《复杂情况下钻井液工艺油层保护ppt培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复杂情况下钻井液工艺油层保护ppt培训课件（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 复杂情况下的钻井液工艺 及油层保护,51 井塌 一、井壁不稳定的现象 二、井壁不稳定地层类型及泥页岩 1. 井壁不稳定地层类型 发生井塌的地层：泥页岩、 胶结不良砾岩、砂岩、塑性变型埋藏较深的岩盐 发生井塌的主要地层是泥页岩 泥页岩是沉积在海相盆地的沉积岩，主要由粘土和淤泥形成的岩层。,2. 泥页岩的形成 成岩过程： （含大量电解质） 松软 硬脆泥砂，生物遗体 25千米 一般5千米 当沉积过程中有砂、钙、铁等物质参与形成，就形成各种含质的泥页岩 在压实过程中，沉积物中的水分被挤压，水分被上覆地层压力挤出。当钻开井眼后，岩石的受压情况变化（减小）泥页岩中粘土因表面吸附能的缘故，会重新吸附
2、泥浆中的水，这就是所谓“表面水化”的原因。 当沉积物中的水分被上覆压力挤出后，沉积物泥页岩的孔隙中的离子浓度升高，泥页岩孔隙便会吸附泥浆中水进入，这就是所谓“渗透水化” 即泥页岩钻开后会发生“表面水化”和渗透水化。,当压实过程中上部分是非渗透性的，则水分不能被挤走而被圈闭在下面，承受上覆岩层的压力，就产生异常压力泥页岩。 上覆压力由地层岩石骨架支撑着，若地层强度不足以支撑上覆压力，则一部分上覆压力将由岩石孔隙中流体承受，这样就会使地层流体呈异常高压。 上覆压力另外，由于地壳构造运动，会产生一些断层破碎带等力学不稳定结构。,3.泥页岩分类1.2类，主要蒙脱石多，称为软泥页岩，以水化膨胀为主，在水
3、中分散成糊状。 3.4.5含蒙脱石少，称为硬页岩，以裂解为主，分散成片状，水不浑浊。,三、井壁不稳定原因分析 (一)地层方面原因 1.异常压力释放 正常压力：地层孔隙与地面水源连通，它的压力为正常压力。 压力梯度Gn=0.1000.106kg/cm2/m0.106为含盐10万PPm的盐水柱压力。 Gn=0.1070.237kg/cm2/m即为大于盐水柱列岩石柱压力。实际上Gn0.143kg/cm2/m为异常高压 Gn0.100kg/cm2/m为异常低压 产生异常压力的原因是孔隙流体圈闭，未与地面水源连通。,（2）泥页岩里面的砂岩透镜体孔隙压力异常 在页岩形成过程中页岩内的水被地层压力挤入砂岩透
4、镜体，砂岩透镜体的水被隔离封闭起来，孔隙内充满液体形成高压，液柱压力总是于孔隙流体压力，在P孔-P液的压差作用下，孔隙内部液体会沿着阻力最小的砂岩与页岩的交接面把压力释放出来，造成页岩被水冲垮，掉入井内。,2.构造应力释放 在地壳构造运动中使部分地层岩石受挤压，会产生很大内应力，当井眼钻开后，构造应力释放造成页岩崩垮。 构造应力使地层破碎，井眼钻开后破碎岩石掉入井内。,高压,高压,低压,3.井壁岩石受力不均匀，产生较大侧应力。 在上覆压力作用下，产生侧压力。,强度低的岩层有： 含水量较高的蒙脱石地层 岩石膨胀后，胶结力变弱，增大P侧增大。当P侧的作用超过了岩石的屈服强度后，岩石便向井内垮塌，显
5、然的大小反映了岩石强度大小，所以为了克服侧压力引起的坍塌，可提高液柱压力来平衡。 深部地层岩盐层，或含盐量较高的页岩层。 以上原因是客观存在的井壁不稳定，属于力学不稳定，受力关系较复杂，一般对付措施： a.提rm平衡地层压力 b.对胶结不良的倾斜地层运应加封堵物质，如沥青,(二)钻井工艺方面原因 1.泥浆冲刷 泥浆返速较高，冲蚀井壁，易促使破碎地层和微裂缝发育的伊利石地层垮塌。 2.井内压力激动过大 起钻的抽吸压力易使受预应力地层，异常地层垮塌。 3.起钻未灌满泥浆 4.井斜后，钻具碰撞井壁,(三)物理化学方面原因-泥页岩的水化效应 1.泥页岩的两种水化关系 (1)表面水化 P表=P覆-P孔指
