井壁提高地层承压能力

井壁提高地层承压能力 一 适用条件 地层承压能力高低是一个相对的概念 提高地层承压能力一般有以下几种情况 在裸眼井段 1 上部地层只能承受低密度泥浆才不漏 而下部将钻进高压地层或高坍塌 压力地层 必须提高上部 己钻 地层的承压能力 或下套管或膨涨管封住上部地 层 2 钻进上部地层必须用高密度而下部地层不承压 必须提高下部 待钻 地 层的承压能力 或下套管或膨涨管封住上部地层 3 喷 漏同层 而提高地层承压能力的操作可以随钻进行 也可仃钻进行 包括钻井正常而固 井漏 显然这是属于窄 负安全密度窗口才有的问题 其中喷 漏 气层 同层最 为复杂 我们钻井 所遇到的承压能力低的地层大多数是裂缝发育及微裂缝发育的 地层 我们衡量地层是否承压的标准是在泥浆压力 静 动 作用下地层是否发生 漏失 所以这种情况下地层承压能力 P承与 P破 P漏是一致的 提高地层承压 能力 P承就是提高 P破或 P漏 地层承压能力高低与岩石本体组成与力学性质无必然的联系 主要与地 应力和地层裂缝及微裂缝发育状况密切相关 二 基本原理 1 裂缝性地层承压能力低的机理 原因 综合国内外相关研究思路和成果 进行分析和研究形成相应的认识 原理 思路和方法 地层破裂 压力 与地层承压能力 钻井工程中常把地层破裂压力 地层裂缝开启压力 作为地层承压能力的标志 即是泥浆柱压力 静 动 把地层压裂而造成漏失的压力 它是以漏失与否来 衡量 因此 地层承压能力是指钻井 完井中井眼地层防止 承受 泥浆柱水力压 裂的能力 地层被压裂 承压能力低 发生的机理 根据断裂力学和地层水力压裂的原理 地层被泥浆柱压裂的机理为 井壁地层岩石表面存在有 缺陷 瑕疵 包括地层岩石的解理 层 面 裂隙 而地层中的天然存在和钻井所形成的各种微裂缝 细微裂缝则是影 响突出 缺陷 瑕疵 而闭合的各类天然裂缝更是如此 它们能引导工作液液 相进入地层 P泥 静 动 P地 且 P泥 静 动 大于地层岩石的抗张强度 对于以脆性为主的岩石抗张强度并不大 由于对地层的正压差使泥浆或泥浆滤液沿裂缝进入地层 若泥浆液相进入裂缝的速度 泥浆液相沿裂缝缝面滤失速度 裂缝中液相 体积不断迅速增加并垂直沿裂缝面方向对地层产生张应力 其大小由 P 泥和缝 面大小决定 并在裂缝尖端产生应力集中 当此应力大于地层抗张强度 则发生水力尖劈作用 裂缝尖端不断向地层 深部发展漫延 形成诱导裂缝而压开地层 并不断扩张 增大开度 达到致漏 宽度 增加长度向内部延伸 最终沟通地层内部漏失通道 产生漏失 表现出 地层被压裂 和地层不承压 若泥浆液相进入裂缝的速度 泥浆液相沿裂缝缝面滤失速度 裂缝中液相体积 不断迅速增加并垂直沿裂缝面方向对地层产生张应力 其大小由 P泥和缝面大 小决定 并在裂缝尖端产生应力集中 当此应力大于地层抗张强度 则发生水力尖劈作用 裂缝尖端不断向地层 深部发展漫延 形成诱导裂缝而压开地层 并不断扩张 增大开度 达到能导 致漏失的宽度 增加长度向内部延伸 最终沟通地层内部漏失通道 产生漏失 若未沟通 则卸压后泥浆反吐 表现出地层被压裂和地层不承压 2 提高这类地层承压能力 P破 P承 