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第二章井壁稳定性问题引言在所有钻井工作中保持井壁的稳定性是关键。在最轻的情况下,不稳定的井壁可能妨碍钻孔工作;在最严重的情况下,由于井壁坍塌,不得不放弃井。井壁的不稳定性可能是由机械原因、化学原因或两者的结合引起的。通常,机械影响与泥浆比重(过高或过低)或钻孔参数(钻孔速度、扭矩和摩擦、钻孔次数)相关。化学影响因素与泥浆类型有关(对不适当的泥浆类型或地层的抑制力不足)。以下部分详细介绍并提供了在设计、运行和钻孔会话期间防止井壁不稳定的措施。一般错误的看法在详细说明井壁稳定性问题之前,必须排除一些常见的错误观点。许多钻井行业确信,泥浆比重仅用于井控目的。他们通常认为钻井过程中泥浆的比重不足,井好像塌了。因此,常用于井控的正压钻井可以同时满足井壁稳定性的观点占优势。这种观点背后的逻辑有缺陷。软弱地层可能需要额外的1000psi正压来防止钻孔塌陷,一些二灰岩可以利用不平衡的压力顺利钻探。非常普遍的假设是,增加泥浆比重总是可以解决钻孔的稳定性问题。这不都是对的。增加泥浆比重会使问题更加复杂。例如,在裂缝性地层中,很容易发生快速的不稳定性,但在许多多孔岩石地层中,高过滤损失和厚泥蛋糕会导致压差卡里。很多人相信,使用含油污泥可以防止泥坑的任何复杂情况。但是,如果泥浆比重或含水矿物度不符合要求,井壁不稳定性仍可能发生。值得注意的是,根据泥浆系统的这种理论模式得出的推荐值,任何负责任的人都不能相信,往往需要“修改”才能得到准确而实用的泥浆比重。经验是另一个好的指南。处理钻孔扩大时,人们往往过于关注回空速度。实际上,减少API的水损失、提高抑制性、采用正压往往比降低回路返回速度更有效。井壁失稳机理-机械侧非连接地层这种类型的地层通常位于钻孔上方,但也可以在破坏区或非连接储层地层中相遇。非节理地层没有节理强度,因此,在用干净的钻井液钻探时,如果不对井壁施加限制压力,这种地层就会塌陷进入井筒。最常见的非节理地层是砂岩地层。但是在结构活动频繁的部分地区也发现了断层岩石粉和没有水泥的碎片。预防补救措施用过滤性好的泥浆穿透这样的地层,就能在这样的地层岩石上形成泥浆饼。作用在泥饼上的压降传递结合强度,产生规则或几乎规则的孔。泥中必须含有桥接粒子(通常是CaCO3或抗纤维泄漏的材料),才能快速形成泥饼。土块不快点形成,钻头的湍流就会侵蚀井壁。使用低剪切流变泥浆,无需更高的泵压力。黄塞尔胶和正电子胶(MMH)泥很适合这种情况。采取一切机械去除泥饼的措施钻头少,刻度少,眼睛不翻。不要在非接合形成区域附近转动中央集中器。使用已经知道有防裂能力的泥浆,可以帮助稳定断层。可以咨询当地泥浆服务企业,了解如何取得最佳效果。XTP SunBery泥浆项目组最近的工作得到了这个问题的特殊泥浆系统和添加剂。坚硬的地层一般有两种类型的机械元件:挤压不稳定性和形成破裂(图2-1)。泥浆比重过低会导致挤压不稳定性-这会导致钻孔闭合(减少直径)或坍塌。相反,泥浆比重过高会导致地层破裂。泥浆压力引起裂缝或打开自然裂缝系统,使大量泥浆泄漏。总之,如果没有足够的支援,泥岩/灰色岩井就会崩塌;用太高的正压钻孔会导致泥浆泄漏或差压卡卷筒。在某些井段钻探过程中,为了很少或完全不发生不稳定性问题,要求的泥浆比重不高于砂岩/碳酸盐形成允许的最大泥浆比重,不低于泥岩/二灰岩要求的支撑用最低泥浆比重。规定了这种泥浆比重的上下“泥浆比重范围”(见图2-2a),这个范围越大,井就越容易打;相反,范围越小,满足泥浆比重越困难,“稳定区”内井壁不稳定的危险越大。