解决我国钻井技术难题促进泥浆技术发展的想法

1、关于解决我国钻井技术难题 促进泥浆技术发展的几点设想,西南石油大学 罗平亚 2006年9月延安,我国泥浆技术发展现状,在一般情况下能较好的解决钻井工程技术的需要；总的说来泥浆技术本身也基本过关。 不能很好满足我国钻井工程和钻井技术进一步发展的需要； 不能很好解决当前阻碍钻井技术发展瓶颈的需要； 未能很好解决泥浆体系及应用技术自身的一系列的技术难题,钻井技术发展的主要方向,1、赶上世界先进水平 地质导向钻井技术、自动垂直钻井技术、气体钻井技术与装备、超深井钻井技术及万米深井钻探装备、全过程欠平衡钻井技术、膨胀管钻井技术、连续管技术与装备、套管钻井技术、随钻地震技术 2,解决当前钻井技术的主要难题

2、(技术瓶颈),赶上世界先进水平,钻井速度，2002年美国的台年进尺是中国石油台年进尺的1.9倍。在深井钻井方面，我国目前的深井钻井平均钻井周期是美国20世纪80年代的1.4倍。 在钻井装备方面，国外已实现机械化、自动化，初步具备智能化，达到有效、安全、快速、经济的要求，钻机实现模块化、高运移性，满足各种地貌条件下作业需要，各种特殊工艺井的井下工具实现自动化、智能化。但国内特殊工艺井井下工具的高端产品仍主要依赖进口，高运移性的中浅井钻机和机械化、自动化工具与装备还正处在摸索和试验阶段。,在钻井核心技术与前沿技术研发方面，目前国内还基本处于跟踪模仿国外先进钻井技术阶段。国外已成熟商业化的技术，国内

3、往往才开始模仿研究或引进技术，时间落后510年。如国外研发的多种随钻测井系统、近钻头地质导向钻井系统、垂直钻井系统、旋转导向钻井系统等在上个世纪90年代就已商业应用，而国内在这些技术领域的研发工作仍处于起步阶段，同时模仿研究多偏重于工艺技术，忽视先进工具与仪器的研制，使得我国钻井工艺技术的发展受制于国外。,赶上世界先进水平方面国内钻井技术的发展方向是：,（1）提高深井特别是复杂超深井的钻井能力，降低钻井风险，缩短钻井周期，是“十一五”乃至相当长时期内的主要研究课题，也是提高我国陆上油气勘探效率急待解决的首要问题。 （2）利用钻井工程技术提高单井产量和采收率，增加可采储量，经济有效的开发边际油田

4、和难动用储量。 （3）井下信息的随钻获取、井下的自动化控制 等将是二十一世纪钻井工程技术的重要发展方向。,当前钻井技术的主要难题,目前，复杂地层深井的钻井问题，已成为制约我国油气勘探开发事业发展的重要瓶颈。 如何解决复杂地层深井(特别是深探井)钻井的主要技术难题引起了油气勘探和开发界高度关注。成为钻井工程所面临的重大挑战和发展机遇，也是当前钻井工程技术发展的主要方向。 这同样是泥浆技术所面临的重大挑战和发展机遇，也是当前钻井泥浆工程技术发展的主要方向。,在这些技术难题中集中表现为：,1.井下钻井质量与安全 井下复杂与事故的预防和处理 2.钻井速度低,成本高 其中复杂地层条件钻井中的漏、喷、塌、

5、卡、斜等井下复杂情况与事故仍是当前钻井技术瓶颈最基础和最根本的问题。,关于井下复杂与事故,目前，在漏、喷、塌、卡、斜这些井下复杂与事故中，一般情况下各单项问题都已基本形成有效的解决技术(包括相关理论和方法)，除有待进一步完善提高外，已对钻井构不成普遍威胁. 但井漏问题(主要是指泥浆有进无出的恶性漏失)至今无一有效可靠的技术。主要由工程经验来解决问题。 而复杂地层的井壁稳定问题目前也仍无有效解决的把握。,同时，当漏、喷、塌、卡、斜位于同一裸眼井段(同层)，则引发出多种复杂问题(主要归纳为窄安全密度窗口的安全钻井复杂问题)，成为目前钻井工程亟待解决的重大技术难题，它们在复杂地层条件下则表现出过去少

