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泥页岩井壁失稳原因及对策分析_图文

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页岩 井壁 失稳 原因 对策 分析 图文
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泥页岩井壁失稳原因及对策分析姚新珠 时天钟 于兴东(大庆石油管理局钻井研究所刘平德 张鹏宇黑龙江大庆)摘要 分析了引起井壁失稳的因素, 介绍了防止井壁失稳的各种措施。 泥页岩渗透水化对井壁失稳起决定性作用。要避免井眼失稳的发生. 必须合理选择钻井液组分、 钻井液处理方法 . 尤其是调节好钻井液的滤失量和矿 化度 对各种失稳情况 , 应采取不同的措施加以防范。关键词 :泥页岩 井眼稳定 钻井液井眼失稳与地层的各种物理特性(如粘土矿物的类型 、含量) 、受力情况(孔隙压力、坍塌压力、破裂压力、构造应力) 、胶结程度、钻井液滤液的侵人作用和钻开地层后应力的释放等有关。 但从现有文献看,井壁失稳的原因主要归结为力学、化学、钻井工程等方面的因素。 井眼失稳给钻井、 固井作业带来严重的后果。 因此 , 必须采取各种措施来避免井眼失稳的发生, 以提高钻井的经济效益。影 响 因 素1 . 力学因素( l) 负压差钻井 负压差钻井是造成井塌的主要原因之一。在钻井过程中造成负压差的原因是 : 钻井液密度低于地层压力系数; 起钻时的抽吸作用 ; 起钻时不及时灌满钻井液 , 上部地层压力得不到平衡,也易引起缩径或坍塌 。( 2) 上覆岩层压力 上覆岩层压力随井深的增加而增大。 在同一井深处. 上覆岩层压力越大. 坍塌压力越大, 井壁越容易剥落, 平衡该力所需要的钻井液液柱压力越大 。( 3 ) 水平地应力 其数值越大, 井塌的危险性就越大。 水平地应力随井深的增加而增大。( 4) 地层孔隙压力 地层孔隙压力随井深的加深而增大 钻开地层后若无足够的力来平衡. 它就会向井内释放而导致井塌 。此压力越大井塌压力越高。2 . 化学因素( l) 蒙脱石含量 含蒙脱石的泥页岩遇水后极易分散 , 其分散程度随蒙脱石含量的增加而增大。· 3 8 · 钻井液与完井液 · 2 () )l 年第 18 卷第3 期( 2 ) 泥页岩埋藏深度与压实程度 泥页岩埋藏浅、压实程度低、遇水后立刻分散成细颗粒。( 3) 胶结物种类与胶结程度 钙质胶结的页岩不易分散, 而泥质胶结的页岩极易分散。泥页岩井眼失稳问题 , 实质是泥页岩吸水水化问题 。解决井眼失稳必须从根本上防止页岩水化 。泥页岩水化分为表面水化和渗透水化。 在这两种水化作用中, 当盐度相差很大时, 渗透水化在极短的时间内可形成很高的渗透压 , 所以它对井壁稳定起决定性的作用 。3 . 钻井工程因素( l) 钻井周期长 由于钻速慢、组织停工多 , 易坍塌地层的浸泡时间过长, 造成严重的井塌。( 2 ) 钻速与排量不匹配 对于软地层 , 若钻速过快, 且与钻井液排量不匹配, 会使环空钻屑浓度过大, 粘贴在井壁上 , 造成井径缩小, 起钻时拔活塞而抽塌下部地层 同时, 若钻井液返速过大 , 冲刷井壁上已形成的泥饼 , 使滤液进入地层 , 引起粘土水化、膨胀 、分散 , 易发生井塌。( 3) 井身质量差 井斜过大, 可导致地应力集中, 轴向应力集合点可能是页岩剥落的突破点。(4 ) 钻井液液柱压力突降 常在措施不当时造成井喷 、井漏及起钻不灌满钻井液而导致液柱压力大幅度下降 , 引起受力不平衡而发生井塌 。(引 钻具撞击井壁引起井壁坍塌4 . 钻并液性能变化对井壁稳定的影响( 1) 滤失量 在相同压差下 , 滤失量越大, 进人地层的滤液越多, 加剧了水化作用 . 造成井壁失稳。( 2) 滤液矿化度 根据泥页岩的水化和渗透效应理论 . 