氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑評價方法探討

摘 要

摘要：氣體鉆井遇到地層出水時，通常就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井、充氣泡沫鉆井或鉆井液鉆井。工作液中液相浸入，引起地層巖石的物理化學變化，可造成井壁垮塌，甚至會導致井下復雜情況及事故
摘要：氣體鉆井遇到地層出水時，通常就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井、充氣泡沫鉆井或鉆井液鉆井。工作液中液相浸入，引起地層巖石的物理化學變化，可造成井壁垮塌，甚至會導致井下復雜情況及事故。為此，深入分析和總結(jié)了氣體鉆井遇地層出水后的特殊井下情況，提出了在特殊井下情況下泥頁巖井壁穩(wěn)定對處理劑的性能要求，并對氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑的實驗評價方法進行了探討。結(jié)果表明：綜合運用滾動回收實驗、封堵效果評價，壓力穿透測試、抗毛細管力自吸測試以及巖石力學參數(shù)測試等方法，能夠較全面地評價井壁穩(wěn)定處理劑的抑制性、封堵性、抗毛細管力自吸等性能以及該處理劑對巖石力學性質(zhì)的影響。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；氣體鉆井；井壁穩(wěn)定；處理劑；評價方法
    氣體鉆井不同于常規(guī)鉆井，常規(guī)鉆井的井筒內(nèi)循環(huán)介質(zhì)為液態(tài)鉆井液，井筒與地層孔隙壓力之間存在正壓差，對井壁起到一定的支撐作用。而氣體鉆井的井筒內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)為氣體，環(huán)空內(nèi)壓力小于地層壓力，負壓差較大，井壁支撐力小。特別是在鉆遇地層出水的情況下，由于液相進入井筒，可能引起上部泥頁巖地層的水化失穩(wěn)。需要對氣體鉆井不同情況下出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)進行分析，并開展相應(yīng)的井壁處理劑研究，提高特殊工況下氣體鉆井井壁穩(wěn)定性。
1 氣體鉆井工況分析及處理劑性能要求
1.1 氣體鉆井轉(zhuǎn)換工況分析
   氣體鉆井遇到地層出水時通常就要轉(zhuǎn)化為霧化鉆井或泡沫鉆井，國外推薦在地層出水大于2.0m3/h時就要轉(zhuǎn)換[1]，國內(nèi)采用氣體鉆井時通常的做法是地層出水為1.0～5.0m3/h，可轉(zhuǎn)為霧化液。地層出水大于5.0m3/h及采用霧化鉆井時，扭矩仍大于40kN·m，則轉(zhuǎn)化為充氣或泡沫流體鉆井。但是現(xiàn)場施工中有時當?shù)貙映鏊笥?m3/h時就要求轉(zhuǎn)化為其他鉆井方式[2]。本文參考文獻[3]認為轉(zhuǎn)換為常規(guī)鉆井的條件有：①地層出水大于5m3/h；②扭矩、摩阻過大或起下鉆困難，影響鉆井安全；③井斜大于設(shè)計要求且糾斜效果差；④地層出氣量超過30×104m3/h；⑤地層掉塊比較嚴重，影響鉆井安全；⑥返出氣體中硫化氫含量連續(xù)超過7.5mg/m3。實際上氣體鉆井轉(zhuǎn)換鉆井方式應(yīng)主要考慮井眼凈化和井壁穩(wěn)定問題，對不同的施工和地層條件，轉(zhuǎn)換方式和轉(zhuǎn)換的邊界條件應(yīng)不同。
    在轉(zhuǎn)換作業(yè)中，原來沒有受到浸泡的無任何保護的裸露地層，會因鉆井液中液相和固相的浸入，引起地層巖石的物理化學變化，可能造成井壁垮塌，甚至會導致井下復雜情況及事故的發(fā)生。工作液轉(zhuǎn)換前后井筒工況分析如下：