的途径 包含以下几项必要的内容 防止诱导裂缝产生 扩张 提高泥浆抑制性 降低地层水化程度 提高井下地层抗张强度 从而提 高地层破裂压力 承压能力 据研究资料表明 设在井深 3000 米井段的泥页岩 若页岩不水化 水化 则 P破 2 53 1 46 提高泥浆对细微裂缝的即时 瞬间 有效 K 0 封堵 阻止泥浆液相 进入地层 非致漏裂缝 通道 阻止水力尖劈作用的发生 微米级 纳米级的 有效封堵 地层不被压裂 则承压能力提高 目前作不到 对钻遇的致漏裂缝 在漏失中立即成功封堵 即立即堵住漏失 且保证其不再被诱导压裂而再次漏 失 漏失时泥浆中的固相粒子随泥浆同时进入裂缝 若泥浆中含有能 卡 在裂缝 狭窄处 架桥 的固相粒子 且含有大量能够发生 充填 的各级粒子 则必然在狭窄 处发生 架桥 充填 作用而形成一 堵塞段 漏失不通畅 若 堵塞段 承压强度大于 P泥 P地 且其孔隙小到不允许固相颗粒通过 则 只发生液相渗流 漏失仃止 若 堵塞段 渗透率 k 减小到泥浆滤液进入裂缝的速度小于沿缝面滤失速 度 则不发生水力尖劈作用 不会再压漏地层 若泥浆压力把 非致漏裂缝 裂缝压裂诱导开启到 致漏程度 压漏地层 而发 生漏失 发生漏失的同时立即成功封堵 即立即堵住漏失 且保证其不再被诱导压裂 而再次漏失 漏失时泥浆中的固相粒子随泥浆同时进入诱导裂缝 若泥浆中含有能 卡 在裂缝狭窄处 架桥 的固相粒子 且含有大量能够发生 充填 的各级粒子 则必然 容易在入口不远处发生 架桥 充填 作用而形成一 堵塞段 若 堵塞段 承压强 度大于 P泥 P地 且其孔隙小到不允许固相颗粒通过 则只发生液相渗流 漏失 仃止 若 堵塞段渗透率 k 小到泥浆滤液进入裂缝的速度小于沿缝面滤失速度 则不发生水力尖劈作用 不会再压漏地层 若 堵塞段渗透率 k 小到泥浆滤液进入裂缝的速度小于沿缝面滤失速度 使其 堵塞段 前端裂缝内流体因滤失而使其压力 地层压力 则 渗滤仃止 水力尖劈作用停止 裂缝不再扩张 延伸 且裂缝闭合 则闭合压力作 用在 堵塞段 上 堵塞段 必须抗住裂缝闭合压力的挤压作用 否则由于 堵塞 段 压毁而使堵漏失败 因此 有效封堵天然致漏裂缝漏失与有效封堵诱导致漏裂裂漏失的要求有很 大的不同 对封堵材料的要求也有很大的不同 3 填塞段 嵌入裂缝中保持裂缝开度 好比向井眼周边打入一个楔子一样从而增 加井眼周向应力 因此而增大地层裂缝开启压力 承压能力 应力笼理论 2 8 1 wE P Rv 式中 P 增大的裂缝开启压力 承压能力增加值 W 是裂缝宽度 R 裂缝半径 E 地层的杨氏模量 V 地层的泊松比 通过计算分析发现 裂缝宽度增大到 1mm 半径在 1m 对于深部 比较坚硬 地层可以提高 井眼承压能力 P 6 895MPa 问题是 填塞段 如何形成 因此 综合以上分折 提高地层承压能力的思路 A 对天然致漏裂缝的及时成功封堵 B 对诱导产生和扩张到致漏宽度的诱导裂缝进行及时成功封堵 C 防止已堵裂缝的再次扩张和进一步扩大 即漏失进行的同时 立即在裂缝中形成堵塞段 迅速堵住各类 天然和诱导 致 漏裂缝而有效堵漏 同时使裂缝中的堵塞段的强度抗住裂缝闭合压力的挤压作用 