强应力敏感裂缝性致密砂岩屏蔽暂堵钻井完井液.pdf

第 3 1卷 第 6期 2 0 1 4年1 1月 钴井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D 、 ， o 1 ． 31 NO． 6 NO V．2 0l 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 8 强应力敏感裂缝性致密砂岩屏蔽暂堵钻井完井液 康毅力 ， 高原 ， 邱建君 ， 游利军 ， 皇凡生 1 ．“ 油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 西南石油大学 ，成都 ； 2 ． 中石化河南石油工程有限公司，河南南阳 康毅力等 ． 强应力敏感裂缝性致密砂岩屏蔽暂堵钻井完井液 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 6 2 8 3 2 ． 摘要传统的保护裂缝性储层的钻井完井液设计以裂缝的静态宽度为依据，极少关注由应力敏感性引发的裂缝动 态宽度变化行为，导致暂堵材料粒径小于储层动态缝宽，无法有效控制漏失而严重损害储层。以泌阳凹陷深层典型致 密砂岩储层为研究对象，基于岩心观察和测井资料获取静态缝宽，并开展应力敏感实验，研究应力变化对静态缝宽的 影响 ； 通过有限元法模拟确定应力扰动下动态缝宽变化，进而优选屏蔽暂堵钻井完井液配方。实验表明，根据动态缝 宽优选的屏蔽暂堵完井液封堵时间不超过 5 mi n ，返排恢复率达 8 0 ％，滤饼承压能力达 1 5 MP a ，高质量滤饼可以快速 封堵裂缝，有效预防井漏发生。钻井作业过程 中储层保护试验成功与失败的案例说明，强应力敏感裂缝性储层保护必 须考虑动态缝宽参数，且暂堵粒子粒径上限应随着钻井完井液密度的增加而适度放大，才能覆盖最大动态缝宽范围。 关键词 裂缝性储藏 ； 应力敏感 ； 钻井完井液 ； 屏蔽暂堵 ； 静态缝宽 ； 动态缝宽 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 40 6 0 0 2 8 0 5 裂缝的存在有利于致密储层的高效开发，但同 时会导致钻井完井液漏失，诱发严重的储层损害。采 用裂缝I生 储层屏蔽暂堵技术，保证暂堵材料粒径与缝 宽合理匹配，可避免漏失而有效保护储层。目 前，针 对孔隙性储层的屏蔽暂堵技术 已经比较成熟 ，然而针 对裂缝性储层的屏蔽暂堵技术方法 尚处于探索中 [ 1 - 5 ] 。 传 统的钻井完井 液设 计一般 以裂缝的静态宽度为依 据，极少关注由应力敏感性引发的裂缝动态宽度变化 行为 ，致使暂堵粒子粒径远小于储层动态缝宽 ，储层 保护效果时常不理想 ，甚至造成严重的井漏损害。本 文选择泌阳凹陷深层典型致密砂岩储层为研究对象， 基 于岩心观察和测井资料获取静态缝宽 ，通过开展天 然缝、人工缝岩样的应力敏感实验， 研究应力变化对 静态裂缝宽度的影响，并基于有限元法模拟了应力扰 动下动态缝宽变化 ， 优化 出屏蔽暂堵钻井完井液配方 。 1 静态裂缝宽度 设计针对裂缝性储层的屏蔽暂堵钻井完井液的基 础参数是静态裂缝宽度 ，即务必第一时间快速封堵的 裂缝宽度 。 安棚油田构造处于南襄盆地泌阳凹陷赵凹一 安棚鼻状构造东南部，其主要含油气层位为核三段， 油藏埋深 3 0 0 0 3 3 0 0 m， 气藏埋深 3 l O O ～3 5 0 0 m， 含气井段长 4 0 0 I 12 ，地层压力为 2 2 ～3 1 MP a ，地层 温度为 9 0 ～1 3 0℃。该区地层平均孔隙度和渗透率 分别为 6 ． 9 9 ％ 和 1 ． 3 41 0 一 n 1 2 ，裂缝天然发育 ，以 高角度构造缝为主，平均线密度为 O ．5 3 条 ／ m，属典 型裂缝性致密砂岩储层 。 1 ． 1 静态裂缝宽度分析 安棚深层系储层裂缝 的倾角多在 7 0 。以上 ，线 密度为 O ． 5 3条 ／ m。通过岩心观察手段 ，获取安棚深 层 系岩心在恢 复至原地有效应力 2 1 ． 