顺北油气田深部破碎性地层井壁失稳机理及对策研究

顺北油气田多口探井在奥陶系碳酸盐岩地层钻遇破碎带,井壁失稳严重,已成为制约顺北油气田安全建井的突出问题。文章在综合分析顺北奥陶系破碎性碳酸盐岩地层井壁失稳类型及理化特性、裂缝面物理—力学特性和岩石力学实验的基础上,提出了井壁稳定钻井液技术对策。研究发现,区域断裂带附近地应力方向复杂,地应力差大;地层天然多尺度裂缝发育、破碎程度大、岩体等效强度较低;钻井液易沿天然裂缝侵入地层,钻井液-裂缝面水岩作用造成缝面粗糙度减小、摩擦系数降低,易诱发地层沿裂缝面失稳,是深部破碎性地层井壁失稳的主要机理。明确“合理密度支撑+钻井液刚柔并济多级配封堵”,配合使用“耐高温随钻/段塞固壁剂”是顺北油气田深部破碎性地层稳定的井壁钻井液技术对策。研究成果对促进深部破碎性地层安全高效钻井具有重要借鉴意义。

渤中区块破碎性地层井壁失稳机理及对策

渤中区块东下段及以下地层泥页岩破碎性发育,已钻井井壁坍塌严重。通过综合分析破碎区地层特性,地质力学特征,以及钻井液性能的适应性,明确了渤中区块破碎性地层的井壁失稳机理,并提出了定制化的技术对策。研究结果表明,该区块泥岩地层为硬泥页岩,微裂缝发育,孔缝宽度为2~6μm,具有弱水化性质。东下段及以下泥页岩地层属于中等偏低强度地层,在聚胺PEM钻井液中浸泡7 d后,岩石强度下降40.82%。同时,上覆岩层压力和水平最大地应力之间差值较小,水平最小地应力值较低。井壁失稳机理主要为地层受走滑断层伴生正断层控制,钻井坍塌压力相对较高,地层微裂缝发育,钻井液封堵性不能满足微裂缝封堵要求,同时,破碎区泥页岩存在安全稳定周期。建议使用密度为1.40 g/cm^(3)的聚胺PEM钻井液,在破碎区中钻井安全周期超过10 d,并添加3%的TEX封堵剂增强钻井液封堵性能。研究结果能够有效指导渤中区块开发井的安全钻井。

破碎性地层坍塌压力计算模型

破碎性地层裂缝、微裂缝及层理十分发育,地层各向异性明显,地层坍塌压力高,安全钻井液密度窗口窄,在低井筒液柱压力下井壁易垮塌,在高井筒液柱压力下又容易发生井漏。不同于均质各向同性地层,这类地层的井壁围岩力学稳定性主要取决于这些单元体结构面的强度(抗滑能力)。当单元体所受应力超过了其结构面抗滑能力时,井壁围岩即出现滑动失稳。由均质各向同性地层井壁力学稳定性分析理论出发,引入地层岩石破碎程度指数Bd来定量的描述地层岩石破碎程度对井壁围岩等效应力状态的影响,并根据Mohr-Coulomb准则建立了破碎性地层坍塌压力计算式,Bd值越大,井壁坍塌压力越大,井壁越易失稳,实例计算表明所建立的模型计算结果与工程实际吻合较好。

破碎性地层漏失力学机理及井漏诊断与处理思路

漏失机理复杂且漏失反复是破碎性地层漏失处理的主要难点,搞清漏失力学机理及漏失性质是其关键,但由于目前作业现场对此不够重视,导致堵漏成功率普遍较低。提出一套基于漏失力学机理分析的井漏诊断及处理技术思路,将漏失力学机理及漏层位置分析作为堵漏作业首要环节,依据常规测井及成像测井等资料分析漏层位置及井漏机理、建立作业区潜在漏层的纵向分布剖面,并基于该剖面进行钻井防漏工作,依据漏失力学机理及漏失性质制定针对性技术方案。以代表性井漏处理低效案例为例,分析指出漏失性质不明、堵漏方案缺乏针对性是导致该井漏失处理低效的根本原因。此外,漏失性质分析及配套堵漏作业规范研究急需加强,堵漏作业相关行业标准亟待出台。

重新界定破碎性地层概念及其稳定性分析

本文通过分析,合理认识破碎性地层的井壁围岩特征,提出了破碎体、破碎性地层概念。分析了近井壁围岩不稳定性,深入研究了破碎性地层井失稳原因,机理和规律,发现破碎程度与井壁稳定有相当联系,破碎程度越高,这类井壁的稳定性越差。

