马壁区块复杂结构煤体的煤层气绒囊钻井液研究

为解决马壁区块煤层气钻井漏失、井壁失稳和气侵等成井难题,通过室内对比试验,测定了注3种不同钻井液的煤岩单轴抗压强度,及其封堵煤岩后其承受液压力的大小。试验研究结果表明:注氯化钾溶液、低固相聚合物钻井液可使煤岩强度分别降低19.2%、11.5%,注绒囊钻井流体则能提高38.4%,并且注绒囊钻井流体封堵煤岩后承受液压力达20 MPa以上,注氯化钾溶液和低固相聚合物钻井液,其液压力分别为1.61、8.04 MPa,证明绒囊钻井流体防塌防漏能力强。现场应用结果与室内试验结果一致,煤层气绒囊钻井液满足稳定井壁和防漏堵漏要求,结合增加维护次数、减少单次维护数量的施工工艺,解决了马壁区块煤层气钻井难题。     

基于极限平衡法的煤层钻井井壁稳定性解析模型

考虑煤层割理、裂隙随机分布及近井壁被切割成块体的特点,建立非均匀地应力和钻井液压力共同作用下的煤层井眼稳定性解析模型。假设井眼附近围岩为拟连续体,采用连续介质理论和岩石断裂力学获取了井壁附近的应力场分布,并借助极限平衡理论分析和Mohr-Coulomb准则,推导了块体滑落作为煤层井壁坍塌条件的解析判据公式。以块体滑落位置和滑落面积为控制条件,利用PFC离散元软件验证了解析模型的准确性。结果表明,对于煤层钻井,钻井液压力越大,井壁坍塌可能越严重;I型块体和III型块体极易滑落引起井壁坍塌,II型块体滑落的条件在于其临近块体先行滑落;对于沁12-10-70-X井,钻井液压力在9.5 MPa左右时,井壁坍塌程度最低,增大或减小钻井液压力均使得井壁坍塌加剧。     

中牟页岩气区块泥页岩井壁稳定影响因素分析及技术对策

井壁失稳是钻井过程中常常遇见的难题之一,尤其在钻遇泥页岩井段。针对河南中牟页岩气区块在山西组-太原组泥页岩钻进过程中发生井壁坍塌掉块、卡钻、井径扩大率大等复杂情况,利用MY1井钻井岩心从泥页岩类型划分、孔渗特征、微观结构、岩石力学以及地应力等方面开展井壁稳定性影响因素实验分析。通过分析可知,中牟区块泥页岩属硬脆性泥页岩,造成井壁失稳的主要因素为地层非均质性强,岩石脆性程度较高,微裂缝发育,易导致井壁机械剥落、坍塌掉块。通过合理控制钻井液密度、优化井身结构及钻井参数、研发低自由水强封堵钻井液提高井壁稳定性,在区块钻井实践中取得了较好的应用效果,基本解决了井壁失稳难题。     

煤层气215.9mm井眼水平井绒囊钻井液技术

EJ2井是位于鄂尔多斯盆地东缘的一口煤层气水平生产井,目的煤层为顶部深度1047.33m、底界深度1056.5m的二叠系山西组5#煤,采用Ф215.9mm钻头,Ф139.7mm套管完井。大井眼、水平井存在携岩困难、井壁失稳等技术难点。采用重晶石加重绒囊钻井液,密度1.15g/cm3,塑性粘度20MPa.s,切力11Pa,6天完钻1961.98m设计井段。因连通未成功,上提至1765.94m侧钻至1961.45mm,与EJV井对接成功,完钻井深1981.45m。水平段钻井周期8天,平均机械钻速5.1m/h。测井顺利,下入Ф139.7mm套管至井深1962m顺利,固井质量优良。     

