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    CFD某油田碳質(zhì)泥巖層鉆井坍塌原因分析及對(duì)策研究

    2021-08-20 00:07:48蘇延輝耿學(xué)禮鄭曉斌李文良黃毓祥史斌張靜
    關(guān)鍵詞:碳質(zhì)泥巖鉆井液

    蘇延輝,耿學(xué)禮,鄭曉斌,李文良,黃毓祥,史斌,張靜

    CFD某油田碳質(zhì)泥巖層鉆井坍塌原因分析及對(duì)策研究

    蘇延輝,耿學(xué)禮,鄭曉斌,李文良,黃毓祥,史斌,張靜

    (中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 300452)

    CFD某油田2h井水平段著陸前鉆遇碳質(zhì)泥巖層發(fā)生坍塌,影響鉆井時(shí)效,為滿足該油田后續(xù)鉆井需求,針對(duì)性開展坍塌原因分析和對(duì)策研究。綜合分析鉆井液性能與井壁坍塌的關(guān)聯(lián)性、坍塌掉塊的層理結(jié)構(gòu)和黏土礦物組分,確定鉆井液密度低、封堵性能和抑制性能不足是碳質(zhì)泥巖層坍塌的主要因素。從力學(xué)對(duì)策方面,基于強(qiáng)度各向異性模型建立了井斜與坍塌壓力的關(guān)系曲線,為鉆井液密度的選擇提供指導(dǎo)。從化學(xué)對(duì)策方面,通過抑制劑和封堵劑的優(yōu)選,加入體積分?jǐn)?shù)分別為1%聚胺抑制劑+5%細(xì)目碳酸鈣+1%納米封堵材料后的鉆井液巖屑回收率達(dá)91.39%,高溫高壓失水降低22.41%,坍塌掉塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度降低率從優(yōu)化前的32.45%降至13.6%。研究結(jié)果為解決實(shí)物資料少及現(xiàn)場(chǎng)亟需鉆井防塌措施提供參考。

    碳質(zhì)泥巖; 鉆井液; 坍塌; 抑制; 封堵

    由于受鉆井液密度、防塌性能和地層適用性等多因素影響,硬脆性泥頁巖在鉆井過程中的井壁坍塌一直以來都是石油鉆井面臨的一大難題[1?3]。渤海油田東營(yíng)組下段至沙河街組普遍存在硬脆性泥巖,受較高的地應(yīng)力作用,層理、裂縫、微裂隙等弱結(jié)構(gòu)面普遍存在,導(dǎo)致井壁容易坍塌破壞[4?6]。解決井壁坍塌主要從力學(xué)、化學(xué)、力化耦合等方面進(jìn)行,力學(xué)通常應(yīng)用于常規(guī)彈性模型對(duì)坍塌壓力的預(yù)測(cè),化學(xué)措施的前提是圍繞坍塌樣品進(jìn)行機(jī)理分析。由于數(shù)據(jù)和樣品的缺失及計(jì)算模型和研究手段的限制,一般坍塌井坍塌及防塌的研究面臨諸多挑戰(zhàn)[7?8]。

    CFD?2h井在水平段著陸前鉆遇硬脆性的碳質(zhì)泥巖時(shí)遭遇嚴(yán)重坍塌事故,導(dǎo)致鉆具被填埋,而相鄰的定向井CFD?7井在鉆遇該類地層時(shí)順利完鉆,未出現(xiàn)坍塌事故。針對(duì)這一現(xiàn)象亟需開展該地層鉆井過程中的坍塌機(jī)理研究,制定相應(yīng)的鉆井液防塌對(duì)策,為后續(xù)的鉆井作業(yè)措施優(yōu)化提供指導(dǎo)。面對(duì)該油田坍塌層除掉塊外無其他實(shí)物資料,以及利用常規(guī)力學(xué)模型計(jì)算坍塌壓力與實(shí)際不符合的情況,本文從鉆井資料入手,結(jié)合掉塊的微觀特性對(duì)坍塌原因進(jìn)行分析,從力學(xué)和化學(xué)兩個(gè)角度開展鉆井液防塌措施研究。

    1 坍塌機(jī)理分析

    1.1 CFD?2h井坍塌過程分析

    CFD?2h井四開作業(yè)著陸中完后,倒劃眼測(cè)井、通井時(shí)在碳質(zhì)泥巖段發(fā)生地層垮塌事故,處理過程中鉆具斷落井底,被迫更改井身結(jié)構(gòu),進(jìn)行五開作業(yè)。五開作業(yè)再次鉆遇碳質(zhì)泥巖段,且多次蹩停頂驅(qū),起下鉆遇阻,稠漿清掃后,振動(dòng)篩返出較多碳質(zhì)泥巖掉塊。兩次處理坍塌共計(jì)耗時(shí)12.5 d,占該井總復(fù)雜情況處理工時(shí)的3/4以上。

