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豫东地区井壁不稳定地层分析

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豫东地区井壁不稳定地层分析

发布日期:2014-10-25 11:40 来源:http://www.jplangley.com 点击:

前言

井壁不稳定的问题,一般发生在泥页岩、盐岩、胶结性差的砂岩或者其他破碎性地层。其核心问题主要是井壁受力平衡收到破坏从而导致井壁的不稳定。但是不同的地层其岩石层中的粘土和非粘土的组成和含量,岩石内部的结构特征以及岩石表面的裂缝发育程度等是不相同的,由此而引起的井下复杂情况也各不相同。

为了清晰的了解井壁不稳定的原因,有针对性的寻求稳定井壁的措施,必须根据地层的组成和构造特征以及与水接触后表现出的不同定理化特征,将其进行归纳分类,然后进行有针对性的分析研究。

国内外对不稳定地层的分类方法:

     国外学者对不稳定底层的分类方法大致有以下四种:

(1)根据地层所含粘土矿物的种类和钻井过程中所观察到的特征(如硬度、分散型、剥落与坍塌趋势),将地层中的页岩分为五类,此法是美国较普遍使用的方法。

(2)根据页岩的比表面进行分类。

(3)根据页岩膨胀系数,CST仪测出的分散性特征和剥蚀程度将页岩分为四大类七小类。

(4)根据页岩坍塌原因进行分类,分为四大类。

以上四种分类方法虽然各自的一句和侧重点不同,各有其优缺点,但共同的特点是只限于对页岩地层进行分类。豫东地区地层是世界上最为复杂的地区之一。区域内各区块地层破碎、断块多、倾角大,各个区块的沉积状况也相应复杂,即使同一区块从上到下岩性变化也非常大。井壁不稳定的原因除了泥页岩地层外许多区块盐膏层和其他破碎性的地层占了很大比例,显然用以上的分类方法对豫东地区的地层进行分类就不够全面。经过对大量的分析结果进行归纳处理,并结合钻井过程中所出现的井下复杂情况,对豫东地区各区块的地层进行分类。将豫东地区的地层分为四个大类八个亚类。该分类方法特点是以地层的理化特征为主,结合岩石中粘土矿物的组成和含量,裂缝发育程度,以及钻井过程中所出现的井下复杂情况等,综合全面考虑的结果。

1类:胶结性差的砂砾岩和流沙层,井深1200-1500米。

该类地层有砾状砂岩组成,泥质胶结,胶结性差,未成岩。粘土矿物以伊蒙无序混层为主,但是粘土含量少,亚甲兰容量和膨胀率较低。遇水后粘土分散,砂砾岩分散成细砂和砾石,硬度较大,所以分散回收率较高。由于地层胶结性差,在钻进中易发生坍塌和漏失的现象。同时由于坍塌下来的岩屑硬度大,井下易出现憋跳钻现象,严重时发生井漏和坍塌卡钻。钻该类地层的泥浆应以增强护壁性和钻屑的携带为主。

2类:浅至中深井段的膨胀性地层,特点是泥岩的膨胀性较强,分散性强至中等。根据地层的粘土矿物组分和理化性能,我们将此类地层分为三个亚类。

2-1亚类:以棕黄色软泥岩为主,井深1000-1200米。

该类地层粘土含量高,粘土矿物以伊/蒙无序混层为主,相对含量只有60%-80%,混层中蒙脱石含量50%-60%。亚甲兰容量高,膨胀性强,滚动回收率极低,只有0.4%-2%(20目)。钻该类地层时泥岩遇分散剂膨胀,造浆性极强。自造浆密度打,含沙量高,且沙子不易沉淀。在钻井中极易缩颈和泥包钻头,造成起下钻遇阻卡和拔活塞。由于起钻拔活塞而引起下部地层坍塌,下钻则大多因井塌而划眼,划眼过程中又易发生憋泵,从而引起井漏。如果处理不当极易造成卡钻。因此钻该段地层时泥浆主要以抑制泥岩分散为主。

2-2膨胀性地层。该类地层与地质层位关系不大,而主要与埋深有关,井深大约在1500-2600米。

该类地层埋深较浅,成岩程度低。泥岩中粘土矿物处于伊/蒙无序混层向有序混层转化的过渡带。混层中蒙脱石含量在35%-65%。钻该类地层时遇到的问题与2-1亚类相似,亦主要是由于粘土遇水膨胀,造成水眼缩颈和泥包钻头,起下拨活塞引起下部地层坍塌,若泥饼质量不好,则极易发生粘附卡钻。由于泥岩造浆性能较强,钻该地层泥浆粘切大幅度上升。

