大牛地区域钻遇煤层及炭质泥岩钻井液对策

2022-09-10

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地东北部, 属于上古生界石炭系、二叠系海陆交互相含煤碎屑岩含油气体系。其中山西组、太原组主砂体上部存在多套煤层, 煤层之间又夹杂有炭质泥岩, 容易产生垮塌造成井壁失稳, 导致部分水平井段及造斜井段回填侧钻。如DP66H井, 在水平段4次钻遇煤层及炭质泥岩, 3次侧钻。优选氯化钾钻井液体系后, 在DPS-39井、DPS-50井和DPT-109井等五口井钻遇煤层时均未发生坍塌情况, 实现了安全、高效、快速钻井。

一、煤岩特点及失稳机理

煤是是由植物残骸经过复杂的生物化学、物理化学及地球化学变化转变而来的。煤岩是破碎性、易坍塌岩体, 往往呈条带状或线状分布。大牛地气田煤层裂隙发育发育、胶结松散多、含有脆性泥岩物质。

山西组煤层层理性较强, 块状结构不明显, 是一层层叠加而成的层状结构。这决定了煤层在垂直方向上胶结力薄弱, 层与层之间胶结力小, 并且胶结物易吸水膨胀释放产生黏贴力, 导致煤层更容易沿层理呈片状剥落掉块。

地质研究表明, 山西、太原组的层煤沉积稳定, 煤层层理基本与水平面平行。在井斜越大的井段, 煤层层理暴露在井筒的面积也就越大。尤其是在水平段, 煤层层理与井筒平行, 大面积的煤岩暴露于井内, 更容易产生坍塌掉块。

二、优选钻井液体系

为防止煤层和炭质泥岩垮塌, 通过室内试验及现场应用, 选用抑制能力强的氯化钾聚合物钻井液体系。该体系具有矿化度高、抑制能力强、固相含量低、保护油气层的特点。在此体系基础上加入一定量的封堵材料, 能够更好的稳定井壁, 有效防止煤层垮塌。

配方:1.5%-3%膨润土+5%-7%氯化钾+1.5%QS-2+1.5%FT

氯化钾体系现场应用情况:

三、优化钻井液性能

1. 确定合理的钻井液密度, 平衡地层压力。

煤岩抗拉和弹性很小, 密度过低会引起构造应力释放, 使煤层沿节理和裂缝崩裂坍塌;钻井液密度过高, 钻井液中的滤液楔入煤层将裂缝撑开使煤层产生剥落。在山西组进入煤层前提高密度至1.25g/cm3左右。调钻井液密度时, 按循环进行每周不超过0.02g/cm3, 避免压力波动, 造成井壁失稳。

2. 钻井液应具有较强的封堵和抑制能力。

煤层往往呈条状和现状分布, 节理割理以裂隙发育。山西组煤层裂隙含有凝胶化物质, 失水过大会引起煤岩黏土矿物水化膨胀和无机盐的溶解。并且炭质泥岩也具有毛细管效应, 吸水膨胀引起井壁收缩, 致使井壁失稳。因此要严格控制钻井液的滤失量, 保持在4ml为宜。滤失量较小的井, 发生事故的概率也较小。使用kcl体系中的钾离子具有抑制泥页岩中黏土水化膨胀的作用, 能够很好地抑制炭质泥岩中的黏土水化膨胀。同时选择与煤层润湿性相匹配的惰性封固材料, 如超细目碳酸钙和沥青等。在循环钻井正压差作用下, 柔性材料以2/3架桥, 封堵裂隙有效阻止滤液侵入煤层。在选用屏蔽暂堵材料时, 应根据煤岩裂隙大小, 科学合理搭配。每种加量应控制在2%左右, 避免加量过大影响定向钻井速度。

3. 钻井液具有良好的流变性。

若流型差黏度和切力过高, 环空循环流动阻力大, 容易激发煤层应力变化, 引起井壁失稳。还容易引起压力激动, 造成井漏等复杂情况。若黏度切力过低, 环空井壁冲蚀严重, 同样会对煤岩产生冲刷, 诱发应力变化, 降低抗拉强度, 引起井壁失稳。水平井井斜较大, 容易形成下岩屑床, 造成环空不畅、憋泵等情况。在现场操作中, 可以混入一定量的预水化的膨润土浆, 和抑制能力强的大分子聚合物。在表1中顺利穿煤层的钻井液性能漏斗黏度都在60秒以上, 而且动塑比值也都大于0.48。

4. 钻井液还应具有较好的润滑性。

保持钻井液具有良好的润滑性可降低钻具与井壁泥饼之间的摩擦阻力, 减少因钻具碰撞井壁而引起煤层垮塌。同时, 良好的润滑性和坚固的井壁能够提高定向钻进滑动的速度, 避免托压、粘附卡钻等复杂情况。快速钻穿煤层还可以减少井下复杂的发生。在煤岩应力未完全释放, 避开井壁坍塌周期, 快速高效完井。在现场应用中, 润滑剂的加量为2%, 每次加量不少于1%。固体石墨粉和液体润滑剂相结合效果更好。

结论

1.钻遇煤层前50米, 钻井液方面要提高抑制和封堵能力, 有效稳定井壁, 防止地层坍塌、保证井下安全;

2.保持合适的钻井液密度, 避免人为压力激动, 引起井下复杂情况;

3.钻井液具有较好的流变性, 在充分有效携岩情况下, 减轻钻井液对煤岩的冲刷。

摘要：大牛地气田以山西组、太原组为目的层的水平井, 在大斜度井段钻遇煤层, 易发生井壁垮塌事故, 严重影响了施工安全和施工进度。通过分析地层岩性, 从压力平衡、有效封堵、改善流型和抑制润滑几个方面优化钻井液性能, 优选出了一套针对该区块的氯化钾防塌钻井液体系。现场应用表明该钻井液体系较好的满足了该区块水平井钻井工程的实际要求, 有效防止了煤层段垮塌, 节约了成本, 经济效益显著。

关键词：大牛地,煤层,炭质泥岩,防塌体系