在钻井液中加人一定量的无机盐 , 提高钻井液滤液的渗透压力, 使之等于或大于泥页岩原生水的渗透压力, 以减少滤液进入井壁 , 可以抑制页岩水化膨胀, 而这种作用与滤液的矿化度 , 即无机盐离子的浓度有关。 矿化度越高抑制作用就越强 , 渗透压力就越高。( 3) 密度 钻井液密度对井壁稳定起决定性的作用 , 尤其是实施近平衡钻井时 , 若不慎将钻井液密度降得过低 , 可能造成井塌或井喷。 对主要由水化膨胀引起的井塌段 , 钻井液密度变化过于频繁 , 会对已水化膨胀、分散的泥页岩产生“挪动”作用 , 不利于井壁稳定。(4 )流变性能 流变性能的变化会引起井内循环压力的变化 。 粘度 、切力增加, 循环压力增加 , 使井壁的侧压增大, 起钻时的抽吸作用增强。 反之 , 可能会改变环空流态 , 加剧对井壁的冲刷作用。5 . 钻井液成分(l) 可溶性盐类的影响 K + 、 N H 、+ 有合适的离子半径和较低的水化能力 , 能有效地抑制粘土矿物水化, 其效果优于 N a ” 、 十 、‘ 。 但是 , 若粘土矿物处于 N a + 的环境中, 则伊利石、伊蒙混层上的补偿阳离子 K 斗会被 N a ‘部分置换, 从而增加了粘土矿物水化, 对防止井壁失稳不利。( 2 )可溶性盐类含量 粘土矿物遇水后发生表面水化和渗透水化反应, 除了蒙脱石外, 伊利石、高岭石的吸水量对膨胀率影响较小。 提高含盐量能减少蒙脱石的水化 , 对某种地层来说钻井液存在一个最佳含盐量 , 其大小取决于地层水的矿化度 。 当钻井液的矿化度等于或稍大于地层水矿化度时抑制效果最佳。 地层中最佳含盐量随蒙脱石含量的增加而增加 。 若地层中伊利石含量偏大, 则N a 量不能过大, 否则会增大伊利石的水化能力 , 不利于井壁稳定。( 3) 滤液的 O H 一 可明显促进泥页岩中粘土的水化 、分散。 当溶液的 p H 值低于 9 时, p H 值对泥页岩水化影响较小, 若 p H 值继续增大, 则泥页岩水化加剧 , 造成坍塌 。( 4) 处理剂的影响 实验结果表明, 聚丙烯酸钾、腐殖酸钾、 高分子量丙烯酸共聚物、 淀粉类、 等处理剂均有一定的抑制效果 。克服 措 施1 . 减少钻井工程因素对井壁失稳的影响( 1) 在钻井过程中, 尤其是易坍塌地层的钻井过程中, 尽量地快速钻进 , 减少钻井液对易坍塌层的浸泡时间, 缩短钻井周期, 以便更好地控制页岩坍塌 。在钻软地层时 , 及时带出岩屑, 防止其粘贴在井壁上 , 造成井径缩小和起钻时拔活塞, 抽塌下部地层 。适当的排量可以避免因钻井液流速过大而冲刷掉已形成的泥饼 , 使滤液过多地进人地层 , 引起粘土水化、膨胀、分散。( 2) 合理设计井身结构和钻具结构。( 3) 尽量避免钻具对井壁的撞击。( 4) 保持正压差钻进 。 因力学因素引起的井塌 ,可通过提高钻井液密度、保持正压差钻进来解决 。( 5) 根据坍塌层的特性选择钻井液类型 。 粘土矿物的水化、膨胀、分散是造成井塌的主要原因之一 ,其严重程度既取决于地层中的粘土矿物结构、层理、裂缝的发育程度, 又取决于钻井液类型和性能 。2 . 使用抑制页岩水化的稳定剂( 1) 盐类¹ K C I 。 K C ! 主要用来降低蒙脱石的膨胀压。 对于地质年代早 、粘土矿物含量高的水敏性页岩地层,使用 K 低膨胀压非常有效。 K C I 与 P H P A 一起使用能有效地稳定钻屑。 K 不足主要是不能阻止滤液侵入地层和页岩中钻井液压力渗透 。 实验发现 , 压力穿透速率等于滤液侵人速率 , 即尽管钻井液中含有大量的 K 还是不能使水侵人速率滞后 。K (?l 不能堵塞孔隙喉道 , 也不能改变页岩渗透性。 因此 , K 存在不会改变水力传导(这个水力传导控制流入页岩的达西流量) 。 由 K 井液(含 0 . 1一1M P a 的有效渗透压 )诱发页岩孔隙流体反渗透的作用是微弱的。 所以 , K 井液不适合钻较老和弱水敏性的页岩地层。 原因是: 离子扩散滞后于钻井液压力扩散; 页岩经历过成岩作用 , 在成岩过程中, 蒙脱石变成弱膨胀性粘土 , 如伊利石 . 