第九章井下复杂情况及其处理性

井下复杂情况及其处理钻井液工艺原理电子教案第二章上一内容下一内容回主目录返回钻井液工艺原理电子教案—第九章•本章要点：•1、掌握有关的基本概念；•2、了解常见井下复杂情况；•3、了解井下复杂的常规处理。上一内容下一内容回主目录返回前言在整个钻井过程中经常会遇到各种复杂情况，如井壁坍塌、泥包钻头、遇阻、划眼、卡钻、井喷等，甚至会造成整口井的报废，因此正确、及时的处理各种井下事故，是减少经济损失的重要措施。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定上一内容下一内容回主目录返回一、井壁稳定技术研究现状由于井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的世界性难题，国内外学者都进行了大量的研究工作，但由于问题的复杂性和研究手段的局限性，该问题一直没能得到很好的解决。1.1井壁失稳机理研究井壁失稳是指在钻井、完井等环节中发生的井壁坍塌、缩径和地层压裂等复杂情况。坍塌和缩径会造成井眼的扩大或缩小，而地层压裂则会造成严重井漏的发生，所以无论发生那种复杂都会造成大的经济损失。地层矿物组分与理化性能是研究井壁稳定机理与技术对策的基础。1）地层组构分析利用X-射线衍射、扫描电镜、薄片分析、透射电镜及测井资料，对地层矿物组成、分布、层理、裂缝发育状况进行分析，建立地层组构剖面；井号1G65G60-2311B281M3011层位NgEs33Es34Es35NgEd2Ed3Es1NmNgEd3井深/m20002982~30133550~36023896~389820463202~32043553~35564128~42531683~17032218~22233303全岩矿物组成%石英442423285292324353243方解石/43/131552292白云石/////92/1/2斜长石813121229761616钾长石35461732895赤铁矿/12////////粘矿总量4553565491435063532432粘土矿物相对含量%高岭石14544166271222绿泥石53231434673伊利石610153121924507735蒙脱石////96//////伊/蒙混层75827962/716744807440混层比%55756545/605030707030•泥页岩比表面积测定原理泥页岩比表面积为单位重量的泥页岩所具有的表面积，具有不均性和相对性，与泥页岩水化特性、力学性质以及渗水特性等密切相关，是泥页岩井壁稳定性的关键性评价参数。比表面积测定方法较多，其中亚甲基蓝法具有重复性好、准确度高、省时、成本低、简单易行等优点，因此，作者主要采用亚甲基蓝法对泥页岩比表面积进行了测定。根据光的吸收定律，在一定浓度范围内，当入射光为一定波长的单色光时，溶液的吸光度与溶液的浓度和溶液层的厚度成正比，即：E=lg(Io/I)=K·C·b…………………………（3-4）•式中：E—吸光度，Io—入射光强度，I—透过光强度，K—比例常数，C—溶液浓度，b—溶液厚度，定值。比亲水量测定大量的实践、实验研究结果证明，泥页岩地层失稳的主要原因之一是泥页岩水化效应造成的，因此，泥页岩水敏性评价对泥页岩井壁稳定性的预测和诊断分析至关重要。以往传统的利用总吸水量作为泥页岩水敏性的直接评价指标，没有考虑泥页岩比表面积，因而其界面物理化学含义不太明确，与泥页岩水化效应关联也不够确切，例如，往往深部硬脆性泥页岩的总吸水量并不大，但因为其比表面积小，比亲水量往往较大，同样可以造成严重的井壁不稳定问题。因此，泥页岩比亲水量研究对井壁稳定机理研究具有十分重要的意义。比亲水量的概念及其含义泥页岩比亲（吸）水量，即单位表面积上的吸水量，常用单位为g/cm2，表达式为：比亲水量（Sw）=总吸水量/总表面积=每克岩样吸水克数/每克岩样的表面积（比表面积）。比亲水量与总吸水量或每克岩样的吸水量的概念不同，比亲水量有明确的界面物理化学含义。