钻井液完井液化学4

第九章对付井下复杂情况的钻井液技术学习意义•井漏、井塌、井喷、卡钻是钻井工程中常见的井下复杂情况•其发生直接或间接地与钻井液工艺技术有关•一般需通过钻井液工艺技术解决这些井下复杂情况•如何预防和处理这些井下复杂体现了钻井液工艺技术水平第一节、井漏--loseofcirculation井漏定义及危害概念•各种井下作业（钻井、固井、测试或修井等）时，各种工作液（包括泥浆、水泥浆、完井液及其它液体等）在压差作用下漏进地层的一种井下复杂情况。危害•损失钻井时间，延长钻井周期•损失大量钻井液原材料•产层漏失会严重损害产层•诱发其它井下事故•干扰钻井液性能的正常维护处理•干扰地质录井工作我国防漏堵漏技术的发展特点：•大力发展堵漏剂和相应的工艺技术（几大类数十种堵漏材料）；•开始重视对井漏的预防；•漏层地质特性、漏失机理和漏层测试手段的研究开始起步；•堵漏试验设备及工具的研究已经展开。发展历程•见漏就堵、以堵为主，堵漏效率较低的初始阶段；•以堵为主、堵防结合，防漏堵漏技术的发展阶段；•以防为主、堵防结合，防漏堵漏工作进入科学发展阶段。发生井漏的基本条件•存在正压差•存在漏失通道及较大的足够容纳液体的空间•通道的开口尺寸大于外来工作液中固相的粒径------均可由于人为原因而产生自然漏失通道•粘土岩•砂砾岩浅层、中深井段未胶结或胶结差的未成岩的砂砾层中、高渗透砂砾岩层中深井段、深井段经成岩作用低孔、低渗的砂砾岩层•碳酸盐岩•火成岩•变质岩•烧变岩（煤层）人为漏失通道•外力大于地层岩石破裂压力造成岩石破碎所形成的诱导裂缝•外力造成闭合裂缝的开启所形成的诱导裂缝裂缝可分为垂直裂缝（70-90o）、斜交裂缝（20-70o）、水平裂缝（0-20o）、网状裂缝.井漏分类（按漏失通道形态分）•渗透性漏失，漏速0.5~4方/小时，一般在强渗透及胶结差的地层•裂缝性漏失，漏速几~几百方/小时，一般在天然或人为裂缝地层•溶洞漏失，常有进无出，多发生在多洞穴石灰岩白云岩地层漏失类型井漏的予防•合理泥浆密度•合理套管程序•尽可能使用低密度，低切力，低粘度泥浆•备堵漏材料•减少压力激动（慢开泵，下钻慢，分段循环等）•低返速带砂•防止环空堵塞和缩径•提高地层承压能力漏层性质综合判断框图井漏15m3/h15~40m3/h40~60m3/h不返砂岩砾石层1钻头泥包2泵压突然增加3卡钻后漏1有放空2有憋跳现象3突然不返埋藏750米以上漏速变化不大埋藏750米以下漏失增大1起下过激2.750米以下3邻井无此漏层砂砾岩渗漏纵向裂缝横向裂缝纵向诱发裂缝横向诱发裂缝洞穴漏失是是是是是是否否否漏层位置确定方法•正常钻井中未提密度、无激动压力而发生较严重漏失，则多属井底漏失，且为天然裂缝或溶洞漏失。•在钻井液加重或产生较大激动压力后漏失，则多数属于上部地层漏失，主要靠地质资料及邻井经验判断。•渗透性漏失和人为裂缝漏失通常不好判断。•水动力学测试法•测井温法•放射性示踪测试法•电阻测井法•传感器法•流量计法•自动测漏仪等水动力学测试法之正反向循环测试法H漏=H总/[(Q1/Q2)+1]H总-----井深，米Q1、Q2----分别为正循环洗井和反循环洗井时的出井钻井液流量（在同样漏失严重度值条件下测得）。L/minH漏----漏层深度，米水动力学测试法之从钻杆内外同时泵注泥浆测试法H总*Q12(x2+x3)H漏=x1*Q22+x3*Q12Q1、Q2---同时通过钻杆和环空泵注泥浆到漏层时的钻杆内和环空内的流量，m3/sx1x2x3----分别为流量Q2条件下环空内、流量Q1条件下钻杆内和环空内的流体阻力系数，s2/m6.