6、见的现象和更大的难度。,它们是钻井最传统的问题，是钻井工程永恒的难题。为解决它们已集累了非常丰富的经验。但要最终有效解决它们，必须在这些经验的基础上，深入研究其作用机理及内在规律，综合应用其它学科的最新成果，建立新的观点、新的方法新的材料并形成新的技术，才有可能有效解决. 例如： 用VDS系统解决防斜打快问题 用NDS系统引导窄安全密度窗口钻井 特种凝胶堵漏技术 而以上所述的种种问题都与泥浆技术直接相关,且必须主要通过泥浆技术的突破性发展才能有效解决,因此成为泥浆技术发展的主要方向之一。,关于提高机械钻速,当前、深井复杂井钻速低是制约我国油气勘探开发事业发展瓶颈的重要表现之一。 也是与国外的主

7、要差距。 高陡构造的防斜打快问题; 深井上部大尺寸井段的提高钻速问题; 深部重泥浆井段提高钻速问题; 油基泥浆提高钻速问题: 油基泥浆机械钻速提高到超过现有水基泥浆水平； 水基泥浆机械钻速整体再上台阶; 成为当前钻井、泥浆界必须联手解决的重大难题:也是泥浆技术发展的另一重要方向。,泥浆体系及应用技术自身急待解决的问题,1,H.T.H.P重泥浆的流变性控制问题: 超重泥浆体系; 超高温(200c以上)泥浆体系(水基、油基); 2.体系抑制性:机理、评价、措施手段办法、; 3.体系封堵能力:机理、评价、措施手段办法; 4,特殊钻井(如欠平衡钻井)的钻井液体系及技术（包括气体钻井、微泡沫钻井液及其配

8、套应用技术）; 5.保护环境的泥浆体系; 这些技术难题的解决是促进泥浆技术进一步发展的必由之路;也是解决前述钻井技术瓶颈必须的技术保证。二者有着紧密的必然联系。,主要研究内容及技术思路,一, 解决钻井井下复杂问题的泥浆技术研究,复杂地层条件下的钻井复杂问题：漏、喷、塌、卡它们是钻井的老问题，也有很多解决它们的办法; 但当它们同时存在于同一个裸眼井段(或同一层位)时问题就变得十分复杂而难以解决。 仔细分析其产生机理及内在联系可以把它们归纳概括为窄安全密度(压力)窗口的钻井技术与合理泥浆密度确定的问题(特别是深井重泥浆钻井时)，它与泥浆体系及其应用技术密不可分,也主要由泥浆技术来解决。,(一)窄安

9、全密度窗口的钻井技术,目前，国内外对付窄安全密度窗口的钻井技术主要有： 1.预测所钻井眼的地层压力、坍塌压力、破裂压力（漏失压力、承压能力）；然后优化井身结构以尽量避免窄安全密度窗口井眼的出现。 2.用膨胀管技术来弥补井身结构的不足，解决窄窗口的问题,3.尽量降低循环压降，使之尽量小于安全窗口 在安全密度窗口予测或随钻测知的情况下: 泥浆循环压降的准确确定（特别是深井重泥浆） 泥浆循环温度剖面的确定 泥浆循环过程中流变性变化的测定 泥浆循环压降的准确确定 最低循环压降的泥浆体系及其应用技术 降低循环压降工具的应用,4.采用在钻进时严格控制泥浆密度使其泥浆液柱静压力低于其安全窗口的下限，循环时再

10、加上其循环压降P循后大于其安全窗口的下限、但低于其上限；当要仃止循环时采用吊灌重泥浆等办法将其静止时的静液柱压力加大到大于其安全窗口的下限以保持不喷、不漏、不塌的工艺技术,(二)增大安全密度（压力）窗口P的泥浆技术,扩大安全密度窗口应包括以下几部份内容： 降低安全密度窗口“下限”： 降低地层坍塌压力 “降低地层流体压力”，实际上表现为降低压住地层流体所需的泥浆液柱压力 提高安全密度窗口“上限” 有效堵漏和/或提高地层漏失压力 提高地层破裂压力和/或提高地层承压能力 以上的内容中的每一项都主要由钻井液系列技术来实现，每一项的实现都将对扩大安全密度窗口作出贡献。,它是以泥浆技术为主要技术手段(配合

11、其它技术手段)使所钻地层的P窗扩大,到明显大于泥浆循环压降P循， 若它再与目前正在攻关研究的降低泥浆循环压降的技术相结合，则有可能有效的解决这类复杂的技术难题。 而且若它能有效解决，则大大减轻对井身结构要求的压力，并减少对膨胀管技术应用的依赖。从而解放和简化这种复杂情况下的钻井技术。,扩大安全密度窗口的可能性,、由于泥浆抑制性还不够高，则钻井实际中地层坍塌压力及对它所采用的防塌泥浆密度偏高；而地层破裂压力因之而偏低,故井下实际所迂到的P是被泥浆作用而缩小的数值，进一步提高泥浆抑制性则可将目前钻井的P大大扩大。 、由于现有封堵技术未完全过关，则实际井下的地层坍塌压力及对它所采用的防塌泥浆密度偏大