煤层多分支水平井安全钻井技术

通过对煤层地质特征、钻井工程特点以及现场实践分析,归纳了煤层损害与井壁失稳机理,提出了煤层多分支水平井安全钻井策略。研究表明：应力敏感、流体及固相侵入、水相圈闭是煤层损害的主要类型;控制钻井液滤失量,增强滤液与煤层配伍性,提高煤层能量,完善煤层损害解除方法是保护煤层的有效手段;地质情况复杂,煤岩强度低,钻进液性能不稳、密度不合理,清水充气不均是清水充气欠平衡钻进多分支井水平井煤层损害和井壁失稳的主要机理;开展三维地震优选布井,钻井工艺,清水改性及暂堵-返排钻井液体系等配套技术研究有利于煤层多分支水平井钻井安全。     

煤层气可控水平井洗井工艺技术研究与应用

煤层段采用筛管完井的新型可控水平井,目前主要采用稳定井壁钻井液体系进行煤层段钻进,钻井液污染问题无可避免,如何解除污染成为提高产气量的关键之一。通过研究煤储层钻井液污染机理,配套洗井液、洗井工具、洗井流体及参数等方面的研究,优化形成了旋转分段射流洗井与氮气负压洗井疏通两种工艺,现场试验结果表明,两种工艺均能有效解除井壁泥浆污染,恢复或提高近井地带渗透性,有效提高单井产量。且氮气负压洗井疏通工艺可在割缝衬管外围煤层形成剪切破碎区,负压促使泥浆残留物返吐,消除近井地带钻井泥浆污染,现场试验表明可释放地层压力,利于煤层气快速解吸产气。     

煤层气全井欠平衡钻井技术柳林实践

室内研究表明,全井欠平衡钻井流体具有低密度、良好流变性、强抑制性以及较强承压能力。CLY-22井全井段采用欠平衡钻进。二开空气钻进初期添加成核剂钻进,起到润滑钻具作用,保证快速钻进。地层出少量水,循环介质自然形成雾。地层出水量增大,环空自动出现泡沫,携岩性变差。随后,边钻边添加成膜剂、成层剂和定位剂,使循环介质自动转化为绒囊钻井液,顺利完钻,下入φ139.7mm套管,钻井周期比设计周期缩短约7天。     

晋城矿区过采空区钻井抽采煤层气可行性分析

目前,晋城矿区已经准备开采9#和15#煤层,因存在3#煤采空区对下组煤(9#、15#)的阻隔,需要钻井穿越采空区抽采下组煤层的瓦斯,但常规钻井技术不能满足过采空区钻进。就穿越采空区钻井的破碎带漏失、井塌和固井等问题进行了探讨,提出采用降低井筒中钻井液的动压力和提高破碎地层的承压能力做好钻井漏失处理,采用套管钻井防止井塌,采用低压易漏固井工艺处理固井问题,实践证明晋城矿区进行过采空区钻井抽采煤层气是可行的。     

顺北区块超深井侵入体井壁稳定性分析

顺北区块超深井钻遇非连续侵入体薄层,钻井阻卡故障频繁,严重影响了钻井时效和安全成井。侵入体岩性为辉绿岩,裂缝发育,水化效应弱。把侵入体视为由岩石基质和裂缝弱面组成,采用多孔介质弹性力学和Mohr-Coulomb强度准则,分析侵入体基质与弱面的应力、强度及坍塌压力。结果表明,当地层弱面倾角较小时,弱面不会影响井壁稳定;然而,较大倾角的弱面会使井壁更易失稳;当弱面走向为近水平最大地应力方位且弱面倾角为30°左右时,井壁坍塌压力最大。顺北区块桑塔木组侵入体坍塌压力当量密度为1.74～1.87g/cm~3,比常规设计值大了0.47g/cm~3,可以解释钻井现场的复杂情况;推荐安全钻井液密度窗口为1.87～1.96g/cm~3。SHB1-6H井等现场应用表明了侵入体井壁稳定性分析合理性。研究成果可为塔北区块侵入体安全钻进提供技术支持。     

