張 成,馬金凱,蒲軍宏,王 軍,雷 剛
(1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司,重慶401120;2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部,四川達州635000)
不同鉆井液體系對坍塌壓力的影響分析
張 成*1,馬金凱1,蒲軍宏2,王 軍1,雷 剛1
(1.中石油川慶鉆探有限公司川東鉆探公司,重慶401120;2.中石油西南油氣田分公司川東北氣礦工監(jiān)部,四川達州635000)
提高鉆井速度,縮短鉆井周期是鉆井工程研究的一個重要目標。利用低密度鉆井液鉆井是提高鉆井速度的一個重要手段,但是鉆井液密度降低和帶來的井壁垮塌問題是一個對立的過程。為此,針對不同工區(qū)鉆井液體系下,彈性模量、軟化模量、擴容系數(shù)等巖石力學參數(shù)的變化情況進行了分析,通過分析可發(fā)現(xiàn)不同體系的鉆井液對巖石力學參數(shù)都存在明顯的影響,即現(xiàn)場密度都是在井眼與鉆井液發(fā)生作用后增大了鉆井液密度值,隨鉆井液體系不同而不同,所以降低地層坍塌壓力將有很大的空間。
坍塌壓力;鉆井液;內聚力;彈性模量;軟化模量;擴容系數(shù)
鉆井液體系對地層坍塌壓力的影響主要體現(xiàn)在水敏性地層和破碎性地層上。不同鉆井液體系與鉆井打開的地層相接觸,將會影響其巖石力學性質,鉆井液體系不同,對巖石的力學性質的影響程度不同,最終坍塌壓力也就不同,對于水敏性地層表現(xiàn)的尤為突出;另一方面,鉆井液體系不同,其封堵性不同,鉆井液對微裂隙的撐開作用也不一樣,最終反映在對破碎性地層坍塌壓力的影響不同[1-4]?,F(xiàn)場實踐表明,使用的可以防止地層坍塌的鉆井液密度隨鉆井液體系不同而異,而且所用防塌鉆井液密度都是在井眼與鉆井液發(fā)生作用后增大了鉆井液密度值,所以降低地層坍塌壓力將有很大的空間。因此,改進和發(fā)展鉆井液技術則可能降低地層坍塌壓力和防塌所用的鉆井液密度,而且可能降低的空間還較大。
坍塌壓力由2部分組成[5]:①由地應力和巖石力學因素產(chǎn)生,一般情況下都不太大(正常情況下多為零,地應力異常地層等特殊情況除外);②由鉆井液各種作用而產(chǎn)生的坍塌壓力,其增加的值因地層和鉆井液類型而異。因此降低地層坍塌壓力坍塌壓力實際上是改進和發(fā)展鉆井液技術來消除②的影響和作用(即降的是鉆井液各種作用而產(chǎn)生的坍塌壓力)。
根據(jù)鉆井液與地層作用增加坍塌壓力,且鉆井液體系不同其大小不同的原理,我們可以開展不同鉆井液體系與巖石作用后測量其強度等特征,基于這些值計算其坍塌壓力,獲得其規(guī)律,然后形成針對不同地層鉆井液體系進行選擇,以達到優(yōu)選出更低坍塌壓力的鉆井液體系,將它應用于井下,使用它所鉆地層的坍塌應力比現(xiàn)在的坍塌應力有一個明顯的降低,從而降低所用的鉆井液密度,為已有成熟的優(yōu)快鉆井技術效能的充分發(fā)揮打下良好的基礎,同時減少因井壁不穩(wěn)定導致的井下復雜[6-8]。
工區(qū)常用鉆井液體系如表1所示。
表1 工區(qū)常用鉆井液體系(單位:%)
我們分析,確定了優(yōu)快鉆井液體系的建立原則:
①聚合物為主處理劑建立聚合物鉆井液基本體系;
②加入5%~10%的KCl抑制地層水化膨脹;
③加入1%~3%EP加強對泥頁巖微裂縫的封堵;
④加入1%~3%聚合醇加強對泥頁巖微裂縫的封堵,進一步提高體系的抑制性。
通過以上原則,可以配置不同類型的鉆井液體系,如:聚泥+KCl(5%),聚泥+KCl(7%),聚泥+EP-Ⅰ(3%);聚泥+KCl(5%)+EP-Ⅰ(3%)+聚乙二醇;聚泥+KCl(7%)+EP-Ⅰ(3%);聚磺+KCl(7%);聚磺+KCl (5%);聚磺+KCl(5%)+EP-Ⅱ(3%);聚磺+KCl(7%)+EP-Ⅱ(3%);聚磺+EP-Ⅱ(3%)+聚已二醇(3%)+KCl (7%)等等。通過進行實驗,觀察其對巖石力學參數(shù)及坍塌壓力的影響,最終優(yōu)選出合適的鉆井液體系。
