氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑評(píng)價(jià)方法探討

摘 要

摘要：氣體鉆井遇到地層出水時(shí)，通常就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井、充氣泡沫鉆井或鉆井液鉆井。工作液中液相浸入，引起地層巖石的物理化學(xué)變化，可造成井壁垮塌，甚至?xí)?dǎo)致井下復(fù)雜情況及事故
摘要：氣體鉆井遇到地層出水時(shí)，通常就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井、充氣泡沫鉆井或鉆井液鉆井。工作液中液相浸入，引起地層巖石的物理化學(xué)變化，可造成井壁垮塌，甚至?xí)?dǎo)致井下復(fù)雜情況及事故。為此，深入分析和總結(jié)了氣體鉆井遇地層出水后的特殊井下情況，提出了在特殊井下情況下泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定對(duì)處理劑的性能要求，并對(duì)氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：綜合運(yùn)用滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)、封堵效果評(píng)價(jià)，壓力穿透測(cè)試、抗毛細(xì)管力自吸測(cè)試以及巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試等方法，能夠較全面地評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定處理劑的抑制性、封堵性、抗毛細(xì)管力自吸等性能以及該處理劑對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；氣體鉆井；井壁穩(wěn)定；處理劑；評(píng)價(jià)方法
    氣體鉆井不同于常規(guī)鉆井，常規(guī)鉆井的井筒內(nèi)循環(huán)介質(zhì)為液態(tài)鉆井液，井筒與地層孔隙壓力之間存在正壓差，對(duì)井壁起到一定的支撐作用。而氣體鉆井的井筒內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)為氣體，環(huán)空內(nèi)壓力小于地層壓力，負(fù)壓差較大，井壁支撐力小。特別是在鉆遇地層出水的情況下，由于液相進(jìn)入井筒，可能引起上部泥頁(yè)巖地層的水化失穩(wěn)。需要對(duì)氣體鉆井不同情況下出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)進(jìn)行分析，并開(kāi)展相應(yīng)的井壁處理劑研究，提高特殊工況下氣體鉆井井壁穩(wěn)定性。
1 氣體鉆井工況分析及處理劑性能要求
1.1 氣體鉆井轉(zhuǎn)換工況分析
   氣體鉆井遇到地層出水時(shí)通常就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或泡沫鉆井，國(guó)外推薦在地層出水大于2.0m3/h時(shí)就要轉(zhuǎn)換[1]，國(guó)內(nèi)采用氣體鉆井時(shí)通常的做法是地層出水為1.0～5.0m3/h，可轉(zhuǎn)為霧化液。地層出水大于5.0m3/h及采用霧化鉆井時(shí)，扭矩仍大于40kN·m，則轉(zhuǎn)化為充氣或泡沫流體鉆井。但是現(xiàn)場(chǎng)施工中有時(shí)當(dāng)?shù)貙映鏊笥?m3/h時(shí)就要求轉(zhuǎn)化為其他鉆井方式[2]。本文參考文獻(xiàn)[3]認(rèn)為轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井的條件有：①地層出水大于5m3/h；②扭矩、摩阻過(guò)大或起下鉆困難，影響鉆井安全；③井斜大于設(shè)計(jì)要求且糾斜效果差；④地層出氣量超過(guò)30×104m3/h；⑤地層掉塊比較嚴(yán)重，影響鉆井安全；⑥返出氣體中硫化氫含量連續(xù)超過(guò)7.5mg/m3。實(shí)際上氣體鉆井轉(zhuǎn)換鉆井方式應(yīng)主要考慮井眼凈化和井壁穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)不同的施工和地層條件，轉(zhuǎn)換方式和轉(zhuǎn)換的邊界條件應(yīng)不同。
    在轉(zhuǎn)換作業(yè)中，原來(lái)沒(méi)有受到浸泡的無(wú)任何保護(hù)的裸露地層，會(huì)因鉆井液中液相和固相的浸入，引起地層巖石的物理化學(xué)變化，可能造成井壁垮塌，甚至?xí)?dǎo)致井下復(fù)雜情況及事故的發(fā)生。工作液轉(zhuǎn)換前后井筒工況分析如下：
    1) 氣體鉆井后，井眼周圍的巖石必須承擔(dān)由已鉆去巖石所應(yīng)承擔(dān)的載荷。由于巖石各向異性程度較高，從而使得井眼周向應(yīng)力集中，若地層應(yīng)力超過(guò)巖石極限壓力，在空井眼中井壁周圍巖石就會(huì)發(fā)生脆性破裂、垮塌，井眼常井徑擴(kuò)大等[4]。
    2) 與鉆井液鉆井不同的是，氣體鉆井主要靠高速上返的氣體流舉升鉆屑，清洗井眼。同時(shí)，在環(huán)空中，夾帶巖屑的高速上返氣流也會(huì)沖蝕井壁，由此導(dǎo)致井壁巖石表面遭到剪切破壞，巖石顆粒持續(xù)不斷的沖擊作用會(huì)使井眼尺寸不斷擴(kuò)大，造成擴(kuò)徑或者井壁失穩(wěn)[4]。
    3) 氣體鉆井時(shí)井內(nèi)流體壓力極低，井眼周圍地層巖石應(yīng)力得到充分釋放，加之空氣錘和鉆頭的震蕩，往往在井壁上形成更多的應(yīng)力釋放縫。這不利于地層出水后井壁的穩(wěn)定。
    4) 純氣體鉆井井下出水時(shí)，地層水隨著循環(huán)氣體上返附著在干燥的井壁上，并逐漸潤(rùn)濕井壁。當(dāng)高速循環(huán)的氣體不再能風(fēng)干井壁時(shí)，干燥的泥頁(yè)巖地層自吸水化，同時(shí)巖屑中的泥巖水化后抱團(tuán)，黏附在井壁和鉆具上，形成濾餅環(huán)，堵塞環(huán)空通道，起下鉆遇阻或遇卡；由于環(huán)空中的循環(huán)氣體需要將地層水霧化帶到地面，會(huì)導(dǎo)致注入壓力升高，在流量不變的情況下，壓力升高則流速減慢，不利于攜帶巖屑[5]。
    5) 地層高產(chǎn)水時(shí)，實(shí)施充氣泡沫鉆井。泥頁(yè)巖地層不但與地層水相互作用，而且與泡沫處理劑相互作用，泥頁(yè)巖地層毛細(xì)管自吸水化進(jìn)一步加強(qiáng)。
    6) 在替入鉆井液初期，由于井壁橫向形成了更多的應(yīng)力釋放縫和井壁周圍原有微裂縫的擴(kuò)張，使得地層的連通性和滲透性得到了增加；加之地層干燥，沒(méi)有濾餅，鉆井液中的自由水會(huì)迅速大量地進(jìn)入地層，巖石吸水膨脹引起井壁水化失穩(wěn)。其次，在滲透性極好的井壁上形成厚濾餅引起卡鉆復(fù)雜事故。替入鉆井液后，井下壓力增加，低壓漏失層發(fā)生井漏以及出現(xiàn)誘導(dǎo)性井漏。
    7) 隨著鉆井液的替入，當(dāng)達(dá)到過(guò)平衡鉆井時(shí)，液柱壓力高于地層孔隙壓力，驅(qū)使鉆井液進(jìn)入泥頁(yè)巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)。井眼周圍產(chǎn)生微裂縫，鉆井液滲入地層，近井地帶孔隙流體壓力增加，井壁穩(wěn)定性進(jìn)一步削弱。
1.2 氣體鉆井對(duì)井壁穩(wěn)定處理劑的要求
    根據(jù)氣體鉆井中地層出水以及工作液轉(zhuǎn)換可能造成的井壁失穩(wěn)和其他復(fù)雜井下情況，氣體鉆井井壁穩(wěn)定應(yīng)至少具備以下幾項(xiàng)性能：
    1) 良好的抑制性，能夠有效地抑制液相侵入引起的黏土礦物水化作用。
    2) 良好的封堵能力及低失水特性，通過(guò)良好的封堵和盡量降低失水量可以有效地降低液相侵入程度及其對(duì)巖石物理化學(xué)性質(zhì)的影響。
    3) 較強(qiáng)的抗毛細(xì)管力自吸能力，通過(guò)增強(qiáng)處理液的抗毛細(xì)管自吸能力可以有效地降低霧化、泡沫鉆井中液相吸入深度，同時(shí)也有利于轉(zhuǎn)換為鉆井液過(guò)程的井壁穩(wěn)定。
    4) 對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響小，流體進(jìn)入地層引起井壁失穩(wěn)最終體現(xiàn)為巖石力學(xué)性質(zhì)的改變，良好的井壁穩(wěn)定處理劑應(yīng)當(dāng)能夠有效地保持原有巖石力學(xué)強(qiáng)度。
2 處理劑實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法探討
2.1 滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)
    主要用于檢測(cè)處理劑對(duì)泥頁(yè)巖分散性的抑制能力，能定量評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖在經(jīng)充分膨脹后分散趨勢(shì)大小。
    熱滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)方法：取300mL鉆井液于高溫罐內(nèi)，然后將50g的6～10目目的層段泥頁(yè)巖巖屑加入其中，在130℃下進(jìn)行熱滾16h，然后將其過(guò)40目篩，并在自來(lái)水下沖洗1Omin左右，將篩余物放在105±3℃下進(jìn)行烘干至恒重，然后稱重并計(jì)算熱滾動(dòng)回收率R=烘干后的質(zhì)量/實(shí)驗(yàn)前的干重?；厥章试酱?，處理劑抑制性越強(qiáng)，反之抑制性越差。
    測(cè)定膨脹性泥頁(yè)巖在3種處理劑和清水中的滾動(dòng)回收率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
 