这些页岩的膨胀压较低, 长期暴露在 K 井液滤液中, 会因钻井液压力穿透作用而失去稳定性。º N a N a + 的抑制性不如 K + 的强。 然而 ,使用N a C I 控制页岩的优点是 K 不具备的。 N a 解度比 K 。接近饱和的 N a 液能较好地降低侵入页岩的滤液量 。尽管不能用 N a 液配成较好的钻井液 , 但当它与其它材料(如硅酸盐、多元醇、 甲基糖贰类 )混合使用时, 由于化学势梯度的产生 , 能有效地提高膜效率。» C a C 12 、 C a B r Z 、高 C a Z+ (包括 M g Z n , + ) 盐水。 这些盐水作为高密度基液被广泛应用于低固相钻井液、完井液中。 使其适合于钻页岩地层的因素有两个, 一是滤液粘度高, 可减缓水力流动; 二是能产生很高的渗透压, 此渗透压可降低钻井液液柱过平衡压力。 然而 , 可渗透的页岩一流体膜系统将允许离钻井液与完井液 · 2 0 ()1 年第 1 8 森第 3 期 · 3 9 ·子扩散侵人页岩并阻止孔隙水反渗透。 当这些离子被更多的抑制性离子 (如 K + ) 交换时, 膨胀压会增加。 使用抑制性钻井液时 , 页岩 、含水量和孔隙压力的正面效应与膨胀压的潜在负面效应将得到平衡 。¼ 甲酸盐、醋酸盐 ( l l C O O M , e H 3 e O O M , M 一N a 一 、 K 一 、 C s 十 ) 。 它们的滤液粘度高, 可产生非常大的渗透压。 但这些单价盐体系对膨胀压有相当好的正面效应, 尤其甲酸钾似乎特别适合钻页岩地层 , 它可降低页岩的膨胀压、含水量和孔隙压力 。( 2) 阳离子聚合物和部分水解聚丙烯酸胺( P H ) 阳离子聚合物(如产层粘土防膨剂) 已经发展成为 K 替代物 。粘土上的 K 容易被其它阳离子交换, 这种情况可通过使用带正电基团的聚合物来改善, 这种带多功能基团的聚合物能在粘土表面上发生多层吸附. 比单一的离子更难被交换下来。 由于环境保护的要求, 世界上有些地区 (如墨西哥湾 )限制使用 K 阳离子聚合物具有 K 优点, 能很好地抑制粘土水化膨胀, 尤其是那些能够侵人孔隙和渗透到粘土结构内的低分子量聚合物 , 对能够进人页岩内部的低分子量阳离子来说 , 它们的扩散速率比孔隙压力穿透速率低得多 . 即滞后于孔隙压力。 较高分子量的聚合物会因空间效应而失去渗透到页岩内部和改变膨胀压力的能力 , 但是它们 (如 P H P A )以多层吸附方式吸附在粘土表面上 , 阻止页岩分散 。但是. 它们包被页岩的能力和阻控效果极其微弱. 无法阻止钻井液压力渗透( 3 ) 糖类、 甲摹搪武类 糖类是一种对环境无污染的低分子量增稠剂, 当浓度适当时, 可增加钻井液滤液粘度, 降低页岩中水力流动。 糖类还可降低页岩含水的活度 , 产生使页岩去水化的渗透压 。 但糖类易发生生物降解 , 现场使用困难。 甲基糖贰是一种对生物细菌不敏感的甲基化糖类 , 可防止其发生生物降解 . 其作用效果与其它糖类一样, 不足的是加量高 , 影响经济效益 , 并会使钻井液增稠。 由于糖类、 甲基糖贰类能有效地使页岩去水化. 因此可用来减少钻头泥包 . 增加进尺速率 当甲基糖成类与糖贰类盐一起使用时. 可达最佳效果( 一1) 聚丙三醇、聚乙 二醇 聚丙三醇、 聚乙二醇被广泛应用于钻井液中 低分子量聚合物可增加滤液粘度 , 进而阻止钻井液滤液进人页岩 雾状或热活性钻井液乳化的乙二醇能稳定页岩 这些乙二醇在水中具有浊点和逆溶解性 . 当低于一定温度时乙二醇是水溶性的 , 但高于此温度时相互分离而形成乳· l() · 钻井液与完井液 · 2 0 0 1 年第 1 8 森第 3 期状液 , 此温度被称为浊点温度( C T P ) , 乙二醇就是利用这个原理来稳定页岩 。在正常钻进情况下 , 钻井液温度为井下循环温度 , 而所钻页岩温度为井下静态温度。 在钻头处乙二醇正好形成云雾状 。 