快速钻井剂稳定井壁快速钻进作用机理研究.pdf

第 3 2卷第 1期 2 0 1 0年 2月 西南石油大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y S c i e n c eT e c h n o l o g y E d i t i o n Vo 1 ． 3 2 No ．1 F e b ． 2 01 0 文章编号1 6 7 4 5 0 8 6 2 0 1 0 O l 一 0 1 6 5 0 5 快速钻井剂稳定井壁快速钻进作用机理研究 杨宇平 ， 孙金声 ， 杨 枝 ， 卢运虎 ， 江四清 1 ． 中国石油集 团钻井工程技术研究院 ， 北京 1 0 0 1 9 5 ； 2 ． 中国石油勘探开发研究院博士后 流动站 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ． 中国地质大学 北京 工程技术学院， 北京 1 0 0 0 8 3； 4 ． 中国石油大学石油工程教育部重点实验室 ， 北京 昌平 1 0 2 2 4 9； 5 ． 中国石油长城钻探工程公司钻井液分公 司， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 钻井过程中所钻地层岩石首先接触的是钻井液， 如果钻井液能以保证井壁稳定为前提在瞬间有效降低地层 岩石强度 ， 即可大幅度提高机械钻速。采用渗透率大小不同的天然岩芯在不同浓度的快速钻井剂 K S Z J 中浸泡不同 时间， 岩石瞬间强度及 最终强度的变化表 明， K S Z J 能 以较 高的渗透速 率以及较大渗透体积迅速渗入岩石的裂纹 ， 从 而 强化了裂纹尖端的应力， 促使裂纹迅速扩展以致瞬间破坏岩石强度， 提高破岩效率， 从而提高机械钻速； 随着浸泡时 间的增加 ， 岩芯强度也 随之迅速增强并趋 于稳定 ， 有利 于井壁稳定 ， 保持 井径规 则。在射 流钻井模拟 实验装置上钻进 不同硬度的岩石及海拉 尔盆地乌 1 2 6 8 8井进行的现场试验结果表明 快速钻井液技术有效解决了井壁失稳问题， 提 高平均机械钻速显著 关键词 快速钻井处理剂 K S Z J ； 岩石强度 ； 机械钻速 ； 稳定井壁 ； 作 用机理 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 8 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4～ 5 0 8 6 ． 2 0 1 0 ． 叭． 0 3 4 破岩效果是石油钻井中的重要技术 问题 ， 它主 要体现在钻井速度上_ 】 ， 钻井速度是影响油 田勘 探与开发效益的关键 因素 ， 提高钻井速度可以大幅 度降低钻井成本 ， 加快勘探开发进程。石油工程作 业的对象是埋藏在地下数千米深的岩石 ， 其 主要特 点是所钻井眼深 、 尺寸小。岩石力学研究的一个重 要方面涉及钻井过程 中机械、 水力及联合破岩 的高 效破岩机理和方法， 以及原地应力释放后井壁稳定 的问题 ， 它包括力学 、 化学和水力三个因素对井壁稳 定的影响。钻井过程中所钻地层岩石首先接触的是 钻井液 ， 要有效提高钻井速度 ， 就要在保证井壁稳定 前提下 ， 使钻井液在瞬间有效降低地层岩石强度 ， 从 而 高效破 岩 。 本文旨在对快速钻井液技术保证井壁稳定 ， 并 能在瞬间有效降低地层岩石强度 ， 从而大幅度提高 机械钻速的机理进行探讨。 1 快速钻井剂分子结构 提高机械钻速的快速钻井剂 } 。 s 分子结构具 备强吸附基团 羟基、 羧基、 胺 基、 酰胺 基及磺酸基 等 ， 有较长的多官能团分子链以及较长的烃基侧链。 既能提高定向吸附能力 ， 又能在吸附钻具 、 钻屑、 井壁 后， 使其润湿性能从强亲水向弱亲水方向转变。 2 岩芯强度应力测试 2 ． 