4 2 MP a 条件 下 的微裂 缝 宽度一 般小 于 5 0 g m，峰值 为 5 0 ～ 1 0 0 g m，平均裂缝宽度为 1 4 ． 7 ～1 9 ．8 m。而通过测井资 料所得 ，安棚深层系裂缝原地静 态宽度 一般也小于 5 0岬1 图 1 。故综合岩心观察和测井资料认为 ，安 棚深层系裂缝性砂岩静态裂缝宽度小于 5 0 g m。通过 挤压应力作用下形成的剪切裂缝长度与裂缝间距的关 系推测 ，裂缝最长可达 1 m。 1 ． 2 应力对静态裂缝宽度的影响 以安棚深层典型致密砂岩岩样为研究对象 ，选择 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 2 0 1 0 C B 2 2 6 7 0 5 、国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X0 5 0 1 8 - 0 0 5 ． 0 0 3 。 第一作者简介 康毅力，教授，博士生导师，1 9 6 4年生，主要从事储层保护理论及技术、非常规天然气、油气田开发地质研究 与教学工作。地址 成都新都区西南石油大学新能源研究中心； 邮政编码6 1 0 5 0 0； 电话 0 2 8 8 3 0 3 2 9 7 4； E - ma i l c w c t k y l v i p ．s i n a ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 钻井 液与 完井液 2 0 1 4牟 1 1月 F A B施加井筒有效压力 △P，B C和 E F段 为对称段 ， 施加对称位移。C D段施加最大有效水平地应力 ， D E段施加最小有效水平地应力 尸 ’ ，即裂缝 A B是沿 最大有效地应力 P l 方向。基本参数 由泌阳凹陷裂 缝性致密砂岩储层的地应力测试结果可知，孔 隙压力 P n 为 2 8 ． 1 8 MP a ，最大水平 主应力 为 6 1 ． 0 7 MP a ，最 小水平主应力为 4 9 ． 6 0 MP a 。选取比奥特系数 仪为 0 ． 5 ，根据孔隙弹性效应 ，有限元有效载荷如下 最 大有效水平主应力 P 为 4 6 ． 9 8 MP a ，最小有效水平主 应力 P ’ 为 3 5 ． 5 1 MP a ，井筒正压差△P通过井筒压力 调节 ，预测裂缝动态宽度变化情况 。 图 3 与井简连通单条垂直裂缝有限元力学模型 2 ． 2 动态缝宽模拟结果 对一定长度裂缝在恒定正压差作用下井壁 附近裂 缝宽度变化情况进行模拟，设定井筒正压差为 3 、5 、 7 、1 0 、l 5 、2 0 MP a ，裂 缝 长 度 为 2 5 0 、5 0 0 、7 5 0 、 1 0 0 0、5 0 0 0 、1 0 0 0 0 mm，结果见表 2和图 4 。 表 2 裂缝宽度变化预测结果 裂缝长度 ／不同井筒正压差 MP a 下的井壁裂缝宽度／ mm mm 3 5 7 1 0 1 5 2 0 2 ． 3 动态缝宽模拟结果分析 模拟结果显示 ，在正压差条件下，井壁附近的裂 缝会张开 ，随井筒压力增大，井壁裂缝不断变宽。结 合正常钻井时 3 ． 5 MP a 井筒压差且最长裂缝长度为 1 m， 查表 2可知裂缝动态宽度可达 9 5 ． 8 g m。因此可知 ， 裂缝动态宽度远大于裂缝静态宽度，故预测储层裂缝 宽度时一定要考虑裂缝宽度动态变化行为，实现钻井 完井液快速封堵 ， 避免裂缝剧烈变化发生灾变性漏失 。 0．4 0 0_3 5 O_3 0 0．2 5 0 ． 2 0 0． 1 5 O． 1 0 0．0 5 O．o o O．7 0 ． 6 0．5 0．4 0．3 O．2 0． 1 0．O 4．O 3 ． 5 3 ． O 2 ． 5 2 ． 0 1 ． 5 1 ． O 0 ． 