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1、第九章 复杂情况下的钻井液工艺技术,学习意义,井漏、井塌、井喷、卡钻是钻井工程中常见的井下复杂情况其发生直接或间接地与钻井液工艺技术有关一般需通过钻井液工艺技术解决这些井下复杂情况如何预防和处理这些井下复杂体现了钻井液工艺技术水平,第一节、井漏-lose of circulation 井漏定义及危害,概念各种井下作业（钻井、固井、测试或修井等）时，各种工作液（包括泥浆、水泥浆、完井液及其它液体等）在压差作用下漏进地层的一种井下复杂情况。,危害损失钻井时间，延长钻井周期损失大量钻井液原材料产层漏失会严重损害产层诱发其它井下事故干扰钻井液性能的正常维护处理干扰地质录井工作,我国防漏堵漏技术的发展,
2、特点：大力发展堵漏剂和相应的工艺技术（几大类数十种堵漏材料）；开始重视对井漏的预防；漏层地质特性、漏失机理和漏层测试手段的研究开始起步；堵漏试验设备及工具的研究已经展开。,发展历程见漏就堵、以堵为主，堵漏效率较低的初始阶段；以堵为主、堵防结合，防漏堵漏技术的发展阶段；以防为主、堵防结合，防漏堵漏工作进入科学发展阶段。,发生井漏的基本条件,存在正压差存在漏失通道及较大的足够容纳液体的空间天然的、人为的通道的开口尺寸大于外来工作液中固相的粒径漏失通道的形态：空隙 裂缝,自然漏失通道,粘土岩砂砾岩 浅层、中深井段未胶结或胶结差的未成岩的砂砾层 中、高渗透砂砾岩层 中深井段、深井段经成岩作用低孔、低渗
3、的砂砾岩层碳酸盐岩火成岩变质岩烧变岩（煤层）,人为漏失通道,外力大于地层岩石破裂压力造成岩石破碎所形成的诱导裂缝外力造成闭合裂缝的开启所形成的诱导裂缝裂缝可分为垂直裂缝（70-90o）、斜交裂缝（20-70o）、水平裂缝（0-20o）、网状裂缝.,井漏分类（按漏失通道形态分）,渗透性漏失，漏速0.54方/小时，一般在强渗透及胶结差的地层裂缝性漏失，漏速几几百方/小时，一般在天然或人为裂缝地层溶洞漏失，常有进无出，多发生在多洞穴石灰岩白云岩地层,漏失类型,井漏的予防,合理泥浆密度合理套管程序尽可能使用低密度，低切力，低粘度泥浆备堵漏材料减少压力激动（慢开泵，下钻慢，分段循环等）低返速带砂防止环空
4、堵塞和缩径提高地层承压能力,漏层性质综合判断框图,井漏,15m3/h,1540m3/h,4060m3/h,不返,砂岩砾石层,1钻头泥包2泵压突然增加3卡钻后漏,1有放空2有憋跳现象3突然不返,埋藏750米以上漏速变化不大,埋藏750米以下漏失增大,1起下过激2.750米以下3邻井无此漏层,砂砾岩渗漏,纵向裂缝,横向裂缝,纵向诱发裂缝,横向诱发裂缝,洞穴漏失,是,是,是,是,是,是,否,否,否,漏层位置确定方法,正常钻井中未提密度、无激动压力而发生较严重漏失，则多属井底漏失，且为天然裂缝或溶洞漏失。在钻井液加重或产生较大激动压力后漏失，则多数属于上部地层漏失，主要靠地质资料及邻井经验判断。渗透性