12、，而地层破裂压力因之而下降故井下实际P是被泥浆作用而缩小的数值。则提高泥浆的封堵能力和水平可以将目前实际钻井的防塌泥浆密度降低、地层破裂压力升高则井下P大幅度提高.,使用特种凝胶: “降低地层流体压力P地”,用特种凝胶段塞:将特种凝胶注入到产（油气水）层内，凝胶进入裂缝(包括垂直裂缝)中很容易将裂缝填满形成一个有一定长度（按试验和计算确定）能有效隔断气层与井筒的凝胶段塞,它完全隔离了产层与井筒的联系，而混入其中的油、气、无法移动，同时其启（推）动压差为P推(可调整 ）,则平衡产层的泥浆密度可由P地下降为P地-P推 ,从而扩大安全窗口。,提高地层抗漏失能力(漏失压力)从而扩大安全窗口。,将凝胶注

13、入到漏层内，形成一定长度（按设计要求）的段塞，其启（推）动压力为P推 （假定为0.3），则此时，地层抗漏失能力提高P推 。 例：原漏失压力为1.70，P泥必须小于1.70,而现在P泥可以上升到1.70P推：1.700.302.00也不漏。相当于P漏上升到2.00。若将泥浆密度提到2.0,也不漏不喷,则相当于P上升0.3。 若在同一裸眼井段的产层和漏层同时注入这种凝胶段塞，其启（推动）动压力分别为P推、 P推 ，则P增加， P推+ P推=0.25+0.30=0.50,则可解决喷、漏同井段的问题 。,解决裂缝气层喷漏同层从而扩大安全窗口。,同时若 产层为高压气层，则此法可能解决喷、漏同层问题：由于

14、凝胶段塞的形成完全消除了置换效应和滑脱作用,则当P泥大于P气,而P泥-P气小于P推、则不喷不漏。反之若P泥小于P气,而P气-P泥小于P推也不漏不喷.若需气层投产则增加反排压差使之大于P推,则段塞反排入井消除地层损害.,解决恶性漏失的堵漏扩大安全窗口。,堵漏的两种思路: 堵漏剂材料强度大于P泥(包括静压力和动压力). (P泥一P地)小于堵漏剂”隔离段塞”移动时所需压降则不漏；反之则不喷，相当于提高双向承压能力。(堵漏剂是一种能完全隔绝地层流体与井筒之间联系的段塞，它是移动阻力很大的结构性流体).,. 提高地层承压能力(提高P破)扩大安全窗口,对水敏性地层(特别是泥页岩)大幅度提高泥浆抑制性; 对

15、孔隙性地层：在井壁快速形成浅层渗透为0的封堵层(例如屏蔽式暂堵技术但目前对微孔隙还无有效办法); 对微裂缝地层：在井壁快速形成浅层渗透为0的封堵层（目前尚无有效办法）; 渗透率为0的封堵层、有效阻止泥浆液相进入地层 ，因而阻断泥浆柱压力向地层内部的传递，防止产生水力尖劈作用而压裂地层。 先压开地层后再堵漏; 使用特种凝胶。 ,高温高压井窄窗口固井水泥浆防漏技术,高温高压井窄窗口固井水泥浆防漏(特别是低漏失压力地层的严重漏失)是当前的钻井的另一重大技术难题。它与堵漏技术有相同之处但并不完全相同。有针对性的水中高分散纤维水泥浆可能有效解决。,二,进一步提高机械钻速综合技术研究,研究目的,再一次以泥

16、浆技术的发展来促进机械钻速的提高。 针对地层特点集成、优化现有提高机械钻速的成熟技术，形成一套能进一步提高机械钻速的系列配套技术，使研究地区现有钻速明显的提高。,研究思路,1、针对地层特点综合利用和发展现有井壁稳定的理论和技术，分析所钻地层应力情况，研究对应的泥浆技术，尽量降低地层的坍塌压力，到： 尽可能低 低于地层压力 降到0,2、在上述基础上，大幅度降低钻井时的泥浆密度，配合钻井措施实现： 气体钻井技术（针对坍塌压力为0的情况） 低密度轻泥浆钻进（泥浆密度约为1.10左右） 欠平衡钻井 3、在低密度泥浆条件下，优选、集成已有的各项优快钻井成熟技术，形成能使钻速有明显提高的配套新技术,研究内

