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1、2006年钻井液学术研讨会论文集浅谈江苏钻井井壁稳定技术储书平刘亚张宗林龚厚平(江苏油田钻井处扬州225261)摘要：江苏油田钻探的主要是新生界的第三系和中生界的白垩系地层，其中上第三系盐城组的 砂砾层，泥岩层，下第三系三垛组及阜宁组泥岩地层，白垩系泰州组泥岩地层等钻井过程中易发生 井壁失稳导致井下复杂。同时地层破脆，断裂带众多，变质岩(辉绿岩)，玄武岩在各区块分布较广， 许多油田由于长期的开采、注水导致地层压力异常，油层的压力亏空或压力过高，钻井施工常出现 井漏，出水等，导致井壁失稳，使得工程和钻井液成本大幅提高通过井壁失稳机理研究、新区探 井及调整井压力研究预测，优选钻井液处理剂，提高钻井
2、液抑制性、防塌与封堵能力，解决钻井过 程中的井壁稳定问题，最终实现对复杂地层井壁稳定的综合治理，实施近平衡钻井，降低了钻井中 井壁失稳引起的事故复杂率关键词：井壁失稳压力传递协同防塌 聚合醇1井壁稳定机理研究11泥页岩矿物组成分析 选择主要有代表性的泥岩样进行X一射线衍射，作矿物组成分析，其全矿物及枯士矿物相对含量分析结果见表l。表l 江苏岩样x一射线衍射矿物组分分析结果由表l可以看山，按层位计，粘七矿物总量大小依次为：EdEE，4E。2E13EriE。2，与泥 页岩地层深度的关联不明。其中阜宁组较深地层中以E，1和Ef2粘土矿物含量较高，且伊蒙混层中膨 胀层矿物的绝对含量也较高，这可能是导致
3、阜四段和阜二段易水化火稳的根本原因所在。此外可看 出，戴南组Ed泥岩中的粘士矿物含量最高(高达75)，粘十矿物中以伊利石为主(高达56)，且作者简介：储书平，1968年12月，男，江苏海安，高级工程师，1992年毕业于西南石油学院，学l：。1572006年钻并液学术研讨会论文集伊蒙混层中膨胀层矿物所占比例最小，仅为20，与其他易塌层位阜四段和阜二段在矿物组成上有 着很火的区别，从而导致井壁失稳机理和方式不同。12江苏油田泥页岩水化膨胀及分散特性分析 泥页岩样水化膨胀、分散实验以往常用于评价泥页岩水化稳定性，江苏代表性泥岩地层岩样的膨胀实验结果如图l所示。图1 苏北岩样蒸馏水膨胀实验结果对比为便
4、丁比较，取9小时及平衡后岩样的膨胀数据分析，江苏溱潼、金湖区块泥页岩的膨胀率一 般小丁13，相对较低，明显小I丁膨润十膨胀率(30)。表2江苏岩样蒸馏水滚动分散结果阜。j。组的不同层位页岩的膨胀程度不同，阜四段和阜_二段泥岩的膨胀率均高丁二11，结合粘十 矿物组成分析结果可看出，这主要是由丁阜四段和阜二段泥页岩中的枯土矿物总量高，而且伊蒙混 层及其膨胀层矿物含量也较高的缘故。戴南组页岩的膨胀程度EdlE。-2，戴一段和戴二段泥页岩由丁1582006年钻井液学术研讨会论文集伊利石含量较高、蒙脱石含量较少，膨胀程度小于阜宁组泥页岩，而且戴一段泥岩较戴二段页岩而 言，其粘土矿物及其膨胀矿物含量高，因
5、此戴一段泥岩较戴二段页岩膨胀程度稍高。江苏油田泥页 岩蒸馏水滚动分散实验结果见表2所示。综合膨胀、分散实验结果可看出，江苏油田易坍塌泥岩地层一般较易水化分散，存在一定的膨 胀性。Esl和ES2泥岩几乎全分散，相比较而言，E。泥岩的水化膨胀性较Es2泥岩稍高；戴二段泥岩也 是几乎全分散，戴一段泥岩水化分散回收率有高有低，相比较而言，戴一段的水化膨胀性较戴二段 稍高；阜宁组泥岩中，阜二段和阜四段泥岩的水化膨胀性较高，分散回收率也均很低，但值得注意 的是阜三段和阜一段地层中存在水化分散同收率很低的泥岩地层。13压力传递对泥页岩井壁稳定性的影响采用SHM仪，在已取岩样中选取了阜二段和阜三段两块泥岩样，
