塔河油田深层泥岩防塌钻井液技术分析

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1、中国石油大学(华东)硕士学位论文第一章前言弟一早刖百井壁失稳主要受地质因素、钻井液与泥页岩相互作用以及钻井工艺等多方面因素的影响，井壁失稳问题是钻井工程中遇到的一个世界性难题，迄今仍然没有彻底解决这个问题。因此，必须重视对井壁失稳机理与防塌技术的研究【I】。1．1塔河油田深层泥岩井壁失稳问题近几年，西北油田分公司通过对低产井、停产井地下储量动用状况的认识，深入分析井区周围缝洞发育情况，对潜力较大的井进行侧钻，恢复了老井产能，提高了油藏采收率；且侧钻井工程费用低，建井周期短，油井投产快，大大节约了油气开采的成本。自2001年以来，塔河油田利用侧钻技术改造低产井、停产井，累计增油约230x

2、104t，侧钻技术在发掘老井资源潜力、促使油田增储上产方面作出突出贡献。然而，在老井侧钻过程中，由于避水及垂深的限制，造斜点选在以泥页岩为主的石炭系巴楚组或奥陶系桑塔木组地层。巴楚组以褐灰色泥岩为主，桑塔木组地层以泥岩为主夹薄层灰岩，造斜井段在泥岩段穿行距离较长，受地应力及钻井液的浸泡作用井壁易坍塌，钻进过程中起下钻遇阻、卡钻、断钻具等复杂情况经常发生，甚至无法完井，造成了极大的经济损失。据不完全统计，在钻井过程中，已有10余口井出现了不同程度的起下钻遇阻和井壁严重掉块现象，例如：THl2106CH井在巴楚组钻进过程中发生卡钻，由于钻井液密度过低等，井壁失稳，井内存在大的砂砾岩掉块，造

3、成钻头硬卡；TP3CH井在桑塔木地层由于上提下放遇阻现象非常严重，无法进行正常定向钻进。在完井过程中，也存在同样的情况，S110CX井经充分通井，5天后测井，期间阻卡严重，测井未第一章前言早在1965年，M．E．Chenevea教授就通过实验研究了层理方位对岩石力学特性的影响，结果表明，平行层理面取心测定的弹性模量高于垂直于层理面方向取心测定的弹性模量，平行层理面的抗拉强度与垂直层理面的抗拉强度相比要低一些。SeeHongOng和J-C．Roegiers[3-4]进一步改进了Aadony的模型，综合考虑地应力、流体流动、钻井液柱压力以及温度变化产生的附加应力影响，并采用广义三维各向异性

4、破坏准则，评价地层剪切破坏引起的井壁坍塌。Abousleiman[5】等人将层理性泥页岩地层视为宏观各向同性的孔隙弹性材料，忽略钻井液滤液对地层力学性质的影响，给出了考虑钻井液渗流情况下，水平井眼周围地层应力状态的孔隙弹性解。AnthonyJ．L．Crookl6-7】等人通过对CamClay模型扩展，建立层理性泥页岩地层的三维正交各向异性弹塑性本构模型，并推导出了应力一应变之间增量形式的本构方程。P．J．MclellaIll8J等人研究了加拿大NortheasternBritishColumbia山前构造倾斜的裂缝性泥页岩地层的井壁稳定性问题，得出主要建议和结论：①单纯依靠调整钻井液密

5、度不能解决层理裂缝性泥页岩地层井壁失稳问题；②应考虑抽吸压力和激动压力对钻井液安全密度窗口的影响；③优化水力参数以确保钻屑能被及时地带出井眼；④一般来说，井斜角越大，井壁失稳的风险越大；⑤通过提高钻速减少泥页岩地层的裸露时间。1．2．2井壁稳定性物理化学机理研究进展在许多情况下，井壁失稳主要由两方面的原因引起：钻井液密度过低，钻井液液柱压力难于支撑力学不稳定的地层；钻井液液柱压力高于地层孔隙应力，驱使钻井液进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井壁附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低【9·101。Cook等人应用CT扫描技术，对钻井液与泥页岩相互作用的机理进行了研究，研究

6、认为钻井液的侵入使泥页岩含水量增加，沿井眼周围产生微裂缝，因而泥页岩强度降低。Alford认为，裸露于钻井液中的泥页岩，其物性及状态主要取决于泥页岩的三个结构特征：(1)泥页岩中的粘土含量；(2)粘土矿物的类型；(3)泥页岩颗粒的接触点。因此，泥页岩的稳定性取决于泥页岩颗粒的表面化学特性。在水敏性泥页岩中，稳定作用取决于颗粒表面之间的氢键。Wingrave认为，泥页岩稳定的决定性机理是保持泥页岩颗粒间氢键的联结【11】。钻井液对泥页岩的化学作用最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数和2中国石油大学(华东)硕士学位论文近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性能，

7、使岩石强度降低；另一方面产生水化膨胀，从而改变近井壁的应力状态，诱发或加剧井壁失稳。要彻底解决泥页岩井壁失稳问题，就应该将影响井壁稳定性的化学作用及其力学效应有机地结合起来【12】。1．2．3防塌钻井液体系及其作用机理研究现状将影响井壁稳定性的化学作用及其力学效应有机地结合起来，研究出新的防塌钻井液体系及其稳定井壁机理【13．151。(1)多元醇钻井液多元醇与泥页岩有强烈的亲合性，多元醇能抢先吸附在泥页岩上，排挤泥页岩表面和吸附阳离子所带的束缚