到一定影响。另外 ， 钻进膏泥岩层时 钻井液易被石膏污染 ， 造成钻井液性能不稳定 ， 使井 壁更容易出现失稳 。 从表 2 可以看出， 伊利石的质量分数最高， 其次 为伊／ 蒙混层 和绿 泥石 ， 间层 比为 2 5 。当钻遇 到 含伊利石的泥页岩时， 井壁发生剥落掉块， 因此对钻 井液的抑制性和封堵性的要求较高。但该层段膨胀 性黏土矿物含量并不高 ， 可见井壁失稳并不是 由黏 土矿物的吸水膨胀引起的。 石 油 钻 探 技 术 2 ． 2 膨胀性和分散性试验 弱膨胀性黏土矿物 ， 因此黏土矿物的膨胀性对井壁 失稳 的影响较小 。 为了解古近系地层的水化膨胀性 和分散特性 ， 按照试验标准在室内对上述岩样进行了膨胀性和分 3 钻井液技术措施 散性试验 ， 结果见表 3 。 表 3 古近 系地 层岩 样膨 胀性和分散性分析 Ta bl e 3 Ex pa nd a bl e a nd di s pe r s i v e a n al y s i s o f c o r e i n Pa l e o g e n e s t r a t a 从表 3可以看出 岩样 的线性膨胀率普遍较低 ， 且膨胀率随时间变化不大 ； 只有岩样 3的膨胀率 略 微偏高 ， 这与其硬石膏含量和黏土矿物含量都普遍 偏高有关 ， 而这种关系在其他岩样 中并未出现。回 收率为 4 ． 0 ～3 0 ． 5 ， 处在较低的水平 ， 可见该膏 泥岩地层膨胀性较差 ， 但较易分散 。 由黏土矿物和理化性能试验结果可知 伊利石 是英买力区块古近系上部膏泥岩层段的主要黏土矿 物 ， 伊／ 蒙混层含量较少 ， 而伊利石的膨胀性差 ， 属于 3 ． 1 技术 难点 由于构造运动作用 ， 古近系上部膏泥岩段地层 破碎 ， 岩块 间胶结程度差 ， 且膏岩 、 泥岩裂缝发育 ， 在 钻井液的压力下极 易沿裂缝进入地层深部 ， 不仅增 加了井漏风险， 也使岩石内部的孔隙压力增大 ， 膏泥 岩内部的膨胀压力增强 引起岩石破碎 ， 造成井壁剥 落和垮塌_ 1 。 ‘ ] 。因此 ， 在选择钻井液时 ， 一方面， 必 须尽可能地阻止钻井液 中的水相进入膏泥岩的裂缝 中， 即钻井液 中要有快速、 有效 的封堵材料 ； 另一方 面 ， 必须增强钻井液体系的抑制性 ， 降低泥页岩的水 化分散程度 ， 即钻井液要有强 的抑制剂l 3 ] 。此外 ， 从 全岩分析可以看 出， 在钻进时钻井液极易被石膏污 染 ， C a z 的质量浓度对钻井液性能的影 响很大l 3 ] ， 因 此钻井液中要加入适当的抗钙处理剂， 并适 当提高钻 井液的 p H值 ， 增强钻井液的抗 C a 2 十 污染能力[ 1 2 - 1 3 ] 。 古近系中部的盐膏层会给钻井液性能造成影响。 相邻井井径变化与钻井液 l生能情况统计情况见表 4 。 表 4 盐膏层井径变化与钻井液密度 、 离子浓度的关 系 Ta bl e 4 Re l a t i o ns hi p a mo ng ho l e s i z e， d r i l l i ng flu i d d e ns i t y an d i o n c o n c e n t r a t i on i n s al t - g y ps u m f o r ma t i o n 从表 4可以看 出 盐岩层井段的井径 变化与钻 井液密度和 C 1质量浓度有关 ， 钻井液密度增大能 抑制盐岩的蠕变变形 ， 减小井径的缩径量 ； 同时 C l 一 能控制盐岩 的溶解 ， 若其质量浓度过低 ， 则加速盐岩 的溶解 ， 使井径扩大。YM3 2 1 一 H1 井的 C a 质量浓 度明显高于其他 2口井 ， 钻井液受到钙侵 ， 使其流变 和滤失性能受到破坏 ， 这也是该井段井壁失稳 的原 因。从埋藏深度看 ， 盐膏层埋藏深 ， 在高温作用下钻 井液性能极易发生变化 如黏度 、 切力上升 __ 7 。 1 ， 这就要求钻井液具有 良好 的抗温性能 。