6、进行了PT和封堵压力传递实验， 实验岩样描述和实验顺序分别见表3。表3 POT实验所用岩样江苏油田代表性泥页岩渗透特性测试结果见表4和图2、3、4所示。表4地层水岩样地层水PT实验数据及渗透率计算结果图2阜二段泥岩渗透压力传递曲线 图3阜三段泥岩渗透压力传递曲线图4阜二段渗透压力传递曲线测试表明，阜j。组泥页岩压力传递作用存在，且不同泥岩的压力传递速率不同，存在裂缝的阜 二段泥岩样压力传递作用明显加快，压力传递作用能促进泥岩水化进程，导致井壁失稳。由实验数 据计算可得，不存在裂缝的苏219升阜二段泥岩的渗透率k=60610 m达两，而具有裂缝的相同层 位的阜二段泥岩的压力传递显著加快，泥岩渗透
7、率增加四个数量级，由60610 m达两增至1391592006年钻井液学术研讨会论文集10 6达西。上述实验结果充分说明，阜二段和阜四段泥岩中缝隙发育，其压力传递作用显著，当井内 存在正压差时，会引起近井壁地带孔隙压力上升，降低钻井液液柱压力对井壁的有效支撑，促进井 壁力学不稳定；同时另一方面，促进滤液侵入泥岩地层，加剧局部水化作用，又因为泥岩比亲水量 较大，水化斥力大，引发局部水化剥落掉块垮塌。2江苏油田闵桥等新区块地层压力的研究及应用通过井壁稳定理论研究、室内实验和现场应用，建立了一套利用测井资料连续确定地层孔隙压 力、坍塌压力和破裂压力的方法，即自适应弗壁稳定技术，并研制了相应的应用软件
8、。利用该项技 术分别在江苏油田闵桥油田、盐城油气田、永安油田、富深民油田、海安油田、小关油田及韦庄油 田等地区进行应用，建立了这些地区已钻井的二个压力剖面，为项目技术方案的制定提供了依据， 有效地避免或减少钻井复杂事故，提高了井身质量，加快了钻井速度，降低了钻井成本。21盐城油气田朱家墩地区应用 (1)盐城朱家墩地区三个压力剖面预测 首先，在盐城3井钻井实施前，我们通过对盐城l、盐参1和新朱l井三个压力剖面的计算分析，推荐了盐城3井的泥浆密度。表lO预测盐城3月：分段的三个压力及推荐钻片液密度盐城3井钻井结束，利用盐城3井的测井资料和盐城l井及盐参l井的平均构造应力系数对盐 城3井的三个压力剖
9、面进行了分析计算，建立的地层三个压力剖面和压力剖面梯形图见图9。依据 盐城3井二个压力剖面，预测盐城3井分段的三个压力剖面及推荐钻井液密度见表1l。地 层2300破地裂 层压 力2500于L隙压力1占羹薹37003900f图9 地层三个胜力剖面和压力剖面梯形图2006年钻井液学术研讨会论文集 表11预测盐城3井分段的三个压力及推荐钻井液密度统计从压力剖面上可以看出，使用盐城1井压力剖面推荐的盐城3井泥浆密度和使用盐城3井测井 数据建立三个压力剖面推荐的泥浆密度基本吻合。(2)三个压力剖面实施情况盐城3井预测井段2100-4000m，钻遇的地层分层为：三垛组、戴南组、阜宁组和泰州组地层。 地层坍
10、塌压力及孔隙压力预测结果：2100-2580m，戴南组到阜四段地层，戴南组为砂泥岩互层，阜 四段上部主要为泥岩，本段使用钻井液密度1151209cm3，稍低r推荐密度，仅在2200m左右发 生轻微的缩径现象，2500m左右的阜四段顶部发生局部井径扩大，从井径测井曲线上可以看出，平 均井径扩大率为31。25802780m，阜四段到阜三段上部地层，阜四段中下部岩性为泥岩夹粉砂岩，阜二段上部主要 为泥岩和粉砂岩不等厚互层，本段使用钻井液密度1209am3，与推荐密度相仿，未发生井涌及升壁 坍塌现象，从井径测井曲线上看，井径较为规则，平均井径扩人率为25。27803160m，阜三段中部到阜二段中部地层
