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        方正斷陷井壁穩(wěn)定的鉆井液技術(shù)

        2019-03-29 10:17:16王靜
        科學(xué)與技術(shù) 2019年12期

        王靜

        摘要:方正斷陷位于依-舒地塹的中北段,該地區(qū)井壁穩(wěn)定性差,井徑擴(kuò)大率超標(biāo)問題較為突出,易發(fā)塌塊卡鉆事故。通過對(duì)施工井的統(tǒng)計(jì),并對(duì)易坍塌層位的礦物進(jìn)行分析,結(jié)果表明:該地區(qū)硬脆泥巖發(fā)育,砂泥巖互層,深層粘土礦物以高嶺石為主,伴伊蒙混層,礦物膨脹率低,現(xiàn)場取芯觀察微裂隙、層理發(fā)育。泥頁巖吸水膨脹改變了井眼周圍的應(yīng)力分布,加劇了應(yīng)力分布的不均衡[1]。而且由于吸水使泥頁巖的力學(xué)性能參數(shù)發(fā)生了變化,強(qiáng)度降低,彈性模量減少,泊松比增大等,這就使得泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定問題更加嚴(yán)重。在鉆井過程中,保障鉆井液的抑制能力同時(shí),快速、有效、致密的封堵地層孔隙,減少鉆井液侵入深度,是控制硬脆泥巖垮塌的有效途徑。施工中采用“剛性粒子架橋+柔性粒子填充+慮失控制”方案,形成封堵鉆井液配方,通過現(xiàn)場應(yīng)用,多口井施工井平均井徑擴(kuò)大率控制在9%以內(nèi)。

        關(guān)鍵詞:方正斷陷;硬脆泥頁巖;鉆井液;封堵

        井壁穩(wěn)定問題是一個(gè)長期困擾石油工程的重大技術(shù)難題,在全世界范圍內(nèi)廣泛存在,我國各油田也都不同程度地存在,井塌大多發(fā)生在泥頁巖地層中,約占90%以上[2]。對(duì)于鉆井來說,井壁失穩(wěn)會(huì)造成井下復(fù)雜情況,影響鉆井施工進(jìn)度,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致井眼報(bào)廢,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。方正斷陷井壁失穩(wěn)情況較為普遍,2010年以來,16口井中有8口井井徑超標(biāo)嚴(yán)重,尤其是寶泉嶺組、新安村+烏云組井段穩(wěn)定性更差。

        1、方正斷陷井壁失穩(wěn)原因分析

        1.1上部地層膠結(jié)性差。方正斷陷寶二段中部以上地層,普遍分布一套水進(jìn)期的碎屑沉積,疏松砂質(zhì)礫巖膠結(jié)差。

        1.2深部非膨脹性粘土礦物發(fā)育。大慶油田勘探開發(fā)研究院應(yīng)用X一衍射儀對(duì)F6井進(jìn)行了粘土礦物定量檢驗(yàn)[3]。方正斷陷深部地層粘土礦物以高嶺石為主,夾少量伊蒙混層,是典型的非膨脹性粘土礦物。F6井深部地層巖石線性膨脹率在0. 5%-0.9%之間幾乎不膨脹;地層巖石滾動(dòng)回收率在89.4%-92.1%之間,分散性較弱,水化膨脹率低,巖屑回收率高。

        1.3巖性硬脆且微裂隙、層理發(fā)育。通過鉆井取心觀察,巖心微裂隙、層理發(fā)育,硬脆,易破碎。

        2.4存在地應(yīng)力集中,橢圓井眼

        由F23井、F2井四臂井徑圖可見,井眼呈明顯橢圓狀,證明方正地區(qū)存在應(yīng)力集中問題,也是影響井眼擴(kuò)大率偏大的因素。

        2.5工程因素影響。

        某井寶一段(2368-3102米)實(shí)鉆巖性中較為連續(xù)泥巖砂巖互層,但在使用動(dòng)力鉆具后井徑擴(kuò)大率增大明顯。更換常規(guī)鉆頭后,井徑有明顯變小的趨勢,3700左右井徑擴(kuò)大率曲線有個(gè)明顯的尖峰,分析原因?yàn)?702-3718米多段實(shí)鉆煤層發(fā)育。認(rèn)為,動(dòng)力鉆具的震動(dòng)對(duì)井徑擴(kuò)大率影響較大。

        2、封堵劑材料優(yōu)選

        2.1封堵材料優(yōu)選

        根據(jù)防塌封堵作用原理:微裂縫、層理是鉆井液侵入地層的主要通道,對(duì)井壁穩(wěn)定產(chǎn)生直接影響。依據(jù)硬脆微裂縫地層特征和防塌封堵作用原理分析,認(rèn)為硬脆泥巖宏觀裂縫、微觀裂紋、層理都較發(fā)育,微裂紋開度可達(dá)5μm以上[6],因此鉆井液封堵劑應(yīng)該具有下特點(diǎn):在一定條件下具有變軟變形的特性;封堵劑粒子的平均粒度應(yīng)小于50 ,最好在3-10 ;封堵劑本身必須是不溶或微溶于水,主要是分散而不是溶于水中。