17、容,1、降低泥浆密度到尽可能低 由已钻井测井录井资料确定所钻地层的三个压力剖面; 研究泥浆体系、性能、功能与坍塌压力的关系，评价该地层坍塌压力降低的可能性; 研究降低地层坍塌压力的泥浆体系及泥浆技术：确定能下降的程度（下降到地层压力以下、下降到1.10以下、下降到0）及泥浆体系和技术的对应关系; 研究相应的钻井方式与技术; (气体钻井;低密度轻泥浆钻井;欠平衡钻井).,2、以低、较低密度泥浆为基础，针对地层特点，优化集成现有快速钻井的成熟技术，包括： 高压喷射技术（包括特殊的喷嘴）; 钻井参数的优选、水力参数优选; 泥浆体系及流变参数优选; 岩石可钻性及钻头优选; 井下动力钻具应用；复合驱动钻

18、井技术; 结合地层特点、优化集成以上几项或多项技术形成针对不同情况的配套技术。 此项工作可针对一个希望进一步提高机械钻速的地区；也可结合某些高陡构造的防斜打快要求（配合相应的高陡地层相关的研究成果）进行。,三 ,分解为各项具体的泥浆技术,(一)三个压力剖面的予测及随钻测量技术,用工程测井原理和方法进行这项工作研究。三个压力剖面的予测已基本解决、随钻测量技术还是今后的重点。但是在研究中应特别注意泥浆作用引起的变化:地层(水敏、破碎地层)水化作用后对地层力学性质及强度的影响研究:对地层声学、电学等物理性质的影响;以及它们在工程测井应用技术中影响的研究。包括研究研究装置、研究方法;水化程度测定及其对

19、力学性质、物理性质的影响及相应反演关系。,(二).大幅度提高(水基)泥浆抑制性,大幅度提高(水基)泥浆抑制性的主要困难： 抑制剂自身抑制能力有限，无法达到完全抑制粘土水化的程度； 泥浆配浆性与抑制性的必然矛盾，大大削弱泥浆的抑制性。 无可靠的评价方法 目前，多数泥浆抑制性达不到要求,解决途径:,1,有机酸盐的应用:有机酸盐包含甲酸钠、钾、铯盐，乙酸钠、钾盐等。 有极高的溶解度，可以获得很高浓度、很高密度和很低活度的水溶液，其抑制性大大高于常用无机盐,且结晶温度很低; 可与常用大多数处理剂匹配，对泥浆性能影响比常用无机盐小，可以建立起常用的泥浆体系,而对其抑制性降低不多。 与现有无机盐、聚合物等

20、常用抑制剂配合使用时则更进一步提高其抑制性(增效性),2,聚合醇的应用: 聚合醇指水溶性的聚乙氧基短链醇。聚丙氧基短链醇等不同聚合度（分子量）的产物。也包括乙醇、脂肪酸、脂肪胺与氧乙烯，氧丙烯的缩合物。最常用的为不同分子量的聚乙二醇，它具有以下特性的作用：,明显提高泥浆的抑制性, 能明显改变水相性质，降低水的活度，明显提高泥浆的抑制性（用量3%-10%）； 能与有机阳离子比如胆碱盐酸盐、硫酸盐、碳酸氢盐（三甲基羟乙基氯化胺、硫酸胺、碳酸氢胺）配合使用使其抑制性大幅度提高。 能与有机酸盐,无机盐复配使其抑制性大幅度提高。 能与常用处理剂发生协同作用，提高其抗温能力和稳定性；,浊点的功用:,浊点能

21、改善泥并质量,提高其润滑性 很好降低泥浆的HTHP失水， 能有效的在页岩微细孔道中沉积，阻断水进入页岩深处的通道，对阻止页岩水化有特殊作用。 只有具有浊点现象的聚合物才能起到有效阻断水在页岩中微细孔道中的通道。 浊点与聚合醇分子结构:(基团种类、聚合度)和矿化度有关。 不同泥浆的矿化度和使用温度不同，所以使用的聚合醇应是一个针对不同使用条件的产品系列和系列技术。,3,有机硅醇及有机硅酸盐的应用,有机硅分子中的Si能在粘土粒子表面（端面）吸附，改变粘土表面的性质，阻止水分子进一步进入到粘土层间，从而抑制粘土的水化。这种现象类似在粘土表面（包括井壁上的粘土）形成一种“半透膜”。因此又称为成膜泥浆技