    從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，清水滾動(dòng)回收率僅為9.65%，0.5%KCl+0.5%鉀水玻璃的滾動(dòng)回收率高達(dá)81.87%抑制黏土礦物水化膨脹分散性的能力比較強(qiáng)；其他兩種處理劑的抑制性都較弱，可以通過(guò)加入其他添加劑增加其抑制性。
2.2 封堵效果評(píng)價(jià)
    室內(nèi)利用氣體/欠平衡鉆井多功能評(píng)價(jià)儀進(jìn)行處理劑的封堵效果評(píng)價(jià)，其基本流程為：
    1) 巖心飽和地層水(標(biāo)準(zhǔn)鹽水)，并用氮?dú)庹驕y(cè)定滲透率(K1)。
    2) 一定正壓差下循環(huán)處理劑反向污染巖心，記錄濾失量，利用濾失量計(jì)算濾餅滲透率(K濾餅)。
    3) 停止循環(huán)，用氮?dú)夥聪驕y(cè)定巖心滲透率(K2)。
    4) 計(jì)算巖心的封堵率：(K1-K2)/K1×100%。
    實(shí)驗(yàn)中采用代號(hào)為A、B、C、D的4種處理劑，在3.5MPa循環(huán)壓力下對(duì)取自井下同一深度的巖心進(jìn)行了封堵效果測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。
 