5 O ． O O 1 o o 2 o o 3 0 0 4 0 0 5 0 0 沿裂缝不同位置／ r a m a 缝长为 5 0 0 r n m - - 一 3MP I I O 2 o o 4 0 0 6 O O 8 0 0 1 0 0 0 沿裂缝不 同位置／ m m b 缝 长为 1 0 0 0 i n ／ n 一- 3MP a 0 1 o o 0 2 0 00 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 沿裂缝不 同位置／ mm c 缝长为 5 o o omm - - 一 3 a 0 2 O o o 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 沿裂缝不同位置／ m m d 缝 长为 1 0 0 0 0mm 图 4 与井筒连通单条垂直裂缝计算机模拟结果 3 裂缝屏蔽暂堵钻井完井液实验评价 泌阳凹陷常用钻井完井液为聚磺混油防塌钻井完 井液体系， 具体配方如下。 4 ％膨润土 O ． 2 ％KP AM 0 ． 2 ％F A3 6 7 0 ． 5 ％L V CM C3 ％ CS M P． 1 2 ％ S F T l 2 0 2 ％ S P NH 0． 5 ％GF一 霎 暑 Ⅲ ／ 悄 测 唧 ／ 悄裂裂 目 逞髑 制磔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l卷 第 6期 康毅力等 强应力敏感裂缝性致密砂岩屏蔽暂堵钻井完井液 3 1 2 1 ％QS 一 2 2 ％QS - 4 2 ％CY - l 1 ． 5 ％J R H一 6 1 6 1 ． 5 ％ S L ． 3 0 ． 2 ％S P ． 8 0 4 ％ 白油 0 ． 5 ％HAR ． D 该体系粒度分析结果 D 。 为 4 ．4 7 7 b tm，D 9 。 为 2 2 ．2 1 5 u m，体积平均粒径仅为 8 ．5 8 0 g m。该区静态 裂缝宽度 主要在 5 0 I x m 以下 ，考 虑裂缝宽度动态变 化时可达 9 0 1． t m 以上 ，而裂缝性储层 架桥粒子粒径 为裂缝宽度 的 8 0 ％～ 1 0 0 ％ 时可稳定架桥 ，故认为该 体系基本达到保护基块孔喉的目的，但是相对裂缝宽 度的粗颗粒基本没有，有效固相颗粒含量不足。应考 虑增加较大粒径粒子含量 ，从而提高暂堵粒子粒径上 限，使其覆盖 9 0 u m范围。设计屏蔽暂堵钻井完井 液配 方 为 原 浆 2 ％L F 一 2 1 ％E P 一 2 ，粒度 分析 结果 表明，J [ s 0 为 6 ． 0 1 2 I． t m，D 0 为 2 7 ． 0 6 7 g m，体积平均 粒径 为 1 0 ． 6 4 3 m。裂缝 暂堵剂 L F 一 2由一定 比例 的 纤维和超 细碳酸钙组成 ，其 D如为 2 4 ． 3 7 g m，D。 。 为 9 2 ． 1 2 g m，L F ． 2加人钻 井完井液后会形 成多根纤维 和固相 碳酸钙或钻井液颗粒 絮凝 团，这种絮凝 团 在瞬间失水发生时 ，会在裂缝人 口处形成多点接触和 桥堵 ，在裂缝很浅的部位封堵裂缝，阻止钻井液的固 相和液相进一步侵人裂缝 和基质 。E P ． 2是 一种低荧 光乳化石蜡 ，在温度达到 1 2 0 o C 时可熔化变形对储层 进行有效封堵，主要起充填刚性粒子孔隙的作用。 3 ． 1 实验方法 选 择泌 阳凹陷深层 系 2 O 块裂 缝岩样，使 用 MF C I 型多功能损害评价仪 ，模拟井下工况进行动 态损害实验及承压能力实验。实验温度为 9 0℃，压 差为 3 ． 5 MP a ，剪切速率为 1 5 0 S ～ ，时间为 6 0 mi n 。 3 ． 2 实验结果 考虑裂缝宽度动态变化的改性屏蔽暂堵钻井完井 液相 比原钻井完井液封堵时间由 8 mi n缩短为 5 mi n ， 平均 自然返排恢复率由4 0 ％提高至 7 0 ％，承压能力 由 5 0 g t m以上裂缝滤饼仅 能承 9 MP a压力提升 为 8 O g m 以下裂缝滤饼 均能承受 1 5 MP a压力 。相 比原钻 井完井液 ， 考虑裂缝动态宽度设计的屏蔽暂堵完井液 配方滤失量显著下降 ，滤饼形成速度及承压能力大幅 提高，且返排效果更好 表 3 和表 4 。可见，考虑 裂缝宽度动态变化时 ，所得钻井完井液配方储层保护 效果更好 [8 -9 1 。 4讨论 及工程应 用 T 5 。 