伊通地区易坍塌地层钻井液安全密度窗口的确定

伊通地区易坍塌地层钻井液安全密度窗口的确定

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吴　磊1,刘海军2,孟昭辉3,高　彬4

(1.大庆钻探工程公司工程技术处,黑龙江大庆　163453;2.大庆钻探工程公司钻井四公司,黑龙江大庆　138000;

3.大庆第十采油厂第四油矿,黑龙江大庆　166405;

4.大庆石油科技馆,黑龙江大庆　163453)

摘　要:从井壁稳定的岩石力学机理出发,分析井周的应力分布规律,建立井壁稳定的力学模型。根据库仑-摩尔强度准则和最大拉应力准则,计算井壁坍塌压力与破裂压力。通过计算机软件,用测井资料回归出井深和岩石密度关系,计算垂向地应力,通过压裂资料,结合测井资料计算出水平地应力。采用高压气体冷却钻头,成功钻取泥岩岩芯。在获得力学参数时,通过实验模拟地层条件,对岩芯进行损害,然后测量其力学参数,用于计算易坍塌地层的安全密度窗口。

关键词:安全密度窗口;钻井液;坍塌压力;井壁稳定

中图分类号:O657 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)13—0028—03 井壁稳定问题是钻井过程中的一个非常棘手的问题,井壁失稳会给钻井过程带来巨大的困难,同时带来巨大的损失。钻井液密度过高会造成井漏,钻井液密度过低,会出现井涌、井喷。合理的钻井液密度,有利于井壁的稳定。近年来伊通地区施工的部分井段出现严重坍塌现象,施工过程中经常出现遇卡和下钻划眼现象,影响钻井安全和勘探工作的完成。本文通过模拟地层条件,进行岩心损害实验,通过实验取得的力学参数,结合测井资料和压裂资料,对钻井液安全密度窗口进行预测。1　室内试验

1.1　岩芯损害实验

通过室内实验模拟地层条件,包括钻井液压力,围压,温度,对岩心进行损害,使岩芯特性接近现实钻井时的特性。实验步骤:

岩芯的钻取。岩芯是从现场采集的泥页岩岩

芯,岩芯裂缝和层理发育,需要在实验室内进行了优选后钻取。首先选择无明显裂缝的大块的岩芯。在通过常规方法钻取泥岩岩芯过程中,通过水冷却钻头和清洗岩屑时,不可避免水与岩芯接触,还有钻头的震动作用,使岩芯劈裂,最终造成钻取失败。本实验最终改用高压气体,用高压气体冷却钻头,清理岩屑。将岩芯加工成将岩芯加工成U 25mm ×50mm 的圆柱体和U 38mm ×19mm 的圆盘,供以后实验使用。

钻井液的准备。实验所用钻井液有低矿化度

钻井液体系(矿化度为7000),高矿化度钻井液体系(矿化度为55000)和油基钻井液。三种钻井液成分如下低矿化度钻井液体系～5%膨润土+5%碱

+0.3～0.5%CA L-90+1%铵盐+1%PA -1+3%聚合醇+1%RH-3+1%改性石墨+1%阳离子沥青粉+2%高效封堵降滤失剂

高矿化度钻井液体系:2～3%水化土浆+1- 1.5%PAC-LV+1- 1.5%改性淀粉+1.5-3%硅酸盐+5.5%KCL +1%PA -1+1.5-2%阳离子乳化沥青

油基钻井液体系:油水比为70∶30(5#白油∶25%CaCl 2水溶液)+2.5%有机土+3%主乳化剂+2%辅乳化剂+2%润湿剂+2%降滤失剂+1.5%CaO +重晶石

将加工好的岩芯,放入夹持器,向高温高压泥

浆罐中加入调节矿化度后的钻井液,调节温度并保持在100℃,循环压力3.5MPa ,围压5MPa ,损害2h 。

停止钻井液循环,泄压,再从夹持器中取出岩

心,刮去泥饼进行三轴应力实验。

更换岩芯和钻井液,重复上述实验过程。

1.2　单轴和三轴抗压强度实验

对岩心轴向钻取直径为25mm 的圆柱形试样,基本保持岩样的长度与直径为2∶l ,以避免端部效应。岩样周边要光滑,两个端面平行度必须保持在0.02mm 范围内,端面与轴线的垂直度在0.05mm 内。圆柱表面必须保持光滑,避免表面有剥落和凹凸不平之处。对于单轴压缩试验:在无围压和孔隙压力情况下直接加轴向载荷,以应变或应力速率控制加载直到岩样破坏。测试得到的结果主要用于对各种不同岩性的岩石依据同样的岩石力学参数进行比较、分类。三轴压缩试验:模拟地层条件下的水平应力、孔隙压力和温度进行测试。可根据岩样测试的特点和实验要求,控制应变或应力加载速率。如轴向加