    1) 氣體鉆井后，井眼周圍的巖石必須承擔由已鉆去巖石所應(yīng)承擔的載荷。由于巖石各向異性程度較高，從而使得井眼周向應(yīng)力集中，若地層應(yīng)力超過巖石極限壓力，在空井眼中井壁周圍巖石就會發(fā)生脆性破裂、垮塌，井眼常井徑擴大等[4]。
    2) 與鉆井液鉆井不同的是，氣體鉆井主要靠高速上返的氣體流舉升鉆屑，清洗井眼。同時，在環(huán)空中，夾帶巖屑的高速上返氣流也會沖蝕井壁，由此導致井壁巖石表面遭到剪切破壞，巖石顆粒持續(xù)不斷的沖擊作用會使井眼尺寸不斷擴大，造成擴徑或者井壁失穩(wěn)[4]。
    3) 氣體鉆井時井內(nèi)流體壓力極低，井眼周圍地層巖石應(yīng)力得到充分釋放，加之空氣錘和鉆頭的震蕩，往往在井壁上形成更多的應(yīng)力釋放縫。這不利于地層出水后井壁的穩(wěn)定。
    4) 純氣體鉆井井下出水時，地層水隨著循環(huán)氣體上返附著在干燥的井壁上，并逐漸潤濕井壁。當高速循環(huán)的氣體不再能風干井壁時，干燥的泥頁巖地層自吸水化，同時巖屑中的泥巖水化后抱團，黏附在井壁和鉆具上，形成濾餅環(huán)，堵塞環(huán)空通道，起下鉆遇阻或遇卡；由于環(huán)空中的循環(huán)氣體需要將地層水霧化帶到地面，會導致注入壓力升高，在流量不變的情況下，壓力升高則流速減慢，不利于攜帶巖屑[5]。
    5) 地層高產(chǎn)水時，實施充氣泡沫鉆井。泥頁巖地層不但與地層水相互作用，而且與泡沫處理劑相互作用，泥頁巖地層毛細管自吸水化進一步加強。
    6) 在替入鉆井液初期，由于井壁橫向形成了更多的應(yīng)力釋放縫和井壁周圍原有微裂縫的擴張，使得地層的連通性和滲透性得到了增加；加之地層干燥，沒有濾餅，鉆井液中的自由水會迅速大量地進入地層，巖石吸水膨脹引起井壁水化失穩(wěn)。其次，在滲透性極好的井壁上形成厚濾餅引起卡鉆復雜事故。替入鉆井液后，井下壓力增加，低壓漏失層發(fā)生井漏以及出現(xiàn)誘導性井漏。
    7) 隨著鉆井液的替入，當達到過平衡鉆井時，液柱壓力高于地層孔隙壓力，驅(qū)使鉆井液進入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)。井眼周圍產(chǎn)生微裂縫，鉆井液滲入地層，近井地帶孔隙流體壓力增加，井壁穩(wěn)定性進一步削弱。
1.2 氣體鉆井對井壁穩(wěn)定處理劑的要求
    根據(jù)氣體鉆井中地層出水以及工作液轉(zhuǎn)換可能造成的井壁失穩(wěn)和其他復雜井下情況，氣體鉆井井壁穩(wěn)定應(yīng)至少具備以下幾項性能：
    1) 良好的抑制性，能夠有效地抑制液相侵入引起的黏土礦物水化作用。
    2) 良好的封堵能力及低失水特性，通過良好的封堵和盡量降低失水量可以有效地降低液相侵入程度及其對巖石物理化學性質(zhì)的影響。
    3) 較強的抗毛細管力自吸能力，通過增強處理液的抗毛細管自吸能力可以有效地降低霧化、泡沫鉆井中液相吸入深度，同時也有利于轉(zhuǎn)換為鉆井液過程的井壁穩(wěn)定。
    4) 對巖石力學性質(zhì)影響小，流體進入地層引起井壁失穩(wěn)最終體現(xiàn)為巖石力學性質(zhì)的改變，良好的井壁穩(wěn)定處理劑應(yīng)當能夠有效地保持原有巖石力學強度。
2 處理劑實驗評價方法探討
2.1 滾動回收實驗
    主要用于檢測處理劑對泥頁巖分散性的抑制能力，能定量評價泥頁巖在經(jīng)充分膨脹后分散趨勢大小。
    熱滾動回收率評價方法：取300mL鉆井液于高溫罐內(nèi)，然后將50g的6～10目目的層段泥頁巖巖屑加入其中，在130℃下進行熱滾16h，然后將其過40目篩，并在自來水下沖洗1Omin左右，將篩余物放在105±3℃下進行烘干至恒重，然后稱重并計算熱滾動回收率R=烘干后的質(zhì)量/實驗前的干重?；厥章试酱螅幚韯┮种菩栽綇?，反之抑制性越差。
    測定膨脹性泥頁巖在3種處理劑和清水中的滾動回收率，測試結(jié)果見表1。
 

