国外井壁强化技术的新进展.docx

【专论】国外井壁强化技术的新进展卢小川 1，2， 范白涛 3， 赵忠举 4， 王海良 4， 孙鹏 2， 徐安国 2， 肖伟伟 4（1. 中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 ；2. 中海油服油田化学事业部，河北燕郊 ；3. 中海石油（中国）有限公司天津分公司钻完井部，天津 ；4. 北京石大胡杨石油科技发展有限公司，北京）卢小川等 . 国外井壁强化技术的新进展 J. 钻井液与完井液，2012，29（6）：74-78.摘要 近年来，随着油气勘探开发的不断深入，井漏和井壁失稳等问题对钻井造成的困扰越来越严重。国外 一些大油公司和服务公司借助岩石破裂机理的研究成果，提出了井壁强化理论和做法。目前已初步形成了配套的 处理剂、设计程序和施工工艺，并逐步在全球推广。这些做法有助于在近井壁带形成井眼压力安全壳，提高井眼 的完整性，拓宽钻井液的安全密度窗口，因而在钻探弱层、裂缝发育地层、枯竭油气藏和海洋深水钻井等方面拥 有巨大的潜力和广阔的应用前景。关键字 井壁强化 ；裂缝性漏失 ；井漏 ；井眼完整性 ；安全密度窗口中图分类号：TE283文献标识码：A文章编号：1001-5620（2012）06-0074-0555.2 MPa，相对于拉伸强度是很大的。因此井眼的完整性基本与岩石的固有应力呈函数关系，而与岩 石本身的强度无关。保 持 裂 缝 表 面 闭 合 的 应 力 被 称 为 裂 缝 闭 合 应 力。Nolte 对闭合应力所下的定义是，裂缝开启所 需的钻井液压力。如果降低钻井液密度使循环压力 小于该应力，裂缝就会闭合，而漏失就会停止 ；循 环压力超过该应力时会使裂缝开启，而漏失就会继 续。现场施工数据证明闭合的裂缝可以再次开启， 其开启压力不会降低，因为岩石固有的最小远场应 力没有改变。可把裂缝看作一个可靠的泄压阀。实际上，可以将保持裂缝闭合的应力看作是由2 个分量组成。主分量是上覆岩层产生的最小主远 场应力。井眼压力接近最小远场应力时，地层接近 于开启状态。然而第二个应力分量也必须被克服。 当应力材料被切成孔眼时，在孔眼表面立刻形成压 缩应力，由于切向应变使井壁有坍塌的趋势。Miles 和 Topping 于 1949 年曾描述过井眼中的这种应力， Hubbert 和 Willis 于 1957 年 对 其 进 行 了 全 面 分 析。 环形应力的产生通常被称为应力环。控制裂缝开启井漏是困扰钻井工程的主要问题之一。井漏造成的钻井液损失、处理剂消耗和钻机占用时间，使 全球每年要损失近 30 亿美元。虽然也存在诸如溶洞、 基质渗漏和滤失等类型的井漏，但较严重井漏通常 是由裂缝延伸引发的。处理裂缝延伸漏失的费用超 过了处理与漏失相关复杂情况总费用的 90% 以上。 随着深水井、高温高压井和加密井等的钻井工作的 不断进行，钻井液安全密度窗口不仅变得更窄而且 变得更加不确定。为了解决这些问题，井壁强化技 术得到了应用和推广。1-31破裂模型和井壁强化当井眼压力超过保持岩石闭合的应力与岩石拉伸强度之和时，裂缝会开启。现场人员普遍认为井眼的完整性与岩石强度或硬度有关。岩石硬度确实 与压缩强度有关，但井漏发生在井壁被拉伸时，而 不是发生在井壁压缩时。即使在压缩强度很高的地 层，沉降拉伸强度也小于几个 MPa ；相反，保持井 眼闭合的应力通常是上覆地层压力的 75% 85%， 如 垂 深 为 3 048 m 处 的 井 眼 保 持 其 闭 合 的 应 力 为第一作者简介 ：卢小川，中国石油大学（北京）在职研究生，2007 年毕业于天津大学材料科学与工程专业，主要从事钻完井液的现场应用和技术研发工作。