且大于 P泥 P地 且其渗透率 0 不必为 0 D 这不是真正提高了地层承压能力 不被压裂 而是在地层被压漏的 瞬间 漏失很少 就堵住了它 且保证比处不再被压开 一方面保证了正常钻井和固井 从而在实际上解决了这类难题 另一方面也使地层承压能力因之而有所提高 这些任务可以在钻井循环过程中解决 即随钻封堵防漏 也可在解决不了 时仃钻堵漏 三 方法 提高地层承压能力的封缝即堵技术 裂缝即时有效封堵技术 1 裂缝即时有效封堵技术及要求 钻遇任一己知宽度的致漏裂缝和当诱导裂缝产生 逐渐扩大到致漏宽度而发生漏失 时 都能作到在漏失很短的时间内 几分钟 漏失量很小 1 2 方 的情况下封堵住此裂缝 且 其堵塞段抗压强度可以达到几十兆帕 纵向 和大于 P泥 P地 径向 其渗透率 0 不必为 0 特称它为对裂缝的封缝即堵技术 被封堵的裂缝不会再被压开 而且它附近井周的地层承压能力也因之而有所提高 则地层承压能力因此而提高到所需程度 它可以随钻进行 也可仃钻进行 2 裂缝即时有效封堵技术要点 技术本质 对裂缝的及时充填封堵 即各类桥塞粒子必须进入裂缝并在其中架桥后逐级充填直致 将此裂缝完全 填死 所形成的 填塞段 具有很高的抗压强度和很低的 0 渗透率 而研究表明 只要选择好与地层各级致漏裂缝相匹配的刚性架桥粒子系列和与之相匹配 的填充粒子系列 并具有必要的浓度 保持必要的正压差 防止压力激动 控制泥浆挤入 速度 注意搅拌泥浆 就可能实现 封缝即堵技术 根据裂缝封堵机理 经研究证实 对任一致漏裂缝可由一逐级分布的系列颗粒完成即时有效封堵 单粒架桥 逐级填充 单粒架桥 变缝为孔 逐级填充 最后填 死 架桥 桥塞 粒子 形状 不规则 粒状最好 尺寸 小于裂缝尺寸且与裂缝尺寸匹配 1 2 2 3 规则 抗压强度 决定堵塞段承压强度 刚性为宜 果壳粒子的承压能力不够 大理 石 方解石 颗粒为宜 浓度 粒子个数 M3 可由实验确定 密度 适当 填充粒子 用以填充桥塞粒子架桥后留下的逐级空隙 为一 粒级小于架桥粒子的级配按逐次递减分布的粒子 品质要求同前 系列 多级分散粒 子的粒度分布曲线连续 平滑 总用量 2 3 事实上往往针对地层大小各级裂缝的架 桥粒子系列本身又是填充粒子系列 配合部份片状 纤维状及可变形粒子 动态进行比静态进行的封堵效果好得多 针对不同地层利用上述原理及材料通过实验可以评价确定出其具体配方 即各级粒子数 量和比例 必须有一刚性 不规则颗粒状的专用材料系列 按地层情况进行进行选择使用 必须配 合可以变形的微细颗粒和纤维状 片状的细颗粒 根据井下漏失情与井浆现状通过实验评 价研究优选其具体配方 优化工艺就可能实现 封缝即堵技术 从而提高了地层的承压能力 扩大 3 随钻封缝即堵提高地层承压能力 技术 在前述研究成果的基础上产生的一种 随钻提高地层承压能力 或漏失压力或破裂压 力 实现随钻防漏的一种新思路 作法 主要目的是针对性的及时封住各类裂缝 在钻遇漏层的致漏裂缝 天然或诱导 发生漏失时 泥浆立即 在很短时间 1 2 分钟 内 漏失很少量 1 一 2 方 时迅速 堵住天然致漏裂缝有效的堵住漏失并使 堵塞段 