5、漏失和人为裂缝漏失通常不好判断。水动力学测试法测井温法放射性示踪测试法电阻测井法传感器法流量计法自动测漏仪 等,水动力学测试法之正反向循环测试法,H漏=H总/(Q1/Q2)+1 H总-井深，米Q1、Q2-分别为正循环洗井和反循环洗井时的出井钻井液流量（在同样漏失严重度值条件下测得）。L/minH漏-漏层深度，米,水动力学测试法之从钻杆内外同时泵注泥浆测试法,H总*Q12(x2+x3)H漏=x1*Q22+x3*Q12Q1、Q2-同时通过钻杆和环空泵注泥浆到漏层时的钻杆内和环空内的流量，m3/sx1 x2 x3-分别为流量Q2条件下环空内、流量Q1条件下钻杆内和环空内的流体阻力系数，s2/m6.,
6、测井温法原理,温度,井深,钻井液循环温度,地层温度,漏层,堵漏材料（按作用机理分）,桥接堵漏材料高失水堵漏材料(Diacel,Z-DTR,DTR,DCM堵漏剂）暂堵材料（用于产层堵漏）化学堵漏材料（高分子、高分子与无机胶凝物混和物、泥浆加固化剂）无机胶凝堵漏材料（水泥浆）软（硬）塞类堵漏材料（柴油膨润土浆、剪切稠化浆、重晶石塞）,堵漏方法,起钻静止堵漏桥接材料堵漏法暂堵法高失水浆液堵漏法PAM絮凝物和胶联物堵漏软硬塞堵漏法复合堵漏法强行钻进套管封隔漏层注水泥浆尼龙水泥袋堵溶洞漏失等凝胶堵漏随钻防漏堵漏技术,桥接（桥塞）材料堵漏法,桥塞材料：颗粒状、片状、纤维状、刚性颗粒 大理石颗粒、核桃壳、云
7、母片、纤维 水膨体等 大小与漏层相匹配桥塞堵漏浆浓度：5%40%工艺：加压挤泥浆进地层；侯堵,平衡法注水泥堵漏示意图,循环加压挤水泥堵漏示意图,复合堵漏法的常用复合方式,复合方式化学凝胶+水泥浆桥堵泥浆+水泥浆高失水堵剂混桥接剂暂堵剂混桥接剂化学胶凝混桥接剂单封混桥接剂单封混高失水堵剂柴油膨润土浆+屏蔽暂堵剂,处理对象水层漏、严重井漏大裂缝漏失大裂缝漏失产层、大裂缝漏失水层、大裂缝漏失一般孔隙性、裂缝性漏失较大孔隙性、裂缝性漏失 低压高孔渗砂岩水层漏失,调整井井漏预防技术,钻调整井前调整地层孔隙压力 分区块提前降压 注水井控制注水量 注水井关井停止注水 注水井停止注水并放溢流 钻泄压井对高压层
8、进行泄压 提高低压层的地层孔隙压力应用两个压力剖面优选井身结构、泥浆密度及类型全井泥浆预先加堵漏剂防漏先期堵漏,第二节、井眼不稳定(井塌),所钻地层约3/4为泥页岩约90%的井眼稳定问题发生在泥页岩井段盐膏层、白云岩等也可能失稳每年因此造成的损失约7亿美元 井壁稳定问题一般指泥页岩的井壁稳定问题,井眼不稳定的表现形式及危害,表现：向井眼塑性流动，缩径剥落掉块坍塌，扩径,危害：不能正常钻井正常钻井时增加环空岩屑量，提高粘度、切力、当量密度等，降低钻速造成卡钻，井漏等井下复杂井径不规则，影响固井质量影响测井和录井影响泥浆性能维护,井眼不稳定的表现形式,井眼不稳定的判断,岩屑比正常情况下多砂样代表性
9、不好起下钻遇阻，遇卡下钻不到底（有大段沉砂）需划眼蹩钻，跳钻严重实测井径,泥页岩的组成,粘土矿物：蒙脱石高岭石伊利石绿泥石间层粘土蛋白石等,非粘土矿物：石英长石白云石方解石云母等,泥页岩组构,各组分的微结构组分间的关系孔隙大小裂缝发育情况 与井壁稳定性密切相关,井眼不稳定问题的复杂性,地应力分布不均，且难以准确预测和监测地层孔隙压力变化大，且难以准确预测和监测岩石性质不均匀，影响岩石强度的因素多不同盆地、不同深度的泥页岩组构不同，井壁不稳定的表现形式不同井壁失稳的机理（原因）复杂稳定井壁的钻井液技术具有针对性定量实验、模拟井下条件的实验研究难度大,泥页岩沉积过程,随埋深增加，上覆岩石压力增大（