3 7 5 井是泌 阳凹陷下二门短轴背斜构造 II 2 表 3 返排恢复率对 比 注 P为突破压力 ；A p为最大恢复率的压差。 表 4 不同钻井液承压能力对比 岩样 g J 缝宽 ／ 不同压力下滤失速率 ／ m L ／ mi n 1 0 0 m 3 ．5M Pa 5MPa 9M Pa 1 2M P a 1 5M P a A3 0 0 6 ． 1 3 改 A2 0 2 8 1 4 b 性A3 0 0 6 1 4a 钻 井A8 4 - 1 4 a 液A8 4 ． 2 0 a A8 4 一 l 1 b 4 6 ． 5 8 0．0 0 5 0 ． 0 0 5 0 ． 0 0 7 5 0．0 0 7 5 0 ． 0 0 7 5 6 6 ． 7 9 0．0 0 5 0 ． 0 0 5 0 ． Ol 5 0．01 5 O ． 0l 5 6 6 ． 8 0 0 ． 0 0 2 5 0 ． 0 0 5 0 ． 0 0 5 0．0 0 5 0 ． 0 0 5 6 9． 8 l 0．0 0 5 0 ． 0 0 5 0 ． 0 0 7 5 0．0 0 7 5 0 ． 0 0 7 5 7 2 ． 3 9 0 ． 0 0 2 5 0 ． 0 0 2 5 0 ． 0 0 5 0．0 0 5 0 ． 0 0 7 5 7 8 ． 8 0 0 ． 0 0 7 5 0 ． 0 0 7 5 0．O1 0．O1 0．01 断块上的一 口采油井 ，设计井深为 2 2 9 5 m。该井设 计钻井完井液配方时仅考虑裂缝静态宽度。在钻至井 深 2 2 1 9 ． 8 5 m时发生溢流 ，溢流量为 1 8 L ／ s ，关井配 1 ．3 0 g ／ c m ’ 钻井完井液压井，2 次压井均未成功，第 3次 配 1 ． 3 2 g ／ c m 钻井完井液 6 0 1T I ，压井成 功 ，后 又配密度为 1 ． 3 0 g ／ c m 的钻井液注人井里 ， 只进不出， 判断为井漏。在之后先后进行 了 1 2次堵漏 ，但堵漏 8 1 l m 强 ” 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 钍井液与完井液 2 0 1 4年 1 1月 效果甚微，堵漏中共计 7 0 0 m 的钻井完井液漏失。 分析认为 ，仅考虑静态裂缝宽度导致设计缝宽偏窄 ， 钻井完井液不能实现对裂缝的有效封堵 ，井漏频发。 安 HF ． 1 井是泌 阳凹陷安棚区块的一 口致密砂岩 气水平井 ，设计垂深为 3 5 1 1 m，水平段长 1 0 6 2 1 T I 。 该井设计钻井完井液配方时已考虑动态宽度变化，在 水平段钻进顺利 ，未发生漏失 。然而 ，在通井作业中 当井筒压差增大至2 5 MP a 时发生多次漏失，最多一 次漏失 5 0 m 密度为 1 ． 3 6 ～ 1 ． 4 0 g ／ c m o分析认为 ， 综合考虑静态 、动态裂缝宽度设计及维护的钻井完井 液，滤饼封堵能力显著提高，滤饼质量好，摩阻小， 避免压差卡钻，保证了水平段的正常钻进，但完钻后 的通井作业提高了钻井完井液密度 ，井 筒压差增大， 裂缝宽度亦增大，此时未能及时补充与动态裂缝宽度 相匹配的较粗固相粒子 ，导致裂缝变宽 ，或重新被压 漏。因此 ，在压井前应循环钻井完井液 ，在提高钻井 完井液密度的同时，随钻加入较粗粒径暂堵粒子 ，增 强对动态裂缝宽度变化的适应能力 ，暂堵粒子粒径上 限应能覆盖最大动态缝宽范围，即可控制压井过程 的 井漏。 5 结论 1 ．考虑裂缝宽度动态变化的屏蔽暂堵钻井完井 液封堵时间不超过 5 m i n ，平均 自然返排恢复率达 7 0 ％，滤饼承压能力在 1 5 MP a以上 ，效果优于原钻 井完井液 。 2 ．基于静态裂缝宽度设计的钻井完井液不能有 效封堵裂缝，导致井漏频发。考虑动态裂缝宽度变化 设计 的钻井完井液滤饼封堵能力显著提高 ，滤饼质量 好 ， 摩阻小 ，避免压差卡钻 ， 保证了水平段正常钻进。 3 ．在设计强应力敏感裂缝性储层屏蔽暂堵钻井 完井液时 ，必须考虑动态缝宽参数 ，且应保证井筒压 差 、裂缝宽度 、钻井完井液密度三者的协调统一 ，现 场应常备暂堵材料 ，以备随时添加。 [ 2 】 参 考 文 献 蒋海军，鄢捷年 ． 架桥粒子粒径与裂缝有效流动宽度匹 配关系的试验研究 [ J ]J． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 0 ， 2 4 4 1 - 3 ． J i a n g Ha i j u n ，Ya n J i e n i a n ．L a b o r a t o r y s t u d y o n t h e c o mp a t i b i l i t y b e t we e n t h e d i a me t e r o f b r i d g i n g p a r t i c l e s a n d t h e e f f e c t i v e f r a c t u r e w i d t h [ J 】 ．Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 0 ，2 4 4 1 - 3 ． 王业众 ，康毅力，李航，等．裂缝性致密砂岩气层暂 堵性堵漏钻井液技术 [ J ] ．天然气工业，2 0 1 1 ，3 1 3 63． 65． W a n g Ye z h o n g， Ka n g Y i l i ， Li Ha n g，e t a 1 ． Dr i l l i n g f l u i d s f o r t e m p o r a r y s e a l i n g i n f r a c t ur e d t i g h t s a n d s t o n e g a s r e s e r v o i r s [ J 1 ．N a t u r a l G a s I n d u s t r y ，2 0 1 1 ，3 1 3 63 ． 65． [ 3 ] 刘加杰，康毅力 ，王业众．扩展钻井液安全密度窗 口 理论与技术进展 [ J ] ．钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 4 6 9 7 3 ． Li u J i a j i e ，Ka n g Yi y i ，Wa n g Ye z h o n g ．P r o g r e s s e s i n t h e o r y a n d t e c h n o l o g y o f d r i l l i n g flu i d s ’ s a f e d e n s i t y wi n d o ws e x t e n s i o n [ J ] ．Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 7 ， [ 4 】 [ 5 ] [ 6 ] 【 7 ] [ 8 ] [ 9 ]9 2 4 4 6 9 ． 7 3 刘静， 康毅力， 刘大伟 ， 等．考虑裂缝宽度及压差的裂缝 一 孔隙型储层屏蔽暂堵实验研究 [ J ]J．钻采工艺，2 0 0 6 ，2 9 2 9 7 ． 9 8 ． Li J i n g， Ka n g Li y i ， Li u Da we i ，e t a 1 ． Re s e a r c h o n t h e t e mpor ar y s hi e l d i ng pl uggi n g e x pe r i me nt i n co ns i d er i ng f r a c t u r e - p o r e r e s e r v oi r o f fra c t u r e wi d t h a n d p r e s s u r e d i f f e r e n c e [ J 】 ．D r i l l i n g＆P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ， 2 9 2 9 7 ． 