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加固井眼的钻井液
摘要
如果能加固井眼并以较高的钻井液密度钻井时不发生漏失,其主要优势是可以开采压力衰竭储层的难动用储量。另外还可应用于孔隙压力和破裂压力梯度之间狭窄的钻井窗口的深水钻井中。描述了英国石油公司开发的一种“设计师钻井液”,可有效增加钻井时的抗破裂能力,并能应用于页岩和砂岩。它通过颗粒架桥形成应力笼以及形成超低滤失钻井液体系而起作用。介绍了该技术的理论,并用室内试验数据显示了该钻井液体系的开发过程。现场试验数据表明可定量增加抗破裂能力,并论证了该体系的价值。
主题词 加固井眼 钻井液 井漏 桥堵 现场试验
一、 引言
钻井液漏失是钻井过程中经常遇到的问题,当要求钻井液密度超过地层抗破裂能力时,即发生诱发性漏失。衰竭储层是一个特殊的难题。随着储量的衰竭,孔隙压力下降,减弱了烃类对岩石的支撑,但是附近或夹层的低渗透岩石(页岩)可以维持其孔隙压力。这可能使某些枯竭地层的钻井根本无法进行———支撑页岩所需的钻井液密度超过了砂岩和粉砂岩的抗破裂能力。如果能想出一个办法加固脆弱地层,从而开采难动用储量,其潜在效益是明显的。加固井眼的价值范围非常广,包括:开采附加储量(衰竭层)、减少深水钻井中的钻井液漏失、在下套管或固井时避免漏失、改善井控、取消套管柱、膨胀套管的一种可替代选择。
二、 理论研究
为防止钻井液漏失而加固井眼的方法实质是在井壁上形成小裂缝,并且在裂缝开口附近用架桥粒子保持裂缝张开。桥塞所需渗透率必须足够低,以便可以形成压力隔离。倘若诱导裂缝在井壁上或井壁附近被桥堵,那么这种方法可在井眼周围产生增加的周向应力,我们称它为“应力笼”效应。其目的是通过向钻井液体系中添加合适的材料,从而实现连续钻井,配制出我们所说的“设计师钻井液”。
如果假设出现一个放射状的裂缝,那么就会发现控制裂缝张开所要求的压力是裂缝张开度和地层硬度的函数。方程如下:
式中
ΔP———裂缝内部的额外压力(超过最小主应力的压力);
w———裂缝的宽度;
R———裂缝的半径;
E———地层的杨氏模量;
v———地层的泊松比。
上式建立于裂缝诱发理论,基于钻井液可保持裂缝张开,然而,设计师钻井液的目的是使用颗粒在裂缝口或其附近架桥以保持裂缝张开。因此,钻井液的额外压力被架桥颗粒所施加的机械应力所取代。由于钻井液与架桥颗粒之间保持裂缝张开的方式和程度不同,所以上述放射状裂缝的方程不能直接用来计算应力笼对井眼强度的预期影响。但是该方程仍然有助于理解各参数的相对重要性。使用该方程完成了灵敏性分析,并得出如下的观察结果:
◇半径为1m、宽度为1mm的裂缝其有效井眼强度大约能增加1000 。
◇较短的裂缝,或至少是较短的支撑长度最佳。如果裂缝的支撑长度较长则很容易重新张开,并且增加同样强度所需裂缝更宽。
◇岩石越软(低杨氏模量),要求的裂缝宽度越宽。
◇该方程对泊松比不太敏感。这个简单的分析指出短裂缝是最好的,所以当裂缝开始形成时必须迅速阻止其增长。这就意味着使用高浓度架桥剂更有利。添加剂应当具有足够的机械强度以抵抗闭合应力,并且粒度级配以便桥堵附近的裂缝开口,在井眼附近形成应力笼。假设裂缝宽度为1mm,则钻井液中的粒径分布范围应从胶体粒子至接近1mm,以便具有平滑的粒径分布并形成低渗桥塞。正如后面所讨论的,要保持这种粒径分布在工程上是一个难题。现在认为,在渗透性和非渗透性(低渗透率)岩石这两种情况中,存在一些重要区别需要考虑。
1,渗透性岩石
对于渗透性岩石,颗粒架桥不需要十分完美,因为穿过桥塞的钻井液将从裂缝内部进入岩石基质。因此,在裂缝内压力不会升高,而且裂缝不会传播。即使最初在裂缝壁上形成泥饼,但是通过暴露少量新表面可减少压力,使裂缝不能增长。进一步的影响是当裂缝开始形成,桥塞后面的压力开始降低,这将升高穿过裂缝的有效应力且使桥塞后面合拢,为架桥提供稳定的基础。从这些论据上看,在渗透性岩石上实现应力笼效应是简单易行的。应当指出,即使钻井液中所含颗粒太小而不能在裂缝开口附近架桥,通过形成内泥饼仍能封闭裂缝。但是密封/桥堵会减慢,并且裂缝长度可能会延伸得很远以至不能形成有效的应力笼效应。这已在普通钻井液的现场观察中得到证实。不过有趣的是,在砂岩中观察到的破裂压力梯度通常高于理论模型的预测值,这似乎与钻井液固相和泥饼沉积有关。