地址 ：河北省三河市燕郊开发区海油大街 18 号中海油服油化研究院 ；邮政编码065201 ；电话（010）84522275 ；E-mail ：。第 29 卷 第 6 期卢小川等：国外井壁强化技术的新进展75到闭合的总压缩应力是，较大的远场应力与近井壁带附加的较小的环形应力增量之和。把 2 个应力分量分开考虑的原因是因为在某些 情况下二者是独立的。例如，岩石裂缝在井眼压力 下开启，钻井液能达到井眼内新生成的裂缝的表面 并施加压力，此时环形应力下降到零，而远场应力 仍然存在。该系统模拟为 2 个平面而不是一个在应 力环境中的圆形井眼更加合适。用阻止破裂压力传递法来加强井眼强度的研究（DEA 13）是 20 世纪 80 年代进行的，并于 21 世纪 初期对研究成果进行了报道。通过研究使用油基钻 井液与水基钻井液钻井井眼破裂状态的差别，来建 立阻止破裂压力传递方法研究的基础工作。研究发 现，在原井眼中不同的钻井液类型和不同配方的钻 井液所产生的初始破裂压力没有差别。很明显，确 定初始破裂压力的唯一因素是井眼压力在张力状态 下对近井眼地带所施加的有效应力。然而，观察到 的巨大差别存在于裂缝的蔓延状态中，裂缝的蔓延 状态主要取决于钻井液类型和钻井液配方。特别是 高密度水基钻井液，其具有比油基钻井液更高的破 裂传递压力，因而可以解释油基钻井液所钻的井发 生的井漏更加严重。井壁强化技术的目的不是增加地层的强度（尽 管化学处理剂能提高渗透性地层的基岩强度，并已 成功应用于枯竭地层），其主要目的是 ：提高近井 壁应力，从而提高裂缝（再次）开启和延伸的临界值， 将这种方法称作井眼应力增加法（WSA），包括应 力环法和裂缝闭合应力法 ；提高地层阻止裂缝延 伸的强度，以下称为裂缝延伸强度法（FPR），见图 1。2 井壁强化技术2.1应力环法 应力环（也称为应力笼）法的原理是使近井眼地 带产生一个附加的环形应力，井眼形成时加到已有 的环形应力中去（如图 2）2，4。特定尺寸的近井眼地 带的裂缝是精心预制的，并在裂缝中填充了固相， 在制造裂缝和填充的作业中使用了井眼强化材料（WSM）挤注堵漏剂。其要求是堵漏材料能在井眼 的内表面采用架桥的方式密封。当裂缝经处理封闭 时，地层会在近井眼地带的堵漏材料附近发生垮塌， 所以这些材料需要有充分的强度支撑垮塌时的载 荷。由于填充固相的存在，在近井眼地层中会产生 一附加的张应力，这种张应力提高了今后产生裂缝 的临界值。其成功应用的报道主要是在渗透性地层， 已证明难以在非渗透性地层取得成功，因为流体排放到近井眼固相桥塞后面是最基本的技术要求。然而最近的研究是把这种方法放宽到非渗透层使用。 虽然这种方法的机理似乎是可以接受的，但仍 然存在某些问题。例如，不清楚为什么只有裂缝在 特定的尺寸下才能使用，为什么井眼强化材料只在 井眼表面架桥，而不会在裂缝深处架桥。而且，有 限元裂缝模拟表明，在现实的方法中，能被微粒桥 堵的稳定微裂缝通常是不存在的。另外，对非渗透 性井壁边界条件来说，2 个公布的井壁强化数据点仍然在基尔希环形应力（Kirsch hoop-stress）范围内。图 2 应力环法示意图图 3 裂缝闭合应力法示意图2.2裂缝闭合应力法 3 -6 上世纪 90 年代中期开发出的裂缝闭合应力法， 是 以 50 年 代 开 发 出 的 简 单 线 弹 性 模 型 为 基 础 的。 一些大的钻井集团于 2000 年把裂缝闭合应力法推 广到了全世界各种钻井地区，如美国内陆、墨西哥 湾、马来西亚、北海、西非和加拿大。2003 年在渗 透性地层应用的成功率是 100%，而且使用传统廉 价的处理剂使完整性提高至 24.84 MPa 以上。减少 了与井漏有关的钻机占用时间，节省了套管程序。