渤海代表性油田泥页岩理化性能研究及工作液对策

1.概述

由泥页岩的膨胀与分散和剥落与掉块而引起的井壁不稳定是油气勘探开发过程中经常遇到的复杂问题之一,决定这一特征的主要原因是泥页岩的组成(粘土矿物的类型和含量)和组构。深入研究泥页岩的组构特征、理化性能及其二者之间的相互关系,对于指导钻井液选择和保证优质快速钻井,从理论和实践上,均具有较为深远的意义。

泥页岩理化性能[1,2,3]系统的研究工作主要包括:密度和可溶性盐等基础指标;用阳离子交换容量、膨胀率和等温吸附值表征泥页岩的膨胀能力;用回收率、CST分散性表征泥页岩的分散能力;用CST水化、CST坍塌表征泥页岩的水化能力。膨胀能力主要与膨胀性粘土矿物含量有关,分散能力和水化能力除了与膨胀性粘土矿物有关以外,组构特征、地层水特征和非粘土矿物种类和数量、粉砂含量和微裂缝发育程度等其它岩石学特征也具有非常重要的影响。

本文重点从密度、回收率、阳离子交换容量、吸附等温线、膨胀性等方面入手对泥页岩进行研究,并对后续钻井工作液提出优化对策。

2.密度

泥页岩的密度可以反映泥页岩的压实程度,一般是随着深度的增加而增加,剖面上的密度突变可预示泥页岩的成分和组构特征突变或受到了构造因素的影响,可以作为井下复杂情况判断的辅助因素。事实上测量含有原生水的泥页岩体密度更具实际意义,但由于条件所限,本次研究中只是测定了真密度,没有测定体密度。

由表1可知,由于渤海典型油田取样井段会遇到膏盐层,井深的增加,岩屑密度不一定增加,规律性不强。

3.膨胀性

泥页岩的膨胀性指其遇水膨胀的性能,可直观以膨胀率表示即规定时间内泥页岩在水中线膨胀的百分数;也可间接以泥页岩的阳离子交换容量表征,即在pH值为7时,泥页岩所能交换下来的阳离子的总量。最后以等温吸附值辅助判断样品中的膨胀性粘土矿物含量及其膨胀能力。

线膨胀率曲线有3种类型(图1),第Ⅰ类斜率大,4h后斜率平缓,其16h线膨胀率>20%,属高膨胀型;第Ⅱ类2h内的斜率较大,4h后平缓,斜率值在0.2～0.5,其16h线膨胀率为14%～20%,属中膨型,第Ⅲ类2～4h有一定膨胀速度,4h后斜率<0.2,其16h线膨胀<14%,属低膨胀型。

阳离子交换容量CEC,亚甲基蓝属于有机季胺盐,正电性强,易交换粘土层面吸附的各种无机阳离子,交换吸附达到平衡时,滤纸上呈现稳定蓝色晕圈即终点。一般纯蒙脱石的CEC高于伊利石和高岭石,而非粘土矿物和化学成分对CEC无影响。将CEC划分成高、中、低3种类型,其范围分别为>18mmol/100g土、18～12mmol/100g土和<12mmol/100g土。

吸附等温曲线的用途是在已知泥页岩原生水的含量时可用来推算泥页岩的活度及其膨胀压,但当前所用的泥页岩岩心均不是密闭取心,且均在各种自然条件下放置一定时间,故只能根据泥页岩样在不同盐饱和溶液下的吸附值求出最大吸附量与最小吸附量的差值简称为等温吸附值,该值可用于辅助判断样品中的膨胀性粘土矿物含量及其膨胀能力,一般吸附值小于4%为较低,介于4%～6%之间为中等,大于6%为较高。

由表2和图1可知,KL泥页岩为低膨胀型,BZ泥页岩为中膨胀,LD为高膨胀泥页岩。

4.分散性与坍塌值

泥页岩的分散性可用回收率和CST分散值表示;坍塌性实际上是一种泥页岩理化性能的综合指标,反映井下复杂情况的最终后果,这项指标的表征,国内尚未见有确切的表示方法,本次研究中参考国外室内试验经验,预测井壁坍塌的可能性。

回收率指一定尺寸的泥页岩颗粒在纯水中按指定条件滚动后所能回收的颗粒的数量,用来表示泥页岩的分散程度。回收率低表示分散性强,反之则弱。分散性一般为强、中、弱3类,回收率低于30%为强分散,介于30%～60%为中分散,高于60%为弱分散。

CST分散性指用CST的渗滤时间值来表示泥页岩的分散性能,通过毛细管吸吮仪测量某一液体在特定滤纸渗滤一定距离所需时间即CST值。用于判断泥页岩在水中的胶态分散、水化性能的强弱。CST值>1000s为强分散,1000～500s之间为中分散,CST值<500s为弱分散。

由表3可知,KL泥页岩为弱分散、垮塌型泥页,BZ泥页岩为,中分散、剥落泥页岩,LD为强分散、水化坍塌泥页岩。

5.工作液对策

KL油田某井为低膨胀弱分散、垮塌型泥页岩:构造因素看,不整合面应力释放,注意计算泥浆密度需预测释放应力;多为胶结疏松的砂岩,非膨胀型粘土矿物互层。所用钻井液体系[4,5]若遇大段膏盐层用饱和或过饱和盐水泥浆体系,须用抗盐处理剂;若遇钙层,用抗钙的添加剂,防硫酸钙污染其它地层;建议多用正电胶加纤维素泥浆体系加强砂岩地层胶结度。

BZ油田某井泥页岩为中膨胀中分散、剥落泥页岩:非膨胀型矿物,主要为伊利石,伊/蒙混层,绿泥石等,地层中还可能有方解石脉和解理发育,伊/蒙混层由无序向有序过渡,层面间距较大,有裂缝,钻井液易渗入裂缝,产生掉块,严重时可产生井塌。所用泥浆体系对策为适当加大泥浆密度,平衡地层压力;使用铵盐和氯化钾等添加剂进行活度平衡;建议多采用硅-醇基钻井液体系,呈网状吸附于井壁,防剥落掉块。

LD油田某井为高膨胀强分散、水化坍塌泥页岩:易发生于中深部地层,表现为自造浆严重,表面水化和渗透水化明显,粘度切力上升,井径下降快,起下钻遇阻或泥包钻头,产生抽吸作用产生负压,可能引起下部地层垮塌;建议上部地层采用低固相生物聚合物钻井液体系,同时加快泥浆循环周期,防止钻井液浸泡地层,加快振动筛固相掉块清除频率;下部地层适当采纳白沥青配合成膜强抑制纳米封堵钻井液体系,使其软化点与坍塌层段的温度相匹配以封堵地层并用纳米材料封填微缝。

摘要：渤海KL、BZ、LD等油田地质条件复杂,钻井过程中常发生井壁失稳现象,影响该区域钻井提速和勘探开发进程。针对渤海湾盆地部分区域井壁易坍塌的问题,取各井页岩掉块进行泥页岩理化性能分析研究,建立相应的技术分析流程。通过所测泥页岩的膨胀性、分散性和水化性,确定泥页岩的类型:KL某井泥页岩为低膨胀弱分散、垮塌型泥页岩;BZ某井泥页岩为中膨胀中分散、剥落泥页岩;LD某井为高膨胀强分散、水化坍塌泥页岩。根据泥页岩的类型可判断井下复杂情况,从而采取相应的井壁稳定措施。

关键词：泥页岩,膨胀性,分散性,井壁稳定

参考文献

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