根据定义，泥页岩比亲水量即每平方厘米表面积上吸附水的克数，如图所示：•比亲水量（g/cm2）相当于泥页岩表面水化膜厚度（cm）。比亲水量越大，水化膜越厚，泥页岩颗粒间水化（膜）斥力（契入力）越大，即水化效应导致泥页岩井壁失稳越严重。•另一方面，从表面自由能变化分析，泥页岩表面吸水过程是表面自由能降低的过程，比亲水量越大，即吸附水化膜越厚，表面自由能下降幅度越大，标志着泥页岩水化变形和强度变化越严重。•由以上推理可知，比亲水量相当于水化膜厚度（水化短程斥力），代表泥页岩水化表面能下降的幅度，是衡量泥页岩水化变形以及强度性质变化的本质特性指标。它能将泥页岩水化微观作用本质与客观水化效应密切关联的科学评价指标，完全符合近代界面物理化学的有关基本原理。•实验研究表明，典型粘土矿物总吸水量排列顺序为：蒙脱石伊利石高岭石，如果考虑粘土矿物水化比表面积的显著差异，按比亲水量对比排列三种常见典型粘土矿物的次序为：高岭石伊利石蒙脱石，与总吸水量法排列则正好相反。由于比亲水量相当于水化膜厚度，反映水化膜短程斥力的大小，比亲水量排序结果说明，伊利石等非膨胀性粘土矿物表面一旦水化，水化膜短程斥力更大，更容易导致沿水化界面的局部变形或破坏。•众所周知，构成深层硬脆性泥页岩的主要矿物往往是伊利石等非膨胀性粘土矿物，虽然深层泥页岩成岩作用强，结构致密，整体水化推进速度慢，但是，如果微裂缝发育，沿微裂缝界面将优先发生较强的局部水化作用，较强的水化膜斥力将导致沿水化界面的变形或剥落掉块坍塌，产生严重的井壁不稳定问题。109.789.6136.487.155.713649.87561.6146.1114.599.897.8102.268.455.248.6106.2158.375.574.8176.665.6163.2118.471.115.6020406080100120140160180200NgEs3Es33Es3Es34Es34Es34Es34Es35NgEd2Ed2Ed2Ed3Ed3Ed3Ed3Ed3Es31Es3Es3NmNgNgNgEd3Ed3高尚堡北堡老爷庙比表面积比亲水量g/cm214.821.432.421.42611.949.111.819.317.422.50102030405060Nm下NgEd3上NgEs33Es34ES35NgEd2Ed3ES1•②泥页岩渗透率及其膜效率的测定泥页岩的渗透率和膜效率分别是评价钻井液/泥页岩水力压差和化学势诱导的渗透压差传递特性的主要参数，通过测定泥页岩渗透率和膜效率，可以有助于确定出合理的钻井液密度（即水力压差）和化学势。泥页岩渗透率和膜效率可以通过POT瞬态压力传递法测定。•③泥页岩水化应力的测定泥页岩水化应力是评价泥页岩水化膨胀能力和水化稳定性的重要指标。泥页岩的水化应力，可通过泥页岩水化力学测试仪（配备有压力传感器、差压传感器及应力应变仪）进行测定。其测定方法有两种：一是保持压力不变测量泥页岩的水化应变，根据泥页岩水化应力本构方程计算水化应力；二是保持岩样体积不变，测定水化前后轴压围压变化值。泥页岩井壁稳定性压力传递实验研究新技术压力传递实验的意义及原理1）PT实验岩样中流体迁移（滤失）速率取决于井内液柱压力与孔隙压力的差值ΔP、钻井液性能、井壁岩石的渗透率以及钻井液／岩石两者间的物化／力学作用。由于泥页岩渗透率低，水力传导速率小，孔隙压力的变化不能迅速传递出去，因此，近井壁地带随着流体的迁移，ΔP会趋近于零（正向/负向都有可能），在岩石渗透率一定的情况下，压力传递由ΔP和钻井液性能来决定。钻井液进入泥页岩不仅能导致孔隙压力的上升，更重要的是引起泥页岩水化应力及力学参数的改变。所谓P.T实验即水力压差传递实时检测技术，通过测定泥页岩水力压差传递规律，不仅攻克了了极低泥页岩渗透率定量测定的难题，同时也是评价钻井液防塌剂阻止水侵入和压力传递的一种井壁稳定性实验研究新技术。2）O.T实验泥页岩/水基钻井液一般具有非理想半透膜特性。半透膜为只允许溶液中部份组份通过而不允许其余组份通过的渗透(流)屏障。