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内蒙古石油化工 2012年第13期　

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收稿日期:

:40.:2012-04-21

29　2012年第13期 吴磊等　伊通地区易坍塌地层钻井液安全密度窗口的确定

液向地层渗透产生渗透压力的影响,钻井液向地层渗透产生的渗透压力可用下式计算,即

R H 2=[A (1-2L

1-L

)-f](p i -p p )(11)

综合考虑地应力及渗透压力的综合作用时,有效周向应力为

R H =R H 1+R H 2(12)将(10)和(11)代入(12)得

R ′H =3R h2-R h1-p i +[A (1-2L

1-L

)-f](p i -p p )-A p p

(13)将R ′

H 代入拉伸破坏准则,得求得拉伸破裂时,井内破裂压力为

p f =

3R h 2-R h1-A (1-2L

1-L )p p +R i

1-A (1-2L 1-L

)+f

(14)式中:p f 地层破裂压力;R t 为岩石的抗拉强度;L 为泊松比。

若不考虑地层的渗透作用(对低渗泥页岩地层),则地层破裂压力的计算公式为

p f =3R h2-R h1-A p p +R t (15)已知保证井壁不发生剪切变形的钻井液柱压力极限和保证井壁不发生张性破裂的钻井液柱压力极限后,可以得出保持井壁稳定的“安全钻井液”液柱压力范围,上限记为p u 、下限记为p d 。习惯上称上限p u 为破裂压力,下限p d 为坍塌压力。3　井壁稳定计算结果及分析

地应力计算结果见表1。

表1

不同钻井液损害下岩石力学参数测试结果和地应力计算结果

钻井液体系

内聚力MP

内摩擦角°抗拉强度

M Pa 上覆岩层

压力MP a

最小水平地

应力MP a

最大水平

应力MP a

干试样28.72827.84 3.9767000ppm 21.31420.67 1.94561.13

44.93

66.04

55000ppm 24.52622.74 2.712油基泥浆

26.526

24.64

3.613

把岩石力学参数测试结果和地应力计算结果代入公式(7)和(15),得到2612.6m 层段坍塌压力梯

度和破裂压力梯度,见表2。

表2井壁稳定分析结果钻井液体系坍塌压力梯度(MPa /100m )

破裂压力梯度(MP a/100m)

干试样 1.072 1.7727000ppm 1.390 1.67855000ppm 1.320 1.695油基泥浆

1.212

1.729

4　结论

通过岩芯损害实验模拟了泥页岩受到钻井液侵入损害时,岩石力学参数的变化,由测井资料取得了地应力和其他各参数,建立井壁了稳定模型,把力学参数代入井壁稳定模型,计算出坍塌压力和破裂压力,最终得到4组安全密度窗口。4组安全密度窗口从小到大顺序为:钻井液矿化度为7000ppm 损害后

的安全密度口为1.390～1.678g/cm 3

;矿化度为55000ppm 时,安全密度窗口为1.320～1.695g/cm 3

;油基钻井液损害后的安全密度窗口为1.212～1.729g/cm 3,干岩样测得的安全密度窗口为1.212～1.729g /cm 3。

[参考文献]

[1]　刘向君,刘洪,罗平亚,等.钻井液浸泡对库车

组泥岩强度的影响及应用研究[J ].岩石力学与工程学报,2009,28(2):3920～3925.

[2]　李荣,孟英峰,汪绪刚等.气体钻井中泥页岩地

层遇水时的井壁稳定性研究[J].钻采工艺,2008,31(3):5～8.

[3]　邓金根,王金凤,周建良.渗透性地层井壁坍塌

压力和破裂压力的计算模型[J].岩石力学与工程学报,2002,21(6):2069～2072.

[4]　张杰,徐安建,李翠楠,等.泥页岩水化对气体

钻井井壁稳定性影响规律研究[J].石油钻采工艺,2008,30(2):46～49.

[5]　程远方,张锋,王京印,等.泥页岩井壁坍塌周

期分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2007,31(1):63～66.

Abstract:Base on the r ock mechanics pr inciple of borehole stability,analyses the stress distribution around sidewall ,establish mechanical model of borehole wall stability .According to the Mohr -Coulomb cr iterion and the maximum tensile stress criterion,compute the collapse and fractur e pressur e of sidewall.By means of the computer software,regress the r elation between well depth and r ock density with logging data ,calculate vertical stress .By means of the fracturing material ,and logging data ,calculate hor izontal U f y W ,f x ,,,y y f f K y S y D y W ;D F ;;B S y

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stress.sing high pressure gas to cool drill bit and drill mudstone core success ull .hen obtaining the mechanical parameters simulate or mation conditions through the e periment damage cores and then measure mechanical parameter s use the mechanical parameter s to calculate the securit densit window o sloughing ormations.

e wor ds :ecurit ensit indow rilling luid Collapse Pressure orehole tabilit