1 实验方法及样品 岩样的选择关 系到岩石测试数据的精确度 ， 所 以按照岩芯实验的要求 ， 取到了准 噶尔盆地西部隆 起红 车断裂带 中段石炭系断层 一岩性圈闭构造的 5 O块井深 2 0 0 0 m的泥岩岩芯。岩样在三轴实验机 型号 M T S 8 1 6 ， 产地 美国 上进行单轴 、 三轴抗压 强度测试 ， 根据岩石强度测试的要求 ， 将岩样加工成 直径为 2 5 I n n、 长为 3 0 m m 左右的圆柱形 ， 两端磨 平 。三轴抗压强度测试选择的围压为 1 0 MP a和 2 0 M P a 。通过实验 ， 所有 的测试 曲线都与典 型的泥岩 破坏变形曲线相符。测试数据以单轴抗压 强度 、 三 轴抗压强度为主。 2 ． 2 快速钻井剂浓度对岩芯强度的影晌 采用单轴应力 、 三轴应力实验测试方法 ， 测试 了 岩芯在不同浓度 K S Z J钻井液中浸泡 5 S 后岩芯强度 {收稿 日期 2 0 0 8一l 22 3 基金项目中国石油天然气集 团公司应用基础研究项目 0 6 A 2 0 4 0 3 ； 2 0 0 8 A一 2 3 0 0 及钻井新技术推广项 目 2 0 0 8 G一5 2 0 7 。 作者简介 杨宇平 1 9 7 9 一 ， 男 汉族 ， 湖北荆门人， 高级工程师， 博士后， 从事钻井液、 储层保护基础理论与新技术等方面的研究。 1 6 6 西南 石油大学学报 自然科学版 的变化 ， 结果如图 1 所示。分析图 1可以发现， 基浆 对应的初始岩芯强度较高 ， 随着添加 K S Z J 浓度的增 加 ， 岩芯强度随之减小 ， K S Z J 浓度为 0 ． 5 ％的时候岩 芯强度最小 ； 继续增加 K S Z J浓度无益于 降低 岩芯 强度。 羔 ＼ 慧 均 { 日 ＼ 醴 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 KS Z J 浓度／ ％ a 单轴应力测试 0 0 ． 2 0． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． O K S Z J 浓度／ ％ b 三轴应力测试 图 1 K S Z J 浓度 V S 岩 芯强度 浸泡 5 S Fi g ．1 Co n t e n t o f KS ZJ v e r s u s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f r o c k 2 ． 3 浸泡时间对岩芯强度的影响 分别采用单轴、 三轴应力实验测试岩芯在钻井 液中浸泡不 同时间后岩芯强度的变化 ， 结果如表 1 、 表 2所示。岩芯在未添加 K S Z J的钻井液 中浸泡 ， 其 岩芯强度随着浸泡时间的延长而逐渐降低 ； 当岩芯 在 K S Z J 钻井液中浸泡 ， 岩芯强度随着岩芯浸泡时问 的增加而降低速率更快。 单轴应力测试结果表明浸泡时间达到 3 0 S 的时 候岩芯 强度最小 ； 三 轴应力 测试结 果表 明岩 芯在 0 ． 5 ％K S Z J的钻井液 中浸泡 ， 采用 1 0 MP a围压 ， 岩 芯强度在 6 0 S出现拐点 ， 增加 围压至 2 0 MP a ， 岩芯 强度在 2 0 S 就会 出现最小值 ， 此时有利于钻进过程 中的快速有效破 岩。随着浸泡时间的继续增加 ， 岩 芯强度也随之迅速增强 ， 有利于井壁稳定。 测试所用基浆配方为 4 ． 0 ％土浆 O ． 1 ％8 0 A 5 1 0 ． 5 ％胺盐 1 ． 0 ％S P N H 1 ． 0 ％F T I ’ 一 1 0 ． 5 ％X Y． 2 7 。 