膜抑制溶质迁移的原因是孔隙尺寸和/或电排斥作用。由于普通粘土膜的孔隙尺寸较地下水中水化离子大的多，因此粘土膜的盐斥特性主要取决于粘土膜结构层间电斥作用，而处于地下深处的泥页岩较一般粘土压实程度高，致密，孔隙尺寸小，那么泥页岩膜的盐斥力作用可能与孔隙尺寸、双电层电斥作用等均有关系，这也许是泥页岩膜和粘土膜的本质区别所在。理想膜的渗透压理论值与实际测到的渗透诱导静水压差(ΔPd)相等，而非理想膜的渗透静水压差低于渗透诱导压理论值。将实测渗透诱导静水压差(ΔPd)与理论渗透压(Δπ)之比值定义为反映系数(λ)，即膜效率，用于表示泥页岩膜的理想程度。与理想膜渗透相比较，非理想膜渗透则有两个明显特征：一、达到渗透平衡的时间较短，达平衡后溶液出现反向流动。二、水和盐的同向流动加快了诱导压差的衰减。值得注意，非理想渗透过程中前期表现为渗透导致静水压差不断增加，达平衡后，出现反向流动，渗透诱导静水压差开始衰减(耗散)。渗透静水压差的建立和衰减也取决于渗透参数。泥页岩/钻井液膜效率(λ)的准确测定很困难。泥页岩渗透率与膜效率公式1）泥页岩渗透率假设钻井液与孔隙流体之间的微渗透作用仍然遵循达西定律，则根据达西定律和压力扩散方程，可以推导出泥页岩的渗透率公式。•O.T实验充分证明了泥页岩非理想半透膜特性的存在，并求得不同种类、不同浓度盐溶液的膜效率。•泥页岩/水基钻井液体系非理想半透膜特性的存在，意味着，如果钻井液体系的活度低于地层水活度，则地层水可以由泥页岩流入井眼，引起泥页岩井壁失水，泥页岩强度增加，有利于井壁的稳定。•实验也证明，泥页岩的半透膜效应具有瞬时性，实验岩样下游端压力达到最低值时，最多不过5~6个小时，压力便开始上升，即渗透压开始衰竭。但要达到与上游压力相同需经过很长一段时间，这是因为泥页岩的渗透率较低，离子向泥页岩内部传递的速度很小，因此，钻井液与地层水之间要达到活度一致需要一段很长的过程。•由于泥页岩半透膜效应的非理想性，半透膜效率小于1，膜效率的大小不但与泥页岩渗透率、无机盐溶液阳离子水化半径有关，还可能与离子（包括阳离子和阴离子）种类有关。•需要强调的一点是：硅酸盐具有很好的阻止压力传递作用，试验证明，用硅酸钠处理后的岩样渗透率下降了4个数量级，在40分钟内没有检测到有渗透现象，最大膜效率甚至达到了25％，这与普通水基钻井液的1％～10％，具有很大差别。•3）泥页岩粘土矿物组分与理化性能关系研究•4）温度、压力、pH值，尤其是活度和半透膜对泥页岩水化和膨胀的影响•5）泥页岩水化的定量分析•6）能量法钻井液工艺原理电子教案第二章1.2井壁稳定机理的研究1.2.1化学因素1）钾离子钾离子与泥页岩相互作用存在两种方式，一是离子交换，二是晶格固定；泥页岩类别不同钾离子的作用方式也不相同。pH值增高和钠、钙等阳离子的混入，会阻碍泥页岩对钾离子的固定作用。2）有机硅类有机硅中的-Si-OH基易与粘土表面的-Si-OH基缩合脱水，形成-Si-O-Si键，与粘土表面形成一种很强的化学吸附作用。另外，有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而控制泥页岩的水化作用。3）聚合物类高聚物利用其大量官能团吸附于粘土表面，从而产生一定的包被作用，聚合物类型、结构、分子量以及官能团等因素对聚合物稳定井壁效果都有一定影响4）沥青类不同沥青类产品稳定井壁机理不同。沥青粉的主要作用机理是在一定温度压力下产生变形，封堵地层层理、裂缝，在井壁处形成良好的内外泥饼，从而在钻井液与地层之间形成一层致密的保护膜，阻止水进入地层，起到保护井壁作用。磺化沥青防塌机理既有化学作用，又有物理作用。1.2.2力学因素位于地层深部的岩石，受上覆地层压力、水平方向地应力及地层孔隙压力的作用，在井眼钻开之前，各种应力处于平衡状态，钻开后，井内钻井液柱压力取代了所钻岩层对井壁的支撑，破坏了地层的原有应力平衡，引起井眼周围应力的重新分布，当应力超过泥页岩的强度时，便发生井壁破坏。1）井壁应力状态模型井眼应力状态能够计算出来，主要依赖