塔河油田深層泥巖防塌鉆井液技術(shù)分析

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1、中國石油大學(xué)(華東)碩士學(xué)位論文第一章前言弟一早刖百井壁失穩(wěn)主要受地質(zhì)因素、鉆井液與泥頁巖相互作用以及鉆井工藝等多方面因素的影響，井壁失穩(wěn)問題是鉆井工程中遇到的一個世界性難題，迄今仍然沒有徹底解決這個問題。因此，必須重視對井壁失穩(wěn)機理與防塌技術(shù)的研究【I】。1．1塔河油田深層泥巖井壁失穩(wěn)問題近幾年，西北油田分公司通過對低產(chǎn)井、停產(chǎn)井地下儲量動用狀況的認識，深入分析井區(qū)周圍縫洞發(fā)育情況，對潛力較大的井進行側(cè)鉆，恢復(fù)了老井產(chǎn)能，提高了油藏采收率；且側(cè)鉆井工程費用低，建井周期短，油井投產(chǎn)快，大大節(jié)約了油氣開采的成本。自2001年以來，塔河油田利用側(cè)鉆技術(shù)改造低產(chǎn)井、停產(chǎn)井，累計增油約230x

2、104t，側(cè)鉆技術(shù)在發(fā)掘老井資源潛力、促使油田增儲上產(chǎn)方面作出突出貢獻。然而，在老井側(cè)鉆過程中，由于避水及垂深的限制，造斜點選在以泥頁巖為主的石炭系巴楚組或奧陶系桑塔木組地層。巴楚組以褐灰色泥巖為主，桑塔木組地層以泥巖為主夾薄層灰?guī)r，造斜井段在泥巖段穿行距離較長，受地應(yīng)力及鉆井液的浸泡作用井壁易坍塌，鉆進過程中起下鉆遇阻、卡鉆、斷鉆具等復(fù)雜情況經(jīng)常發(fā)生，甚至無法完井，造成了極大的經(jīng)濟損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，在鉆井過程中，已有10余口井出現(xiàn)了不同程度的起下鉆遇阻和井壁嚴(yán)重掉塊現(xiàn)象，例如：THl2106CH井在巴楚組鉆進過程中發(fā)生卡鉆，由于鉆井液密度過低等，井壁失穩(wěn)，井內(nèi)存在大的砂礫巖掉塊，造

3、成鉆頭硬卡；TP3CH井在桑塔木地層由于上提下放遇阻現(xiàn)象非常嚴(yán)重，無法進行正常定向鉆進。在完井過程中，也存在同樣的情況，S110CX井經(jīng)充分通井，5天后測井，期間阻卡嚴(yán)重，測井未第一章前言早在1965年，M．E．Chenevea教授就通過實驗研究了層理方位對巖石力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，平行層理面取心測定的彈性模量高于垂直于層理面方向取心測定的彈性模量，平行層理面的抗拉強度與垂直層理面的抗拉強度相比要低一些。SeeHongOng和J-C．Roegiers[3-4]進一步改進了Aadony的模型，綜合考慮地應(yīng)力、流體流動、鉆井液柱壓力以及溫度變化產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響，并采用廣義三維各向異性

4、破壞準(zhǔn)則，評價地層剪切破壞引起的井壁坍塌。Abousleiman[5】等人將層理性泥頁巖地層視為宏觀各向同性的孔隙彈性材料，忽略鉆井液濾液對地層力學(xué)性質(zhì)的影響，給出了考慮鉆井液滲流情況下，水平井眼周圍地層應(yīng)力狀態(tài)的孔隙彈性解。AnthonyJ．L．Crookl6-7】等人通過對CamClay模型擴展，建立層理性泥頁巖地層的三維正交各向異性彈塑性本構(gòu)模型，并推導(dǎo)出了應(yīng)力一應(yīng)變之間增量形式的本構(gòu)方程。P．J．MclellaIll8J等人研究了加拿大NortheasternBritishColumbia山前構(gòu)造傾斜的裂縫性泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定性問題，得出主要建議和結(jié)論：①單純依靠調(diào)整鉆井液密

5、度不能解決層理裂縫性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)問題；②應(yīng)考慮抽吸壓力和激動壓力對鉆井液安全密度窗口的影響；③優(yōu)化水力參數(shù)以確保鉆屑能被及時地帶出井眼；④一般來說，井斜角越大，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險越大；⑤通過提高鉆速減少泥頁巖地層的裸露時間。1．2．2井壁穩(wěn)定性物理化學(xué)機理研究進展在許多情況下，井壁失穩(wěn)主要由兩方面的原因引起：鉆井液密度過低，鉆井液液柱壓力難于支撐力學(xué)不穩(wěn)定的地層；鉆井液液柱壓力高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使鉆井液進入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，使井壁附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強度降低【9·101。Cook等人應(yīng)用CT掃描技術(shù)，對鉆井液與泥頁巖相互作用的機理進行了研究，研究

6、認為鉆井液的侵入使泥頁巖含水量增加，沿井眼周圍產(chǎn)生微裂縫，因而泥頁巖強度降低。Alford認為，裸露于鉆井液中的泥頁巖，其物性及狀態(tài)主要取決于泥頁巖的三個結(jié)構(gòu)特征：(1)泥頁巖中的粘土含量；(2)粘土礦物的類型；(3)泥頁巖顆粒的接觸點。因此，泥頁巖的穩(wěn)定性取決于泥頁巖顆粒的表面化學(xué)特性。在水敏性泥頁巖中，穩(wěn)定作用取決于顆粒表面之間的氫鍵。Wingrave認為，泥頁巖穩(wěn)定的決定性機理是保持泥頁巖顆粒間氫鍵的聯(lián)結(jié)【11】。鉆井液對泥頁巖的化學(xué)作用最終可以歸結(jié)到對井壁巖石力學(xué)性能參數(shù)、強度參數(shù)和2中國石油大學(xué)(華東)碩士學(xué)位論文近井壁應(yīng)力狀態(tài)的改變。泥頁巖吸水一方面改變井壁巖石的力學(xué)性能，

7、使巖石強度降低；另一方面產(chǎn)生水化膨脹，從而改變近井壁的應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)或加劇井壁失穩(wěn)。要徹底解決泥頁巖井壁失穩(wěn)問題，就應(yīng)該將影響井壁穩(wěn)定性的化學(xué)作用及其力學(xué)效應(yīng)有機地結(jié)合起來【12】。1．2．3防塌鉆井液體系及其作用機理研究現(xiàn)狀將影響井壁穩(wěn)定性的化學(xué)作用及其力學(xué)效應(yīng)有機地結(jié)合起來，研究出新的防塌鉆井液體系及其穩(wěn)定井壁機理【13．151。(1)多元醇鉆井液多元醇與泥頁巖有強烈的親合性，多元醇能搶先吸附在泥頁巖上，排擠泥頁巖表面和吸附陽離子所帶的束縛