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，4種處理劑對(duì)同一深度巖心的封堵效果較差。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不但可以評(píng)價(jià)處理劑對(duì)地層的封堵效果，而且通過(guò)分析對(duì)比不同處理劑的封堵性能差異，可以找到比較理想的處理劑，從而提高工作液體系的膠結(jié)封堵性。
2.3 壓力穿透測(cè)試
   氣液轉(zhuǎn)換達(dá)到過(guò)平衡時(shí)，工作液液柱壓力逐漸高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使鉆井液進(jìn)入泥頁(yè)巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，使井眼附近的泥頁(yè)巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁(yè)巖強(qiáng)度降低。因此，壓力穿透效應(yīng)是造成井壁失穩(wěn)的主要原因之一。室內(nèi)利用氣體/欠平衡鉆井多功能評(píng)價(jià)儀(圖1)進(jìn)行壓力穿透實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。
    實(shí)驗(yàn)采用處理劑E、F對(duì)同一深度的井下巖心進(jìn)行了壓力穿透測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1、2。
 

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，兩種處理劑的穿透作用均很明顯，E的穿透作用比F更顯著。通過(guò)此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同處理劑壓力穿透作用，進(jìn)而評(píng)價(jià)處理劑的封堵性能，經(jīng)證明是一種合理的方法。
2.4 抗毛細(xì)管力自吸測(cè)試
    室內(nèi)研究利用泥頁(yè)巖自吸水測(cè)量?jī)x進(jìn)行抗自吸能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)。該儀器主要由精度為0.1mg的電子天平、懸掛、液槽、控溫器、計(jì)算機(jī)等組成。通過(guò)電子天平記錄懸掛在它下面的泥頁(yè)巖巖心重量變化。
    分別對(duì)清水、1%聚乙烯醇溶液、0.5%硅酸鉀+0.5%聚乙烯醇混合溶液、1%CTAB潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑溶液進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。
 

    對(duì)比吸水量與時(shí)間關(guān)系曲線可知，泥巖在清水中的吸水量上升的最快，同一時(shí)間內(nèi)吸水量也最大。從總吸水量上來(lái)看，聚乙烯醇大于CTAB潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑，大于聚乙烯醇和硅酸鉀混合溶液，說(shuō)明聚乙烯醇和硅酸鉀混合溶液的抗毛細(xì)管力自吸能力很好。CTAB潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑相對(duì)封堵型的處理劑，吸水量還是略高，抑制效果稍差。通過(guò)此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，能有效地模擬評(píng)價(jià)處理劑抑制泥頁(yè)巖自吸水的性能。
2.5 對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響評(píng)價(jià)
    評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定處理劑綜合性能的重要方法之一就是測(cè)量對(duì)比飽和處理劑與飽和水的巖石力學(xué)參數(shù)變化。室內(nèi)采用聚合物處理劑浸泡過(guò)的泥巖巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

    由分析可以看出用處理劑處理過(guò)的巖心抗壓強(qiáng)度比用水浸泡的巖心抗壓強(qiáng)度大，巖石發(fā)生垮塌破裂的程度相對(duì)較小，不同處理劑飽和后的巖石三軸抗壓強(qiáng)度也不同。說(shuō)明，通過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度測(cè)試，可以評(píng)價(jià)處理劑抑制井壁失穩(wěn)的綜合性能。
3 結(jié)論
    1) 氣體鉆井鉆遇特殊復(fù)雜情況轉(zhuǎn)換為其他循環(huán)介質(zhì)，鉆井井筒條件復(fù)雜，井壁穩(wěn)定處理劑需要有良好的抑制性、封堵能力、低失水性和抗毛細(xì)管力自吸能力，同時(shí)要有效地保持巖石強(qiáng)度。
    2) 開(kāi)展?jié)L動(dòng)回收率評(píng)價(jià)、封堵效果評(píng)價(jià)、壓力穿透測(cè)試、抗毛細(xì)管力自吸測(cè)試以及巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試能夠較為全面地評(píng)價(jià)氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑性能。
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(本文作者：魏武1 鄧虎1 李皋2 朱義新2 孟英峰2 1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工藝技術(shù)研究院；2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))