在一些应力高的地区,例如哥伦比亚坎萨纳地区的山脚下,砂岩层的崩塌压力梯度可能超过破裂压力梯度,甚至直井也可能。在这种情况下,完全没有安全钻井范围,不可能同时选择能够避免泄漏和崩溃的两个方面的泥浆比重,因此,必须接受某种程度的一种或两种不稳定性。总之,泥浆比重工作范围是存在的。此范围的“宽度”取决于某些工人控制的因素,但主要是井斜因素。井倾斜增加通常减少泥浆比重范围的宽度(图2-2b),增加了脱离安全泥浆比重工作范围的危险。因此,在同一地区钻探的大位移井通常比其他普通井的不稳定性更大。地层破裂弱小砂岩易碎的泥岩钻孔压力漏水井塌了盐岩缩小直径可压缩性不稳定性图2-1影响钻孔完整性的另一个主要因素是裸井时间。即使是稳定的泥岩,也很少能在无限的时间内保持稳定。裸井越长,不稳定性的危险就越大。以水为基础的泥浆尤其如此。井段长度和裸井时间一起增加是钻大型位移井的必然结果。如果可能的话,逐步增加泥浆比重可以有效地克服这个时间因素,确保长期地层保持稳定。破裂压力图2-2压力梯度和泥浆钻孔范围在仅钻常规井的区块内预测大位移井的参数时,该井的稳定性主要是预测钻孔轨迹对泥浆比重范围的影响。钻探的常规井因泥浆比重太窄而难以钻透的情况下,必须慎重考虑套管程序设计,以减少大位移井的危险。预防措施-机械方面钻孔前准备所有资料的目的是提供邻近井的最佳泥浆范围,并计划对计划中的井进行泥浆安全钻探范围。如果没有任何邻井资料,谈论钻孔稳定性研究就没有意义了。最有价值的资料包括:相邻井钻井完成报告(可能包含以下列出的大量信息);所有地层应力测试的细节,包括渗流测试和地层完整性测试;泥浆性能每日报告;遇到的所有泥浆泄漏细节;集成记录数据、测斜仪或钻孔几何记录、所有钻孔记录、密度、声波记录数据;该地区所有主要缺陷(精缺陷、平移缺陷等)的详细说明。设计阶段井倾斜在泥岩段,每30分钟。井将泥浆的比重增加到0.51.0ppg,防止井塌。只有当地经验才能决定是否应该选择这个范围的上限和下限。穿透性砂岩时,不要提高泥浆比例。基岩具有一定渗透能力的地层,无论钻孔轨迹或形成强度如何,都可以进行一般正压钻探。注意:破裂压力梯度可随井的增加而减少。破裂压力梯度值得注意的是,一口井的破裂压力梯度比石灰岩段或砂岩段进行渗流试验的泥岩段更容易控制(图2-2)。在大位移井中,钻探高压油气层可能很困难,因为保证了不喷出也不泄漏的泥浆比重很小。泥浆等效循环密度的范围和影响在设计阶段必须仔细考虑。为了更好地测试筛板破裂压力梯度,考虑微裂纹试验(记住:泄漏测试在这个破坏点以外进行),对大位移井来说非常重要。区域应力状态处理所有井斜和井下成像数据,获得局部应力方向。这有助于解释钻孔中出现的所有问题,提高补偿速度。在地壳应力较高的区域,钻向上倾斜的断层的泥浆比重比向下倾斜或侧面的断层宽一些。局部应力状态在穿盐岩附近很混乱。在接近刺穿结构的钻孔轨迹上,垂直于该表面的钻孔比平行于该表面的钻孔泥浆比重要宽一些。套管程序大位移井在控制泥岩增加泥浆比重的计划做好后,预测确定套管下的深度是否仍能提供足够的泥浆比重范围。在大位移井中,不要在钻正常压力储层时倒塌,比钻其盖层时要少得多。子油套管必须最小化或排出罩与储层在同一段上的东西,以使油层可以在正常的正压下钻孔。总之油泥经常以较低的泥浆比重防止泥岩崩塌,从而形成较大的泥浆比重范围。对于高度分层的泥岩,当轨道垂直于其沉积面时,可以减少不稳定性的危险。征象和补救措施钻中地层开始崩塌,可见平衡压力不足。提高泥浆比重,降低钻井速度。穿过泥岩几小时后开始崩塌,这意味着最初的正压效果消失了。滤液进入地层,油井压力升高的结果。提高泥浆比重,减少过滤损失量。分段越深,泄漏值通常越大。当泄漏实验得到测量的低值时,需要重新进行泄漏试验。