表 1 浸泡时 间与岩芯强度的对应关 系 单轴应力测试 Ta b l e 1 S o a k time v e r s u s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f r o c k Un i a x i a l t e s ti n g 表 2 浸泡时间与岩芯强度 的对应关 系 三轴应力测试 Ta b l e 2 S o a k time v e r s u s c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o f r o c k T r i a x i a l t e s t i n g 岩 薯 泡 簧篆 篓 篆 蠢 2 ． 4 岩芯渗透率与岩芯强度变化的对应关系 通过单轴应力实验分析了不 同渗透率岩芯在不 同浓度的 K S Z J钻井 液中浸泡后其岩芯强度的变化 规律， 见表 3 。可以看 到， 随着岩芯渗透率增加 ， 其 对应的单轴抗压强度随之降低。岩芯浸泡在浓度为 0 ． 1 ％、 0 ． 2 ％的 K S Z J 钻井液中 浸泡时间为 3 0 S ， 岩芯对应的单轴抗压强度降低率随着岩芯渗透率的 增加而增加 ； 而当 K S Z J钻井液浓度增 加到 1 ％ ， 不 同渗透率岩芯单轴抗压强度降低率 的差别减小。 由于高渗透率的岩芯孔隙喉道较大 ， 相对于低渗 透率岩芯而言在同样 K S Z J钻井液浓度条件下， K S Z J 钻井液能更迅速侵入并充斥 岩芯 ， 因此 ， 高渗透率的 岩芯的强度对于 K S Z J 钻井液浓度敏感度较低 ， K S Z J 钻井液在较低的浓度条件下就能显著降低岩芯强度； 相应的， 低渗透率岩芯的强度对于 I s Z J 钻井液浓度 敏感度较高， 提高 K S Z J 钻井液浓度有利于降低岩芯 强度 ， 提高岩石可钻性 ， 从而提高机械钻速。 ∞ ∞ { 寻 坫 加 ∞ ％ ∞ 第 l 期 畅字平， 等 快速钻井剂稳定井壁快速钻进作用机理研究 l 6 7 表 3 不同岩芯渗透率与岩芯强度的对应关系 Ta bl e 3 Co e ffic i e n t o f p e r me a h i i i ff v e r s u s c o mpr e s s i v e s t r e n g t h o f r o c k 0． 1 6． 9 7 7 3 3 6 3 O 1 9 6． 0 5 41 ． 9 9 2 4． 5 3 21 ． 3 0 l 3 4 8 3 7 ． 0 7 41 ． 3 1 2 ． 5 K S Z J 瞬间降低岩芯强度的机理分析 许多学者曾对钻头牙齿压入岩石的过程进行 了 理论与实验研究 ， 得出了在牙齿压人下的岩石内有 许多微裂缝产生的结论。钻井过程中所钻地层岩石 首先接触的是钻井液 ， 由于微裂缝较原来岩石 中的 孔隙往往有更大的渗透性 ， 当牙齿破碎坑中的裂纹 受到水力冲击时 ， 液体就会渗入裂缝 中， 这时岩石 中 受力情况与在岩石 中楔人一个刚体楔子相似 ， 故称 为水楔作用。水楔楔人裂纹产生一定的应力场， 在 裂纹尖端产生拉应力集中区， 它使裂纹迅速扩展 ， 致 使岩石进一步破坏 ， 从而瞬问有效降低 了地层岩石 强度， 即可大幅度提高机械钻速。 石油钻井 中冲击压人破碎是破碎井底岩石的主 要方式 。‘ 。 。机械破碎坑 中的裂纹 ， 可简化为半 扁 椭圆形裂缝 ， 如果任意变化椭圆的两个半轴的长度 ， 则可模拟各种形状 的裂纹。因此 ， 这种简化裂缝具 有广泛的适用性 ， 如图 2所示。 图 2 裂纹尖端 附近 的应力状态 F i g ． 2 S t r e s s c o n d i t i o n i n t h e c r a c k t i p X O Z 是裂纹的截面， z 轴是半圆开裂纹的对称轴 ， O 是椭圆中心， 轴通过椭圆的短轴 ， F是椭圆的一个焦 点， M r ， 0 是以 为原点的极坐标系中裂纹尖端附 近的一点， C 为半焦距 ， 由于裂纹尺寸很小， 所以， 裂纹 面上各点的渗流 射流 压力可看成是相等的。 