11、，阜三段中下部岩性为泥岩砂岩互层，阜二段上 部主要为泥岩和页岩不等厚互层，中部主要泥岩及灰质泥岩地层，本段使刚钻井液密度1181259cm3，下部井段钻井液高于推荐密度， 3100m左右局部井径扩大约109，平均井径扩大率为35。3160-一3780m，阜二段底部到阜一段底部地层，阜二段底部岩性为泥岩地层，阜一段上部土要 以泥岩为主，下部为泥岩夹砂岩地层，其中泥岩和砂岩均含膏，地层坍塌压力增人，达到1211239cm3左右，孔隙压力1059cm3，本段使用钻井液密度1251289cm3，与推荐钻井液密度相 仿，钻井过程中起下钻等作业顺利，平均井径扩大率为74。3780一-4000m，泰州组地层
12、，主要岩性为泥岩夹粉砂岩及不等砾砂岩，地层坍塌压力较大，达 到115-1189cm3左右，孑L隙压力1Olgcm3左右，本段主要考虑上部地层的坍塌压力，使用钻井 液密度125-1289cm3，稍高于推荐钻井液密度，钻井过程中起下钻等作业顺利，井径虽然有所扩 大，但较为规则，平均井径扩人率为105。3稳定井壁技术及现场应用31挤水泥稳定井壁技术挤水泥技术是在足够液压下将水泥浆注在井内某一井段，使部分水泥浆进入地层的微裂缝或空 隙，同时部分水泥浆在地层表面脱水、造壁、硬化并封堵空隙。江苏油田采用挤水泥稳定井壁的地层主要有两类，第一类为易膨胀易分散的泥页岩地层，在一 定的压著F，由水泥浆中存在可溶性
13、硅酸盐形成的负电荷聚合体可以迅速进入页岩中胶凝或沉淀， 提供了阻止钻井液滤液与孔隙压力传递的物理屏障，使泥页岩保持稳定；第一二类为破碎地层，该地 层层理、裂缝发育或胶结、成岩性差欠压实、胶结疏松地层，这为水泥浆进入地层提供了条件，使1612006年钻井液学术研讨会论文集通过挤水泥方法稳定井壁成为可能。 结合江苏油田地层特点，在M20断块选一口试验井，该断块钻井复杂情况主要是上部盐城组(550m以浅井段)砂砾层易漏、易垮，以及下部阜四段泥页岩吸水膨胀导致缩径或垮塌。 (1)闵2013井施工过程65-500米井段挤水泥：一开用由3llmm钻头钻至152米，下入由2731mm表层套管1501l米，
14、井口安装单闸板防喷器FZ2821。二开钻至井深50255米，起钻F光钻杆，注矿碴水泥35m3，平均 密度为1529cm3：起钻至套管鞋内约60米，循环掉上部多余的水泥浆：静止观察是否有漏失现象(如有漏失现象可考虑不用蹩压)；关井，用水泥车以25Ys排量挤注清水，泵入26方后，停泵1分钟，再泵入O4方，记录好压力变化曲线；开防喷器，侯凝；为了防止出新眼，采用原钟摆钻具， 整个钻水泥塞过程顺利。未钻出新眼。(2)第_二次挤水泥封阜四段(1 150-1450米) 钻至井深1450米，进行第_二次挤水泥，注矿碴水泥浆13m3，平均密度为I539cm3，打清水05m3，用泵顶4分钟，起钻至套管鞋蹩 压挤
