页岩地层井筒稳定性的化学和力学研究_王泽华.pdf
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1、2023年第7期西部探矿工程*收稿日期:2022-09-15修回日期:2023-02-10作者简介:王泽华(1989-),女(汉族),吉林榆树人,工程师,现从事井史资料分析工作。页岩地层井筒稳定性的化学和力学研究王泽华*(大庆钻探钻井液技术服务项目经理部,黑龙江 大庆 163411)摘要:钻探页岩地层是一项具有挑战性的任务。由于其粘土含量高,页岩地层容易出现膨胀、分散、缩径等问题。不同类型的粘土会产生不同类型的问题。例如,蒙脱石含量高的页岩遇水会膨胀,而高岭石含量较高的页岩则会分散。当活性页岩遇水时,破坏其稳定性的机制因页岩样品而异。掌握发生的机制是比较重要的,便于积极主动地使用适当的抑制剂抑
2、制钻井液。根据页岩样品的地质结构、矿物学成分和相互作用对其进行表征也很重要。页岩表征和测试方法包括但不限于:X射线分析、使用扫描电子显微镜(SEM)的降解重整评估、阳离子交换容量(CEC)测定、溶胀试验、分散试验、体硬度试验、页岩膜试验以及单轴和三轴压缩试验。讨论了钻遇页岩地层时流体间相互作用的理化效应和机械效应,以及最常遇到的相关钻井问题。同时回顾了用于评估各种流体体系相互作用的最常用页岩测试方法。关键词:页岩地层;粘土膨胀;钻井问题中图分类号:TE24 文献标识码:A 文章编号:1004-5716(2023)07-0074-031概述全球约75%的钻探地层为页岩地层,对水基泥浆具有高度敏感
3、性。这些地层粘土含量高,存在相关的井眼不稳定性问题。当富含粘土的岩石遇水时,开始起反应成松散状态。不同类型粘土的反应程度、机理和结果不同。由于不同区域的页岩具有不同的粘土矿物学性质,因此当遇水时,每个页岩带的反应通常不同。除了膨胀和分散之外,钻遇页岩地层时,造成井眼不稳定性的另一个原因是井眼周围应力的干扰。井眼周围的应力可分解为三个主要应力:垂直应力、最小水平应力和最大水平应力。这些应力的改变取决于几个因素,如钻井液的静水压力、膨胀和水化压力以及用于支撑井壁的过平衡压力。由于页岩基质的低渗透性和高毛细吸力,当在超平衡压力下钻遇页岩时,会出现一种称为泥浆压力渗透的现象。少量流体渗透到井眼中,使孔
4、隙流体压力增加,引起井眼不稳定性。为了解页岩钻井液与水基钻井泥浆接触时的相互作用机制,必须从形态学和矿物学角度对页岩进行表征。页岩钻井液相互作用的评估对于减轻由于页岩反应性和敏感性引起的井眼不稳定性问题至关重要。行业中有不同的标准和非标准实验方法可用于评估页岩反应性,并提前预测潜在问题。因此,抑制机制可用于抑制页岩水的相互作用,并减少与活性页岩地层相关的非生产时间。2粘土类型粘土主要有五类:高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石和绿泥石,前三类与钻井活动最相关。粘土结构由含有原子平面的薄片组成。这些薄片是四面体或八面体。高岭石结构的排列方式为:一个四面体片之后是一个八面体片,比例为1 1。对于其他类型的
5、粘土,每个八面体片以1 2的比例夹在两个四面体片之间。粘土为中性,即阴离子数等于阳离子数,以避免与水或水基泥浆发生任何相互作用。相反地,夹层材料如单个阳离子或水合阳离子将起到中和粘土的作用。粘土结构的变化是控制每种粘土类型在遇水时对水化过程反应的因素之一。除石英和其他矿物外,每个页岩样品都含有一定比例的一种或多种粘土。因此,页岩样品的矿物学性质决定了其遇水时的反应。例如,砂岩的渗透率在达西至毫达西范围内,而粘土的渗透率在微达西或纳米达西范围内。Frenkel和Levy(1992)进行了一项研究,测试高岭742023年第7期西部探矿工程石、伊利石和蒙脱石的分散趋势。粘土堆积成柱状,钻井液在粘土中
6、循环。含有阴离子的钻井液在破坏和分散水相中的粘土方面起着积极作用。监测流出物中每种粘土类型的饱和度。随着饱和度的增加,粘土有更高的分散趋势。结果表明,高岭石分散性最高,其次是伊利石,而蒙脱石分散性不高。3页岩钻井问题使用非抑制性钻井液钻探页岩地层通常会导致井眼不稳定问题,如井眼坍塌、缩径。这些问题主要是由于页岩钻井液相互作用引起的,如遇水膨胀或分散。例如,当页岩膨胀时,井眼直径变小,可能导致缩径,进而可能出现卡钻问题。膨胀是粘土颗粒由于水化而膨胀。粘土由铝硅酸盐薄片组成。带负电荷的离子集中在页岩表面,而带正电荷的离子则集中在边缘。由于负电荷浓度高,将发生阳离子交换,其中正电荷离子吸附在表面上。
7、由于粘土带负电,因此需要层间阳离子来中和粘土,发生阳离子交换反应。这导致各层之间的间距增加,进而引起粘土膨胀。渗透膨胀是由于页岩流体和钻井液的盐度差异造成的。对于低盐度钻井液,水倾向于移动并扩散到高盐度页岩中,从而使页岩颗粒水合。水的吸收还产生了具有排斥势的双电层,导致粘土基质膨胀。3.1页岩试验方法应从岩芯、钻屑或露头中获取具有代表性的页岩样品。页岩样品应首先通过描述层理和沉积结构、颜色和现有裂缝来表征,应使用X射线衍射、薄片法和扫描电子显微镜等不同技术进行进一步表征。此外,应使用阳离子交换容量和水活度试验评估页岩反应性。之后,应采用一系列使用不同钻井液的测试方法来评估页岩泥浆相互作用。3.
8、2溶胀试验本试验的目的是测量页岩样品暴露于钻井液后的膨胀趋势。在向测试仪储层填充待测钻井液后,可将特定尺寸的天然或露头页岩样品或重组页岩颗粒放入线性溶胀测试仪中。当页岩颗粒与钻井液接触时,开始膨胀。通过测量样品体积的增大或样品的线性膨胀来估量溶胀。最终溶胀百分比的高值表明钻井液对溶胀的抑制性较差。3.3分散试验该测试测量页岩样品遇钻井液后的分散趋势。通过在热轧槽中用待测钻井液轧制预定量的特定大小的页岩岩屑来进行。在150F下将热轧槽热轧16h后,在筛上回收页岩岩屑,在105C下在烘箱中洗涤和干燥24h。然后,对样品进行称重,以确定岩屑回收率。由于大量岩屑不分散,岩屑回收率的高值表明对分散的高抑
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