钻井液流态对孔壁稳定性的影响.pdf

第 4 1 卷 第 3期 2 0 1 3 年 6月 煤 田地质与勘探 CO ALGB0 】 I G YE XP 1 0R 删 V01 ． 41NO． 3 J un ． 201 3 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 3 0 3 - 0 0 9 0 - 0 4 钻井液流态对孑 L 壁稳定性的影响 吴烨 ，一 ，卢予北 ，一 ，陈 莹 ， 1 ．中国地质大学，湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ；2 ．河南工程学院，河南 郑州 4 5 1 1 9 1 ； 3 ．河南省深部探矿工程技术研究中心，河南 郑州 4 5 0 0 5 3 摘要沉积地层 中孔壁的稳定性与钻井液流态有着密切关系。 结合河南叶舞凹陷盆地 2 3 8 6 m盐矿 钻探 工程 ，采用不同的泵量和上返流速在不同孔段进行 了钻探试验。试验和理论计算表明在水 敏性地层 黏土、 泥岩、 砂质泥岩等 浅层岩石孔隙率和塑性指数较 高时， 在钻井液层流流态情况下， 主要 以缩径为主，最大缩径率达 2 6 ． 6 ％；中部和深部同等地层 ，在紊流流态情况下，缩径和超径 同时存在。其中，随着孔深的增加，缩径率呈减小趋势，超径率则有增大趋势，泥岩地层最大超 径率达 1 5 7 ． 4 ％，盐岩地层超径率高达 2 2 5 ． 7 ％。 关 键词钻井液流态；紊流；层流；孔壁稳定性；影响；超径；缩径 中图分类号P 6 3 4 ． 5 文献标识码A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 1 9 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 2 3 Ef f e c t o f d r i l l i ng flu i ds flo w pa t t e r n o n bo r e ho l e wa l l s t a bi l i t y WU 、 ， e ， LU Y u b e i ， C HE N Y i n g ， 1 ． C h i n a U n i v e r s i ty o fG e o s c i e n c e s ， W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 ． He n a n I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g , Z h e n g z h o u 4 5 1 1 9 1 ， C h i n a ； 3 ． He n a n E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f De e p E x p l o r a t i o n ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 3 ， C h ／ n a Ab s t r a c t Th e b o r e h o l e wa l l s t a b i l i t y i s c l o s e l y r e l a t e d t o d r i l l i n g flu i d flo w p a Re r n i n s e d i me n t a r y s t r a t a ， t h i s p a - p e r c o mb i n e d a 2 3 8 6 m s a l t d r i l l i n g p r o j e c t i n Y e w u s a g b a s i n ， c o n d u c t e d t h e e x p e r i me n t i n d i ff e r e n t d e p t h wi t h d i f f e r e n t p u mp d i s c h a r g e a n d r e t u r n v e l o c i t y ． T h e r e s u l t s h o ws i n wa t e r s e n s i t i v e f o r ma t i