绒囊工作液在煤层气勘探开发中的应用前景

选择合适的井筒工作流体用于勘探开采煤层气迫在眉睫。泡沫类工作液已成为煤层气作业的重要选择之一,在国内外煤层气作业中应用广泛。在泡沫类工作液基础上研发的绒囊工作液,不但解决了泡沫类工作液在液柱压力下泡沫消失问题,而且在煤层气钻井过程中表现出密度可调、承压能力强、封堵性能好、储层保护效果明显等特点。实例还表明绒囊工作液匹配地层裂缝、孔道大小或形状的自适应能力强,全面封堵渗流通道。这种自适应地层渗流通道的作用机理表明,绒囊工作液在煤层气欠平衡钻井、低密度水泥浆固井、提高地层承压能力以及储层改造等方面应该有很好的应用前景。要实现这些作业环节成功应用绒囊工作液,应加强绒囊工作液在钻井液、水泥浆、射孔液和压裂液等方面的应用研究,满足煤层气勘探开发需要。     

钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的实验研究

煤层气井单井产量往往较低,综合勘探开发煤系非常规天然气是提高煤层气开发效益的重要途径,但这要求钻井液能同时解决煤层、致密砂岩和页岩地层的井壁稳定问题。为此,提出基于"正电性-中性润湿-化学抑制-纳米材料封堵-合理密度支撑"的协同防塌理论,并开展了钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的实验工作。首先优选出能有效降低钻井液表面张力、增加钻井液与页岩接触角的表面活性剂复配方案,并结合钻井液流变性、滤失性、润滑性、水活度和抑制性等参数测试和页岩压力传递实验,对钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的效果进行了评价。结果表明:复合表面活性剂能够有效改变水基钻井液的润湿性能,与优选的水基钻井液相比,钻井液表面张力降低42.6%,与页岩的接触角增大162.1%;复合表面活性剂与水基钻井液具有良好的配伍性,具有较好地抑制性和抗盐能力;与清水相比,复合表面活性剂能显著阻缓页岩孔隙压力传递速率,降低钻井液侵入页岩的程度,页岩渗透率降低幅度在99%以上;说明通过控制钻井液润湿性来增强页岩井壁稳定性是可行的。     

层理性地层钻井稳定性分析模型

针对钻井工程常遇的层理性地层,以应力张量坐标转换关系和井孔应力集中方程为基础,引入弱面剪切滑动和岩体Mogi-Coulomb双强度准则,建立了分析层理性地层井壁稳定性的模型。对含层理弱面的典型油气储层中钻井的合理钻井液密度和安全钻井方向进行研究,结果表明:层理面的存在加剧了井壁围岩的破坏,且改变了围岩破坏的位置;水平井坍塌压力随着钻井方向变化而连续性变化,其在特定钻井方向取得最小坍塌压力;斜井取得最小坍塌压力的方位与层理面在空间中并不垂直,空间中关于主平面对称的斜井破裂压力相同;既可获得较大钻井液安全压力窗口又可取得较小坍塌压力的方向为优选钻井方向,在钻井液压力窗口变化大的倾向上钻井需严格控制钻井轨迹曲线。     

硅酸钾钻井液在页岩气水平井中的可行性研究

页岩气开发以水平井为主,由于页岩地层裂缝与层理发育,在长水平段钻井过程中极易发生垮塌等井眼稳定问题,同时还有携岩、摩阻等一系列问题;大量的研究工作表明,硅酸盐钻井液的抑制性是较为接近油基钻井液体系的,但其能否用于页岩气水平井的钻井过程中是值得探讨的。本文在对硅酸盐钻井液体系及页岩稳定分析的基础上,建立了一套硅酸钾钻井液体系,该钻井液体系除了具有良好的抑制性能以外,更具有较低的滤失量(高温高压滤失量6 m L),并且流变性易于控制,润滑性好,分析认为该体系能够满足页岩气水平井钻井的要求。     

扩孔钻头在水平定向井中的应用

传统扩孔钻头在长距离水平定向井应用过程中出现泥包问题时,由于钻速变慢易造成钻进轨迹偏离原井眼,而且起钻时由于抽吸压力对井壁的作用易造成井壁压差坍塌,影响井下钻具仪器安全,增加辅助时间和钻井成本。为解决该问题,通过总结施工经验,结合数值模拟理论实验优化改进扩孔钻头,并在山西某井田煤层气水平井钻井工程项目中进行工业性试验,与传统扩孔钻头相比平均钻时减少38.9%,大大减少辅助操作时间,钻进效率提高的同时减少钻井成本。     