在正常地壳应力区,泥浆比重范围也可能受到钻孔位置的影响。当钻孔方向与最大水平应力方向平行时,准备提高泥浆比重。泥浆过滤的最小允差不仅对油层很重要,而且对大位移井和所有井段都很重要。石英及兴奋压力会引起软弱地层或破碎泥岩地层的不稳定性。在这两类地层区间钻的时候要特别小心。根据串联压力计,兴奋压力相当于1.5ppg(0.18sg),在钻头启动时或用齿连接钻柱时可能发生。泥岩部位暴露在井内后,除非不得已,否则在钻井中不降低泥浆比重,不稳定性的危险将大大增加。如果有操作上的困难,需要降低泥浆比重,慢慢下降越好。井壁失稳机理-化学方面化学因素的不稳定性是由地层和钻井液之间的化学作用引起的。它主要出现在两种地层中。泥岩盐岩在这两种情况下,主要是水的作用导致不稳定性。因此,化学不稳定性总是可以通过使用含油污泥减少不稳定性的危险。泥岩与水反应时发生软化、分散、膨胀、裂缝。这种现象会引起大范围的运营问题,如减少直径、扩大钻孔、生成楼梯表面、钻孔泥浆包、倒塌等。要预防这种情况,在一口井的规划阶段,确定好的泥岩类型,适当设计的泥浆类型(见第1章“泥岩问题”)。盐岩可以溶解,容易发生化学不稳定性。在这种情况下,使用不适当的泥浆会产生无法控制的化学侵蚀。具有此特性的地层类型包括:石岩(NaCl)卡娜莱特(KMgCl3.6H2O)氯化镁(MgCl2.6H2O)钾盐(KCl)杂卤石(K2Ca2Mg(SO4).2H2O)预防措施-化学方面钻孔前进行钻探工作时,首先要考虑钻探的对象是泥岩还是盐岩岩。邻井信息和泥浆报告可能会有帮助。设计套管/井结构,以最小化活动地层暴露在泥浆中的时间。由于泥岩透光率低(10-9-10-6达西),可能在短时间内稳定下来,但水慢慢渗入地层,造成时间延迟效应。通过x射线衍射分析确定了泥岩类型。这项技术需要实验室抑制测试的支持。这个实验最好用以前保存的泥岩进行。重叠的沉积地层(例如泥岩段的盐岩互层或坚硬泥岩的活动泥岩夹层)需要与两种地层类型兼容的泥浆系统。在泥岩和盐岩部位防止化学不稳定性的最好方法是利用油泥。依靠机械-化学钻孔稳定模型不能设计泥浆。因为无法知道缺乏的数据输入,这些模型不考虑特殊的化学反应。油基泥浆.项目评价4含油污泥至少要和孔隙流体盐度一样高,这可以防止水渗透进入泥岩地层。钻盐岩地层时,以油为基础的泥浆矿化度必须很高,以防止岩盐溶解在泥浆的含水上(例如300,000mg/l的氯化物)。4合成基泥浆(准油基泥浆)可以在现有含油泥浆受到环境保护限制的地方使用。抑癌剂在这个系统中仍然有效。4有微裂纹的泥岩对,使用低滤失泥浆(HTHP3ml/s)和添加裂纹阻断剂。经常咨询4 BP的泥浆专家的原因是泥浆系统在流变特性、热稳定性和单桶价格方面有很大的不同。水系泥.项目评价4要使用基于水的泥浆,必须早期制定选择性计划,并与BP的泥浆专家或泥浆公司讨论具体情况。4水基泥浆润滑性不如油基泥浆,预计高斜度井会出现高扭矩值。需要给这个泥浆系统添加润滑剂。在4盐岩部分,泥浆与盐的类别相匹配非常重要。饱和盐水(NaCl)泥可用于简单的盐岩地层。混合盐泥系统对卡尔那莱特盐层等复杂盐层有效。向专家征求关于这种情况的建议。使用API5ml、HTHP(250)等低滤失泥的4对微裂纹形成。f时)添加14ml)和裂纹阻断剂。征象和补救措施在钻孔前使用所有数据创建钻孔计划后,机械和化学钻孔不稳定性将减少。但是,如果发生不稳定性,必须迅速掌握,迅速采取措施。在钻孔状态下,可以看到扭矩和摩擦观察,振动屏幕上锯屑的形状和数量,以及泥浆返还量的变化。钻泥岩时,观
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