设在裂纹端点处的渗流压力为 p ， 则受内压的 扁椭圆裂纹尖端附近 r ， 0 点处 的应力可由弹性 力学原理得到 式 中 p 一 渗流压力 ， MP a ； 一 水力学冲击压力 ， MP a ； 一 微裂纹液体渗透速率 ， L ／ s ； 一 微裂纹液体渗透体积 ， L 。 渗流压力是水力学冲击压力 、 微裂纹液体渗透 速率 以及微裂纹液体渗透体积的函数。 由此得知 ， 裂纹尖附近的最大拉应力与裂纹尺 寸 ， 渗流压力及距焦点的距离有关 ， 在渗流压力一定 的情况下 ， 裂纹越长 ， 尖锐程度越大， 拉应力就越大。 在裂纹尖端附近 ， 拉应力随 r 的平方根减小 ， r 越小 ， 拉应力越大 ， 反之就越小。 该式还表明， 拉应力与渗 流压力成正比， 故为了强化裂纹尖端的应力 ， 促使裂 纹迅速扩展以致破坏岩石 ， 应尽可能地提高井底岩 石面上的射流冲击压力 渗流压力 。通过毛细管 2 一 2 S S ～ 2 一 2 S S ， O O l J ／ l l l 6 8 西南石油大学学报 自然科学版 自吸参比实验以及毛管力曲线参 比实验测定 ， 结果 表明 K S Z J 能以较高的渗透速率 以及较大渗透体积 迅速渗入岩石的裂纹中 。 K S Z J对并壁稳定 的影响 钻井井壁稳定问题在全世界石油钻井工程 中广 泛存在 ， 它不仅影响钻井施工速度 ， 还直接影响 固井 、 射孔、 防砂 、 采油和油井增产等诸多后续作业的 效率和效果 ， 严重制约了油气田开发的速度。除力学 因素外 ， 岩石与泥浆发生物理化学作用而引起膨胀和 分散 ， 岩石本身的组分以及岩石孔隙度和渗透率等因 素引起岩石发生膨胀和分散， 钻井液的化学组分以及 性能等都是影响井壁失稳的重要原因。 利用单轴应力实验测试 了天然岩芯在 K S Z J 钻 井液中浸泡 1 2 h后岩芯强度的变化情况 ， 结果如表 4所示 。可以看出， 同样渗透率 高 、 中、 低 的天然 岩芯分别在基浆和 0 ． 5 ％K S Z J钻井液 中浸泡 1 2 h ， K S Z J 钻井液浸泡 的岩芯单轴抗压强度 明显 比没有 添加 K S Z J 钻井液浸泡的岩芯大 ， 有利于井壁稳定。 表 4 K S Z J 对 井壁稳定的影响 浸泡 1 2 h Ta b l e 4 Ef f e c t o fKSZ J 0 Ⅱb or e h o l e s t a b i l i t y 1 2 h o f s o a k i n gt ime K S Z J 钻井液接触岩石的瞬 间以较快的 自吸速 率和较高的自吸体积迅速侵入岩石孔隙， 从而 瞬间 显著降低岩石强度， 但是一旦岩石在 K S Z J钻井液 中继续浸泡较长时间， K s Z J 钻井液将从应力笼蔽效 应 、 抑制水化作用两种途径增强岩石强度 ， 从而保证 井壁的稳定性。 一 方面， K S Z J 钻井液通过应力笼蔽效应增加岩 石强度 。K S Z J 钻井液能在黏土矿物 、 井壁上强烈吸 附并改变其润湿性能 ， 有效 降低 其表面张力 ， 使 钻 屑 、 井壁表面的润湿性能从亲水 向亲油方向转变 ， 从 而形成一层致密的非亲水性封堵层 ， 提供了压力封 隔 ， 增加了井壁周围的环形应力 ， 而且使钻井液滤液 尽可能少地进入地层 ， 减弱滤液进入对岩石强度的 影响。 另一方面 ， K S Z J钻井液通过抑制水化作用防止 岩石强度降低。由于水化作用可以造成岩石 内膨胀 压增加 ， 使得岩石颗粒间胶结力减弱 ， 岩石强度降低。 侵入岩石孔隙内部的 K S z J 钻井液同样通过改变岩石 表面及孔隙内部的润湿性 ， 降低岩石的表面张力 ， 使 其润湿性能从亲水向亲油方向转变， 抑制了岩芯孔隙 内部的水化作用， 从而增加岩石强度 仃 ] 。 4 K S Z J 对钻井速度的影响 利用水射流钻井模拟实验装置， 分别采用不 同 类型的钻头 ， 在不 同的岩石上模拟钻进 ， 测定在清 水 、 钻井液 中添加 K S Z J前后实 时钻进 速度。钻进 速度都 有不 同程 度 的提 高。