    CFD?2h井在碳質(zhì)泥巖段發(fā)生嚴(yán)重坍塌,但相鄰的定向井CFD?7井在該地層卻鉆井順利。對(duì)比兩口井的各項(xiàng)參數(shù),CFD?2h井(井斜77.24°,方位102.81°)鉆井液密度從CFD?7井(井斜24.61°,方位141.49°)的1.30 g/cm3提至1.50 g/cm3,鉀離子質(zhì)量濃度從28 000 mg/L提至50 000 mg/L,氯離子質(zhì)量濃度從96 000 mg/L提至135 000 mg/L。與CFD?7井對(duì)比,CFD?2h井在該層位井斜更大,雖然采用提高鉆井液密度,提高鉀離子和氯離子含量等常規(guī)處理措施,但仍未解決碳質(zhì)泥巖段嚴(yán)重坍塌問題。

    1.2 碳質(zhì)泥巖黏土礦物分析

    對(duì)該油田沙河街組層位碳質(zhì)泥巖的掉塊進(jìn)行黏土礦物分析,以進(jìn)一步了解其坍塌機(jī)理(見表1)。從表1中的全巖分析結(jié)果看,黏土礦物質(zhì)量占總組分質(zhì)量的26.42%~63.77%,平均為48.71%,黏土中不含蒙脫石,主要成分以高嶺石、伊利石、伊蒙混層為主,伊蒙混層中蒙脫石平均占比為25%,主要為伊利石。碳質(zhì)泥巖整體呈現(xiàn)硬脆性狀態(tài),因發(fā)育有一定含量的伊蒙混層,具有一定的水化膨脹性。

    表1 坍塌段碳質(zhì)泥巖全巖、黏土組成

    1.3 坍塌原因分析

    圖1為碳質(zhì)泥巖掉塊圖片。如圖1所示,振動(dòng)篩返出的坍塌掉塊中存在大量剝落掉塊,其中有相當(dāng)數(shù)量的掉塊存在片狀平整面脫落痕跡,主要是因?yàn)殂@井液密度不足而導(dǎo)致的垂向于泥頁巖層理發(fā)育方向上的支撐力不夠,而造成巖石應(yīng)力剝落的現(xiàn)象。從力學(xué)角度分析,在CFD?2h井碳質(zhì)泥巖段,鉆井液密度較低是造成井壁坍塌的原因之一。

    在鉆開碳質(zhì)泥巖地層后,鉆井液濾液沿地層層理、裂隙進(jìn)入碳質(zhì)泥巖內(nèi)部,一方面造成近井地帶的含水飽和度升高,進(jìn)而造成坍塌壓力升高。另一方面由于伊/蒙混層、伊利石、高嶺石等組分的水化能力存在差異,導(dǎo)致巖石內(nèi)部各組分間水化程度不同,造成巖石內(nèi)部的力學(xué)平衡發(fā)生變化,從而發(fā)生井壁失穩(wěn)、坍塌。從化學(xué)角度分析,鉆井液的封堵能力和抑制性能不足也是造成井壁坍塌的原因之一[9?11]。

    2 力學(xué)對(duì)策研究

    從造成碳質(zhì)泥巖坍塌的力學(xué)因素考慮,需要研究井斜與坍塌壓力的關(guān)系,以選擇合適的鉆井液密度。利用常規(guī)彈性模型的井壁穩(wěn)定的軟件對(duì)坍塌壓力進(jìn)行預(yù)測(cè),CFD?2h井的最高坍塌壓力僅為1.40 g/cm3,與實(shí)際作業(yè)有一定偏差。對(duì)于深部碳質(zhì)泥巖及泥質(zhì)灰?guī)r地層,常規(guī)彈性模型已經(jīng)不再適用,井眼垮塌呈現(xiàn)出明顯的井斜、方位相關(guān)性。基于應(yīng)力矩陣坐標(biāo)系變換的方法,將井周應(yīng)力變換到層理面坐標(biāo)系下,采用三維應(yīng)力狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則,建立強(qiáng)度各向異性的井壁穩(wěn)定分析模型[12],并繪制井斜與坍塌壓力的關(guān)系圖,如圖2所示。

