长庆油田合水区块泥页岩井壁稳定技术

石油工程界普遍认为, 井壁坍塌是由于井内液柱压力较低, 使井壁周围岩石所受的应力超过了岩石本身的强度, 从而产生剪切破坏所造成的, 这是其力学原因。实际上钻井液需要通过“物化封固井壁阻缓压力传递、加强抑制水化、化学位活度平衡、合理密度有效应力支撑”等多种作用方式, 即所谓的“多元协同”稳定井壁理论, 才能较好地实现井壁稳定。

1 钻井液滤失量及滤饼物性对井壁稳定的影响

1.1 钻井液滤失量

岩石内部微裂纹在应力作用下的扩展促进了微裂纹的连接, 随之侵入的钻井液滤液与岩石间的物理化学反应使岩石内能增加进一步加速了岩石裂纹的扩展, 是造成井壁坍塌和失稳的主要原因。

1.2 滤饼物性

钻井液封堵性越强, 泥饼孔隙度越小, 失水越小, 泥饼越薄。实验证明常用的固相处理剂形成泥饼孔隙度优选, 膨润土<石灰石<重晶石, 实验得出由膨润土形成的泥饼孔隙度最小。实验发现无机盐类处理剂的加入将使钻井液滤饼厚度增大, 强度降低, 使泥饼质量整体特性变差。

2 钻井液组分的调整

2.1 强抑制聚合物控制泥页岩水化效应

强抑制聚合物体系配方:清水+0.4%ZNP-1+0.3%K-PAM

水平井上部泥岩段、泥页岩段采用聚合物强抑制钻井液体系, 目前所用的聚合物防塌剂基本都为阳离子防塌剂, 其能稳定黏土并抑制其水化膨胀、分散的机理在于: (1) 通过分子链上的众多正电性基团与黏土的负电性中心产生强烈的静电作用, 分子链与黏土晶面间很强的范德华力使阳离子牢固地吸附在黏土颗粒表面, 形成一层单分子膜; (2) 阳离子聚合物吸附到多个晶层和微粒上后, 再将其取代下来很困难; (3) 阳离子聚合物的吸附牢固, 黏土表面形成的双电层较薄, 颗粒间的双电斥力较小, 结合较紧密, 不易分解, 遇水不易水化膨胀。

2.2 转化体系固相成分的确定

2.2.1 初次形成泥饼配方

配方:强抑制聚合物基浆+2-3%白土+0.2%烧碱+0.5%FT-

性能范围:粘度38-42秒, 密度1.04-1.06 g/cm3, 失水小于6ml, PH9, 动切力3-5

依据白土所形成泥饼孔隙度最小, 最致密的物性, 初次转化优选白土, 目的是在井壁的最内层形成致密的白土泥饼, 同时依据聚合物增加泥饼强度而分散剂和无机盐类降低泥饼强度的物性, 固在初次转化时尽量避免或控制分散剂、重晶石、KCL、甲酸钠的使用。

2.2.2 后续根据施工需要维护泥饼配方

配方:细分散原浆+1%甲酸钠+重晶石 (按密度要求) +0.05%抑制性聚合物+白土 (依据泥饼质量)

在泥岩段已基本形成第一层泥饼后, 可以根据施工要求进行进一步处理, 如随井斜增大, 逐渐提高钻井液密度等。抑制剂的加入优选有机盐甲酸钠, 因为无机盐类处理剂 (KCL) 的加入将使钻井液滤饼厚度增大, 强度降低, 使泥饼质量整体特性变差。

2.2.3 滤失量的控制

滤失量与泥饼质量密切相关, 一般固相材料越细, 封堵性越好, 泥饼越致密, 滤失量也就越小, 但实际现场操作时, 一般都是倒序的, 先测出钻井液性能, 再依据调整。而初次转化体系, 由全失水强抑制性体系转化为低失水、弱抑制体系, 失水量的控制就显得尤为重要了, 只有钻井液中水的活度小于泥页岩地层水活度, 即井壁附近孔隙压力减小, 利于井眼稳定。

3 现场应用

现场应用3口井, 都由于遇阻或卡钻加入白土, 加入白土循环4-5周后, 井塌现象基本得到控制, 避免了由于重晶石的加入, 密度上升后的漏失加剧现象, 同时后期性能稳定性强, 避免了大量抑制剂和降失水剂的加入, 现场只需要每天补充泥浆量即可, 原浆基本无需处理。

固平27-16井钻进到井深1420米, 井斜32度, 地层延长, 泥浆性能粘度41S, 密度1.15 g/cm3, 失水8ml, 动切2, 起钻换钻头遇阻严重, 方钻杆带出21根, 返出延长组泥岩掉块, 下钻划眼过程中补充加入白土5吨, 循环带出部分掉块, 处理后性能粘度46S, 密度1.15 g/cm3, 失水6命令, 动切力4, 后续施工继续维持密度在1.2 g/cm3加入白土的水平井, 入窗密度、水平段密度、完钻密度都低于未加白土的水平井, 同时成本也有所下降。

4 认识与建议

(1) 泥页岩的稳定性是可以通过化学方式 (抑制性) 和物理方式 (滤失量、泥饼物性) 相结合来解决的, 同时物理化学方式带来的副作用明显要小于力学方式。

(2) 体系的正常维护对固控设备的要求较高, 现场需要尽可能多的运转固控设备。

摘要：泥页岩井壁不稳定是钻井作业中的一大难题, 水平井施工中尤为突出, 为了更好的控制水平井钻井施工过程中的井壁坍塌问题, 本文抛开力学原因造成的井塌 (即钻井液密度) , 分析怎样通过物理化学方式来控制井塌。本文先后对泥岩水化效应、钻井液滤失量、滤饼物性等方面进行分析, 通过对钻井液组分的调整, 优化了以上特性, 达到了控制井壁坍塌的目的, 同时也避免了单一的利用密度控制井塌后密度过高所产生的副作用。

关键词：水平井,泥岩,钻井液滤失量,滤饼