图 1 井壁强化的 2 种方法这些方法的总体效果是提高了有效破裂梯度，实际效果是拓宽了钻井液密度窗口。尽管没有改变 基岩强度，但井眼可以承受更高的压力，表现得“更 坚固”了。显然，把“井壁强化”称为“钻井液密 度窗口拓宽”更为合适。3-476钻井液与完井液2012 年 11 月裂缝闭合应力法的原理是，漏失裂缝的加宽会使地层的完整性增强，缝隙越宽，裂缝面之间的压 缩以及所形成的闭合应力就越大。应力的大部分也 会传递到井壁表面，致使各侧面的地层裂缝开启压 力都上升，见图 3。堵漏材料的这种堵漏原理，不 简单的“堵塞”。要想用堵漏材料处理达到该方法 要求，堵漏材料的结构和替入工艺必须达到 2 种作 用效果 ：裂缝末端必须与井筒压力隔离，以防止裂 缝延伸，从而保证压力能使裂缝加宽 ；宽度必须达 到产生满足钻进要求的闭合应力（完整性）。在处 理期间，所达到的裂缝宽度和闭合应力，被用来填 充裂缝的重晶石和堵漏材料圈闭。闭合应力法是故意加大裂缝以产生较大的闭合 应力并用常规固相保持裂缝的开启，它的主要标准 是尺寸。裂缝状态模拟认为，任何成功的处理都必 须同时达到 2 个目标 ：裂缝加宽时，材料必须保 持把裂缝的末端隔离 ；最终宽度必须大到产生一 个大于当量循环密度的闭合应力。这种方法适合于各种材料，包括堵漏材料、水泥、黏性固体和黏性固结体系。尽管研究人员关注的重点不同，但裂缝长度、 量化模型和室内试验都支持了一个基本原理，即完 整性只能通过增加宽度来建立。井眼强化材料的强 度不是最重要的，采用裂缝闭合应力技术时，井眼 强化材料不是在井壁上架桥，而是在裂缝内的某处。 据认为，在处理过程中裂缝的末端隔离是最基本的。 据报道，在渗透性地层，应力闭合处理的成功率为100%，但在非渗透性地层只收到有限的效果。2.3裂缝延伸强度法 井液和合成基钻井液来钻枯竭层。它的优势是能防止钻井液漏失到高渗地层（因而能防止压差卡钻）， 而事实上当裂缝产生时，没有发生这样的情况。在 使用油基或合成基钻井液的情况下，当裂缝产生时， 逆乳化钻井液能迅速密封新产生的裂缝表面，只有 少量的初始漏失，但是在这一过程中仍然允许钻井 液的水压传递到裂缝的顶部，与水基钻井液相比， 这种直接接触没有受到滤饼和桥塞的阻碍，从而保 证了在低压下裂缝的扩展，如图 4 所示。其结果是， 使用油基和合成基钻井液钻井时，现场的钻井液密 度窗口比水基钻井液低。图 4 裂缝在水基和合成基 / 油基钻井液中延伸的示意图裂缝延伸强度法是适用于油基或合成基钻井液的随钻井壁强化方法，通过在钻井液中加入高浓度 的专门设计的井眼强化材料对裂缝形成末端隔离， 从而改善裂缝延伸性能。井眼强化材料的连续使用 确保了新钻开的地层总能得到强化。当量循环密度 高于裂缝开启和裂缝延伸的压力时，井眼强化材料 形成裂缝末端隔离以提高裂缝延伸压力，减少钻井 液漏失和漏失造成的非生产时间。3 种井壁强化技术在原理上的区别见表 1。表 1 3 种井壁强化技术的主要区别项目环形应力裂缝闭合应力裂缝延伸强度对 多 数 水 基 钻 井 液 来 说， 当 裂 缝 形 成 时， 钻井液的瞬时滤失经由空间和新的裂缝面迅速进入裂 缝，导致控制滤失的固相形成脱水滤饼和桥塞以密 封并使裂缝末端与钻井液的水力压力相隔离 4，7。 只有钻井液的压力高到可以穿过滤饼和桥塞并再一 次与裂缝的顶部形成连通通道，裂缝才会扩大。裂 缝 每 次 扩 大 都 重 复 这 一 过 程 ：初 始 漏 失 滤 饼 和 桥塞密封裂缝顶部压力与裂缝顶部连通裂缝扩 大。 很 明 显， 当 裂 缝 在 水 基 钻 井 液 中 扩 展 时， 有 相当大的阻力而且效率很低，从而提高了破裂传递 压力。相反，在油基钻井液和合成基钻井液中，由 于其逆乳化剂能产生内滤饼，因而能控制大规模的 漏失。