2,低渗透岩石
在诸如页岩的低渗透岩石上桥塞需要有极低的渗透率来阻止压力传递进入裂缝以及在裂缝中的传播。因此,我们研究了使钻井液滤失量极低的泥饼形成方法,即“超低滤失量钻井液”。事实上,它还减少了压差卡钻的风险。在页岩裂缝上形成桥塞的驱动力需要仔细考虑。裂缝形成时,钻井液进入裂缝的初始冲力会在裂缝开口处沉积桥塞颗粒,但需要适当保留通过桥塞的压差。发生桥塞后页岩基质内的压降非常小,特别是在油基钻井液中,由于界面张力(毛细管压力)效应,它起到附加的密封作用。在水基钻井液中,压力可能会缓慢地泄漏进页岩,这个难题将促进超低滤失量水基钻井液的发展,以使裂缝开口处的桥塞可以充分降低渗透率。尽管存在这些问题和挑战,但页岩地层中的初步现场试验非常鼓舞人心。在模型研究中,假设在井眼的每侧有一个翼型对称椭圆裂缝。如果在井眼周围形成许多狭窄的局部裂缝,从而产生了应力笼,那么仅需要非常小的架桥颗粒来密封裂缝。正如早期所报道的,现场结果认为需要使用较大的架桥颗粒。
三、室内试验
早期实验研究结果指出,使用碳酸钙与石墨的混合物是减少钻井液漏入裂缝的最佳方法,但在试验中裂缝宽度是不可控因素。为了完成设计师钻井液的试验,设计了一个固定的裂缝装置。容器装有可限定裂缝宽度的隔板,裂缝的开口处宽度一般为1mm,并且逐渐减小到裂缝尖端处为零(代表闭合裂缝),或逐渐减少到0.5mm (代表张开裂缝)。用砂岩来形成裂缝面。裂缝的高度为38mm,深度(开口到尖端的距离)为178mm。容器被固定在一起并安置在一个反应架上;在容器的每侧有一个分支点,用以收集通过岩心表面的钻井液滤液。通过裂缝入口的压力传感器、中间压力传感器和出口压力传感器监测裂缝内的压力。出口阀门可以关闭,因此可以测量压力升高。容器可以加热。
体系被真空饱和,使盐水通过裂缝、所有管汇和泄漏管线流进回压调节器和质量天平。钻井液样品被灌进一个搅拌式注入罐中并按要求加热。用气瓶给注入罐加压,需要时打开阀门把钻井液注入容器。开始注入钻井液后,注入压力逐渐增加或连续增加,同时监测钻井液漏进岩石的状况和裂缝中压力的变化。在多种条件下完成了大量试验以便研究下列参数:岩石渗透率、钻井液类型(油基钻井液与水基钻井液)、温度、钻井液注入压力、钻井液密度、架桥材料类型、架桥材料浓度、架桥材料粒径分布、钻井液滤失量、裂缝宽度。这一研究并不详尽,但通过选择性试验得出一些重要的观测结果。在岩石渗透率为160mD的试验中裂缝从1mm
逐渐减小到零,并且开始时出口阀门关闭,因此形成架桥的驱动力泄漏进入岩石。使用一种相对密度为1.16的水基聚合物钻井液作为“普通滤失控制钻井液”。在环境温度下,这种钻井液的API滤失量为4.2mL,并且加有不含石墨的碳酸钙架桥颗粒。室内试验是成功的,在裂缝开口附近形成桥塞,裂缝中没有压力升高。桥塞在注入压力达到1900 之前一直保持完整。在渗透率为160mD(160× )的岩石上进行的油基钻井液试验也同样获得成功,并且推断在中高渗———即160mD或更高的岩石上形成应力笼相当容易,似乎使用碳酸钙和常规钻井液就可以实现。在渗透率较低的岩石试验中,常规油基或水基钻井液加入碳酸钙架桥颗粒不能隔绝压力。即使裂缝尖端一开始就已打开以增加进入裂缝的量并促使桥塞的形成,也是这种情况。要在油基钻井液方面取得成功,必须应用超低滤失量钻井液(高温高压滤失量<2mL),并使碳酸钙与石墨材料相结合。通过优选体系,在一些试验中可支撑4000 的压力。