由此可见， 在钻遇盐膏层时 ， 钻井液 的密度 、 C l质量浓度、 质量浓度和抗温性能都是影响井壁失稳的因素 。 3 ． 2 钻井液体 系的选择 对古近系膏泥岩 、 盐膏岩地层复杂岩性 和地质 结构研究认为 ， 钻井液除了具有较好的抗盐 、 抗钙污 染、 抗高温能力外 ， 还必须具有 良好 的流变性 、 稳定 性、 抑制性及润滑性能 ， 只有这样才能保证井壁稳定 和钻井顺 利进行[ 1 ” ] 。这就要求必须 选择合适 的 钻井液体系， 还要进行与该钻井液相适应的设计 ， 并 给出维护处理措 施。针对该 地层 的特点 ， 结合盐膏 层钻井 的技术和经验 ， 根据设计要求和室内试验结 果 ， 确定采用 KC 1 一 聚磺欠饱和盐水钻井液体系。 4 应用实例 YM2 6井古近系上部地层使用聚磺钻井液体 系钻进时 ， 出现 了严重 的井壁垮 塌。为了降低井壁 失稳风险 ， 结合对英买力地 区古近系井壁失稳 机理 的研究和对现场钻井液技术措 施的分析 ， 针 对井壁 稳定 中出现的问题 ， 在邻井 YM2 一 HI O井将钻井液 第 4 1卷第 2期 张作清等． 英买力地 区古近 系地层钻 井液技 术 体系转换为 KC 1 - 聚磺欠饱和盐水钻井液体 系， 其基 本配 方 为 3 ． O ～5 ． O 膨 润土 0 ． 2 ～ 0 ． 3 Na OH 0 ． 5 ～ 0 ． 7 8 o A5 1 2 o ． 2 ～ 0 ． 4 MAN1 0 1 0 ． 2 9 ／ 6 ～0 ． 3 NH4 - HP AN一2 3 ． 0 S M P 2 ． 0 S P NH 1 ． 5 ～ 2 ． O PS C 2 ． O ～ 3 ． 0 F T一 1 A 1 ． O ～ 3 ． 0 润滑 剂 S Y AO 7 3 ． 0 ～5 ． O KC I 7 ． O ～1 O ． O Na C 1 加重剂 ， 基本性能见表 5 。 表 5 Y M2 - H1 0井KC I - 聚磺欠饱和 盐水 钻井液性能 Ta bl e 5 Pe r f o r ma nc e o f KCI - po l y s u l f o n at e u ns at ur a t e d b r i ne dr i l l i n g f l ui d f o r W e l l YM 2 _ 。 H1 0 32 5 3 2 5 3 4 0 3 5 2 3 5 2 3 47 9 1 0 8 2 6 3 8 1 O 9 23 8 9 1 0 7 1 3 2 9 1 1 6 2 3 3 9 1 0 8 6 5 4 8 1 0 8 9 7 0 YM2 - 6井和 Y M2 一 H1 0井古近系膏泥岩段井径对 比情况见表 2 。 表 6 膏泥岩段不同钻井液体系对应井径对比 Ta b l e 6 Av e r a g e h o l e e n l a r g e me n t r a t i o i n g y p s n n l m u d s t o n e s e c t i o n p r o d u c e d b y d i ffe r e n t d r i l l i n g flu i d s Y M 2- H 1 0 井K 鬟 和 3 8 0 5 ． O O ～ 3 8 1 2 ． 0 0 3 8 1 6 ． O O ～ 3 8 2 7 ． 0 0 3 8 3 5 ． O O ～ 3 8 4 2 ． 0 0 从表 6可 以看出， Y M2 一 HI O井应用 KC 1 一 聚磺 欠饱和盐水钻井液后 ， 平均井径扩大率为 8 ． 2 ， 与 YM2 6 井相比， 平均井径扩大率降低 2 4 ． 7百分点 ， 井壁稳定性 明显增强。KC 1 一 聚磺欠饱和盐水钻 井 液中的 K 能够抑制黏土矿物 的水化 ， 提 高钻井 液 的抑制性和防塌性能[ 1 引， 控制上部泥页岩 的垮塌 。 C l 一 含量控制在合理 的范 围之 内， 能够很好地控 制 中部盐膏层的蠕变， 维持井壁稳定 ； 同时大分子和中 小分子聚合物使钻井液有很好的抑制性和滤失控制 性_ 1 。