為了討論鉆進液體系巖石力學參數(shù)的影響,我們選用工區(qū)鉆井所要經(jīng)歷的F組和E組作為研究對象,對工區(qū)F組(3000m)取芯,對E組(3200m)取芯。
通過對F組、E組巖芯基本分析,確定F組和E組地層是屬于易水化的泥頁巖地層。對上述巖芯利用配置的鉆進液進行浸泡,然后試驗可以確定其巖石力學參數(shù)。其它巖石力學參數(shù)浸泡后基本不變,F(xiàn)組巖芯:內摩擦角29°,比沃系數(shù)0.5,泊松比0.31;E組取巖芯:內摩擦角32°,比沃系數(shù)0.6,泊松比0.32。
(1)巖石強度參數(shù)的影響評估。研究泥頁巖與不同鉆井液體系接觸過程中的強度變化研究是泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性研究的重要內容,同時也是優(yōu)選鉆井液的重要依據(jù)。
①井下取芯。
②使用三軸儀測巖石的力學性質(抗壓強度、泊松比、彈性模量等)和應力應變曲線。
巖樣:尺寸大小1″×2″;實驗條件:地層圍壓。
③樣品處理。將巖樣與不同類型工作液(不同抑制性工作液、不同封堵能力的工作液、油田常用各類典型鉆井液體系)在儀器中設定地層溫度作用一段的時間。
④對處理后的巖芯利用三軸巖石強度測試儀開展取樣巖石的力學性質測定(如彈性模量、泊松比、各類強度)及應力應變曲線繪制。
⑤進行對比分析不同鉆井液體系對巖石強度等參數(shù)的影響
從圖1可以看出,不同的鉆井液類型及體系下,巖石的內聚力變化情況不一樣,總體上看對于聚泥鉆井液體系(原體系)和聚磺鉆井液體系(原體系)而言,其巖石內聚力最低,隨著鉆井液體系成分的改變,其內聚力值均增大。同理,對于殘余內聚力而言,其變化規(guī)律也比較類似,如圖2所示。
圖1 不同鉆井液體系下巖石內聚力的變化情況示意圖
圖2 不同鉆井液體系下巖石殘余內聚力的變化情況示意圖
圖3 不同鉆井液體系下巖石彈性模量的變化情況示意圖
圖4 不同鉆井液體系下巖石軟化模量的變化情況示意圖
從圖3可以看出,不同的鉆井液類型及體系下,巖石的彈性模量變化情況不一樣,總體上看對于聚泥和聚磺(原體系)而言,其巖石彈性模量最低,但是對于聚磺鉆井液體系而言,其彈性模量值隨著鉆井液體系的改變變化不大。而對于巖石的軟化模量而言,其變化規(guī)律則不同。
從圖4中可以看出,對聚泥鉆井液(原體系)而言,其軟化模量值最大,而對于聚磺(原體系)而言,其軟化模量值最小。
圖5給出了不同鉆井液體系下巖石擴容系數(shù)的變化情況,總體上看對于聚泥和聚磺鉆井液體系而言,其擴容系數(shù)變化不大,其值均在原體系時達到最大。
圖5 不同鉆井液體系下巖石擴容系數(shù)的變化情況示意圖
同理,按照上述實驗要求,我們對E組的巖芯在不同的鉆井液體系下進行浸泡,其巖石力學參數(shù)見表3。
表2 各浸泡鉆井液體系代號(聚泥)
表3 E組巖芯不同鉆井液體系處理后的巖石力學參數(shù)
經(jīng)過分析可以得知經(jīng)不同鉆井液的侵泡作用后,巖石與鉆井液發(fā)生反應,其強度都表現(xiàn)為降低。對于不同鉆井液體系,其強度降低的程度不一樣,對于抑制性越高,對強度的影響越低。
對不同鉆井液體系對巖石力學參數(shù)的影響進行了評價,通過分析可發(fā)現(xiàn)不同體系的鉆井液對巖石力學參數(shù)都存在明顯的影響,即現(xiàn)場密度都是在井眼與鉆井液發(fā)生作用后增大了鉆井液密度值,隨鉆井液體系不同而不同,所以降低地層坍塌壓力將有很大的空間。因此,有需要對這種影響的規(guī)律進行深入細致的研究,為選擇合適的鉆井液體系,為降低鉆井液密度提供依據(jù)。
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TE21
A
1004-5716(2015)12-0018-03
2014-12-18
2015-01-06
張成(1983-),男(漢族),四川廣安人,工程師,現(xiàn)從事鉆井工程方面研究工作。