6、向井壁 (2)渗透水化 地层中的离子浓度大于泥浆中的离子浓度，泥浆中水自动于移到地层-渗透水化指向井内 2.,3.膨胀压力（Pb）-向四周膨胀的压力。方向由地层指向井内。膨胀压力由表面水化压力和渗透水化压力两部分组成。 给定含水量下的膨胀压与同样含水量下粘土蒸汽压有关，遵从下面方程式式中- 与岩石或粘土平衡状态时水的相对蒸汽压，近似等于试样中水的活度：地层吸水愈利害，膨胀压越大。地层越易变形垮塌，若两种水化压力作用方向一致，二者叠加会产生上百个大气压数量级压力，用提高泥浆比重克服水化膨胀压起防塌作用难见效，而是想法降低Pb。,（4）影响水化膨胀的因素。 .页岩的性质 软页岩吸水强，Pb大，硬脆
7、页岩水化弱Pb小。 .泥浆滤液性质 泥浆矿化度高，抑制泥页岩膨胀Pb小，PH高，水化增强Pb .吸附水的时间 膨胀压要经过一段时间后才会明显上升，所以可以以快制塌。,(四)井壁坍塌应力 井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为。P塌0。 P塌一旦产生（P塌0）井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。 钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆柱压力有效平衡：P泥P塌则井壁保护稳定。,四.防塌理论 保持井壁稳定，关键针对泥页岩水化效应，其实质是防止水相迁移，泥页岩吸水膨胀，泥页岩脱水使其变脆，也易发生掉块剥落坍塌，最好使井壁岩石与井眼内没有水迁移，这时井
8、壁稳定，根此提出活度平衡防塌。 活度平衡防塌 根据化学位原理体系化学位 纯水化学位,根据热力学函数及化学位概念，可得出结论，在等温条件下，物质从化学位高的向化学位低的转移，到平衡时两相化学位相等。 由,活度平衡防塌要点： 由于地层泥页岩与钻井液中水的矿化度不同，亦即活度不同，化学位不同，而导致水的转移，使泥页岩脱水或吸水产生井壁不稳定，故必须使两个化学位相等，亦即活度平衡。才能防止水相转移而有效地保持井壁稳定。 体系活度平衡，渗透作用不存在。当 ，意味泥浆中电解质浓度小于泥页岩水中的电解质浓度，泥浆中水分自发向泥页岩渗透，使泥页岩吸水膨胀，反之泥页岩脱水，故活度平衡为防塌最有效，在实际运用时，
9、要求泥浆的活度与其地层的最低活度平衡。,例：计算用多少的CaCl2(kg/m3)应加到油基泥浆的水中以抑制具有活度为0.74的泥页岩的水化作用，设油基泥浆含有30%体积的水。 解：根据活度平衡防塌理论,(二)压力平衡防塌 要点： 井内泥浆与泥页岩之间的水分移动方向是指向井内泥浆，即泥页岩吸水还是脱水，是由作用在这一深度的各种压力的合力决定。 要保证井壁稳定必须保证两个平衡 P液P孔 防止地层流体的压力释放 P液+P表+P吸渗P孔+P脱渗 水相不移动或指向井壁井筒，使其不吸水，以上五个参数，仅P液和P脱渗为可变因素，由控制泥浆密度和增加泥浆矿化度来实现以上条件。,1. 泥浆对P塌的影响泥浆引起页
10、岩中粘土水化。此水化作用导致P塌增加： 引起水化作用的内在因素（岩石方面） 粘土水化产生膨胀压（P膨）此膨胀直接转化为P塌： 粘土表面水化：P膨 404000大气压（400MPa) 粘土渗透水化：P膨 几100大气压(10MPa),（一）水敏性地层的井壁稳定, 粘土水化（特别是渗透水化）大大改变岩石力学性质（刚性下降，塑性增加），使P塌上升。 粘土水化 大大降低页岩强度，从而使P塌上升 此影响受页岩矿物组成、结构、产状及地层水状态的影响。其中主要是粘土矿物的种类、含量、存在状态以及原始水化状态（即粘土实际水化状态、地层水矿化）是决定P塌产生及大小的内在因素。, 引起页岩水化作用的泥浆因素（外在