10、1）岩石硬度、强度增大（2）粘粒表面的水被挤出 a.形成异常高压层 b.接触钻井液时重新水化（3）随温度压力和沉积环境的变化，粘土矿物可能发生转变,井塌的原因,地质方面：异常地层压力 构造应力大（地应力大）地层倾斜等泥页岩水化：水化膨胀压改变井周应力分布 降低岩石强度 削弱粒间连接，造成剥落掉块 使孔隙压力增大钻井工艺方面：泥浆液流冲蚀 抽吸作用 钻柱碰撞井壁 由于起钻未灌泥浆、井漏、井喷等引起,页岩中砂岩透镜体孔隙压力异常引起坍塌示意图,受预应力作用（地层倾角大、断层附近地层破碎等）页岩坍塌示意图,井壁力学不稳定的三种可能机理,构造应力,非正常孔隙压力,裂缝,关于泥页岩水化,表面水化：驱动力
11、：表面水化能（为主）、范德华力、静电引力 特点：作用距离短，膨胀压大，体积膨胀小渗透水化：驱动力：双电层斥力（为主）、渗透压力 特点：作用距离长，体积膨胀大，膨胀压小，达平衡慢，电解质影响显著,泥页岩分类（按坍塌原因分）,软胶泥页岩具有应力和压力的页岩水敏性硬质页岩具有微裂缝的页岩,我国井壁不稳定地层分类,1.胶结差的砂、砾、黄土层钻井液技术要点：一般采用高粘切、高膨润土含量的膨润土浆或正电胶膨润土浆。2.层理裂隙不发育、软的砂岩与泥页岩互层 易膨胀强分散的砂岩与泥页岩互层（强包被聚合物钻井液，改善泥饼质量）不易膨胀强分散的砂岩与泥页岩互层（强包被聚合物、聚磺钻井液，紊流带砂，加强固控）中等分
12、散砂岩与泥页岩互层（阴离子、两性离子、阳离子聚合物钻井液）,我国井壁不稳定地层分类,3.层理裂隙发育的泥页岩 易膨胀强分散泥页岩（强抑制、有效封堵）易膨胀中等至弱分散泥页岩（强抑制、强封堵）弱膨胀弱分散泥页岩（强封堵）钻井液技术要点：a.合理钻井液密度；b.采用沥青类、植物油渣、磺化酚醛树脂、褐煤类等处理剂封堵层理、裂隙，阻止滤液进入；c.降低高温高压滤失量与泥饼渗透性,pH值低于9；d.依据地层矿物组分与理化性质选钻井液类型；e.选用合适泵量与环空返速，即保证带砂又呈层流以减少冲刷。,我国井壁不稳定地层分类,4.含盐膏地层纯厚盐膏层钻井液技术要点：合理密度的欠饱和、饱和盐水钻井液，防缩径、防
13、盐溶解扩径、防蠕变。盐、膏、泥复合地层钻井液技术要点：抑制性强的饱和盐水钻井液、油包水钻井液，合理密度防缩径，封堵泥页岩防井塌，合理返速及流变参数，性能稳定。,我国井壁不稳定地层分类,5。裂隙发育的特种岩性地层 裂隙发育、破碎，如煤层、玄武岩、辉绿岩、凝灰岩、灰岩等钻井液技术要点：合理钻井液密度；依据夹层粘土矿物选钻井液类型，一般选强抑制强封堵的体系，适当提高返速与粘切以带砂和坍塌物，但应避免紊流冲蚀。,我国井壁不稳定地层分类,6。强地应力作用下的深层硬脆性砂岩、泥页岩地层特点：深层、强地应力、大多裂隙发育、粘土矿物以伊利石、伊蒙有序间层为主，不易膨胀不易分散，岩石可钻性大于6级。钻井液技术要
14、点：合理密度，提高封堵能力，适当提高抑制性，高温高压下合适的流变性和优良失水造壁性。,实验研究方法,泥页岩组构分析 X射线衍射，电镜，薄片分析，红外，差热分析等可溶盐含量分析：化学分析方法含水量测定：密度法，吸附等温线法阳离子交换容量：亚甲基蓝法，醋酸铵法等密度测定：李氏密度瓶Ensulin吸水测定仪膨胀性测定：常温常压，高温高压分散性测定：滚动回收率法，CST法,实验研究方法,泥页岩介电常数测定针入度实验（测水化过程中的剪切强度变化）三轴应力试验井眼模拟装置（DSC)力学化学藕合研究(水化对应力分布的影响、水化后强度测定等)压力穿透，离子和水份传递（孔隙压力传递实验、微滤失实验）测井资料分析