22、术。协调好这种处理剂与其它处理剂的相容性，则可建立新的抑制性泥浆体系。 4,水化作用及其抑制性的评价装置与评价方法研究: 定量评价水化能力及水化程度(相对)。,综合应用以上各项研究成果和研究方法,则有可能将现有水基泥浆的水化抑制能力大大提高.(力争能抑制各类水化作用).这将对 高温(超)重泥浆流变性的解决; 井壁稳定技术的发展; P塌的下降、P破的上升(即P的扩大); 进一步提高机械钻速上一台阶等重大技术难题的解决打下必要的基础。,(三),提高(水基、油基)泥浆封堵能力,1,基本要求: (1),井壁快速形成浅层、零渗透的封堵层： .对地层孔喉(隙)的封堵(已基本解决); .对微孔、微裂缝的封堵

23、(基本未解决); .对破碎地层的封堵(末完全解决); (2), 封堵能力、封堵程度的评价装置与方法(未解决),主要研究内容及技术思路,1,物理封堵、化学封堵、物理化学封堵的作用原理及其选择： 2,对微孔、微裂缝丶破碎地层有效封堵的机理(模型);建立正确的评价装置与方法(标准) 3,类封堵剂的研究开发和封堵泥浆体系及应用技术研究;,目前对微孔、微裂缝丶破碎地层的有效封堵是其研究重点:其主要方向是浊点效应的利用和纳米粒子封堵作用的研究。(机理、评价、剂) 泥浆封堵能力的进一步提高(特别是对微孔、微裂缝丶破碎地层的有效封堵)对降低地层(特别是破碎地层)的P塌、提高地层(特别是破碎地层)的P破;提高承

24、压能力;(即P的扩大);提高井壁稳定性以及油气层保护技术的发展提供必要的保证。,(四)HTHP(超)重泥浆体系及应用技术,深井高温水基重泥浆的重大技术难题是其流变性控制. 它集中表现在泥浆粘度、切力过高,且不稳定,并不易控制和井下高温泥浆粘,切过低而不足以带砂和悬浮重晶石。 研究重点: 提高泥浆对高温分散的抑制性，达到所需程度; 解决低粘土含量下的高温后减稠及高温下低粘、切;重点在非粘土对惰性高温的增粘(切)剂 液体加重及新型高温降粘剂;,应用技术, HTHP(超)重泥浆体系的建立; 泥浆温度剖面的测定; 该温度剖面下泥浆流变性的测定(装置); 泥浆循环压降的计算; 温度剖面,泥浆流变性,泥浆

25、循环压降的调整与控制。 ,(五)恶性漏失的堵漏技术,1,井下恶性漏失的主要技术难点： (1).漏层位置难以确定 (2).堵漏材料必须是流体才能顺利进入漏层; 进入后立即(尽快)在漏层中停滞并充满漏层裂、洞的空间; 发生硬化形成必要的强度或流动阻力，以阻止向地层的漏失。 (三者必须同时具备，但很难作到) (3).使堵漏材料不与地层水混合，不被冲稀,2,对裂缝性等恶性漏失堵漏成功的必要条件,堵漏液不与(或难与)地层水混合而被冲稀； 堵漏液在地面管线钻具水眼及环空中流动容易，而进入漏层则难流动，最后不流动而滞留在漏层内入口附近堆集； 堆集的堵漏材料硬化后的强度大于P泥的破坏作用； 堵漏浆必须能有效填

26、满裂缝、隔段气层与井眼的联系之后,堵漏材料硬化并使其强度足以防止P泥的破坏；或使堆集物移动的压力梯度大于P泥P地产生的压力梯度。特别是对裂缝性喷漏同层的气层。,3,解决问题的设想, 这是一种水基的流体，但其自身的内聚力大大的大于它与水之间的亲合力。即水很难与它混合并冲稀它。 流体有很高的粘度和很好的剪切稀释能 流体有很好的粘弹性，且弹性比例高，能过喉道澎涨、占据和充满整个缝洞空间,静止后要使其移动必须克服足够的弹性阻力； 液体静置后产生内部结构而且会随时间而增强，欲使之恢复流动必须附加更大的应力以克服此静切力。(或自动硬化具有强度)。 此流体能与其它固体材料（如桥塞粒子、水泥、搬土）混合而不影响流体上述特性 油、气混入此流体后很难移动，能形成将地层流体与井筒完全隔断的段塞,4,特种凝胶堵漏系列技术：,(1)只用胶液堵漏 若堵漏段塞强度大于泥浆柱的压力（静动），则成功,反之则失败。 若（P泥-P地）/L(0和弹性变形力及克服极高粘度流体流动的压降P动)，则堵漏失败，但漏速可大大减小; (2)必要时可采用交联技术; (3)与现有各种堵漏材料混合使用(如各种桥塞剂、水泥、搬土); (4)凝胶混入3-4%的延时(3-4小时)膨