第九章井下复杂情况及其处理110922

井下复杂情况及其处理钻井液工艺原理电子教案第二章上一内容下一内容回主目录返回钻井液工艺原理电子教案—第九章•本章要点：•1、掌握有关的基本概念；•2、了解常见井下复杂情况；•3、了解井下复杂的常规处理。钻井液工艺原理电子教案第二章钻井液工艺原理电子教案—第九章上一内容下一内容回主目录返回前言在整个钻井过程中经常会遇到各种复杂情况，如井壁坍塌、泥包钻头、遇阻、划眼、卡钻、井喷等，甚至会造成整口井的报废，因此正确、及时的处理各种井下事故，是减少经济损失的重要措施。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定上一内容下一内容回主目录返回井壁失稳是指在钻井、完井等环节中发生的井壁坍塌、缩径和地层压裂等复杂情况。坍塌和缩径会造成井眼的扩大或缩小，而地层压裂则会造成严重井漏的发生，所以无论发生那种复杂都会造成大的经济损失。井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的世界性难题，国内外学者都进行了大量的研究工作，但由于问题的复杂性和研究手段的局限性，该问题一直没能得到很好的解决。（一）井壁失稳机理研究复杂地层矿物组构与理化性能是研究井壁稳定机理与技术对策的基础。（1）复杂地层组构分析利用X-射线衍射、扫描电镜（SEM）、薄片分析、透射电镜及测井资料，对地层矿物组成、分布、层理、裂缝发育状况进行分析，建立地层组构剖面。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定井号1G65G60-2311B281M3011层位NgEs33Es34Es35NgEd2Ed3Es1NmNgEd3井深/m20002982~30133550~36023896~389820463202~32043553~35564128~42531683~17032218~22233303全岩矿物组成%石英442423285292324353243方解石/43/131552292白云石/////92/1/2斜长石813121229761616钾长石35461732895赤铁矿/12////////粘矿总量4553565491435063532432粘土矿物相对含量%高岭石14544166271222绿泥石53231434673伊利石610153121924507735蒙脱石////96//////伊/蒙混层75827962/716744807440混层比%55756545/605030707030（2）复杂地层理化性能分析水化膨胀性能水化分散性能阳离子交换容量比表面积比亲水量钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定•泥页岩比表面积测定泥页岩比表面积为单位重量的泥页岩所具有的表面积，具有不均性和相对性，与泥页岩水化特性、力学性质以及渗水特性等密切相关，是泥页岩井壁稳定性的关键性评价参数。比表面积测定方法较多，其中亚甲基蓝法具有重复性好、准确度高、省时、成本低、简单易行等优点，因此，作者主要采用亚甲基蓝法对泥页岩比表面积进行了测定。根据光的吸收定律，在一定浓度范围内，当入射光为一定波长的单色光时，溶液的吸光度与溶液的浓度和溶液层的厚度成正比，即：E=lg(Io/I)=K·C·b式中：E—吸光度，Io—入射光强度，I—透过光强度，K—比例常数，C—溶液浓度，b—溶液厚度，定值。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定•比亲水量测定大量的实践、实验研究结果证明，泥页岩地层失稳的主要原因之一是泥页岩水化效应造成的，因此，泥页岩水敏性评价对泥页岩井壁稳定性的预测和诊断分析至关重要。以往传统的利用总吸水量作为泥页岩水敏性的直接评价指标，没有考虑泥页岩比表面积，因而其界面物理化学含义不太明确，与泥页岩水化效应关联也不够确切，例如，往往深部硬脆性泥页岩的总吸水量并不大，但因为其比表面积小，比亲水量往往较大，同样可以造成严重的井壁不稳定问题。因此，泥页岩比亲水量研究对井壁稳定机理研究具有十分重要的意义。