15、,钻井液防塌能力评价方法,膨胀法-常出现难以解释的结果滚动回收率法-抑制分散CST法-抑制分散SSI法-不能反映水化对强度的影响DSC-大型仪器三轴岩石力学测试装置-岩样制备困难孔隙压力传递实验、微滤失实验-研究压力、水、离子的传递（发展方向）粒度测定针入度法,测试原理示意图,W,W,h,R,N,H,T,泥页岩水化时间的影响,钻井液防塌能力评价,钻井液与泥页岩间的传递作用,驱动力：水力压差、化学势差、温度差、电势差规律：泥页岩中压力传递速度比溶质和离子扩散速度快1-2个数量级；后者又比钻井液滤液的达西流快1-2个数量级钻井液液相进入地层，引起地层孔隙压力、膨胀压力升高，降低岩石强度，改变其力学
16、性能是造成井壁不稳定的主要原因,井壁稳定的力学化学藕合研究,热弹性比拟法89年Texas大学的和提出,据热弹性力学理论,对泥页岩水化产生的力学效应建立定量化模型;其关键是如何准确获得近井壁的含水量分布和岩石弹性模量随含水量的关系.水分子自由能热动力理论法93年和基于钻井液与泥页岩间水分子自由能差的热动力学理论,将水化引起的应力变化同力学作用引起的应力变化结合起来，该理论认为；化学势差驱使自由水进出泥页岩，改变井壁的孔隙压力，从而影响井壁的有效应力。关键：如何准确测定井壁泥页岩中水的活度。,井壁稳定的力学化学藕合研究的实验研究方法,1.水活度及含水量对泥页岩力学性质的影响-各种泥页岩的强度都随含
17、水量增加而降低，弹性模量随活度增加而降低，泊松比随活度增加而增加。2.泥页岩含水量的测定-测含水量和应变随时间的变化,导出水化膨胀压力与含水量和时间的关系.3.测量化学力学作用引起的孔隙压力变化-孔隙压力传递实验4.直接测定水化膨胀压力,解决井壁不稳定的钻井液技术思路,提高钻井液密度，使井内液柱压力高于岩层的坍塌压力使用防塌泥浆体系，抑制页岩水化、增强封堵,近井壁附近封堵前后压力梯度变化,P,Pf,PW,r,PW,P,Pf,封堵粒子类型与尺寸选择,1、原则：遵循2/3架桥和1/2填充规则，再加上变形密封原理。2、关键：第一级架桥粒子和最后一级填充粒子。3、类型：非油气层采用沥青、聚合醇类产品；
18、油气层采用无荧光封堵剂。,防塌钻井液材料分类,聚合物类（如聚丙烯酰胺）可分散沥青及油渣类 封堵微裂缝，阻止水进入，提高泥饼质量无机电解质类kcl,koH,K2CO3,K2SiO3,Na2SiO3,(NH4)2SO4,NaCL,CaO,CaCL2等页岩抑制剂类（多为复配产品）有机盐，如：KCOOH,NaCOOH,KAc聚合醇、甘油、PPG等甲基葡萄糖甙,防塌钻井液体系,油基钻井液水基钻井液：低失水高矿化度水基泥浆 钾基泥浆 钾石灰泥浆 有机硅钻井液 硅酸盐泥浆 饱和盐水泥浆 两性离子聚合物钻井液 正电胶泥浆 阳离子聚合物钻井液 聚合醇类泥浆 甲基葡萄糖甙钻井液 甲酸盐泥浆 多元醇树脂钻井液 聚磺