涪陵破碎性地层井壁失稳影响因素分析及技术对策

柴油基钻井液体系具有良好的井壁稳定能力、低摩阻、低失水等特性,并在涪陵页岩气水平段得到广泛应用,但是随着涪陵二期垂深大于3 500 m的深层页岩气开发,采用油基钻井液体系钻进,出现一系列井下复杂情况,如掉块、起下钻通井遇阻卡,电测遇阻,甚至埋钻具填井事故,因此,有必要对油基钻井液环境下的页岩井壁失稳问题进行研究分析。以焦页XX井为例,从地质、钻井液、工程三方面进行综合研究分析,认为破碎性页岩地层本身的力学不稳定性是造成井壁失稳的主要因素,并提出一些建议性措施:钻井液的密度要保持高位,同时提高油基钻井液的封堵能力,保持高油水比例,工程和地质相结合,尽可能减少穿越该复杂地层。

顺北油气田奥陶系破碎性地层井壁失稳影响因素分析

针对顺北油气田奥陶系破碎性地层井壁失稳频发的技术难题,通过开展X射线衍射、扫描电子显微镜和滚动回收率等室内实验,建立了考虑多弱面效应和力化耦合作用的井壁失稳模型,分析了井壁失稳机理及影响因素。研究表明:奥陶系破碎性地层以方解石为主,黏土矿物质量分数低,水化分散能力弱,多尺度非连续破碎结构和非黏土水化型水岩损伤作用是井壁失稳的关键因素;随弱面组数的增加,岩石强度的各向异性愈发显著,坍塌压力增大,安全钻井的优势方位角与倾角选择减少;随着弱面倾角由0°增大到90°,坍塌压力呈现先增加、后平稳、再逐渐减小的趋势;坍塌压力随弱面内聚力、内摩擦角的增大而显著降低,且内摩擦角的影响更显著,但随弱面胶结强度的升高,坍塌压力的降低率具有一定的极限。

顺北油气田碳酸盐岩破碎性地层防塌钻井液技术

为了解决顺北油气田奥陶系碳酸盐岩破碎性地层易发生井壁坍塌的问题,从地质构造特征、地层裂缝发育及充填程度和井壁岩块受力等方面分析了井壁坍塌的原因,发现造成井壁坍塌掉块的主要原因是强挤压段应力集中、地层微裂缝发育和定向井段受重力影响。虽然地层破碎、应力集中无法改变,但可以提高钻井液的封堵性能,通过有效充填、封堵微裂缝阻止压力传递,同时钻井液保持较高的密度支撑井壁,从而解决井壁坍塌问题。为此,综合考虑强化钻井液封堵能力、控制钻井液高温高压滤失量和优化钻井液动塑比等,优选了防塌钻井液配方,并保持较高的钻井液密度以支撑井壁,形成了防塌钻井液技术。该技术在顺北X井进行了现场试验,钻进中扭矩稳定,机械钻速较高,井径扩大率较小,防塌效果良好,可为其他油气田破碎性地层的高效、安全钻井提供借鉴。

顺北油气田破碎性地层井壁稳定技术难题与对策

近年来,顺北油气田多口井因钻遇破碎性地层出现了严重的井壁坍塌掉块情况,导致阻卡频繁,多口井回填侧钻,已成为顺北油田勘探开发的重大技术难题之一。统计分析了顺北油气田奥陶系破碎性地层复杂现状,针对破碎性地层技术难点,研究分析了其坍塌失稳机理,提出了安全钻井技术对策。结果表明:失稳机理主要为受挤压构造影响,地层破碎,应力集中,加之地层高角度裂缝、层理等弱面发育,胶结性差,结构松散,极易发生剪切破坏,产生大面积坍塌失稳现象。钻井液应强化致密封堵、固结性能,提高地层完整性和岩石强度,适当提高钻井液密度,加强力学支撑作用,同时提高钻井液携带能力,保持井眼清洁。破碎性地层钻进时应尽量简化钻具,优化钻井参数,“少进多退”,保证井下安全。

破碎性地层封堵效果的评价方法探讨

评价井壁不稳定的传统方法主要是基于泥页岩的水化分散与膨胀两个特性，而破碎性地层，煤层及硬碎性地层的井壁垮塌机理完全不同于泥页岩地层，以前的评价方法难以适用，必须重新建立评价模型。作者在此做了一些定性的工作，供参考。

塔深5井超深复杂井眼破碎性地层取心技术

为了解寒武系地层储集性能及含油气性,塔深5井需要在寒武系及震旦系地层取心。针对地层承压能力低、井壁易失稳掉块卡钻、白云岩可钻性差、地层裂缝发育等诸多技术难题,在保证取心安全的前提下,围绕如何提高取心进尺及收获率,进行了一系列的技术攻关,制定了详细的技术措施及施工方案,顺利完成了取心作业。该井共取心11次,累计取心50.59m,收获率高达93.90%,最深取心井段89 9 4~90 0 0m,连续8次刷新亚洲陆上取心最深纪录,对国内外超深复杂井眼破碎地层取心具有一定的借鉴意义。

