大庆油田侧斜井稳定井壁技术研究与应用

Posted 2023-01-13 地层

篇首语：志不强者智不达，言不信者行不果。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了大庆油田侧斜井稳定井壁技术研究与应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

李庆会 (大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆163453)
侧斜井工艺是适应大庆油田生产需要而研制出的新工艺。侧斜井上部在原老井内进行施工，井壁岩石在经受了原钻井液和地层水的长期浸泡后，在钻柱的碰撞和修井液的剪切作用下，极易发生井壁失稳，从而导致井塌、卡钻、井漏和电测遇阻等一系列复杂情况的发生。据统计，2001～2002年施工109口侧斜井，井塌发生率为229%。为解决这一技术难题，对井壁失稳机理及预防技术进行了深入研究和实践，提出了针对性的技术措施。在2003～2004年现场应用166口侧斜井中，井塌发生率仅为12%，取得了十分可观的经济效益和社会效益。
1 井壁失稳机理分析
1)物理化学因素 ①地层的组成。由大庆油田嫩江组地层岩样的X射线衍射分析结果可知，岩层含量最高的是粘土矿物，高达518%；其次为各种非晶态矿物(约占20%)；再次为石英(127%)、钠长石(80%)和方解石(47%)等。在所含的粘土矿物中，蒙脱石(22%)和伊/蒙混层矿物(64%)含量占了绝大部分，伊/蒙混层矿物的混层比高达45%，而其他3类非膨胀性粘土矿物———伊利石、高岭石和绿泥石只占很小一部分(14%)。对井壁稳定性产生影响的主要是粘土矿物，各种粘土矿物水化膨胀能力的顺序如下：蒙脱石>伊蒙间层矿物>伊利石>高岭石>绿泥石。因此，地层水化作用的强弱主要取决于地层中所含粘土矿物及其可交换阳离子的类型及含量。②原老井钻井液滤液进入地层的驱动力。在老井井筒中，原钻井液滤液在液柱压力与地层孔隙压力之间的压差、化学势差和地层毛细管力的驱动下，进入井壁地层，引起地层粘土矿物水化膨胀，且这种膨胀随地层中的粘土矿物与钻井液滤液接触时间的增长而加剧；目前所钻的侧斜井完井时间不一，几年至几十年的井都有，原钻井液对地层的浸泡时间较长，导致井壁粘土矿物水化程度很高，井壁坍塌的可能性增加。③地层水化膨胀对井壁稳定的影响。钻井液滤液进入地层后，由压力传递及滤液与地层粘土矿物之间通过水化作用产生的水化应力，均会引起井壁地层孔隙压力的升高。钻井液滤液进入地层，引起地层含水量升高，导致地层的力学性质发生一系列的变化。
2)力学因素侧斜井在老井浅层取套后施工，取套过程中套铣筒不可避免地要与井壁发生碰撞，套铣筒施加给井壁的震击力会导致被原钻井液长期浸泡的井壁薄弱环节发生坍塌掉块。以上分析表明，嫩江组地层是一类水敏性极强的泥页岩，造成井壁失稳的主要物理化学作用机理为：当原钻井液滤液侵入地层后，泥页岩中大量存在的蒙脱石和伊/蒙混层矿物会与之发生很强的相互作用，使粘土矿物晶格膨胀、层间距显著增大，同时发生Na+和Ca2+之间的交换，进一步增强粘土矿物的吸水膨胀性。粘土矿物吸水膨胀后，改变了井筒周围地层的孔隙压力与应力分布，引起井壁岩石强度降低。对井壁来说，宏观表现首先为缩径，然后在井壁应力和修井液的剪切作用或外力作用下，则很容易发生分散和掉块直至导致严重的垮塌，因此，井壁不稳定是物理化学因素与力学因素相互作用所导致的结果。
2 稳定侧斜井井壁的方法
由井壁失稳机理分析可知，稳定侧斜井井壁必须从物理化学与力学两方面同时着手。物理化学方法就是要求修井液具有滤失量小，抑制性强，粘切合适，动塑比在最佳范围内的特性。从力学上讲，侧斜井取套过程中不可避免地会发生套铣筒与井壁碰撞，因此，目前只能在修井液的密度设计、抑制性?a href='http://www.baiven.com/baike/225/315630.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>透纳破淞餍头矫嫦鹿Ψ颉?BR> 21 确定合理的修井液密度修井液密度必须保持在地层坍塌压力与地层破裂压力当量密度之间，经理论计算，一般侧斜井合理的修井液密度范围为：上部地层117～134g/cm3；下部高压地层152～169g/cm3
22 防塌修井液各种处理剂的优选
1)高聚物絮凝剂的优选基浆：取现场自然造浆的轻钻井液(密度121g/cm3)；1#修井液：基浆+015%PAM；2#修井液：基浆+015%KPAM；3#修井液：基浆+015%PHAC；4#修井液：基浆+015%M101。经多次高聚物流变性试验及滚动回收试验，从试验结果可知，4#修井液(M101)流动性好，粘度变化适中，动塑比在03～05之间时，修井液处于平板流型状态，对井壁的冲刷力最小，携带岩屑能力强，有利于井壁稳定；同时，M101抑制分散性能最好，聚合物稳定页岩主要是靠吸附包被作用。因此，选用M101作为防塌修井液的主聚物。
2)防塌剂的优选评价防塌剂的作用效果主要是从其对泥页岩的抑制分散效果和防塌剂本身的分子结构与地层的配伍性来考虑。取萨尔图油田南73侧斜23井嫩四段的泥页岩，对4种浓度1%的处理剂溶液(钾盐溶液、改性沥青溶液、SAKH溶液、SKCM溶液)进行热滚回收试验。试验数据表明，SKCM溶液的回收率最高，对嫩江组泥页岩抑制作用最强，故确定SKCM为防塌剂。
3)降滤失剂的优选降滤失剂的主要作用是在井壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的滤饼，降低修井液的滤失量，减少修井液中的自由水对泥页岩中粘土颗粒的侵害，达到控制井塌的目的。目前，我国常用的降滤失剂有SMP，SPNH，NPAN和SPC等4类，室内对这些处理剂的降滤失效果进行对比，NPAN修井液滤失量最小，泥饼薄、韧性好，粘切变化相对较小，对原浆的流变性影响不大，故降滤失剂选用NPAN。
23 防塌修井液体系配方的确定
依据上述高聚物絮凝剂、防塌剂和降滤失剂的筛选结果，将M101，SKCM，NPAN和其他处理剂复配的溶液进行回收试验和膨胀试验对比，确定其最佳效果。
1)回收率试验 1#修井液：4%膨润土+03%NPAN+10%SPNH+015%PAM；2#修井液：4%膨润土+03%NPAN+05%SAKH+015%PHP；3#修井液：4%膨润土+03%NPAN+05%SKCM+015%PHAC；4#修井液：4%膨润土+03%NPAN+10%SKCM+015%M101。由试验结果可知，回收率最高的是4#修井液，从而进一步证实M101，SKCM和NPAN复配后抑制水化膨胀的效果最好。
2)膨胀性试验选取不同抑制剂配制成溶液，由试验可知，各种抑制剂溶液均对页岩的水化膨胀具有一定的抑制作用，其中对泥页岩抑制性最强的是03%SKCM与01%M101的复配物，4h膨胀率为085%；并且从试验结果还可看出，SKCM与M101的复配物抑制效果都要比单剂好，从而进一步证实SKCM与M101的复配是可行的。
3)修井液处理剂最佳用量的确定根据侧斜井的地层特性及对高聚物絮凝剂、防塌剂和降滤失剂的优选结果，以不同的加量研制复配出4种修井液配方(1#配方：基浆+015%NPAN+05%SKCM+01%M101+03%JNA；2#配方：基浆+03%NPAN+08%SKCM+01%M101+03%JNA；3#配方：基浆+03%NPAN+10%SKCM+01%M101+03%JNA；4#配方：基浆+03%NPAN+10%SKCM+015%M101+03%JNA)。其常规性能见表1。