由于较高的井下静态温度, 引起钻井液发生相分离和乳化 , 形成的乳状液起封堵作用 , 进一步阻止流体侵人和钻井液压力渗透 , 达到稳定页岩的目的。 近年来 , 也解释了非雾状乙二醇稳定页岩的作用原理 。 当一定量的乙二醇在粘土表面吸附形成有序的单层或双层复合物时, 水从粘土中排出, 降低了膨胀压 。 尽管这个机理无争议, 但它怎样在页岩稳定中起作用还不清楚:页岩是非均质介质, 除粘土外, 还含有其它矿物(如石英) , 其孔隙大小在毫微米、微米间变化, 吸附在粘土表面上的单分子层或双分子层乙二醇无法阻止钻井液滤液侵人和压力渗透 ; 溶质传递 ( 乙二醇扩散 )比压力渗透慢得多。 因此 , 由乙二醇引起的膨胀压降低滞后于由过平衡引起的孔隙压力的增加。 实践表明, 在定向钻井中, 使用高浓度乙二醇 , 可以明显提高钻速 。( 5) 混合多元醇盐体系 钻井实践表明, 多元醇 (包括聚丙三醇、 聚乙二醇、甲基糖贰类)与盐( N a C a C ! )混合使用比其单独使用更有效。 通过提高页岩一流体膜效率 , 这些混合材料可产生协同效应 6) 硅酸盐体系 该钻井液体系价格低、 对环境污染小. 具有独特的性能 . 适合于稳定页岩 水溶性硅酸盐浸人页岩后 . 与页岩孔隙流体中的多价离子(如 C a :‘ 、M g 竺 )迅速作用形成沉淀。 中性 、 酸性孔隙流体使硅酸盐形成胶状物 , 由凝胶物和硅酸盐沉淀物形成的屏障对页岩中的裂缝和裂纹起封堵作用 , 进一步阻止滤液侵人和压力渗透。 因此 . 硅基钻井液能够稳定裂缝性地层 , 也能稳定由钻柱机械作用引起的地层裂缝或由抽吸作用导致页岩破裂的地层 。3 . 应用抑制性强的钻井液体系根据钻井液对滤液侵人带 、溶质侵人带 、 压力侵人带的含水量、孔隙压力、膨胀压的影响, 将钻井液体系按稳定页岩能力的大小分为 I 型< n 型< 班型反 入 < 、 型〔l ) 工型 非抑制型分散水基钻井液 如木质素磺酸盐、 石膏、 石灰等钻井液 这种钻井液稳定页岩的能力很低 总体上讲 , 在滤液侵人带 . 含水量 、膨胀压、孔隙压力增加; 在溶质浸人带, 膨胀压和孔隙压力增加;在压力侵入带 , 孔隙压力增加 。 结果会使钻屑迅速分散 , 井壁被冲蚀 , 造成钻头泥包 , 影响钻井速度 。( 2 ) 皿型 传统的抑制性水基钻井液 如H 阳离子型钻井液。 该钻井液体系适合于水敏性地层的钻井 。 在 3 种侵人带中, 均会使孔隙压力增加。 当钻井液压力扩散与溶质扩散并行时, 可忽略孔隙压力和膨胀压的影响, 页岩地层或多或少地处于稳定状态 。抑制性溶质能减小膨胀压, 配合使用高分子量聚合物(如 A ) , 可避免粘土分散。 然而, 随钻井时间的延长, 这些钻井液的性能 , 尤其是抑制性会随之变差 。( 3 ) 田型 渗透性水基钻井液 如 C a C I: 、 I: 、 H C ()( )K 、 甲基糖贰类钻井液。 使用后能在页岩一流体系统中建立起“渗透膜” 。 该类钻井液利用流动性差的滤液来产生膜效应、降低水的活度、沿页岩方向形成渗透压力梯度。 实验表明, 有效的渗透压能抵消由钻井液液柱压力引起的过平衡 , 使页岩发生去水化反应 。根据钻井液对膨胀压的影响 , 可将该钻井液分为皿A 、 I B 两类。 其中班A 将增加滤液侵入带和溶质侵人带中的膨胀压 , 粘土阳离子交换会对含水量和孔隙压力产生一定的负作用 , 导致页岩不稳定。( 4) W 型 低、非渗透性水基钻井液 、油基钻井液 如 T A 硅酸盐、 油基/合成基和全油基 、全合成基钻井液。 这类钻井液能阻止滤液侵人页岩 ,防止含水量、膨胀压、孔隙压力的变化。 例如 , 由于毛管压力的作用 , 可限制全油基、 全合成基钻井液侵人 。 T A M E 钻井液可产生具有温度效应的乳化作用 , 从而堵塞孔隙喉道 ; 硅酸盐会形成沉淀和凝胶物 。 当页岩水的活度和钻井液活度相等时, 就没有渗透水传递 。(5 ) V 型 渗透性水基、油基钻井液 如低活度硅酸盐、低活度逆乳化和混合型多元醇盐成膜钻井液。 