抗压强度 大于裂缝的闭合压力 纵向 及 P泥 P地 径向 且其渗透率很低 接近为 0 能制止其进一步扩 大 称为 随钻封缝即堵技术 如果其整个过程很快 且漏失很小 则可看成为随钻防漏 前面的研究己经证明这完全能实现 其作用过程可简示如下 当钻遇致漏天然裂缝 泥浆在漏失中发生即堵 立即堵住漏失并防止它进一步扩大和恶 化 当钻遇非致漏天然裂缝或微裂缝时 在裂缝没有被诱导发生 开启 和扩展到致漏宽度前 不发生漏失 则此时泥浆堵漏和防漏作用不表现 一旦诱导裂缝宽度发展达到致漏程度时 泥浆即堵效能则立即发挥而起到防漏作用 特点 必须要漏 在漏失发生的同时立即完成 随钻封缝即堵技术 全井使用 可随钻向全井泥浆中加入一定级配的颗粒系列来完成 主要针对诱导裂缝的产生 对 诱导致漏裂缝实行封缝即堵 颗粒级配一般 0 10 0 50 mm C D 级刚性粒子 加量约 3 5 注意泥浆性能的调控及振动筛的应用 应用 封堵段塞 予测井漏井段 予先加入一定量的含有高浓度各种级配粒子的泥浆段塞或发现漏失 时立即加入一定量的含有高浓度各种级配粒子的泥浆段塞 此泥浆段塞为几方 十几方含有 各种级配粒子的井浆 保证泥浆段塞对漏失井段作用 10 20 分钟 来完成 主要针对 致漏裂 缝 与诱导裂缝的产生 颗粒级配一般 0 10 3 00 mm A B C D E F 级刚性粒子 加量 可大于 10 而无需仃钻 用后循环筛出 所用颗粒系列 架桥粒子及填充粒子的粒度大小与级配及 用量可按前述原理通过试验确定 在重泥浆中更容易实现 若天然致漏裂缝偏大 2 5mm 一钻遇就表现出有进无出的恶性漏失 若 段塞 无效 则应转入以此原理 依次增大架桥粒子的粒径 为依据的停钻承压堵漏 若致漏裂缝过大 5 10mm 则转入裂缝性地层恶性漏失的堵漏 比如采用特种凝胶系 列堵漏技术 3 仃钻 封缝即堵提高地层承压能力 技术 包括 完钻后固井前及钻遇过大的天然致漏裂缝发生漏失而转入的停钻堵漏和完钻后 固井前 提高地层承压能力 根据漏失情况 估计出最大裂缝的宽度 按架桥原理由实验确定最大架桥粒子粒级 及浓度 并在前述随钻堵漏粒子体系的基础上建立封缝即堵粒子系列 以刚性粒子为基础 加上其它级配合适的果壳类粒子构成 其浓度足够即可 过多反而有害 片状 纤维状颗粒不 宜为主 也不宜多用 或在现在承压堵漏通用配方基础上 加入 3 5 的刚性封堵粒子系列 起钻至套管鞋 或安全井段 注入堵漏浆到裸眼井段 注意观察井口液面 若有 漏失 必须及时灌泥浆保持井口液面 按现有的办法挤泥浆 当套压升至 1 5 2 0MPa 停止挤入 稳压 10 20 分钟后 卸压 旋转下钻到底后 以设备和井下条件允许的转速转动钻具 10 20 分钟 起钻至套管鞋 或安全井段 再按以上步骤挤泥浆 使立压 套压大于 N MPa 后憋压候堵 依现场实际情况可再次下钻到底搅拌井内泥浆 起钻至套管鞋 挤泥 浆 使立压 套压大于 N MPa 后憋压候堵 下钻 循环出堵漏浆 再做承压实验 达到 N MPa 即合格 若挤泥浆蹩不起压力 则是粘子级配不对 应按规律调整级配一般是增加大粒 子 若静止能堵漏且又能蹩上压力并能保