o n c l a y ， mu d s t o n e ， s a n d y s h a l e e t c ． wi t h s h a l l o w r o c k p o r o s i t y a n d h i g b p l a s t i c i t y i n d e x ， i n the d ri l l i n g fl u i d l a mi n a r fl o w c o n d i t i o n s ， t h e ma x i mu m d i a me t e r s h r i n k a g e r a t e wa s 2 6 ． 6 ％，i n mi d d l e a n d d e e p f o r ma t i o n，i n t h e t u r b u l e n t flo w c o n d i t i o n s ， b o r e h o l e s h r i n k a g e a n d o v e r s i z e d e x i t e x i s t i n s a me t i me ． Wi t h t h e d e p t h i n c r e a s e d ， d i a me t e r s h r i n k a g e r a t e t e n d s t o d e c r e a s e ； t h e r a t i o o f o v e r s i z e d d i a me t e r i n c r e a s e s wi t h b o r e h o l e d e p t h． I n mu d s t o n e f o rm a t i o n ， t h e ma x i mu m d i - a me t e r o v e r s i z e d r a t e i s u p t o 1 5 7 ．4 ％， i n s a l t r o c k f o r mi o n ， t h e ma x i mu m d i a me t e r o v e r s i z e d r a t e i s 2 2 5 ． 7 ％ ． T h i s p a p e r a i mi n g a t t h e s e p r o b l e ms c o n d u c t s t h e t h e o r e t i c a l a n a l ys i s a n d r e s e a r c h ， a n d g i v e s t h e d e t a i l s u g g e s t i o n s ． Ke y wo r d s d r i l l i n g fl u i d s flo w p a t t e rn； t u r b u l e n t fl o w； l a mi n a r fl o w； b o r e h o l e wa l l s a t i a b i l i ty； o v e r s i z e d d i a me t e r ； d i a me t e r s h r i nk a g e 钻井液在整个钻探或钻井工程中具有携带和悬浮 岩屑、冷却和润滑孔内钻具、平衡地层压力和保护孔 壁 、传递水动力和水力破岩等多种功能【 1 ] 。一般情况 下 ，钻井液在孔内主要以层流和紊流两种流态存在。 其中，钻井液流态处于紊流时，孔内悬浮的岩屑在上 返过程中不存在岩屑颗粒的转动现象Ⅲ，在高流速下 岩屑及时返出孔外。所以，紊流比层流携带岩屑能力 强。当钻井液处于层流流态时，对孔壁的稳定性影响 不大 ， 但时常会出现排渣不彻底 ， 钻进效率低等问题。 为此 ，近年来在石油钻井 、地热钻井、水文水井工程 等领域极力推崇大泵量、高泵压的钻进规程 ，实践中 确实能提高钻井效率 。但是，在沉积地层可钻性 3 ～ 5 级软岩一 中硬岩石中会出现孔壁坍塌、 剥落、 超径等问 题。据石油钻井资料显示 在泥页岩钻井其井径扩大 率为 5 ％～ 5 0 ％，最大超径率达 9 8 ％t 。当这些问题出 现时易出现卡钻、埋钻等问题，从而严重影响着钻探 效率及增加成本。并且 ，由于不均匀局部超径问题 ， 导致孑 L 壁不规则 ，使孔内钻井液循环体系难以控制， 甚至出现局部“ 涡流” ， 造成岩屑正常排出困难。