    從實驗數(shù)據(jù)可知，清水滾動回收率僅為9.65%，0.5%KCl+0.5%鉀水玻璃的滾動回收率高達81.87%抑制黏土礦物水化膨脹分散性的能力比較強；其他兩種處理劑的抑制性都較弱，可以通過加入其他添加劑增加其抑制性。
2.2 封堵效果評價
    室內(nèi)利用氣體/欠平衡鉆井多功能評價儀進行處理劑的封堵效果評價，其基本流程為：
    1) 巖心飽和地層水(標準鹽水)，并用氮氣正向測定滲透率(K1)。
    2) 一定正壓差下循環(huán)處理劑反向污染巖心，記錄濾失量，利用濾失量計算濾餅滲透率(K濾餅)。
    3) 停止循環(huán)，用氮氣反向測定巖心滲透率(K2)。
    4) 計算巖心的封堵率：(K1-K2)/K1×100%。
    實驗中采用代號為A、B、C、D的4種處理劑，在3.5MPa循環(huán)壓力下對取自井下同一深度的巖心進行了封堵效果測試，結(jié)果見表2。
 

    由實驗結(jié)果可知，4種處理劑對同一深度巖心的封堵效果較差。此項實驗不但可以評價處理劑對地層的封堵效果，而且通過分析對比不同處理劑的封堵性能差異，可以找到比較理想的處理劑，從而提高工作液體系的膠結(jié)封堵性。
2.3 壓力穿透測試
   氣液轉(zhuǎn)換達到過平衡時，工作液液柱壓力逐漸高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使鉆井液進入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)，使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強度降低。因此，壓力穿透效應(yīng)是造成井壁失穩(wěn)的主要原因之一。室內(nèi)利用氣體/欠平衡鉆井多功能評價儀(圖1)進行壓力穿透實驗評價。
    實驗采用處理劑E、F對同一深度的井下巖心進行了壓力穿透測試，結(jié)果見圖1、2。
 

    由實驗結(jié)果可知，兩種處理劑的穿透作用均很明顯，E的穿透作用比F更顯著。通過此項實驗，對比不同處理劑壓力穿透作用，進而評價處理劑的封堵性能，經(jīng)證明是一種合理的方法。
2.4 抗毛細管力自吸測試
    室內(nèi)研究利用泥頁巖自吸水測量儀進行抗自吸能力對比實驗。該儀器主要由精度為0.1mg的電子天平、懸掛、液槽、控溫器、計算機等組成。通過電子天平記錄懸掛在它下面的泥頁巖巖心重量變化。
    分別對清水、1%聚乙烯醇溶液、0.5%硅酸鉀+0.5%聚乙烯醇混合溶液、1%CTAB潤濕反轉(zhuǎn)劑溶液進行了測試，結(jié)果見圖3。
 

    對比吸水量與時間關(guān)系曲線可知，泥巖在清水中的吸水量上升的最快，同一時間內(nèi)吸水量也最大。從總吸水量上來看，聚乙烯醇大于CTAB潤濕反轉(zhuǎn)劑，大于聚乙烯醇和硅酸鉀混合溶液，說明聚乙烯醇和硅酸鉀混合溶液的抗毛細管力自吸能力很好。CTAB潤濕反轉(zhuǎn)劑相對封堵型的處理劑，吸水量還是略高，抑制效果稍差。通過此項實驗，能有效地模擬評價處理劑抑制泥頁巖自吸水的性能。
2.5 對巖石力學性質(zhì)的影響評價
    評價井壁穩(wěn)定處理劑綜合性能的重要方法之一就是測量對比飽和處理劑與飽和水的巖石力學參數(shù)變化。室內(nèi)采用聚合物處理劑浸泡過的泥巖巖樣進行巖石力學參數(shù)測試。實驗結(jié)果見表3。

    由分析可以看出用處理劑處理過的巖心抗壓強度比用水浸泡的巖心抗壓強度大，巖石發(fā)生垮塌破裂的程度相對較小，不同處理劑飽和后的巖石三軸抗壓強度也不同。說明，通過巖石抗壓強度測試，可以評價處理劑抑制井壁失穩(wěn)的綜合性能。
3 結(jié)論
    1) 氣體鉆井鉆遇特殊復雜情況轉(zhuǎn)換為其他循環(huán)介質(zhì)，鉆井井筒條件復雜，井壁穩(wěn)定處理劑需要有良好的抑制性、封堵能力、低失水性和抗毛細管力自吸能力，同時要有效地保持巖石強度。
    2) 開展?jié)L動回收率評價、封堵效果評價、壓力穿透測試、抗毛細管力自吸測試以及巖石力學參數(shù)測試等室內(nèi)實驗測試能夠較為全面地評價氣體鉆井井壁穩(wěn)定處理劑性能。
參考文獻
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(本文作者：魏武1 鄧虎1 李皋2 朱義新2 孟英峰2 1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工藝技術(shù)研究院；2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學)