15、水泥；关井，从压井头处注入清 水蹩压，压力上升至2Mpa便不再上升，注完清水45 m3后停泵，10分钟后压力还维持在15Mpa，开井， 起钻，下入原钻具钻探水泥塞。水泥 塞面深1212米，由丁：从挤水泥到开 始钻水泥塞间隔只有8小时，以冲通为主仅用了45个小时就钻完水泥图lO闵20-13 Jl：Jl：径曲线图塞。阂2013井挤水泥后用1059cm3密度成功的钻开油气层，而此前的井钻开油气层Lj的密度为 I139cm3左右。钻进过程无任何垮塌现象，机械钻速也高达2836mh，比邻井同井段提高了76， 完井作业F套管同井无任何异常。我们在小关地区进行了类似的试验，该区地层特点与闵桥相似，上部并段(
16、500m)以浅井段地层 稳定性差。选择G卜3井做试验井，施：一I：艺及1：序基本相同，取得了较好的效果，以往邻井在目的 层以上钻井液密度只要小于1169cm3井壁就要垮塌，这样打开油气层时的钻井液密度只好保持住 L 169cm3以上，挤水泥封尉易垮塌的地层后，用密度1089cm3的钻井液顺利钻开油气层，全井 没发生任何复杂。而邻井钻井液密度为118 gcm3左右。为近平衡钻井、保护油气层、提高机械钻 速创造了良好的条件，该井平均机械钻速达1567mh(区块已钻井平均机械钻速1056mh)。32钻井液体系配方的改进 在钻井液处理上，我f|J以提高钻井液的封堵性能雨f提高钻井液的抑制和防塌能力，以
17、满足稳定井肇的需要。为了评价该钻井液体系在江苏油田现场使用中的效果，我们先后在安丰、瓦庄、高集 等三个区块进行了现场试验、推广应HJ，并取得了比较理想的效果。瓦庄地区应用：瓦庄地区主要是上部盐一段泥岩和三垛组泥岩易水化膨胀、缩径，阜。组地层 易垮塌。为此我们根据区块特点，选择应用了聚合醇润滑防塌钻井液体系。如W6Pl井是瓦庄地区 较为特殊的一口水平井。1622006年钻井液学术研讨会论文集w6Pl井是江苏油田所碰到的难度最大的一口多绕障水平井，在进入A靶前要穿过一个大断层， 处在破碎带里，破碎地层的防塌是本井的几大难点之一，W6P1井防塌处理措施：(1)采用改性沥青与聚合醇防塌剂相结合，利用聚
18、合醇类改性产品的浊点效应、活度效应和吸 附机理啦!，与沥青类防塌剂不同的防塌机理，协同作用，提高钻井液对泥页岩、结较差的破碎带的 封堵与护壁作用。(2)加入超细碳酸钙，提高钻井液泥饼的致密性，同时，封堵近井壁的流动孔道，形成屏蔽暂 堵层。(3)选用硅氟降粘剂与甲基硅油等含硅类处理剂，进一步提高钻井液的防塌能力。(4)选用正电胶和有机正电胶，提高钻井液体系的抑制性，加入小阳离子或KOH，提高钻井液 滤液的抑制性。用FH一96、KLG以及QS-2复配使用，对破碎地层进行有效封堵，提高破碎地层的安全密度窗口， 解决破碎地层的垮塌的问题，全井无复杂事故。4认识与结论 (1)通过井擘稳定理论研究、室内实
19、验和现场应用相结合的办法，建立了一套利用测井资料连续确定地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力的方法。 (2)通过二个压力预测技术在江苏油田盐城等数个油田的应用表明，可以有效地避免或减少钻井复杂事故，提高了井身质量，加快了钻井速度，降低了钻井成本。 (3)挤水泥稳定井擘技术，为近平衡钻井、保护油气层、提高机械钻速创造了良好的条件。 (4)聚合醇类处理剂的加入，利用其与沥青类防塌剂的协同防塌，降低了复杂易垮易缩径水敏性地层的复杂事故率，特别是阜宁组地区，井径扩大率小，电测成功率高，在造浆地层返出岩屑清 沾，性能平稳无波动，钻井液抑制性、防塌性能得到增强。参考文献1徐加放邱正松秦涛等泥页岩压力传递特性的实验研究石油钻探技术2004年0l期P23-25 2E富华邱讵松f瑞和保护油气层的防塌钻井液技术研究钻片液孑完片液，2004年04期P48-51163