为此 ， 笔者结合河南叶舞凹陷盆地 2 3 8 6 i n盐矿钻探工程项 目，就钻井液流态对孔壁稳定性的影响进行了试验和 研究 。 收稿日期 2 0 1 3 0 1 - 2 3 基金项 目 河南省地质矿产科技攻关项 目 2 0 1 1 6 2 2 1 1 作者简介 吴 1 9 6 8 -- ，女 ，广西桂林人 ，副教授，博士研究生，从事地质工程和环境地质教学与研究 第 3期 吴 烨等钻井液流态对孔壁稳定性的影响 9 l 1 地层概况和钻孔结构 1 ． 1地层概 况 叶舞凹陷盆地 2 3 8 6 In盐矿钻孔设计 2 6 3 0 m， 实际终孔深度 2 3 8 6m。地层 自上而下为 第四系更新统平原组 Q 。 ，主要 由黄、黄褐 、灰 褐色亚黏土及砂质黏土、棕红色黏土、砾石层组成。 新近系渐新统上寺组 N 出 ， 主要由黄、棕黄、灰 白色泥岩及砂质泥岩 ， 浅黄 、 黄褐色粉细砂岩及泥质 砂岩 组成 。 古近系渐新统廖庄组 E 1 ，主要 由棕红、褐 、灰、 灰白色泥岩、砂质泥岩 、细砂岩、泥质砂岩组成 ，下 部可见白云质泥岩夹有暗色岩屑。 古近系始新统核桃园组 E h ，上段由灰、灰 白、 深灰色泥岩 ，砂质泥岩 、含云泥岩 ， 深褐 、灰色膏 质泥岩组成。下段 由灰、灰 白、青灰、深灰、淡黑色 石盐岩 ，泥质盐岩及灰、深灰 、褐色含膏泥岩 ，泥质 膏岩组成 ， 局部可见到分选性好的细砂岩 ， 粒径均匀 。 据物探测井资料，实际地层剖面为 0 ． 0 0 - 4 6 9 r n 为黏土、粉砂、细砂、砂质黏土等互层；4 7 0 ～ 1 8 6 5 In 为粉砂岩 、砂质泥岩、泥岩等互层 ；1 8 6 6 ～ 2 3 8 6 In 为盐岩 、泥岩、粉砂岩 、砂质泥岩等互层 。 1 ． 2 钻孔结构与套管程序 钻孔结构与套管程序见表 1 。其中，一开首先用 3 1 1 m i l l 三牙轮钻头全面钻进后 ， 再采用 3 4 6 ml n三 牙轮钻头扩孔钻进。 表 1 钻孔结构及套管程序 Ta bl e l W e l l s t r uc t ur e a nd c as i ng 注 套管下人后均采用水泥分段固井。 2泥浆泵量与孔径变化 2 ． 1 泥浆泵选择与泵量 该孔钻遇地层为沉积地层 ， 且属于深孔钻探。 不同 孔段其钻孔直径不同， 最大 3 4 6 n l i n ， 最小 1 2 0 rain。 为 了满足各孔段钻井液较高的上返速度 ， 实现快速钻 探的 目的，泥浆泵分别选择了 B W3 2 0 、T B W1 2 0 0 、 Q Z 3 NB ． 8 0 0 三种型号 。其中 ，B W3 2 0主要用于下部 绳索取心钻进 ；T B W1 2 O 0和 Q Z 3 NB ． 8 O主要用于上 部全面钻进和取心钻进。实践 中在 2 0 0 0 In 以深绳索 取心钻进阶段 ，采用 B W3 2 0型泥浆泵钻进时 ，钻井 液流速极低 ， 破碎岩屑基本不上返。改用 Q Z 3 NB ． 8 0 型大泵量泥浆泵后 ， 其上返速度较高 ， 钻井液携带岩 屑能力强， 钻探效率明显提高。 试验时各孔段实际泵 量见表 2 。 表 2 各孔段钻进时的实际泵量值 Tab l e 2 Ac t ual pump di s c ha r g e i n d i f f e r e nt bo r e ho l e i nt e r va l s d ur i ng d r i l l i n g 孔段 ／ m孔 径／ m 钻 ／ m直 径环 字／ m 积 ／m葶i l l专泵 型 号 一 lL ’ 。J 2 ． 2 孔径变化及评 价 每开钻探结束后， 均采用 P S J ． 2型数字测井仪进 行了综合测井。其中， 通过孔径的变化 缩径或超径 可以准确 了解钻孔孔壁的稳定性 ，见表 3 。 表 3 孔径实际测量数值 Ta bl e 3 Ac t ua l me as ur e d di a me t e r of bo r e ho l e 孔段／ m 地层 孔径最小值 孔径最大值 ／ ra m ／ mr a 从表 3 可以看出 在 0 ． 0 0 - 4 9 1 m覆盖松散层主要存 在着缩径问题 ，缩径率 4 ． 3 ％- 2 6 ． 6 ％；4 9 1 1 6 5 2 I T I 缩径 和超径同时存在，最小缩径率为 2 5 ． 6 ％，最大超径率为 3 5 ． 