在某些区块由于沙二段油层压力亏空,井漏十分严重。因此,在钻该类地层时,泥浆除了要在抑制泥岩水化分散上下功夫外,还要做好沙二段的防漏工程。

2-3 亚类:中等分散、中强膨胀的地层。井深 2500~3500m。

该类地层井深较2-2类有所增加,粘土矿物以伊利石和伊/蒙有序混层为主,分散性和膨胀性均较2-2类有所降低。但若泥浆的抑制性较差时,仍会发生缩颈和粘卡。另外,该类地层其地层破裂压力较低,若为了对付盐层塑流,必须使用密度在1.8g/cm3以上的泥浆,若井深结构选择不当,井漏则在所难免。大部分地区沙一段有盐膏层。由于盐膏溶解,井径扩大率往往难以控制。同时泥浆的粘切和失水将大大升高。钻该段地层的泥浆仍然是以抑制泥岩的分散膨胀为主。同时还要对付沙一段的盐膏层。

  3类:层理、裂缝发育的硬脆性地层。

 该地层是常见的井壁不稳定地层,根据特点将其分为两个亚类:

  3-1亚类:强膨胀的硬脆性地层,井深3200~4800m。

 此类地层粘土矿物以伊/蒙有序混层和伊利石为主,粘土矿物绝对含量高达60%~80%,亚甲兰容量高,膨胀性强。地层埋藏较深,由于地层的压实作用,岩石较硬,分散性回收率60%~95%,地层的层理裂缝发育。泥岩遇水后水沿层理裂隙而渗入泥岩深部,造成膨胀不均匀,产生一定的膨胀压差,减弱了页岩的胶结强度,诱导产生新的裂缝,最终导致坍塌掉块。塌块呈不规则块状,钻进此类地层时泥浆应以防塌为主。

商南天和泥浆有限公司  3-2亚类:低分散膨胀性差的硬脆性地层。井深3500~5300m。

 泥岩中以伊利石为主,含量60%~90%。阳离子交换容量低,为3~8meq/100g土,不易膨胀,膨胀率10%,底层层理裂缝发育。该段地层虽然膨胀率远小于3-1亚类,但少量水化引起的膨胀压差而导致的压力释放亦不容忽视。因此该地层最大问题仍然使井壁稳定的问题。

另外,该地层由于埋藏较深,泥浆的抗温问题不容忽视。

4类:盐、膏、泥复合地层。

该类地层分为两个亚类:

4-1亚类:含膨胀性粘土的盐、膏、泥复合地层。

井深2900~3350m。该亚类地层是由盐膏泥交互组成的复合岩层,地层中岩性变化大,小层多且薄,由于盐膏溶解造成井眼扩大,同时带来盐上地层坍塌,而泥岩及硬石膏吸水膨胀又造成缩径。泥岩中粘土矿物以伊利石为主,含量为50%左右,此外还含有伊蒙混层和绿混石高岭石等。

4-2亚类:不含膨胀性粘土的盐、膏、泥复合地层。

该亚类为大段的较纯厚的盐膏层,单层厚度较大,一般为几米至几十米,埋藏较深,井深3400~4300m,有的井达到5200m,其岩层间泥岩粘土矿物伊利石含量达100%。CEC值较低,膨胀率根据盐的类型的不同而表现出较大的差异。以钙芒硝为主的样品,由于硬石膏吸水后体积膨胀,表现出较大的膨胀性。

以上两个亚类盐膏层的一个复杂原因就是盐岩的塑流问题,深部盐岩由于受上覆岩层的压力和井下温度的印象会产生塑性流动。当盐层未被钻开时,盐层在原处处于应力平衡状态,而一旦钻开盐层后,盐层受力状态就发生变化。若上覆岩层的压力与泥浆液柱压力之间差超过盐岩变形所需应力时盐岩就会沿井径方向发生塑形性变形,导致缩径,造成起下钻遇阻,甚至卡钻等井下复杂情况。

 综上所述,盐膏层的主要问题就是盐膏的溶解使得井径扩大。同时带来盐上底层的坍塌,硬石膏吸水膨胀和盐岩的塑性流动,使井眼发生缩径。因此,在钻遇此地层时,井下情况非常复杂,极易发生恶性卡钻事故。卡钻后,泡解卡剂无效,只能采取倒扣、爆炸、套铣、侧钻等工程措施。在事故处理过程中,又极易发生卡套铣的事故,有的井甚至报废。