采 用 P D C钻 头 结合 K S Z J 模拟钻井 ， 机械钻速提高率最大 。 5 现场应用 海拉尔区域井中上部地层造浆严重 ， 易形成泥 环 ， 导致严重阻卡 ， 中下部地层可钻性差 ， 研磨性强 ， 导致钻井机械钻速低 、 钻井周期长， 下部地层易发生 井壁垮塌 ， 掉块严重 ， 严重影响了海拉尔勘探开发进 程。针对海拉尔勘区的复杂问题 ， 采用快速钻井液 技术在海拉尔盆地乌 1 2 6 8 8井进行 了现场提高机 械钻速试验。 乌 1 2 6 8 8井完钻井深 2 6 3 3 m， 是位于海拉尔 盆地贝尔拗陷乌尔逊凹陷南部东部斜坡带上的一 口 开发井。现场试验结果表明 ， 快速钻井剂与现场所 用的两性复合离子钻井液体系具有 良好的配伍性 ， 对钻井液常规性能及流变性没有影响 ， 有效解决了 中上部井段造浆严重 、 中下部井段岩石可钻性差 、 下 部井段井壁失稳的问题 ， 起下钻过程无阻卡 ， 试验井 段井径规则 。 乌 1 2 6 8 8井与相 同构造和使用井段 、 井 身结 构 、 压力系数、 钻井参数、 钻 头选型 以及钻井液性能 基本一致的邻井对 比， P D C钻头钻进对应 的平均机 械钻速提高 了 2 3 ． 5 7 ％ ， 牙轮钻头钻进对应 的平均 机械钻速提高 了 5 6 ． 2 2 ％ 以上 ， 有效地缩短 了钻进 周期 第 1 期 杨字平 ， 等 快速 钻井剂稳定井壁快速 钻进作用机理研究 1 6 9 6 结 论 1 K S Z J以较高的渗透速率以及较大渗透体 积迅速渗入井底岩石的裂纹， 从而强化了裂纹尖端 的应力， 促使裂纹迅速扩展以致瞬间破坏岩石强度 ， 提高破岩效率从而提高机械钻速 ； 并从应力笼蔽效 应 、 抑制水化作用两种途径增加岩石强度， 从而保证 井壁的稳定性 ； 2 在射流钻井模拟实验装置上钻进不同硬度 的岩石及在海拉尔盆地乌 1 2 6 ． 8 8井进行的现场试验 结果表明 快速钻井液技术有效地解决了井壁失稳以 及减少起下钻过程中的阻卡情况， 试验井段井径规 则 ， 平均机械钻速提高显著， 有效缩短了钻进周期。 参考文献 S u g d e n S． De t e r mi n a t i o n o f s u r f a c e t e n s i o n f r o m t h e ma x i m u m p r e s s u r e i n b u b b l e s J 1 ． J ． C h e m． S o c ． ， 1 9 2 2 ， 1 2 1 8 588 6 6． 陈勉 ， 邓金根 ， 吴志坚． 岩石力学在石油 工程 中的应 用 [ M] ． 北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 熊继有， 廖荣庆， 孙文涛， 等． 石油工程岩石水力破碎特 性研究[ J ] ． 西南石油学院学报， 1 9 9 9 ， 2 1 1 4 8 5 1 ． 徐小荷， 余静． 岩石破碎学[ M] ， 北京 煤炭工业 出版 社 ， 1 9 8 4 ． 孙金声， 杨宇平， 安树明， 等． 提高机械钻速的钻井液理 论与技术研究[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 2 1 6 ． 李荣 ， 韩林． 泥 页 岩 三轴 试 验及 其 井壁 稳 定 性 研究 [ J ] ． 石油天然气学报， 2 0 0 5 ， 2 7 5 7 6 8 7 6 9 ． 陈平 ， 周开 吉． 钻 井与完 井工程 [ M] ． 北京 石 油工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 8 ] 陈新 ， 杨强． 考虑 深部岩体 各 向异 性强度 的井 壁稳定 分析[ J 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