从表1中各项性能参数对比不难看出，以上4种修井液体系中，4#配方的滤失量最低，为38ml，并且其动塑比(04)适中。因此，确定4#配方修井液作为进行现场试验的防塌型修井液，将其定名为M101防塌修井液。
3 现场应用效果
2003年和2004年，应用M101防塌修井液体系施工166口井，井塌发生率仅为12%。表2列出了10口侧斜井修井液性能参数。

从表2中可以看出，修井液显示了良好的性能，塑性粘度在10～20mPa.s之间，API中压滤失量在4ml以内，动塑比值在理想的范围内，取套侧斜施工顺利，工程质量得到甲方认可。
4 结　论
1)大庆油田侧斜井上部嫩江组地层岩性为十分典型的软泥岩，粘土矿物总量以及其中蒙脱石、伊/蒙混层矿物含量相当高，且混层比相当大。
2)大庆油田侧斜井井壁失稳的主要机理为地层中粘土矿物的高度水化膨胀和分散，同时由于取套施工中套铣筒对井壁的碰撞，从而导致缩径和垮塌。
3)M101防塌修井液现场试验证明：不仅其流变性、降滤失性等常规性能满足修井施工要求，而且具有很强的抑制页岩水化膨胀的能力，防塌效果好，其平板型流型有利于携砂并防止对井壁的冲蚀，各项技术指标均满足侧斜井施工要求。