这就使得在高度过平衡条件下可以用油基钻现场钻井液（合成基或油基）适用介质水基段塞水基段塞间歇段塞挤注适用工艺间歇段塞挤注 随钻处理钻井液改变岩石 /闭合应力裂缝末端隔离 高滤失井眼强化材 料颗粒强度是是否否是是是是否重要不重要不重要不重要（多数使用 400 m）井眼强化材料颗粒尺寸重要重要井眼强化材重要不重要重要料颗粒类型 第 29 卷 第 6 期卢小川等：国外井壁强化技术的新进展77积 含 量 为 20% 40%（含 加 重 剂）；钻 井 液 的 API瞬时滤失量大于 10 15 mL（实际上一般要大于 30 mL）；不含降滤失剂 ；硅藻土体积含量大于 2% ； 绿 坡 缕 石 作 为 主 要 悬 浮 剂 ；80% 颗 粒 粒 径 分 布 要 小于所需的裂缝宽度 ；具有较低的充填效率的颗粒 尺 寸 分 布 ；粒 径 小 于 30 m 的 颗 粒 的 含 量 要 低 于10% ；裂缝的设计长度为 152.4 3 048 mm，视地 层的渗透率而定。这种新型钻井液在马来西亚的 Jerneh 油田的 4 口井中以及德克萨斯东部的 Trawick 油田的 4 口井 中进行了试验，取得了比较好的效果。3.3裂缝延伸强度法4，10 MI- 斯瓦科公司的强化井眼方法是控制破裂压 力传播和连续应用特制的井眼强化剂，在墨西哥湾 深水作业中把漏失降低了 80% 以上，使漏失退出 了降低非生产时间的十大事故，从而降低钻井成本。研究表明，影响井眼强化材料总体性能的关键 因素包括 ：颗粒尺寸 ；颗粒尺寸分布 ；浓度 ；形状（椭球型 / 长短轴之比）；其他（表面纹理、抗压强度、 体密度、弹性等）。试验发现，密封裂缝进而减小或消除钻井液进 入裂缝末端的最佳材料是特定尺寸的合成石墨、果 壳和油润湿纤维素颗粒。石墨与碳酸钙混合形成的 填充物与油润湿纤维素等改善密封的材料取得了良 好的试验结果。MI 公司已将这些经验用于解决在 墨西哥湾所遇到的问题，同时研制出颗粒尺寸回收 控制系统。该系统集成了一系列固控设备，能够在 回收提高裂缝延伸压力所需尺寸的井眼强化材料的 同时，清除钻屑和低密度固相，见图 5。3 现场应用应力环法 8 -9 墨 西 哥 湾 西 大 陆 架 区 域 被 石 油 工 业 界 认 为 是 油气钻井最棘手的地区。哈利伯顿公司在墨西哥湾 西大陆架路易斯安那海域采用可变形、高黏度和内 聚 封 堵 剂 来 建 立 井 眼 压 力 安 全 壳， 把 漏 失 压 力 从2.19 kg/cm3 提高至 2.29 kg/cm3，取得了成功。 当密封体由可变形、黏性和内聚（DVC）体系构成时，尽量在靠近井眼的地方形成密封体，通过 挤注压力和维持高屈服应力，来使裂缝达到一定的 宽度。封堵剂基浆从钻杆替入，钻井液则由环空替 入，2 者在钻头下方混合并发生反应。然后将封堵 剂挤入裂缝，从而提高环形应力，改善井眼压力安 全壳。哈利伯顿公司的建立井眼压力安全壳的处理设 计如下 ：通过模拟地层性能估计裂缝尺寸，同时 确定继续钻进需要的井眼压力安全壳 ；用线弹性 模型方程计算所需的裂缝宽度 ；用流体力学方程 计算所需封堵剂的体积。计算因素包括封堵材料在 井底静温下的屈服应力、需要封堵材料的最小体积和释放井口压力后的剩余体积 ；最终的作业设计，包括压力 / 排量限制、井下存留封堵剂体积、井下 封堵剂总体积、材料混合比、最优隔离液体积等的 详细数据以及应急设计 ；利用当量循环密度和漏 失试验数据和应力方程来预测井眼压力安全壳的增 量 ；用处理实际井眼所使用的钻井液进行室内试 验，调整和确定封堵剂配方。3.2 裂缝闭合应力法5 -6 埃克森美孚公司研制出 1 种钻进和应力钻井液 体系（Drill and Stress Fluid），这种钻井液在随钻过 程中能不断完善井筒的完整性，以防止发生严重漏 失。