侯波(073920)

中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）油基钻井液条件下井壁失稳机理研究姓名：侯波学号：073920性别：男专业:石油工程批次：2014春学习中心：天津学习中心指导教师：卢运虎2016年1月30日（终稿截止日期）中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）i油基钻井液条件下井壁失稳机理研究摘要油基钻井液因具有独特的性能在深水钻井、页岩气钻井中应用比较广泛。本文阐述了油基钻井液条件下井壁失稳地层类型，包括类型和现象的具体记述，其中井壁失稳现象包括井塌、缩径、压裂；油基钻井液条件下井壁失稳机理，影响因素包括力学因素、物理化学因素、钻井工程措施；油基钻井液条件下稳定井壁的技术措施，包括选用合理的钻井液密度、优选防塌钻井液类型与配方以及稳定井壁技术措施的确定方法。关键词：油基钻井液；井壁失稳；技术措施中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ii目录第一章前言...............................................1第二章油基钻井液条件下井壁失稳地层类型....................32.1井壁失稳地层的类型.....................................32.2井壁失稳现象...........................................42.2.1井塌的现象.........................................42.2.2缩径的现象.........................................42.2.3压裂现象...........................................4第三章油基钻井液条件下井壁失稳机理........................53.1力学因素...............................................53.1.1原地应力状态.......................................53.1.2地层被钻开后所引起的井眼围岩应力状态的变化.........63.1.3造成井壁力学不稳定的原因...........................63.2物理化学因素...........................................93.3钻井工程措施..........................................10第四章油基钻井液条件下稳定井壁的技术措施.................114.1选用合理的钻井液密度..................................114.2优选防塌钻井液类型与配方..............................13中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）iii4.3稳定井壁技术措施的确定方法............................15第五章结论..............................................17参考文献...................................................18致谢......................................................19中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）1第一章前言钻井液俗称为钻井工程的“血液”，钻井液作为地下油气显示的信息载体，对于录井发现油气显示显得尤为重要，同时由于其特殊的结构、成分（主要为烃类物质）、流变性等特性，它还对油气显示的发现和评价产生重要的影响。在油气勘探工作中准确及时的录取各项地质资料、及时发现和评价油气层是地质录井工作的最终目的，但由于在钻井施工过程中使用油基钻井液，给随钻录井过程中油气显示评价带来许多困难[1]。而且随着深井、超深井、丛式井及水平井等特殊井的增加和欠平衡钻井等新技术的应用，钻井中遇到的井壁失稳、井漏、井喷及卡钻等井下复杂情况越来越突出，已经成为影响安全优质快速钻井和经济效益的主要因素之一。因此，做好复杂情况下的钻井液工作尤为重要。油基钻井液发展阶段及特点[2]：（1）原油钻井液完井液，1920年开始使用；成分及特点：原油，100℃以内浅井使用；优点：防塌，保护油气层，密度低，配置成本低；存在问题：无切力或切力很低，不利于加重，滤失量高，年度变化大，若遭水侵，会损害储层，存在易挥发馏分，闪点低，易着火。（2）改进型原油钻井液完井液，1935年开始使用；成分及特点：原油、水及乳化剂，100℃以内使用；优点：性能有所改变，密度可调，成本略有增加；存在问题：同上。（3）油基钻井液，1939年前后开始使用；成分及特点：柴油、沥青、水、乳化剂及加重剂，使用温度200-250℃；优点：极好的深井钻井液，高温下稳定，维护费较低，防塌、防腐、保护油气层，润滑性好；存在问题：成本较高，配置条件严格，劳动条件差，易发生火灾。（4）油包水乳化钻井液，1950年前后开始使用；成分及特点：柴油、水、乳化剂及润湿剂，少量亲油性胶体作降滤失剂；优点：可保持低粘，控制活度防塌，抗酸性气体及抗污染能力强；存在问题：成本较高，钻速低，配制条件严格，劳动条件差。（5）低胶质油包水钻井液，1975年开始使用；成分及特点：柴油、中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）2亲油性胶体、水、乳化剂及润湿剂；优点：可明显提高钻速，降低钻井总成本；存在问题：由于放宽滤失量，对一些地层不适应，如松散地层垮塌。（6）低毒油包水钻井液，1980年前后开始使用；成分及特点：矿物油、亲油性胶体、水、乳化剂及润湿剂；优点：具有油基钻井液的各种优点，同时能有效防止环境污染，适合于海洋钻探；存在问题：同以上油基钻井液。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）3第二章油基钻井液条件下井壁失稳地层类型井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂等三种基本类型(见图2-1)。