    圖1 碳質(zhì)泥巖掉塊圖片

    圖2 基于強(qiáng)度各向異性模型的井斜與坍塌壓力關(guān)系

    由圖2可知,對(duì)于CFD某油田碳質(zhì)泥巖地層,當(dāng)井斜在30°~45°時(shí),坍塌壓力當(dāng)量密度在1.30 g/cm3以下,相對(duì)較低。當(dāng)井斜超過該角度范圍時(shí),坍塌壓力出現(xiàn)陡增現(xiàn)象,最大坍塌壓力當(dāng)量密度達(dá)到1.55 g/cm3。對(duì)于強(qiáng)度各向異性模型預(yù)測(cè)的坍塌壓力,存在一個(gè)臨界井斜角,超過該臨界角時(shí),坍塌壓力急速增加,這與CFD?2h實(shí)際施工時(shí)鉆井液密度的調(diào)整趨勢(shì)相吻合,同時(shí)也解釋了CFD?7井鉆遇坍塌層穩(wěn)定,而CFD?2h井在該井段頻繁坍塌的原因。參照強(qiáng)度各向異性模型繪制井斜與坍塌壓力的關(guān)系曲線,可為該油田后續(xù)鉆井施工提供必要的密度支持。

    3 化學(xué)對(duì)策研究

    從造成碳質(zhì)泥巖化學(xué)坍塌的原因上看,首先需要提高鉆井液的抑制性,強(qiáng)化鉆井液對(duì)易膨脹組分的抑制能力,其次是提高鉆井液的封堵能力,利用合適的材料封堵巖石表面的微裂縫和孔隙,阻止鉆井液的濾液侵入地層。

    3.1 抑制性能優(yōu)化

    3.1.1抑制劑優(yōu)選 增加鉀離子含量和礦化度雖然可以提高鉆井液的抑制性能,但鉀離子含量過高則易造成地層硬化,同時(shí)礦化度對(duì)鉆井液抑制性的提高也存在“天花板”效應(yīng),尤其是對(duì)硬脆性泥頁巖未必能起到最好的作用。原有鉆井液中的鉀離子含量及礦化度均較高,濾液的活度處于較低水平,但對(duì)碳質(zhì)泥巖的抑制并未實(shí)現(xiàn)較好效果。需優(yōu)選一種聚合物類抑制劑,與無機(jī)鹽協(xié)同作用,共同提高鉆井液的抑制性能。

    優(yōu)選一種在渤海油田廣泛應(yīng)用的聚胺類抑制劑YZ?1,其分子中的陽離子基團(tuán)與鉀離子大小類似,可以鑲嵌在黏土礦物的晶格中,能夠有效抑制黏土的水化膨脹,其中的陽離子基團(tuán)在鉆井液中釋放過程緩慢,從而起到了長(zhǎng)效作用。

    3.1.2抑制性能優(yōu)化結(jié)果 參照《SY-T 5613-2016 鉆井液測(cè)試泥頁巖理化性能試驗(yàn)方法》中泥頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)方法,使用清水、原鉆井液、改進(jìn)鉆井液對(duì)沙河街組碳質(zhì)泥巖進(jìn)行泥巖線性膨脹實(shí)驗(yàn)和滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)[13],評(píng)價(jià)聚胺抑制劑的抑制性能,改進(jìn)鉆井液配方為(體積分?jǐn)?shù)):原鉆井液+1%聚胺抑制劑YZ?1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3和表2。

    圖3 泥巖線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    由圖3可得出,清水、原鉆井液、改進(jìn)后的鉆井液16 h膨脹率分別是18.80%、9.12%、6.73%。由表2可知,清水對(duì)巖屑的回收率為25.14%,原鉆井液對(duì)巖屑的回收率為80.83%,改進(jìn)后的鉆井液對(duì)巖屑的回收率為91.39%,改進(jìn)后的鉆井液抑制性能較原鉆井液有較大幅度提升。

    表2 巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    3.2 封堵性能優(yōu)化

    為有效提高鉆井液的封堵性能,在原鉆井液的基礎(chǔ)上,增加了不同粒徑組合的細(xì)目碳酸鈣(FD?1)作為封堵材料,同時(shí)優(yōu)選了自主研發(fā)的柔性納米封堵材料FD?2與FD?1配合使用,形成致密的封堵層,實(shí)現(xiàn)對(duì)碳質(zhì)泥巖的有效封堵,降低鉆井液濾液侵入地層。通過動(dòng)態(tài)失水實(shí)驗(yàn)[14],評(píng)價(jià)優(yōu)化前后鉆井液對(duì)低滲巖心的封堵性能,低滲巖心參數(shù):孔隙度9.4%,滲透率8.63 mD;實(shí)驗(yàn)溫度130 ℃,實(shí)驗(yàn)壓差3.5 MPa,實(shí)驗(yàn)速度梯度150 s-1。改進(jìn)鉆井液配方為:原鉆井液+5%FD?1+1%FD?2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可以看出,改進(jìn)后的鉆井液對(duì)低滲巖心的動(dòng)態(tài)失水體積與原鉆井液體積相比,125 min的總失水從0.58 mL降低至0.45 mL,降幅達(dá)到22.41%,改進(jìn)后的鉆井液與原鉆井液相比具有較好的封堵性能。