最后的难题是通过零渗透率岩石(模拟页岩的情况)上的裂缝实现压力隔离。使用已被树脂密封的实质上渗透率为零的砂岩进行研究。在这种情况下必须首先打开裂缝尖端,使钻井液进入裂缝———可通过打开出口阀门使第一批钻井液注入3min来实现。使用超低滤失钻井液和碳酸钙/石墨混合物取得了显著效果:在300 的注入压力下实现了压力隔离(在实验精度范围内);在900 的注入压力下桥塞受扰并出现一些压力传递,然后在1900 的注入压力下全部传递。上述情况可能只是轻微渗漏而不是彻底破坏桥塞。
可以用达西定律粗略估算桥塞的渗透率。已经计算出超低滤失量油基钻井液的桥塞渗透率可低至10nD,这可以与页岩渗透率相比。由于桥塞的渗透率如此低,一旦桥塞形成,钻井液进入裂缝的实际速率非常低。如果裂缝内压力升高,裂缝只需扩展很小就能释放压力,因此足以实现具有非常低的渗透率而不是“零”渗透率的桥塞。这个观点还需充分证实,但已被下面讨论的初步现场试验所证实。
实践中的一个重要因素是形成稳定的桥塞,这种桥塞的变形应足以承受压力波动和岩石运动。石墨颗粒可能是一个影响因素,因为石墨可能是最好的架桥材料,即使在较高渗透性的岩石上也可架桥。
实验研究的其他观察结果如下:
◇钻井液应该含有光滑/连续的粒径范围,从黏土胶粒(约1μm)到需要的架桥宽度。
◇应用理想充填理论( 规则)选择低密度钻井液所用的优化粒径分布。
◇为了有效密封,较高的颗粒浓度最佳,架桥混合物浓度至少需要达到15ppb。
◇一些试验在高达300°F和4000 过平衡压力的条件下成功地封闭了裂缝。
◇在成功地形成桥塞方面,钻井液密度并不是关键因素。
需要对架桥材料、更宽的裂缝等方面做进一步的研究。
四、工程因素
使用设计师钻井液要求以“非标准”方式进行钻井施工。在完全应用中,循环系统必须加载大颗粒架桥材料,并且在连续加入过程中保持粒径分布。最佳方案是体系中必须保持至少30ppb的架桥固相。这是因为:
◇必须使用较粗的振动筛(例如30目)以避免每个循环周中除去这些颗粒。
◇由于钻屑(低密度固相)的增加,钻井液流变性能上升,架桥颗粒的磨碎也起一定的作用。
◇同样,钻井液密度逐渐增加。
◇与泥浆泵腐蚀有关的问题。
◇有关堵塞井下装置的问题。
◇颗粒对地层的伤害问题,特别是对天然裂缝储层。
◇经济性问题。
现场经验表明,在可接受的体系维护水平下、在利用钻井液流变性和密度井控的情况下,至少可钻进400m井段。
以小段塞形式使用设计师钻井液可大大简化工程。如果能以低于破裂压力梯度的钻井液密度首先钻开这一井段,接着在脆弱层挤注一段该体系段塞加固地层,那么该方法是可行的。这相当于完成一次地层完整性试验(FIT)。这些作用将形成一个应力笼,在地层完整性试验(FIT)结束,压力降低时,应力笼保持在原处。因为地层已被加固,所以可以用标准钻井液继续钻进。
五、现场经验
1,例1———延长段的泄漏压力试验这项试验的目的是观察设计师钻井液是否能够提高页岩地层中的抗破裂能力。试验井是美国Arkoma盆地的一口直井。在3012ft下入9 in套管并完成套管完整性试验后,用普通油基钻井液钻出10ft8 in的井眼以暴露页岩地层。循环洗井后,用常规钻井液完成一个延长段的泄漏试验。钻井液的高温高压滤失量相当高(250°F下9mL),钻井液密度为9.0 lb/ga,l不含架桥粒子。在约1200 压力下形成裂缝,为了减少裂缝扩展, 在此压力点停泵。压力稳定在800 ,这是由远场应力状态决定的裂缝传播压力。套管鞋处没有泄漏。泄压至静力学压力后,重复试验并使压力稳定在800 ,无破裂压力显示;只是重新打开裂缝。泄压后,裸眼段被设计师钻井液小段塞所顶替。段塞设计为超低高温高压滤失量(0.45mL),并且含有80ppb的粒径为10～800μm的架桥颗粒。使用的是石墨/碳酸钙混合物。初期的裂缝被密封,并且在密封被破坏以前,压力上升到2000 以上。这使得破裂压力比原始状态增加850 ,相当于钻井液密度提高5.4 lb/gal。这是一个非常重要的结果,尤其是在页岩中。然后尝试用设计师钻井液再次重新升压,但是裂缝不能重新密封,压力再次稳定在约800 。这大概是由于裂缝变得太大或太深,以至于颗粒不能架桥,或者早期的架桥颗粒已经远远小于裂缝。这表明,重要的是应用设计师钻井液观念作为预防性措施并制定相应的工程措施。那种等待发生井漏,进行大规模的裂缝支撑,然后期望形成应力笼的做法并不可靠。