由于该 区块古近系埋藏深 超过 3 7 0 0 m ， 钻 井施工周期较长 ， 因此要防止钻井液老化 ， 并严格控 制固相 含量 ， 防止 固相 细分 散[ 1 9 - 2 0 ] 。现 场应 用 证 明 ， K C1 - 聚磺欠饱和盐水钻井液体系能够满 足英买 力地 区古近系地层井壁稳定 的要求 ， 减小发生井下 故 障的风险 。 5 结论与建议 1 对英买力地 区地层岩石结构特点 、 组分及理 化性能进行分析， 是指导该 区块古近系地层钻井液 体系选择和维护处理的关键。 2 KC 1 一 聚磺欠饱和盐水钻井液不仅能够解决 泥页岩地层 的坍塌掉块问题 ， 而且能很好地控制盐 膏层的蠕变和盐层 的溶解 。现场应用表明 ， 该钻井 液有效抑制了英买力地区古近系地层钻井过程中井 径的扩大 ， 确保 了井壁稳定。 3 对于埋藏深的盐 膏层 ， 有关适用 的高密度 、 抗高温钻井液方面 的研究及应用较少 ， 应加强该方 面的研究 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 李玉民． 塔河油 田南缘盐膏层钻井技术[ J ] ． 石油钻探技术， 2 00 4 ， 3 2 3 8 - 11 ． Li Yu mi n ．The Dr i l l i n g t e c h n i q ue s f o r s a l t g y ps u m b e d s i n S o u t h e r n T a h e Oi l f i e l d[ J ] ．P e t r o l e u m D r i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 04， 3 2 3 8 - 1 1 ． [ 2 ] 赵峰， 唐洪明， 孟英峰， 等． 微观地质特征对硬脆性泥页岩井壁 稳定性影响与对策[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 7 ， 3 0 6 1 6 1 8 ． Zh a o Fe ng， Ta n g Ho n g mi n g， M e n g Yi ng f e n g， e t a 1 ．S t ud y o n t h e i n f l u e n c e o f mi c r os c o p i c g e o l o g i c c ha r a c t e r i s t i c s o n we l l b o r e s t a b i l i t y o f b r i t t l e s h a l e [ J J ． D r il l i n g P r o d u c t i o n Te c h n ol o g y， 2 0 07， 3 0 6 1 6 -1 8 ． 5 8 石 油 钻 探 技 术 2 l 3年 3月 E 3 ] 孙举 ， 王中华 ， 王善举 ， 等． 强抑 制性高钙 盐聚合物 钻井液 体系 的研究与应用[ J ] ． 断块油气田， 2 0 1 1 ， 1 8 4 5 4 1 5 4 4 ． S u n J u ， Wa n g Z h o n g h u a ， Wa n g S h a n j u ， e t a 1 ． R e s e a r e h a n d a p p l i c a t i o n o f p o l y me r dr i l l i n g f l u i d wi t h h i g h i n h i bi t io n a n d hi g h c o n c e n t r a t i o n o f c a l c i u mi o n [ J ] ． F a u l t - 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