钻进和应力钻井液体系的设计是用来使钻井液 滤失速率最大化，使滤失速率达到在裂缝中形成非 移动物质。该体系的主要特点是具有较高的固相含 量和极高的 API 滤失速率。钻进和应力钻井液的设 计过程包括计算裂缝的理论宽度和选择堵漏材料的 颗粒尺寸分布。因为目标不是堵塞裂缝的开口，所 以理想的选择是，80% 的颗粒应该小于裂缝的设计 宽度。典型的钻进和应力钻井液设计包括 ：固相的体3.1 图 5 颗粒尺寸回收控制系统对 WSM 进行回收再利用结论近年来，井漏的处理已由“封堵缝洞”（后期478钻井液与完井液2012 年 11 月堵漏）向“井壁强化”（先期堵漏）方面发展。国外已进行了大量的研究，形成的井壁强化理论和方 法主要有井眼应力增加法（包括环应力环法和裂缝 闭合应力法）和裂缝延伸强度法。虽然在原理上有 根本区别，考虑到现场实际作业的相似性，很难解 释哪种方法在地层中起了作用，极有可能是 2 种原 理在协同作用。随着井壁强化理论研究的深入和相 应钻井液体系及新型钻井液处理剂的开发，钻井液 技术很有可能在井壁强化上实现力学与化学的耦 合。可以预见，随着钻井活动的不断增加，井壁强 化技术在防漏堵漏、井壁稳定、拓宽安全密度窗口 等方面有着比较广阔的应用前景 4，9。returns practicesJ.SPE/IADC 92192，2005.Oort Van Eric，Friedheim Jim，Pierce Toby，et al. Avoiding losses in depleted and weak zones by constantly strengthening wellboresJ.SPE 125093，2009.Dupiest E Fred，Smith V Marty，Zeilinger C Sabine，et al.New method eliminates lost returnsJ.World Oil，2008.M o r r i s C W i l l i a m ， S k y m m a r J A z m a n ， A b d u l Wahab Kamaruddin. The jerneh story-technology and teamworkJ.IPTC 12387，2008.O o r t V a n E r i c ， F r i e d h e i m J i m ， L e e J o h n ， e t a l . Continuously strengthening wellbores eliminates lost circulationsJ.World Oil，2008.Traugott D，Sweatman R，Vincent R.WPCI treatments in a deep HP/HT production hole increase LOT pressureto drill ahead to TD in a gulf of mexico shelf wellJ.SPE96420，2005.W h i t f i l l D o n，W a n g H o n g，T h a e m l i t z C a r l ， e t a l . Making economic decisions to mangage lost circulationJ. SPE 9556145678参 考 文 献91Friedheim E James，Sanders W Mark，Arias-Prada Jorge ，et al.Shursen. 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