测井温法原理温度井深钻井液循环温度地层温度漏层堵漏材料（按作用机理分）•桥接堵漏材料•高失水堵漏材料(Diacel,Z-DTR,DTR,DCM堵漏剂）•暂堵材料（用于产层堵漏）•化学堵漏材料（高分子、高分子与无机胶凝物混和物、泥浆加固化剂）•无机胶凝堵漏材料（水泥浆）•软（硬）塞类堵漏材料（柴油膨润土浆、剪切稠化浆、重晶石塞）桥接堵漏材料要求及类型要求：•与携带液无明显的化学作用•起“架桥”作用的硬果壳类材料必须具一定强度•材料便于加工和管理，不易腐烂变质•来源广，成本低种类：•颗粒状材料：核桃壳、橡胶粒、焦炭粒、碎塑料粒、硅藻土、珍珠岩、生贝壳、石灰石、沥青等，作“架桥剂”•纤维状材料：锯木、树木粉末、棉纤维、皮革粉、亚麻纤维、花生壳、棉籽壳、甘蔗渣、石棉粉等，作“悬浮拉筋剂”•片状材料：云母片、稻壳、赛璐珞、玻璃纸、鱼鳞等，作“填塞剂”堵漏方法•起钻静止堵漏•桥接材料堵漏法•暂堵法•高失水浆液堵漏法•PAM絮凝物和胶联物堵漏•软硬塞堵漏法•复合堵漏法•强行钻进套管封隔漏层•注水泥浆•尼龙水泥袋堵溶洞漏失等平衡法注水泥堵漏示意图循环加压挤水泥堵漏示意图复合堵漏法的常用复合方式复合方式•化学凝胶+水泥浆•桥堵泥浆+水泥浆•高失水堵剂混桥接剂•暂堵剂混桥接剂•化学胶凝混桥接剂•单封混桥接剂•单封混高失水堵剂•柴油膨润土浆+屏蔽暂堵剂处理对象水层漏、严重井漏大裂缝漏失大裂缝漏失产层、大裂缝漏失水层、大裂缝漏失一般孔隙性、裂缝性漏失较大孔隙性、裂缝性漏失低压高孔渗砂岩水层漏失调整井井漏预防技术•在已投入开发的油田中,以开发层系或井网调整为主要目的所钻的井称为调整井。包括生产井、注水（汽）井、更新井、检查井、观察试验井、缓钻井等。•钻调整井前调整地层孔隙压力分区块提前降压注水井控制注水量注水井关井停止注水注水井停止注水并放溢流钻泄压井对高压层进行泄压提高低压层的地层孔隙压力•应用两个压力剖面优选井身结构、泥浆密度及类型•全井泥浆预先加堵漏剂防漏•先期堵漏第二节、井眼不稳定(井塌)•所钻地层约3/4为泥页岩•约90%的井眼稳定问题发生在泥页岩井段•盐膏层、白云岩等也可能失稳•每年因此造成的损失约7亿美元井壁稳定问题一般指泥页岩的井壁稳定问题井眼不稳定的表现形式及危害表现：•向井眼塑性流动，缩径•剥落掉块•坍塌，扩径危害：•不能正常钻井•正常钻井时增加环空岩屑量，提高粘度、切力、当量密度等，降低钻速•造成卡钻，井漏等井下复杂•井径不规则，影响固井质量•影响测井和录井•影响泥浆性能维护井眼不稳定的表现形式井眼不稳定的判断•岩屑比正常情况下多•砂样代表性不好•起下钻遇阻，遇卡•下钻不到底（有大段沉砂），需划眼•蹩钻，跳钻严重•实测井径泥页岩的组成粘土矿物：蒙脱石高岭石伊利石绿泥石间层粘土蛋白石等非粘土矿物：石英长石白云石方解石云母等泥页岩组构•各组分的微结构•组分间的关系•孔隙大小•裂缝发育情况与井壁稳定性密切相关井眼不稳定问题的复杂性•地应力分布不均，且难以准确预测和监测•地层孔隙压力变化大，且难以准确预测和监测•岩石性质不均匀，影响岩石强度的因素多•不同盆地、不同深度的泥页岩组构不同，井壁不稳定的表现形式不同•井壁失稳的机理（原因）复杂•稳定井壁的钻井液技术具有针对性•定量实验、模拟井下条件的实验研究难度大泥页岩沉积过程随埋深增加，上覆岩石压力增大（1）岩石硬度、强度增大（2）粘粒表面的水被挤出a.形成异常高压层b.接触钻井液时重新水化（3）随温度压力和沉积环境的变化，粘土矿物可能发生转变井塌的原因•地质方面：异常地层压力构造应力大（地应力大）地层倾斜等•泥页岩水化：水化膨胀压改变井周应力分布降低岩石强度削弱粒间连接，造成剥落掉块使孔隙压力增大•钻井工艺方面：泥浆液流冲蚀抽吸作用钻柱碰撞井壁由于起钻未灌泥浆、井漏、井喷等引起页岩中砂岩透镜体孔隙压力异常引起坍塌示意图受预应力作用（地层倾角大、断层附近地层破碎等）页岩坍塌示意图井壁力学不稳定的三种可能机理构造应力非正常孔隙压力裂缝关于泥页岩水化•表面水化：驱动力：表面水化能（为主）、范德华力、静电引力特点：作用距离短，膨胀压大，体积膨胀小•渗透水化：驱动力：双电层斥力（为主）、渗透压力特点：作用距离长，体积膨胀大，膨胀压小，达平衡慢，电解质影响显著泥页岩分类（按坍塌原因分）•软胶泥页岩•具有应力和压力的页岩•水敏性硬质页岩•具有微裂缝的页岩我国井壁不稳定地层分类1.