11、因素、人力可控因素）： 泥浆水相进入页岩地层： 推动力： 正压差：P泥P地0 泥浆水相（滤液）进入地层； 页岩亲水表面引起的毛管附加压力P加0，泥浆水相进入地层； 化学势（渗透压）：泥浆中水的活度岩石中粘土水化水的活度。, 进入地层的泥浆水相引起粘土表面水化或渗透水化 由于其水化程度大小由泥浆水化能力或抑制水化能力所决定。其水化程度可在0（完全不水化）极大（完全水化分散）之间变化。因此而引起P塌的增加。相当于密度增加02（依地层组成、埋深等因素变化）。水化引起岩石力学性质及强度的变化使P塌进一步上升。,理论和实践证明，在一般情况下（地应力正常、地层倾角小、页岩埋藏深度不太大、地层不破碎），P塌
12、通常为0。但经泥浆作用后， P塌可以上升到12（当量密度）,2. 水敏地层的防塌泥浆技术 技术要点 全过程保持合理的泥浆密度，确保P泥P塌 减少泥浆液相对地层的渗入： P泥接近等于或低于P地P0 改变岩石表面润湿性：使P加0或P加0（油基泥浆或使用阳离子表活剂） 泥浆矿化度高于地层水矿化度，使泥地 改善泥浆造壁性：改善泥饼质量，降低泥浆失水 封堵、阻断地层中泥浆水相流动通道, 提高泥浆水化抑制能力 泥浆抑制能力：抑制水化能力抑制水化膨胀、分散能力 抑制水化能力：加入处理剂（以电解质为主）降低泥浆中水相活度a水至小于地层粘土的a水，从而消除或减少粘土表面水化和渗透水化。, 当前存在的主要问题 P
13、塌的确定不准确 由各种井壁应力分布模型和相应的实验测定方法可以确定出P塌。但若考虑到水化作用的各种影响而改变后的P塌至今没有一个得到公认的办法。得不到具体一口井井下实际的P塌。, 客观准确反映井壁稳定技术的评价方法不过关 目前常用的方法有岩心浸泡、滚动回收、SSI值测定。都不能很好反映其实质。而必须应该有的 粘土水化（去水化）程度。水化（去水化）程度引起岩石力学性质、岩石强度变化情况。泥浆及其组份水化抑制性强弱的评价方法至今尚未建立。 因此现有防塌泥浆处理剂及泥浆体系的防塌能力的评价仍不够准确。, 技术观念要进一步更新 泥浆增加P塌。不同泥浆增加幅度不同。由现场井下实际情况总结出的P塌一般都偏
14、大 H.T.H.P失水低未必就是好的防塌泥浆 这类地层的封堵是指封堵剂渗入页岩微细孔道后对它的堵塞（不可能是泥浆中固相粒子造成） KCl、CaCl2、聚合物体系的抑制性达不到要求。, 高效抑制泥浆体系并未建立 常用抑制剂(KCl、CaCl2、MMH、阳离子、高分子聚合物)抑制性不足 泥浆抑制性与泥浆性能之间的矛盾未能根本解决，其兼顾协调结果使抑制性被削弱。 , 防塌泥浆技术新进展（在原有技术基础上）： 有针对性的评价方法。水化程度、水化程度 与岩石力学性质、强度关系、泥浆抑制水化能力评价以及特殊封堵评价等方法已在建立。泥浆作用引起P塌增加的测定和计算方法已在建立 室内测试与理论计算 数值模拟
15、工程测井：测定井下页岩实际P塌, 高效抑制泥浆体系可能解决 有机酸盐泥浆体系：用机机酸盐（如 HCOOK、HCOONa)代替无机盐（NaCl、CaCl）。,HCOOK、HCOONa 等甲酸盐溶解度大，可配成浓度很高活度很低的溶液。以它作水相建立的泥浆可有效抑制井下地层常见的各种水化。而且有机酸盐对泥浆性能的破坏作用较大地低于同浓度的无机盐。 因此，建立泥浆体系、维持泥浆性能比较容易，对其抑制性的降低不大。从而使泥浆抑制性的整体水平有较大提高。若再配合其它办法比如与乙二醇、聚合物配合使用，则有可能得到抑制性完全满足钻井需要的新泥浆体系。, 可有效阻断页岩内微细孔道利用具有浊点的水溶性聚合物例如各类聚合醇（聚乙二醇、聚乙氧基短链醇、聚丙氧基短链醇），它可提高泥浆抑制性，增强聚合物温度稳定性，提高处理剂效能，降低H.T.H.P失水，而最有效的是随着溶液进入地层微孔后温度上升，达到或超过其浊点温度而析出有效堵塞孔道。（用量较大3%10%）,因此，以有机酸盐聚乙二醇为水相建立的泥浆体系或在现有防塌体系中引入HCOOK、聚乙二醇等加以改造，就完全有可能获得比现有防塌体系好得多的泥浆体系。再配合现有成功的防塌技术和新建的评价方法则有可能使对付水敏性地层的井壁不稳定问题的系列配套技术上一个新的台阶。,