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定比亲水量的概念及其含义：泥页岩比亲（吸）水量，即单位表面积上的吸水量，常用单位为g/cm2，表达式为：比亲水量（Sw）=总吸水量/总表面积=每克岩样吸水克数/每克岩样的表面积（比表面积）。比亲水量与总吸水量或每克岩样的吸水量的概念不同，比亲水量有明确的界面物理化学含义。根据定义，泥页岩比亲水量即每平方厘米表面积上吸附水的克数，如图所示：钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定•比亲水量（g/cm2）相当于泥页岩表面水化膜厚度（cm）。比亲水量越大，水化膜越厚，泥页岩颗粒间水化（膜）斥力（契入力）越大，即水化效应导致泥页岩井壁失稳越严重。•另一方面，从表面自由能变化分析，泥页岩表面吸水过程是表面自由能降低的过程，比亲水量越大，即吸附水化膜越厚，表面自由能下降幅度越大，标志着泥页岩水化变形和强度变化越严重。•由以上推理可知，比亲水量相当于水化膜厚度（水化短程斥力），代表泥页岩水化表面能下降的幅度，是衡量泥页岩水化变形以及强度性质变化的本质特性指标。它能将泥页岩水化微观作用本质与客观水化效应密切关联的科学评价指标，完全符合近代界面物理化学的有关基本原理。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定•典型粘土矿物总吸水量排列顺序为：蒙脱石伊利石高岭石，如果考虑粘土矿物水化比表面积的显著差异，按比亲水量对比排列三种常见典型粘土矿物的次序为：高岭石伊利石蒙脱石，与总吸水量法排列则正好相反。由于比亲水量相当于水化膜厚度，反映水化膜短程斥力的大小，比亲水量排序结果说明，伊利石等非膨胀性粘土矿物表面一旦水化，水化膜短程斥力更大，更容易导致沿水化界面的局部变形或破坏。•众所周知，构成深层硬脆性泥页岩的主要矿物往往是伊利石等非膨胀性粘土矿物，虽然深层泥页岩成岩作用强，结构致密，整体水化推进速度慢，但是，如果微裂缝发育，沿微裂缝界面将优先发生较强的局部水化作用，较强的水化膜斥力将导致沿水化界面的变形或剥落掉块坍塌，产生严重的井壁不稳定问题。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定109.789.6136.487.155.713649.87561.6146.1114.599.897.8102.268.455.248.6106.2158.375.574.8176.665.6163.2118.471.115.6020406080100120140160180200NgEs3Es33Es3Es34Es34Es34Es34Es35NgEd2Ed2Ed2Ed3Ed3Ed3Ed3Ed3Es31Es3Es3NmNgNgNgEd3Ed3高尚堡北堡老爷庙比表面积比亲水量g/cm214.821.432.421.42611.949.111.819.317.422.50102030405060Nm下NgEd3上NgEs33Es34ES35NgEd2Ed3ES1（二）井壁稳定机理的研究（1）化学因素1）钾离子钾离子与泥页岩相互作用存在两种方式，一是离子交换，二是晶格固定；泥页岩类别不同钾离子的作用方式也不相同。pH值增高和钠、钙等阳离子的混入，会阻碍泥页岩对钾离子的固定作用。2）有机硅类有机硅中的-Si-OH基易与粘土表面的-Si-OH基缩合脱水，形成-Si-O-Si键，与粘土表面形成一种很强的化学吸附作用。另外，有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而控制泥页岩的水化作用。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定3）聚合物类高聚物利用其大量官能团吸附于粘土表面，从而产生一定的包被作用，聚合物类型、结构、分子量以及官能团等因素对聚合物稳定井壁效果都有一定影响4）沥青类不同沥青类产品稳定井壁机理不同。沥青粉的主要作用机理是在一定温度压力下产生变形，封堵地层层理、裂缝，在井壁处形成良好的内外泥饼，从而在钻井液与地层之间形成一层致密的保护膜，阻止水进入地层，起到保护井壁作用。磺化沥青防塌机理既有化学作用，又有物理作用。