基于二维螺旋周向涡流的破碎性油气层固井新技术

固井质量直接影响油气产量,优良的顶替效率是保证固井质量的先决条件。针对破碎性窄密度窗口地层固井存在大排量顶替易漏、小排量顶替效率低的技术难题,提出了螺旋顶替提高破碎性窄密度窗口固井质量的理念,用水平集法构建了水泥浆顶替前置液的追踪顶替界面数学模型,以典型固井工况参数为例,通过数值模拟方法研究了周向速度对顶替界面、顶替效率和接触时间的影响,形成了裸眼段二维螺旋(螺旋刚性扶正器)顶替固井技术。研究结果表明:①二维螺旋顶替时,顶替界面受周向速度的影响,“凸进”现象减缓,顶替界面较稳定,水泥浆接触地层时间延长,顶替效率提高;②相对于一维轴向顶替,二维螺旋顶替在原轴向波及范围内,增加了水泥浆周向波及,有助于将不规则井段内的被顶替液“旋出”,缩小滞留区,提高水泥浆胶结环境,驱净效果明显。结论认为,该技术在伊拉克米桑油气田现场应用,固井质量优质率从40%提升到60%,二维螺旋顶替固井技术稳定顶替界面和提高井壁驱净效果,二维螺旋周向波及顶替机理为解决破碎性窄密度窗口地层固井顶替的技术难题及研发螺旋注水泥工具提供理论支撑。

破碎地层漏失损害机理及漏失控制对策

概括了破碎性地层漏失类型、漏失控制现状以及常用的材料与工艺技术;回顾了我国川东北、塔河、鄂尔多斯盆地之陇东地区等地的漏失及其防治技术;实例分析了鄂尔多斯盆地之陇东地区一口漏失频发水平井的治理对策。指出井漏控制不仅是对漏失通道的有效封堵,也包括对井内压力系统和封堵层承压能力的控制。建议今后加强堵漏材料研制和井筒压力控制的研究。

裂缝性泥页岩地层防塌误区及强封堵防塌对策

对于裂缝发育等破碎性地层,在井筒内外压差作用下钻井液极易沿裂缝等天然通道侵入地层,致使近井裂缝发育带孔隙压力增加,引发泥页岩水化膨胀及强度性能下降,导致坍塌压力增加,从而使得井壁垮塌越加严重,搞清破碎性地层垮塌机理至关重要。结合延安气田石盒子和石千峰组裂缝性泥页岩“越提密度、垮塌越严重”井塌处理误区,指出缺乏对裂缝有效封堵是症结所在。为此提出适用于裂缝发育等破碎性地层“封堵为先、抑制水化、合理密度”的防塌技术对策,在此基础上,优选出延安气田强封堵钻井液配方并在现场成功应用,相关技术思路及研究成果可为类似破碎性地层防塌提供参考。

适用于特定地层的PDC钻头个性化设计

破碎性地层的井下掉块常常导致常规设计的PDC钻头出现卡钻现象,严重的甚至会造成钻头掉齿、断刀翼等井下事故,严重影响了PDC钻头的推广使用。为此,对Ф215.9mm六刀翼PDC钻头进行了全面改进设计:冠部形状为"直线—圆弧—直线",相邻刀翼之间夹角约为60°;主切削齿直径为16mm且按照"中密度"方式布置;将刀翼尾部的保径块整体上移一定距离,且4个保径块围绕钻头轴线成90°。之后采用PDC钻头数字化钻进仿真系统和CFD软件对设计方案进行了力平衡和井底流场优化分析:优化布齿参数的钻头横向力约为钻压的3.9%;高的流速分布在1号、5号刀翼工作面鼻部位置及2号、3号、4号、6号刀翼背面,有利于岩屑及时清除出PDC齿表面。改进后的新型Ф215.9mmPDC钻头在吐哈油田破碎性地层中应用总进尺1339m,与邻井同井段相比,节约了5次起下钻工作量和作业时间,钻头出井后,仅两颗齿损坏,其余PDC齿磨损均衡,冠部冲蚀情况与钻头的井底流场分析的结果完全吻合,说明PDC钻头的个性化设计能够为此类地层钻井提速提供切实可行的技术思路。