    3.3 防塌性能綜合評(píng)價(jià)

    通過對(duì)原鉆井液抑制性能和封堵性能的研究,優(yōu)化后的鉆井液配方為:原鉆井液+1%聚胺抑制劑YZ?1+5%FD?1+1%FD?2,對(duì)其進(jìn)行防塌性能的綜合評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)上測(cè)試巖石強(qiáng)度變化檢驗(yàn)鉆井液防塌性能最直觀的方法,但在實(shí)際鉆井中極少在坍塌層取芯,而坍塌層掉塊相對(duì)于錄井巖屑來說,受鉆井液污染較輕,因此選取坍塌層掉塊,進(jìn)行點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)試是接近巖心實(shí)驗(yàn)的方法。

    圖4 鉆井液對(duì)低滲巖心的動(dòng)態(tài)失水結(jié)果

    選取大小合適的碳質(zhì)泥巖掉塊,測(cè)試在模擬地層條件下被不同鉆井液浸泡后的破壞荷載,再換算成點(diǎn)荷載強(qiáng)度,以評(píng)價(jià)鉆井液的防塌性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

    表3 掉塊點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    點(diǎn)載荷計(jì)算公式為:

    從表3可以看出,使用海水浸泡后的碳質(zhì)泥巖掉塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度較未浸泡掉塊相比降低54.34%,原鉆井液浸泡后的掉塊與未浸泡掉塊相比點(diǎn)荷載強(qiáng)度降低32.45%,改進(jìn)后的鉆井液浸泡后的掉塊點(diǎn)荷載強(qiáng)度與未浸泡掉塊相比降低僅13.60%,改進(jìn)后的鉆井液具有較強(qiáng)的防塌能力。

    4 結(jié) 論

    (1)在分析該油田碳質(zhì)泥巖坍塌原因的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有資料,基于強(qiáng)度各向異性模型繪制了井斜與坍塌壓力的關(guān)系曲線。通過引入聚胺類抑制劑YZ?1、剛性封堵劑FD?1和柔性納米封堵劑FD?2,對(duì)原鉆井液進(jìn)行了防塌性能優(yōu)化。

    (2)坍塌掉塊點(diǎn)荷載抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn),驗(yàn)證了改進(jìn)后的鉆井液具有良好的防塌能力,研究成果為該油田后續(xù)的鉆井施工提供了優(yōu)化方向,也探索出一種簡(jiǎn)便且時(shí)效性強(qiáng)的解決井壁坍塌難題的思路。

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    Analysis of Drilling Collapse and Countermeasures Study for Carbonaceous Mudstone in CFD Oilfield

    Su Yanhui, Geng Xueli, Zheng Xiaobin, Li Wenliang, Huang Yuxiang, Shi Bin, Zhang Jing

    (Drilling & Production Co.,CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin 300452, China)

    Serious well collapse in the 2h well horizontal section of a CFD oilfield took place during drilling in carbonaceous mudstone before landing. In order to satisfy the requirements of drilling the rest wells, the analysis of drilling collapse and the research on anticollapse countermeasures were carried out. By investigating the correlation between drilling fluid performance and wellbore collapse,bedding structure and clay minerals, the low drilling mud density, and the poor performance of plugging and anti?swelling were determined to the main factors leading to the well collapse. From the point of view of mechanical countermeasures, the relationship curve between well deviation and collapse pressure were established based on the strength anisotropy model, for the future selection of mud density. In view of chemical countermeasures, 1% inhibitor along with 5% calcium carbonate and 1% nano?materials as plugging agents were added in the drilling fluid. The results show that the cuttings roller recovery using optimized drilling fluid could reach to 91.39%, the dynamic HTHP filtrate loss performance be decreased by 22.41%. The point load strength of the optimized drilling fluid is only 13.60%, which is superior to the original one of 32.45%.The research results can provide reference for solving the problem of lack of physical data and urgent need of anti?sloughing measures.

    Carbonaceous mudstone; Drilling fluid; Collapse; Inhibition; Plugging

    TE254.3

    A

    10.3969/j.issn.1006?396X.2021.04.009

    1006?396X(2021)04?0053?05

    http://journal.lnpu.edu.cn

    2021?05?20

    2021?06?20

    中海油能源發(fā)展股份有限公司重大科研專項(xiàng)“渤海油田增儲(chǔ)上產(chǎn)配套技術(shù)研究與應(yīng)用(Ⅰ期)”(HFZDZX?GJ2020?01)。

    蘇延輝(1982?),男,博士,高級(jí)工程師,從事儲(chǔ)層保護(hù)、油田化學(xué)技術(shù)研究及應(yīng)用方面研究;E?mail:suyh@cnooc.com.cn。

    (編輯 王戩麗)

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