9 7 ％； 1 6 5 2 ～ 1 9 9 6 IT I 同样存在缩径和超径问题， 最小 缩径率为 3 ． 4 ％，最大超径率为 1 5 7 ． 4 ％；l 9 9 6 - 2 3 0 0 I n 主 要 是 超 径 ， 没 有 出 现 缩 径 问 题 ，其 超 径 率 2 1 ． 9 ％- 2 2 5 ． 7 ％；2 3 0 0 3 8 6 In超径率为 2 4 ． 3 ％～ 5 7 ． 1 ％。 通过表 3和超径、 缩径率计算结果可知 在盐岩 地层中超径最为严重 ，其超径率高达 2 2 5 ． 7 ％；在泥 岩 、 砂质泥岩地层 中缩径和超径问题 同时存在。 其中， 上部比下部缩径率高，下部超径率比上部高 ， 浅部地 层 以缩径 为 主 。 3问题分析研究 3 ． 1 孔径变化对钻探影响 该钻孔在施工过程中出现“ 砂桥” 卡钻 1 次 ， 处理 时间 2 0 d ；出现埋钻 2次 ， 处理时间累计 5 0 d ；孔底 岩屑沉淀问题突出 ， 导致钻头重复破碎和冲孔辅助时 间增多等。 其根本原因主要是钻井液循环流态改变了 9 2 煤田地质与勘探 第 4 1 卷 孔径 ， 孔径的不规则变化又影响了流态和孔 内循环体 系 ， 最终导致孔壁剥落、 坍塌、 岩屑突然增多等问题 。 这些问题的存在严重影响钻探效率和成本[ ， 虽然采 用大泵量使孔底岩屑呈体积状排出孔外 ， 但是 ，由于 孑 L 径的超径问题对钻探还是造成了一定影响。 3 ． 2 岩屑上返临界速度和泵量的计算 钻井液在紊流流态情况下 ， 最大特点是携带岩屑 能力强 ， 但对孔壁稳定性 的影响要比层流大。轻者使 钻孔直径增大 ， 局部超径 ， 重则会引起地层坍塌和埋 钻事故。所以，选择合适泵量 上返流速 既能满足排 屑作用 ，又能使孔壁稳定性影响最小。因此 ， 需要准 确计算钻井液临界上返速度 ， 以保证环空流钻井液的 流态在层流和紊流之间。 把钻井液作为塑性液体考虑，以综合雷诺数 。 综 合 2 G O 0时为紊流 ，可得到计算临界流速的公式[ 1 】 厂■ 1 o 塑 l 0 √ 2 ．5 2 1 0 -斗 p r o D ‘ ， ． 、 P D d 一uJ 一 式中v 为临界返速 ，c m／ s ；轴为塑性粘度 ， P a S ； f 为动切力 ，P a ；P为钻井液密度 ，g ／ c m ； D为井 径 ，c m；d为钻杆外径 ，c m。 钻井液的泵量可根据下式来确定 【 4 】 仃 Q { D 一 v 1 2 斗 式中 Q为泥浆泵排量， m ／ mi n ； 1 ， l 为钻井液在外环 空间的上返速度 ， m／ rai n ； D为钻孔直径 ，m；d为钻 杆外径 ，m；m为由于孔壁、孔径不规则引起 的上返 速度不均匀系数 ，m取 1 ． 0 3 ～ 1 ． 1 。 式 2 表明，当环空面积一定时 ，钻井液的上返 速度与泥浆泵的排量成正比。 已知该钻孔钻井液密度 P-- 1 ． 1 0 c m ／ g ，动切力 f l O P a ， 塑性粘度叩 蛔 2 0 P a S ， 钻杆外径 d 8 ． 9 c m， 取 m 1 ． 1 ，按照式 1 和式 2 分别计算一开、二开、 三开和四开不同井径的临界上返速度和临界泵量 ， 并 与实际泵量相 比，计算值见表 4 。 表 4 不同口径临界泵量计算值与实际泵量 Ta bl e 4 Cal c ul a t e d c r i t i c a l pump di s c har g e an d a c t ua l pump di s c ha r ge i n d i f f e r e n t di ame t e r 注 超径 率“ 一 ” 表示缩 径 ；⋯ 0’ 内为实 际上返速 度 。 从表 4可以看出只有在一开实际泵量比临界 泵量小时，其钻井液处于层流流态 ；其余孔段实际 泵量均比临界泵量高 。实际上返速度比临界上返速 度高出 5 7 ． 3 ％ 2 0 4 ％，所以，在钻进过程中均呈现 出紊流流态。在泥岩 、盐岩地层中，实际泵量与临 界泵量差值越大超径率越高。 3 ． 3原 因分析 泥岩 、砂质泥岩与页岩性质相似 ，岩石中矿物 成分比较复杂，主要 由水云母、高岭石、蒙脱石等 黏土矿物组成【 。在这类地层钻探时，当钻井液中 水的活度大于地层水活度时， 将向地层渗透， 泥岩、 砂质泥岩在此情况下吸水膨胀或剥落[ 6 】 。