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定（2）力学因素位于地层深部的岩石，受上覆地层压力、水平方向地应力及地层孔隙压力的作用，在井眼钻开之前，各种应力处于平衡状态，钻开后，井内钻井液柱压力取代了所钻岩层对井壁的支撑，破坏了地层的原有应力平衡，引起井眼周围应力的重新分布，当应力超过泥页岩的强度时，便发生井壁破坏。1）井壁应力状态模型井眼应力状态能够计算出来，主要依赖于应力---应变本构特性，所以要计算作用于井壁岩石上的力，首先要建立适当的应力---应变模型。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定井壁稳定性定量分析常用的应力---应变模型主要有：①线弹性模型；②孔隙弹性本构模型；③弹塑性模型等。2）强度判断准则①Coulomb--Mohr强度准则②Drucker--Prager准则钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定上一内容下一内容回主目录返回（三）防塌钻井液技术研究通过对井壁失稳机理和稳定机理的大量研究，开发出了多种防塌钻井液体系。比较传统的体系：无固相不分散聚合物钻井液体系、低固相聚合物钻井液体系、聚磺钻井液体系、有机硅钻井液体系、正电胶钻井液体系、饱和盐水钻井液体系、油包水钻井液体系等。近年来，还开发出了多元醇/聚合醇钻井液体系、甲酸钾钻井液体系，以及取代油基钻井液体系的合成基钻井液体系和高性能水基钻井液体系等。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定（四）井壁稳定性研究发展新趋势井壁稳定性研究经历了几个阶段，即从单纯的物理化学研究和单纯的力学研究，到物理化学--力学耦合模拟研究，当前井壁稳定性研究应主要从以下几个方面开展工作。1）加强多学科联合攻关，深化井壁稳定机理的研究2）进一步研究和完善井壁稳定性室内评价方法和现场评价方法3）稳定井壁技术措施的研究4）建立井壁不稳定地层矿物组分与理化性能和力学性质关系的数据库，结合室内研究与现场诊断分析方法，建立井壁失稳的仿真系统和防塌技术措施的专家系统。最新井壁防塌原理的提出：“化学胶结封加固井壁堵阻缓压力传递－加强抑制防止水化－化学位活度平衡－合理密度的有效应力支撑”四元防塌新原理。钻井液工艺原理电子教案第二章§9-1井壁不稳定§9-2防漏与堵漏井漏（LostCirculation）是在钻井、固井、测试等各种井下作业中，各种工作液（包括钻井液、水泥浆、完井液及其它流体等）在压差作用下漏人地层的现象。钻井液漏失是钻井作业中的一种常见的井下复杂情况。井漏可以发生在浅、中及深层中，也可以在不同的地质年代如从第四系直到古生界中发生，而且各类岩性的地层中都可能出现。一旦发生漏失，不仅延误钻井时间，损失钻井液，损害油气层，干扰地质录井工作，而且还可能引起井塌、卡钻、井喷等一系列复杂情况与事故，甚至导致井眼报废，造成重大的经济损失。因此，在钻井过程中应尽量避免井漏发生。一、井漏发生的原因及分类为了提高防漏、堵漏技术的科学性，必须搞清易漏失地层的特征、影响漏失的因素以及漏层的分类。1、易漏失地层的特征各类岩性的地层均可以发生井漏。研究漏失地层特征必须搞清漏失地层中漏失通道的形成原因、基本形态和分布规律。（1）漏失通道的形成漏失通道按其形成原因可分为两类，一类是自然漏失通道，另一类是人为漏失通道。§9-2防漏与堵漏（2）漏失通道的基本形态漏失通道的基本形态主要有孔隙型、裂缝型、洞穴型、孔隙裂缝型和洞穴裂缝型等五种类型，后两类是前三类的交叉。孔隙型漏失通道是以孔隙为基础，由喉道连接而成的不规则的孔隙体系。孔隙可按其尺寸分为大、中和小，喉道可分为粗、中细和微细。裂缝型通道的形态具有以下特点：裂缝在地层中的分布和发育极不均匀。可分布在各种岩性的地层中洞穴的形态也极不规则，且大小和长度不等。小的可小至0.2m，大的可达十几米；洞穴呈网状交织分布，没有明显主通道，也没有固定的延伸方向；洞穴常分布在碳酸盐岩地层中，部分洞穴中有水流，会给堵漏施工带来较大困难。§9-2防漏与堵漏2、发生井漏的原因井漏的发生一般应具备以下必要条件：井筒对于地层存在正压差，即井筒中工作液的压力大于地层孔隙、裂缝或溶洞中液体的