前两者造成井径扩大或缩小，后者易造成井漏。井壁失稳是钻井工程中经常遇到的井下复杂情况之一，严重影响钻井速度、质量及成本，甚至延误勘探与开发的速度[3]。为了保持井壁稳定，实现优质安全钻进，必须搞清井壁失稳地层的结构特征，井壁失稳发生的原因以及相关的钻井工程与钻井液技术措施。图2-1井壁失稳的类型2.1井壁失稳地层的类型在钻井过程中，如果钻遇泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、碳酸盐岩等地层，就可能发生井壁不稳定问题。井塌可能发生在各种不同岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中，但约占90％以上的井塌发生在泥页岩地层中，而严重井塌往往发生在层理裂缝发育或破碎的各种岩性地层、孔隙压力异常的泥页岩层、处于强地应力作用的层位、厚度大的泥岩层、生油层和倾角大易发生井斜的地层；缩径大多发生在蒙脱石含量高、含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）4中；压裂可发生在任何一类地层中[4]。2.2井壁失稳现象2.2.1井塌的现象（1）返出钻屑尺寸增大，数量增多并混杂。（2）钻井液的粘度、切力、密度、含砂量明显增高。泵压增高且不稳定，严重时会出现憋泵现象，并可憋漏地层。（3）扭矩增大，蹩钻严重，停转转盘打倒车。（4）上提钻具遇卡，下放钻具遇阻；接单根、下钻下不到井底；划眼遇阻，严重时会发生卡钻或无法划至井底。（5）井径扩大，出现糖葫芦井眼，测井遇阻卡[5]。2.2.2缩径的现象当钻井过程中发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会出现扭矩增大、蹩钻等现象，严重时转盘无法转动，甚至被卡死；上提钻具或起钻遇卡，严重时发生卡钻；下放钻具或下钻遇阻，如地层缩径严重，可使井眼闭合。2.2.3压裂现象当钻井液的循环压力大于地层破裂压力时，就会压裂地层，使地层出现裂缝，从而导致泵压的下降。如果液柱压力降到易塌地层的坍塌压力或孔隙压力之下，就可能发生井塌或井喷等复杂情况。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）5第三章油基钻井液条件下井壁失稳机理井壁不稳定的实质是力学不稳定。当井壁岩石所受的应力超过其本身的强度时就会发生井壁不稳定。其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，但后两个因素最终均因影响井壁应力分布和井壁岩石的力学性能而造成井壁不稳定[6]。3.1力学因素3.1.1原地应力状态原地应力状态是指在发生工程扰动之前就已经存在于地层内部的应力状态，简称为地应力。一般认为它的三个主应力分量是铅垂应力分量、最大水平主应力分量和最小水平主应力分量。地应力的铅垂应力分量通常称为上覆岩层压力，主要由上部地层的重力产生的。国内外研究表明，水平地应力的大小受上覆岩层压力、地层岩性、埋藏深度、成岩历史、构造运动情况等诸多因素的影响。其中上覆岩层压力的泊松效应和构造应力是主要影响因素[7]。由于多次构造运动的结果，在岩石内部形成了十分复杂的构造应力场。根据地质力学的观点，构造应力大多以水平方向为主，设两个主构造应力分量分别为x、y。则总的水平主应力分量为上覆岩层压力泊松效应产生的压应力与构造应力之和。若没有构造运动，水平地应力仅由上覆岩层压力的泊松效应引起，为均匀水平地应力状态。一般情况下存在构造运动，且两个水平主方向上构造应力的大小不等。因此，在一般情况下，地应力的三个主应力分量的大小是不相等的。由声发射法、差应变法等室内实验方法和应力释放法、水力压裂法等现场试验方法可以确定出地应力的大小和方向。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）63.1.2地层被钻开后所引起的井眼围岩应力状态的变化地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用，井壁处的应力状态即为原地应力状态，且处于平衡状态。孔隙压力指地下岩石孔隙内流体压力。在正常沉积环境中，地层处于正常的压实状态，孔隙压力保持为静液柱压力，即为正常地层压力，压力系数为1.0。在异常的压实环境中，当孔隙压力大于正常地层压力时称为异常高压地层，压力系数大于1.0。当井眼被钻开后，地应力被释放，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力的平衡，引起井壁周围应力的重新分布[8]。进一步的研究表明，井眼围岩的应力水平与井眼液柱压力有关。若钻井液密度降低，井眼围岩差应力(径向应力减小，切向应力增大)水平就升高。当应力超过岩石的抗剪强度时，就要发生剪切破坏(对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大，而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径)。相反，当钻井液密度升至一定值后，井壁处的切向应力就会变成拉应力，当拉伸应力大于岩石的抗拉强度时，就要发生拉伸破坏(表现为井漏)。3.1.3造成井壁力学不稳定的原因钻井过程中保持井壁力学稳定的必要条件是钻井液液柱压力必须大于地层坍塌压力，且钻井液的实际当量密度低于与地层破裂压力对应的当量钻井液密度。坍塌压力是指井壁发生剪切破坏的临界井眼压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力的当量钻井液密度。钻井过程中造成井壁力学不稳定的原因可归纳为以下几个方面[9]：（1）液柱压力小于地层坍塌压力孔隙压力异常不仅发生在储层中，而且在我国大量钻遇的泥页岩地层中也较普遍地存在。在地应力作用地区，非均质的地应力对井壁稳定会产生很大的影响。长期以来，设计钻井液密度均依据所钻遇油气水层的压力系数，而没考虑易坍塌地层可能存在异常孔隙压力与地应力，以及所造成的高地层坍塌压力对井壁稳定的影响。在实际钻井过程中，同中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）7一裸眼井段部分地层的坍塌压力往往大于油气水层的孔隙压力。因此，依据这样确定的钻井液密度在高坍塌压力地层钻进时，井筒中钻井液液柱压力就不足以平衡地层坍塌压力(对盐膏层和含盐膏泥岩则是发生塑性变形的压力)，就会造成所钻地层处于力学不稳定状态，引