其中，泥 岩和砂质泥岩中不 同矿物含量 、黏土矿物的产状和 岩石孔隙率的大小是泥岩吸水特性的主要影 响因 素。试验证明，泥岩孔隙率与吸水量、吸水速率成 正 比关系 [ 7 - 9 ] 。 一 开松散地层主要由黏土、砂质黏土等组成 ， 上覆压力较小 、 岩石孔隙率较大、黏土矿物含量高， 塑性指数 为 5 ～ 2 3 ，土的颗粒愈细 ，比表面积愈 大 ，岩石 中的黏粒或 亲水矿 物 如蒙脱 石 含量愈 高[ 1 0 - 1 1 】 。钻井液层流流态时 ，对孔壁冲刷力较小 。 此种情况下将会导致黏土吸水后岩石膨胀缩径。二 开、三开地层主要 由粉砂岩、泥岩 、砂质泥岩、细 粒砂岩组成。尽管地层岩性基本一致 ，但是上部地 层中孔隙率比下部大 ，亲水性好 ，所以会出现同类 地层上部的缩径程度要 比下部高。 表 4中可以看 出， 二开缩径率为 2 5 ． 6 ％，三开深部的缩径率仅 3 ． 4 ％； 所以孔内上返速度越高 紊流流态 超径率越大。当 钻孔深度越大时 ，地层中岩石孔隙率则越小 ，其岩 石主要呈脆性 。此种情况下，钻孔中钻井液以紊流 流态不断冲刷孔壁 ， 地层中黏土矿物反复吸水崩落 、 掉块 ，导致孔壁超径。当在盐岩地层 中，盐岩遇水 溶解 ，所以，超径率最高。 通过试验和上述分析可知 钻孔的缩径和超径 都是孔壁不稳定的具体表现，其影响因素与地层性 质、操作工艺、钻井液性能有关外 ，其孔内钻井液 第 3期 吴 烨等 钻 井液流态对孔壁稳定性的影响 9 3 流态是一个重要 的影响因素。 4结论 a ．亲水性地层孔壁 的稳定性与钻井液的流态 有着直接关系。当钻井液处于紊流流态时，钻孔越 深、孔径越小 ，孔壁稳定性越差。 b ．钻井液流态与泵量、 钻孔环空面积有关。 根据 泥浆泵参数合理选择钻孔结构和钻具规格至关重要。 c ．在沉积地层钻探时 ，尽可能保证孔内钻井液 层流流态。特别是水敏性 、水溶性地层严禁 出现紊 流流态 ，以避免上返速度过高冲刷孔壁 ，使孔壁超 径率过高而导致孔壁坍塌、 埋钻、重复破碎等问题 。 d ．同类地层中孔隙率 、 塑性指数越高缩径越严 重 ；在泥岩 、泥质砂岩 中缩径和超径 同时存在。但 是 ，缩径率随着钻孑 L 深度增加而减小 ，超径率随着 钻孔深度增加而增大。 参考文献 【 1 ]鄢捷年． 钻井液工艺学[ M】 ． 山东石油大学出版社，2 0 0 3 1 - 8 5 ． 【 2 】徐同台． 油气田地层特性与钻井液技术【 M】 ． 北京 石油工业 出版社 ，1 9 9 8 3 3 6 - 3 6 9 ． [ 3 】卢予北， 吴烨， 陈莹． 绳索取心工艺在大口径深部钻探中的应 用研究【 J 】 ． 地质与勘探 ， 2 0 1 2 6 1 2 2 1 1 2 2 8 ． 【 4 ]乌效鸣， 胡郁乐， 贺冰新， 等． 钻井液与岩土工程浆液【 M】 ． 武 汉中国地质大学出版社，2 0 0 2 1 0 _ I l 1 ． 【 5 】卢予北 ，吴烨 ，陈莹． 页岩气钻探关键技术问题分析研究【 J ] ． 探矿工程 岩土钻掘工程 ， 2 0 1 2 ， 3 9 增刊 2 7 _ 3 1 [ 6 】高德利． 复杂地质条件下深井超深井钻井技术【 M】 ． 北京石 油工业 出版社 ， 2 0 0 4 2 0 6-2 0 7 ． [ 7 】何满潮， 周莉， 李德建 ， 等． 深井泥岩吸水特性试验研究[ J ] ． 岩 石力学与工程学报 ， 2 0 0 8 6 l l 1 3 一l 1 l 5 ． [ 8 ]孙强， 冯永， 朱术云， 等． 饱水岩石加载变形过程中视电阻率 -渗透率的关联性[ J ] ． 煤田地质与勘探，2 0 1 2 ，4 0 2 8 6 -8 7 ． [ 9 ]9 曾祥熹， 陈志超． 钻孔护壁堵漏原理[ M] ． 北京 地质出版社， 1 9 8 64 5 - 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8 7 8 6 2 1 0 6； 1 3 9 9 1 8 9 4 6 4 5 Fa x0 2 9 ． 8 7 8 5 4 3 9 1 煤 田地质专业委员会联系人 张哲 E - Ma i l z h a n g z h e c c t e g x i a n ． t o m T e l 0 2 9 - 81 7 7 8 0 1 8 ； 1 3 9 91 1 0 1 6 2 0 F a x 0 2 9 ． 8 1 7 7 81 1 9