煤层气开采过程井壁稳定性的数值试验研究

煤层气开采过程中的井壁失稳及其诱发的煤岩坍塌，是煤层气开采作业中的一个主要问题。利用RFPA^2D渗流与应力耦合作用分析系统，结合工程实例，对煤层气开采过程中钻进结构效应比较明显的煤岩层中水平井眼的尺寸效应，进行了数值试验分析，结果再现了井眼周连裂纹萌生、扩展及应力迁移、释放，最终造成煤岩层坍塌的全过程。结果表明，井眼尺寸对维持井壁稳定的井底压力有显著的影响，井眼直径越大，对维持井壁稳定的井底压力要求越高。     

泡沫钻进和泡沫洗井在地浸采铀钻井施工中的应用研究

泡沫钻进是一种新的钻进技术,特别适合于低渗、低承压水头矿床地浸采铀工艺钻孔的施工。泡沫钻井液密度最低可达0.03g/cm3,钻进时钻井液液柱压力小于地层压力,可实现负压钻进,泡沫钻进携屑能力强、滤失量小、钻井效率高,在含矿含水层中不致发生地层损害,堵塞矿层。泡沫洗井效果好、效率高、成本低,可增加钻孔涌水量。在地浸钻孔施工中应推广泡沫钻进和泡沫洗井方法,最大限度地恢复和保护矿层的渗透性能,提高钻孔的抽注液能力。     

陵页岩气井新工具的应用与经济评价

涪陵地区页岩层蕴含着丰富的天然气资源,具有较大的开采前景。区块主要目的层为上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组下部页岩气层。上部泥页岩地层井壁稳定性差,地层承压能力低,溶洞发育、易坍塌、易漏失;海相沉积地层流体分布复杂,部分地层岩性变化大,可钻性差,机械钻速较低;采用丛式布井,水平井井眼轨迹复杂,靶前位移大,大井眼定向扭方位困难、托压严重。现场试验使用了旋转导向、扭力冲击器、旋冲马达、水力振荡器等新技术、新工具,大幅度提高机械钻速,缩短钻井周期,取得一定的经济效益。阐述了几种新技术和新工具的工作原理、现场应用情况,并对其经济效果进行了评价。     

高陡倾斜煤层沿煤层钻井研究——以准南昌吉地区为例

针对准噶尔盆地南缘煤层倾角大、地应力复杂的煤层气井钻探难题,基于弱面理论研究了煤层倾角、地应力、造(降)斜对井壁安全的影响,建立起多目标约束的沿煤层钻井轨迹优化模型。研究表明:(1)昌吉地区煤层倾角为10°~25°,局部达到25°~40°,属于高陡倾斜煤层,具有渗透率各向异性强、地应力各向异性强、岩体力学性质各向异性强的特点。(2)钻水平井时,根据倾角对井壁稳定影响分为作用区、过渡区和反转区,倾角在5°~25°时为作用区,沿倾向钻井最安全,沿走向钻井最危险;倾角大于65°后进入反转区,沿倾向、走向都成为安全钻井方位。地应力各向异性越大,坍塌压力越高、安全钻井方位的范围越小。(3)沿煤层倾向钻井时,倾角小于35°时建议沿煤层上倾方向钻井;倾角大于65°时建议沿煤层下倾方向钻井;倾角在35°~65°范围内井壁安全性最低,建议沿煤层走向钻井;井斜角在45°~65°时是最危险造(降)斜段,应尽量避免在此井斜范围对煤层造(降)斜。(4)为降低煤层着陆点到首靶点的坍塌压力,提出S型、J型两种沿煤层钻井轨迹类型,从对比结果看出本文方法比常规方法设计的井眼进尺更短、摩阻扭矩更小。