如何破解破碎性煤层气储层钻井液安全密度窗口扩大的难题

1.目的为了破解破碎性煤层气储层钻井液安全密度窗口扩大的难题,笔者研发了粘接提高煤岩强度的相关技术。其主要原理为:钻完井流体的液柱压力会使得具有粘接能力的钻完井流体进入破碎性地层的单元缝隙或者层理、割理,在封堵材料的作用下,钻完井流体静止或者流动速度降低,有可能将原来破碎的单元变成一个整体,增大了煤颗粒之间的摩擦力和黏聚力,进而提高了煤岩强度和漏失压力、降低了坍塌压力,从而达到破碎性煤层钻井不塌不漏的目的。

流固耦合下破碎性煤系地层坍塌规律研究

破碎性地层广泛存在裂隙结构,其井壁稳定分析一直是研究难点。文章基于流固耦合理论开展了破碎性煤系地层井壁稳定研究,推导了非稳定渗流模型,结合岩石力学实验确定渗流作用对煤岩力学参数的影响,建立了流固耦合下的坍塌压力计算模型,并结合实钻数据完成模型验证与分析。研究结果表明:渗流初期以非稳定渗流为主,当渗流时间超过6 min后,渗流量随渗流时间增加而线性增加,表明已从非稳定渗流转变为稳定渗流;渗流作用下,煤岩内摩擦角降幅较大,内聚力降幅相对较小;渗流作用对轴向应力影响较小,对径向和周向应力影响较大;考虑渗流作用后,坍塌压力当量密度上升了约0.3 g/cm 3;对比分析X01井和X04井煤层段井壁稳定预测结果,文章基于流固耦合理论的井壁稳定预测模型能够准确预测煤系地层的坍塌压力。研究成果有助于保障破碎性地层井壁稳定,为合理确定钻井液密度提供理论依据。

绒囊钻井液处理煤层气钻井上漏下塌地层的施工工艺

煤层气钻井经常钻遇上漏下塌地层,通常采用调换或调整钻井液来防塌控漏,但常常会因目的不一致而难以奏效。为此,针对不同层段漏失与坍塌控制主要需求,通过室内实验优化不同钻井液性能范围及指导配方,配制封堵性能由弱到强5种配方的绒囊钻井液封堵0.1 mm、1.0 mm、2.0 mm宽的裂缝,有针对性地形成了现场新浆配制、老浆维护等工艺,并在多个区域现场完成了超过5井次的绒囊钻井液工艺应用。实验评价结果表明:(1)以封堵相同宽度裂缝至驱压20 MPa的升压周期表征体系封堵性能强弱,优选出随钻控漏、随钻堵漏、静止堵漏3套钻井液配方;(2)以饱和煤柱塞后单轴抗拉强度、三轴抗压强度增幅表征防塌性能强弱,优化出坍塌风险分别为低、中、高煤层适用的钻井液配方;(3)根据钻井液消耗速度优化新浆补充速度,以排量、表观黏度降幅及实验得到提升表观黏度等指标确定优化老浆维护工艺所需的处理剂用量;(4)现场应用效果表明,钻井流体在对付漏失、坍塌地层前,调整好性能,是取得成功的关键。结论认为,通过调节绒囊流体不同的配方可以实现煤层气井内封堵控制漏失、坍塌,该工艺为煤层以及类似破碎性地层稳定井壁提供了技术支撑。

超深破碎型地层岩石力学参数的大数据预测模型

超深储层油气资源丰富,是目前油气开发的重点,但是储层岩体破碎和非均质性强,传统的预测储层力学参数方法误差大,对工程设计和施工造成很大的困难。基于大量试验和现场施工数据,分析了储层测井数据、储层裂缝数据、岩石力学数据的相互联系,建立了基于岩石力学性质-地质储层特征-测井解释之间物理关联的多参数约束;开发了多元非线性回归拟合算法模型,形成了超深破碎型储层全储层段岩石力学参数预测模型。该预测模型克服了破碎型地层数据量少导致的计算误差大的难题,能明确全储层段岩石力学参数,与实际工程施工参数相比预测准确度达90%以上。研究结果为超深破碎型地层钻完井安全施工提供了技术支撑。

江苏油田百色探区坤页AHF井钻井提速技术

百色探区那读组地层破碎,易水化膨胀垮塌,井壁失稳导致钻井周期长。为有效降低复杂时间,提高钻井速度,在坤页AHF井钻井中,采用油基钻井液体系、个性化钻头+高效螺杆+随钻地质导向+强化参数钻井、轨迹控制技术、破碎性地层取心等系列技术,安全高效地完成了坤页AHF井施工,实钻机械钻速最快达15.05 m/h,比邻井坤8-6HF井机械钻速提高5.02倍。该井提速系列技术的成功应用,为百色地区页岩油后续井优快钻井提供有效的参考和借鉴。