        優(yōu)選各種處理劑優(yōu)選評(píng)價(jià)高溫高壓慮失量評(píng)級(jí)不同封堵材料的,封堵能力。應(yīng)用5%膨潤土漿為基漿做對(duì)比樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明剛性粒子非滲透封堵效果最好;瀝青材料熒光級(jí)別高,不適合探井施工,柔性粒子中優(yōu)選白瀝青DWF-1。綜合考慮封堵材料對(duì)鉆井液的性能的整體影響,應(yīng)用3%的非滲透封堵劑+2%白白瀝青組合

        2.3封堵鉆井液配方

        在方正應(yīng)用多年的聚合物鉆井液體系基礎(chǔ)上改進(jìn)為封堵鉆井液配方:

        膨潤土7-10%+WYDZ-1 0.3%+HX-D 0.3%+非滲透3%+白瀝青DWF-1 2%+HPAN 1%+JS-Ⅰ1%+SF260 1% +(PAC0.3%)。

        2.4封堵鉆井液性能評(píng)價(jià)

        2.4.1砂層封堵性能評(píng)價(jià)

        應(yīng)用中壓可視中壓砂床濾失儀,評(píng)價(jià)封堵鉆井液體系的封堵能力,

        封堵鉆井液體系封堵砂層的相比常規(guī)聚合物鉆井液體系效果較優(yōu),對(duì)40-60目砂和20-40目砂的侵入深度均小于10cm,封堵鉆井液體系具有較強(qiáng)的封堵砂層的能力。

        2.4.2封堵強(qiáng)度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

        取不同滲透率的人造巖芯,用封堵鉆井液體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過測定不同驅(qū)替壓力下的滲透率評(píng)價(jià)封堵強(qiáng)度,隨驅(qū)替壓力的增大,巖心的滲透率逐漸降低,當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到9MPa時(shí),巖芯的滲透率接近或等于零,也就是說,當(dāng)壓力為9MPa時(shí),未見滲透率突然增加,說明封堵帶并沒有受到破壞,在不同滲透率巖心上形成的封堵帶至少能承受9MPa的壓力。

        3、封堵鉆井液體現(xiàn)場應(yīng)用

        針對(duì)方正斷陷的地層特點(diǎn)。寶二段提高鉆井液有效粘度,增加固相含量,提高鉆井液密度,減少上部弱膠結(jié)地層沖蝕、垮塌失穩(wěn)問題,;寶一段以后降低鉆井液的觸變性,減少壓力激動(dòng)帶來復(fù)雜問題,轉(zhuǎn)化為封堵鉆井液體系。

        3.1現(xiàn)場處理維護(hù)方案

        (1)寶一段以上地層鉆進(jìn)中,主要以0.3~0.5%wydz-1的和復(fù)合銨鹽1~2%的水溶液交替維護(hù),每鉆進(jìn)200米補(bǔ)加50kg預(yù)水化膨潤土漿,配置鉆井液補(bǔ)充新漿。

        (2)寶一段以下鉆進(jìn)密度執(zhí)行設(shè)計(jì)上限,將鉀鹽共聚物鉆井液轉(zhuǎn)化封堵鉆井液。

        (3)在進(jìn)入寶一段,調(diào)整性能,降低鉆井液劣質(zhì)固相含量和粘度;在寶一段前50米在循環(huán)罐中一次補(bǔ)加3%的超鈣+2%白瀝青。

        (4)震動(dòng)篩使用時(shí)間占總循環(huán)時(shí)間100%;加重前離心機(jī)使用時(shí)間占總循環(huán)時(shí)間80%以上;

        (5)每鉆進(jìn)400米定期倒換新漿50方,豐富鉆井液固相顆粒級(jí)配。

        3.2現(xiàn)場應(yīng)用效果

        4、認(rèn)識(shí)與建議

        (1)硬脆泥巖,在鉆井液抑制能力的基礎(chǔ)上,鉆井液能夠快速、有效、致密得封堵巖石的微裂隙層,減少鉆井液液相對(duì)地層力學(xué)參數(shù)的影響,是有效的解決硬脆泥巖井壁失穩(wěn)得手段。

        (2)硬脆泥巖井段的井壁穩(wěn)定問題,是各因素多方作用的結(jié)果,鉆井工具的選擇、參數(shù)的選擇對(duì)硬脆泥巖井壁穩(wěn)定影響明顯。

        (3)封堵工藝的探索,就各鉆井液體系的應(yīng)用情況來看,針對(duì)脆性地層,就鉆井液方面核心是封堵,封堵材料的選擇,可以在主動(dòng)承壓封堵,提高封堵層的封堵效果,提高地層的穩(wěn)定能力。

        參考文獻(xiàn)

        [1]蔣祖軍 郭新江 王希勇 主編《天然氣深井超深井鉆井技術(shù)》 中國石化出版社 2011

        [2]鄢捷年主編《鉆井液工藝學(xué)》中國石油大學(xué)出版社 2001

        [3]沈守文,沈明道,梁大川,等.泥頁巖的 X 射線衍射定向指數(shù)與理化性能及井壁穩(wěn)定的關(guān)系[J].沉積學(xué)報(bào),2003

        [4]鄧金根 程遠(yuǎn)方 陳勉 蔚寶華 編《井壁穩(wěn)定預(yù)測技術(shù)》石油工業(yè)出版社 2003

        [5]趙維超 《硬脆性頁巖井壁穩(wěn)定性影響因素研究》西南石油大學(xué) 2014

        (作者單位:大慶鉆探鉆井一公司)

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