19、泥浆合成基钻井液,1类：无抑制性分散型水基钻井液，铁络盐钻井液，石膏钻井液，石灰钻井液。2 类：一般的抑制性钻井液，KCl/PHPA钻井液，高KCl钻井液，阳离子钻井液。3 类：渗透膜型水基钻井液：CaCl2/MgCl2钻井液，KCOOH钻井液，甲基葡萄糖甙钻井液4 类：低/无侵蚀的WBM/OBM钻井液多元醇钻井液，活度平衡的硅酸盐钻井液，活度平衡的油/合成基钻井液和所有油/所有合成基钻井液。5 类：低/无侵蚀的具有渗透膜的WBM/OBM钻井液低活度的硅酸盐钻井液，低活度的反乳化钻井液，多元醇盐混合具有渗透膜的钻井液。抑制性：12345,钻井液体系分类(SPE37263),K+、NH4+抑制水
20、化机理,水化能低，（K+、NH4+水化能分别为393和364KJ/mol），优先被粘土吸附，被吸附后促使粘土晶层间脱水，使晶层受压缩，形成紧密结构，有效抑制粘土水化；K+、NH4+直径分别为2.66和2.86埃,可进入粘土晶层空心六角环，限制了晶层的膨胀和分离。KCl其主要功能是能够降低粘土矿物（蒙脱土）的膨胀性，其非常有效的适合钻年轻的，活性的“粘土状”页岩，与PHPA一起对稳定钻屑效果明显。KCl的主要不足是不能阻止滤液侵入页岩,钾离子作用示意图,有机硅防塌机理,在泥页岩表面快速展开，形成薄膜；在一定温度下，有机硅中的-Si-OH基易和粘土表面的-Si-OH基缩合脱水形成-Si-O-Si键
21、，在粘土表面形成很强的化学吸附作用；有机硅中有机基团有憎水作用，使粘土表面润湿反转，从而控制泥页岩水化。,硅酸盐钻井液防塌机理,堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减少了压力穿透；硅酸钠或硅酸钾抑制粘土水化；硅酸盐与粘土矿物发生反应；无机盐的协同稳定作用。硅酸盐不贵，对环境污染小，可溶性的硅酸盐侵入页岩并迅速与页岩孔喉流体中的多价离子（Ca2+和Mg2+）发生反应，生成不溶沉淀物，另外，孔喉流体从中性到酸性PH值有利于硅凝胶生成，由硅凝胶及沉淀物形成的障碍阻止滤液进一步侵入，可封堵页岩小裂缝。,聚合醇钻井液防塌机理,吸附于井壁或粘土上，抑制水化；降低水相活度；温度升高，在水中溶解度降
22、低（浊点效应）,乳液堵孔。低分子量（10，000a.w.u&*）聚合醇提高滤液粘度，因此阻止了滤液侵入页岩，高分子量的丙三醇和乙二醇吸附在页岩表面上，表面吸附及堵塞孔喉并不十分有效。聚乙二醇浊点是其稳定页岩的另一机理，它们在水中的溶解性与温度相关，低于某一温度（浊点）可溶，高于该温度发生相分离生成乳状液。这种特性用来稳定页岩，当井底温度高于CPT（浊点）时，聚乙二醇发生相分离生成乳状液封堵孔喉，这可阻止滤液进一步侵入。浊点由聚多元醇的种类及矿化度决定。,甲酸盐乙酸盐钻井液稳定井壁机理,钾、钠离子的抑制作用；甲酸盐钻井液滤液粘度高，水不易进入泥页岩；高浓度盐水中，自由水少，水相活度低，其渗透压可
23、使泥页岩孔隙中的水反向流动（致密泥页岩相当于半透膜）。甲酸盐和乙酸盐（MCOOH、MCH3COOH、M=Na+.K.Cs+）滤液粘度高，这些一价金属离子对降低膨胀压有好的效果，尤其是KCOOH同时降低膨胀压、页岩水含量和孔隙压力,糖类-甲基葡萄糖甙 糖类是众所周知的低分子量增粘剂，与环境匹配，在一定浓度下可提高泥浆滤液粘度，降低页岩中水的流动。另外可以降低水相的活性。这样可以使页岩脱水，缺点是容易被生物降解。而甲基葡萄糖甙可以克服此问题。糖类推荐为钻屑及井壁稳定剂，相对高的用量（一般30%w/w）限制了其使用，这一加量达到理想的效果，但其花费高，最好是与盐混合使用。,合成基钻井液,第一代：醚类