9 8 ． Do n W h i t fil 1 ． L o s t c i r c u l a t i o n m a t e r i a l s e l e c t i o n p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n a n d f r a c t u r e m o d e l i n g wi t h f r a c t u r e s i mu l a t i o n s o ft wa r e [ R ] ．S P E 1 1 5 0 2 9 ，2 0 0 8 ． 游利军，康毅力，陈一健，等．考虑裂缝和含水饱和度 的致密砂岩应力敏感性 【 J 】 ．中国石油大学学报 自然科 学版 ，2 0 0 6 ，2 6 2 5 9 6 3 ． Yo u Li j u n，Ka n g Yi l i ，Ch e n Yi j i a n，e t a 1 ．S t r e s s s e n s i t i v i t y o f fra c t u r e d t i g h t g a s s a n d s i n c o n s i d e r a t i o n o f fra c t u r e s a n d wa t e r s a t u r a t i o n [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m E d i t i o n o f Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 6 ，2 6 2 5 9 6 3 ． 张浩 ，康毅力 ，陈景山，等．储层裂缝宽度应力敏感性 可视化研究 [ J ]J．钻采1 二 艺，2 0 0 7 ，3 0 1 4 1 ． 4 3 ． Zh a ng Ha o， Ka ng Yi l i ， Ch e n J i n g s h a n， e t a 1 ． S t u d y o n v i s u a l i t i o n f o r s t r e s s s e n s i b i l i t y o f fra c t u r e wi d t h i n r e s e r v o i r [ J ] ．D r i l l i n g＆P r o d u c t i o n T e c h n o l o gy ，2 0 0 7 ，3 0 1 4 1 4 3 ． 练章华，康毅力，徐进 ，等．裂缝宽度预测的有限元数 值模拟 [ J ] _天然气工业 ，2 0 0 1 ，2 1 3 4 7 - 5 0 ． Li a n Zha n g h u a，Ka n g Yi l i ，Xu J i n，e t a 1 ．Pr e di c t i n g fra c t u r e wi d t h b y fi n i t e e l e me n t n u me r i c a l s i mu l a t i o n [ J 】 ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y，2 0 0 1 2 1 34 7 5 0 ． 何健 ，康毅力 ，高波．滤饼返排压力的实验研究 [ J ] ．钻 井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 3 2 9 ． 3 1 ． He J i a n，Ka n g Yi l i ， Ga o Bo．Ex p e r i me n t a l s t u d y o n fi l t e r c a k e p r e s s u r e d u r i n g fl o wb a c k [ J 】 ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m pl e t i o n Fl u i d，2 0 0 5，2 2 3 2 9 3 1 ． 收稿 日期2 0 1 4 0 5 2 1 ；HG F 1 4 0 6 W2 ；编辑 汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m