2,例2———北海Schiehallion 204/20-C21z井(CW19裂缝)
在砂岩破裂压力梯度之上用设计师钻井液钻开110m砂岩/页岩地层。该井段为9 in套管和7in衬管之间的8 in侧钻井段。
在最初的油井中,在钻进目的砂岩储层以上的含油砂岩薄层时发生两次井控事故。由于它们在地震分辨率以下,因此没有标出。第二次井控事故造成井下漏失/井涌状况,为评价这一状况临时暂停钻进,并设计了一个侧钻井眼。为了压井,钻井液相对密度从1.20增加到1.47,造成钻井液漏失。
该井段以相对密度为1.51的设计师钻井液开始钻进。计划仅在9 in的套管鞋下部进行泄漏试验,该试验在钻井液当量相对密度为2.1时停止,未发现泄漏。该点的地层类型为页岩。试验压力超过砂岩/粉砂岩和页岩的破裂梯度,甚至超过上覆岩层。此前的地层完整性试验数据点(常规钻井液体系)也显示出同样结果。在套管鞋下钻井时,在钻进高压薄砂层之前的钻井液相对密度上升到1.54。尽管钻井液密度高于砂岩/粉砂岩的破裂梯度,但在相邻地层未发生钻井液漏失。成功的主要因素在于控制钻井参数钻进该井段而形成应力笼,另外由于起下钻安全系数较小且无立管,因而采用高温高压钻井作业。通过持续补充保持了钻井液体系中的大颗粒含量。严密监控钻井液密度和流变性,钻机设备或泥浆泵未受到架桥颗粒的损害。
下入7in衬管并固井,未发生漏失或井涌。通过优化下入速度并使用延时打开的球阀,使下衬管造成的压力波动最小。仔细设计衬管的水泥胶结强度以使当量循环密度最低。下7in衬管后,用更低密度的钻井液(相对密度1.2)钻6in井眼,钻穿储层砂岩。
3,例3———北海Schiehallion 204/20井C22(CW18裂缝)
该井的设计轨迹有一段12 in井眼,由2548m的主井段、680m的回填段和291m的侧钻
井段组成,为射孔枪和除砂需要留下一个足够大的口袋,用9 in的套管完井。主井段穿过四个砂层,其压力各不相同,范围从700 减少到950 的过压。
主要难题是要克服潜在的过压通道砂层,要求钻井液密度和井涌容限高于上述砂岩/粉砂岩地层的破裂压力梯度。作业程序是在套管鞋处完成初始的地层完整性试验,然后用相对密度1.25的油基钻井液在异常高压地层之上钻进(井段长1159m)。然后划眼起钻至13 in的套管鞋,定点注入设计师钻井液段塞穿过裸眼段,从而加固整个暴露地层。
使用600bbl相对密度1.31的油基钻井液段塞,并完成了钻井液当量相对密度为1.60的裸眼段地层完整性试验,以形成应力笼。段塞中含有碳酸钙和石墨,与例2所用的设计师钻井液相似。裸眼段的地层完整性试验证实了地层井涌容限的完整性,以及在这些通道砂层遇到最高预期过压时钻井液体系的加重能力。用相对密度1.31的钻井液重新钻进至总井深。
这种方法非常成功,并且避免了使用设计师钻井液在套管鞋下长井段钻进。在钻井的同时,为减少压差卡钻并形成连续密封,要准备一些碳酸钙桥堵添加剂。为保持钻井液中架桥颗粒含量,需安装大网孔振动筛。作为应力笼技术的结果,不需要下入9 in套管和钻进8 in井眼,并且比计划提前10天完井。
结论
这个用于增强井眼压力的理论已经在油田成功地被开发和探明
在井筒壁允许出现短裂缝并且这些连续使用一种设计泥浆来支撑密封
即使是在地渗透岩层中，实验研究和原始油田试验已经得到证实。
工程和后勤需要小心管理以便在油田继续应用但是这个系统能在一切情况的小段塞可以容易地被接受
这种技术的应用是远距离的。例如在固井时避开水泥浆漏失
这将会限制这种技术需要完全探明在选择密封添加剂和地质损坏研究，应该是有益的
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