24、 脂类 聚-烯烃第二代（毒性、生物降解性、成本等方面改进）：直链烯烃,防塌钻井液的密度确定,与下列因素有关:地层孔隙压力地应力大小与方向地层力学性能上覆压力地层破裂压力钻井液与地层作用的水化应力钻井液与地层作用时间钻井液的水力参数井斜角等 钻井液密度窗口,密度窗口,裸眼井段的三个压力剖面:P破 P地 P坍裸眼井段钻井的安全压力（泥浆密度）窗口：若P地 P坍 则 P破 P泥 P地 若P坍 P地 则 P破 P泥 P坍 若P P循环压耗，则无法正常钻井 泥浆作用：使P坍上升，P地 上升、P破下降，P减小,对水敏地层（泥页岩）,水化：,产生膨胀压，改变井周应力分布,增加地层塑性，强度降低,胶结物溶解,
25、地层孔隙压力增大,对破碎性地层（稳定性取决于本体力学性质、岩体结构面或弱面的多少及性质、井斜、方位等）,用P泥平衡P坍时：若结构面闭合，P泥对防塌有利；若结构面不闭合，P泥使钻井液进入结构面，导致：a)P泥有效作用下降，甚至为零 b)使P坍上升，形成恶性循环，且P泥愈大，P坍愈大，以致使P泥作用完全失效,必须使用合理配套的钻井液技术，以达到以下要求：,将地层水化抑制，使P坍不上升（1）页岩水化（抑制水化）程度的测定技术（2）页岩水化及抑制水化的泥浆技术完全封堵井壁地层（近井壁渗透率为零），使P坍、P地不上升，P泥完全有效，并使P破不下降安全压力窗口不变窄,第三节、井喷,井喷的原因钻井液密度偏低
26、（钻井过程中井喷）起钻抽吸、泥包、井漏、起钻未及时灌泥浆等引起压力降低、油气侵入、油气上窜时体积膨胀（起钻过程、下钻过程、下钻后循环时井喷）,进入高压油气层的显示,机械钻速升高或钻具放空泥岩岩屑变大，棱角分明，泥页岩密度下降荧光显示好或发现油砂钻井液密度下降泵压下降且泵压不稳钻井液含气量上升，严重时钻井液液面有气泡泥浆池液面升高井涌,油气上窜引起井喷示意图,井喷示意图,压井用重泥浆密度确定,P地=0.1 原H+P立0.1 重H=P地+P附重=原+10(p立+p附)/H,第四节、卡钻,概念：在钻井过程中，钻具在井下不能转动又不能自由地上下活动而被卡死的井下事故。,与泥浆有关的卡钻类型：泥饼卡钻沉
27、砂卡钻通过增强携带能力解决砂桥卡钻通过增强携带能力解决井塌卡钻使用防塌钻井液泥包卡钻增强抑制性缩径卡钻提密度、增强抑制性,泥饼粘附卡钻（压差卡钻）,概念：在井下压差作用下，钻具粘附在井壁泥饼上，既不能上提下放又不能转动的井下复杂事故。,原因：渗透性强的地层，形成泥饼厚钻具在井下静置时间长压差大,泥饼粘附卡钻示意图,予防措施,工程方面：用较小直径，较短的方形或螺旋形钻铤加扶正器控制井斜及方位变化,泥浆方面：尽可能用低密度泥浆维持低滤失量加润滑剂勤活动钻具加强固控,解卡所需上提力计算,F=RL(P液柱-P地层)R-钻柱半径-包角 L-粘附长度-泥饼摩擦系数 F-上提力,解卡措施,低密度泥浆大排量循环，上提猛放，适当转动注解卡液（油，油基泥浆，饱和盐水，酸，特制解卡液）爆炸松扣，套铣使用钻杆测试工具填井、侧钻,习题,1、7、9,