满足各类地层的泥浆技术措施

一、钻1类地层

由于该地段地层是由未成岩的流沙层和胶结性差的砂砾岩组成。泥浆应该选用高粘高切的膨润土浆,并适当提高泥浆密度,提高环空返速,以保持井眼清洁。配以适当的高分子乳液聚合物,例如万能王。改善泥浆性能、要安装好除沙器同时还要有足够沉砂池,减少对泥浆泵的磨损和改善泥饼质量。用大循环沉砂池配除器效果更好。

二、钻2类地层

商南天和泥浆有限公司钻该类地层处理泥浆时应以抑制泥页岩的分散膨胀为主。

商南天和泥浆有限公司(1)选用大中小分子量相匹配的强包被聚合物包被钻屑,以FA-347、万能王为佳,加量最好控制在0。3%以上,并采用等浓度维护处理,能较好的抑制地层膨胀和造浆。不应添加分散型的稀释剂。同时配合地面固控设备,较好地解决清除钻屑的问题。

商南天和泥浆有限公司(2)用防卡润滑剂和钻头清洗剂等防止钻头泥包,清洗钻具。

(3)加强固控,控制钻屑环空浓度,降低泥浆粘切,加大排量,降低泥浆滤失量,改善泥饼质量。

(4)坚持短起下钻

(5)有沙一盐的要提前预处理泥浆,预先配好1%的高分子聚合物胶液万能王。

(6)进入沙二前,做好防漏准备。加入超细碳酸钙粉和磺化沥青类产品。一方面改善泥饼质量,降低泥饼摩擦系数。另一方面,在渗透性强的砂岩处形成屏蔽式暂堵层,降低砂岩的渗透率,达到防塌堵漏的目的,同时也减少因虚假泥饼而造成的缩颈。另外,使用复合型阳离子体系也是可行的。

三、钻3类地层

钻该类地层的泥浆关键是抑制泥岩膨胀和封堵裂缝,以防止为主,主要采取以下泥浆技术措施:

(1)保持正压差钻进,选择适当的泥浆的相对密度以平衡地层压力,抑制应力使之缓慢释放。

(2)添加KCL抑制泥岩水化膨胀,防止3-1类地层坍塌效果显著的。

(3)采用磺化沥青类处理剂封堵地层的层理裂缝并降低高温高压失水是防止井塌的关键。

(4)禁止使用高pH值泥浆。

(5)降低泥浆的滤失量,减缓水化的进程,优质泥饼则能增加井壁的稳定性。

商南天和泥浆有限公司(6)还应该选择抗高温处理剂增加泥浆的抗温性。

四、钻4类地层

钻这类地层只能选用油包水乳化泥浆或者饱和盐聚合物泥浆。采用油包水乳化泥浆钻该段地层时,必须采用高水相矿化度和低滤失量的泥浆。

采用饱和盐水泥浆其主要原则是:

(1)必须确保盐水在井下处于饱和状态,这样才能真正抑制盐层的溶解。

(2)必须控制低的是失水量,这样才能助剂防塌。

(3)必须控制适当的相对密度,以控制盐岩的塑性变形和膏泥岩的吸水膨胀。

(4)必须将泥浆有好的流变性以减轻对井壁的冲刷和携带钻屑。

综上所述,通过对岩性分析及地层的分类工作,使我们对各类地层的岩性特征及其井下易产生的复杂情况有比较清晰而明确的了解。即:

(1)钻1类地层使用适当密度,较高粘切的高分子聚合物膨润土浆。

(2)钻2类地层使用强包被的低固相不分散泥浆。

(3)钻3-1类地层使用KCL-聚磺泥浆。

(4)钻3-2类地层使用抗高温聚磺泥浆。

(5)钻4类地层使用油包水乳化泥浆和饱和盐水聚合物泥浆。

井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的井下复杂情况,它包括缩颈、坍塌和卡钻等,不仅严重影响施工质量,钻井速度和钻井成本,而且给完井后的固井和油气开采带来了一系列的困难。因此,在钻井过程中如何保持井壁稳定愈来愈引起人们的重视。井壁不稳定地层分类希望可以帮助工程施工队伍在施工过程中进行有效分析,解决工程难题。但地层类型复杂,需详细了解地层类型特点之后,采取对相应泥浆系统。


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