胶结差的砂、砾、黄土层钻井液技术要点：一般采用高粘切、高膨润土含量的膨润土浆或正电胶膨润土浆。2.层理裂隙不发育、软的砂岩与泥页岩互层易膨胀强分散的砂岩与泥页岩互层（强包被聚合物钻井液，改善泥饼质量）不易膨胀强分散的砂岩与泥页岩互层（强包被聚合物、聚磺钻井液，紊流带砂，加强固控）中等分散砂岩与泥页岩互层（阴离子、两性离子、阳离子聚合物钻井液）我国井壁不稳定地层分类3.层理裂隙发育的泥页岩易膨胀强分散泥页岩（强抑制、有效封堵）易膨胀中等至弱分散泥页岩（强抑制、强封堵）弱膨胀弱分散泥页岩（强封堵）钻井液技术要点：a.合理钻井液密度；b.采用沥青类、植物油渣、磺化酚醛树脂、褐煤类等处理剂封堵层理、裂隙，阻止滤液进入；c.降低高温高压滤失量与泥饼渗透性,pH值低于9；d.依据地层矿物组分与理化性质选钻井液类型；e.选用合适泵量与环空返速，即保证带砂又呈层流以减少冲刷。我国井壁不稳定地层分类4.含盐膏地层•纯厚盐膏层钻井液技术要点：合理密度的欠饱和、饱和盐水钻井液，防缩径、防盐溶解扩径、防蠕变。•盐、膏、泥复合地层钻井液技术要点：抑制性强的饱和盐水钻井液、油包水钻井液，合理密度防缩径，封堵泥页岩防井塌，合理返速及流变参数，性能稳定。我国井壁不稳定地层分类5。裂隙发育的特种岩性地层裂隙发育、破碎，如煤层、玄武岩、辉绿岩、凝灰岩、灰岩等钻井液技术要点：合理钻井液密度；依据夹层粘土矿物选钻井液类型，一般选强抑制强封堵的体系，适当提高返速与粘切以带砂和坍塌物，但应避免紊流冲蚀。我国井壁不稳定地层分类6。强地应力作用下的深层硬脆性砂岩、泥页岩地层•特点：深层、强地应力、大多裂隙发育、粘土矿物以伊利石、伊蒙有序间层为主，不易膨胀不易分散，岩石可钻性大于6级。•钻井液技术要点：合理密度，提高封堵能力，，适当提高抑制性，高温高压下合适的流变性和优良失水造壁性。实验研究方法•泥页岩组构分析X射线衍射，电镜，薄片分析，红外，差热分析等•可溶盐含量分析：化学分析方法•含水量测定：密度法，吸附等温线法•阳离子交换容量：亚甲基蓝法，醋酸铵法等•密度测定：李氏密度瓶•Ensulin吸水测定仪•膨胀性测定：常温常压，高温高压•分散性测定：滚动回收率法，CST法实验研究方法•泥页岩介电常数测定•针入度实验（测水化过程中的剪切强度变化）•三轴应力试验•井眼模拟装置（DSC)•力学化学藕合研究(水化对应力分布的影响、水化后强度测定等)•压力穿透，离子和水份传递（孔隙压力传递实验、微滤失实验）•测井资料分析钻井液防塌能力评价方法•膨胀法---常出现难以解释的结果•滚动回收率法---抑制分散•CST法---抑制分散•SSI法---不能反映水化对强度的影响•DSC---大型仪器•三轴岩石力学测试装置---岩样制备困难•孔隙压力传递实验、微滤失实验---研究压力、水、离子的传递（发展方向）•粒度测定•针入度法测试原理示意图WWhRNHT泥页岩水化时间的影响051015针入深度，mm剪切应力，MPa未水化水化10分钟水化60分钟钻井液防塌能力评价00.511.51234567891针入深度，mm剪切应力，MPaPEM泥浆小阳离子体系钻井液与泥页岩间的传递作用•驱动力：水力压差、化学势差、温度差、电势差•规律：泥页岩中压力传递速度比溶质和离子扩散速度快1-2个数量级；后者又比钻井液滤液的达西流快1-2个数量级•钻井液液相进入地层，引起地层孔隙压力、膨胀压力升高，降低岩石强度，改变其力学性能是造成井壁不稳定的主要原因井壁稳定的力学化学藕合研究•热弹性比拟法89年Texas大学的C.H.Yew和M.E.Chenvert提出,据热弹性力学理论,对泥页岩水化产生的力学效应建立定量化模型;其关键是如何准确获得近井壁的含水量分布和岩石弹性模量随含水量的关系.•水分子自由能热动力理论法93年F.K.Mody和A.H.Hale基于钻井液与泥页岩间水分子自由能差的热动力学理论,将水化引起的应力变化同力学作用引起的应力变化结合