这类钻井液是 皿型和 W 型的综合类型。 首先,它具有阻止滤液侵入页岩的作用, 如逆乳化钻井液的毛管压力作用和硅酸盐钻井液的封堵作用 ;其次,它能增强页岩的高效渗透膜 , 这可通过降低钻井液活度建立渗透压来实现 , 该渗透压能促使水从页岩孔隙渗透到钻井液中, 这种水的反向渗透可降低近井壁的含水量和孔隙压力。 可见 . 这些钻井液能有效地处理所有类型的页岩稳定问题。总之 , 当抑制性溶质和离子滞后于侵人压力前缘时 , 不能阻止钻井液压力渗透作用对页岩的破坏 。增加滤液粘度 、封堵、激发页岩孔隙水反渗透的综合作用 , 是钻井液稳定页岩的最佳方法 , 如使用硅基钻井液和混合多元醇钻井液 。 高分子量添加剂会从页岩表面解吸 , 不能阻止滤液侵入和钻井液压力渗透 ,因而 , 其应用受到限制 。 而渗透性水基钻井液, 如高矿化度钻井液、甲基糖贰类钻井液、 硅基钻井液能使页岩发生去水化反应, 可提高钻速。结 束 语1 . 泥页岩渗透水化对并壁失稳起决定性作用 ,必须从根本 卜采取防范措施为好2 . 合理选择钻井液组分、 钻井液处理方法 , 尤其是调节好钻井液的滤失量和矿化度, 是预防井壁失稳的先决条件 。参 考 文 状张克勤 . 等. 井壁稳定技术译文集(上、 下册) l”1徐同台. 井塌原因与防塌措施探讨. 钻井液 ‘。完井液 ,19 88 , 1 7( l ) : 13~ 2 1作者简介 姚新珠 . 工程师. 198 7 年毕业于大臾石油学院开发系, 一直在钻井液研究室从事研究工作;地址: 黑龙江省大庆钻井研究所; 邮政编码 163 生 电话 ( (,飞界9 日89 23( )(〕S ha le w e r e fa re a n d P r e e a u n a r y me a s u re X z h u ; T ia n 一z h o n g ; Y U X in g 一d o n g ;L in a n d N G P e n u , D r l g R o s e :一r c l、In s t it u t e o f D a q in g P e t r o le u m Ad m in is t r a n B e a u , D a q in g , H e n g n g e n e e fa e t o r s le a t o s ll a lo w e r e fa r e a r ea n a ly z e d . P e r rn e a t io n o s m o s 一5 a n d hy d r a t io n a r e k e yo n e s . P r e e a u t io n a r y n l o a s u r e s a r e a ls o in t r o d u e e d . T os e s u r e w e r e q u a fo r m u la n o n d t r e a tm e n r so f d r g id s ho u ld be o p iz e d , e sp e e ia fl lt r a 1 a n d 、a it y e o n t r o l. A n d r e n r me a s u r e ss ho u ld be t a ke n d u e t o d r e n t p r ob le m s .K e y w o r d s : s h a le e o n t r o l ; ho le s r a a t io n ; dr l n 收稿 日期 2() )( 一 () 8一 1 6 ; 修改稿返回 日期 匆川 一 () 2 一乡) ;H G F 一 ;编辑 张炳芹 )钻井液与完井液 · 红)()l 年第l 吕卷第3 期 · 1
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