一种破碎性地层化学固壁剂及其制备方法、应用和超前注入施工方法与流程

1.本发明涉及石油、天然气钻探领域，具体地说，是涉及一种破碎性地层化学固壁剂及其制备方法、应用和超前注入施工方法，用于破碎性地层钻井液井壁稳定性能强化工作中。


背景技术：

2.随着全球能源消耗的持续扩大，常规油气资源无法满足日益增长的世界能源需求，油气勘探开发目的层从中浅层向深部地层快速延伸。全球深层超深层油气资源非常丰富，自1952年美国在4500m以下发现carter-knox油气田以来，截至目前，全球已经成功开发了1000多个埋深在4500m以深的油气田。就我国而言，2018年我国油气对外依存度分别攀升至66.67％和45.30％，而我国70％剩余石油天然气资源位于深部地层还没有得到有效开发。为了加快推进我国能源生产和消费革命，增强能源安全自主保障能力，开发深部油气资源势在必行。近年来，随着塔里木盆地碳酸盐岩、四川盆地深层海相碳酸盐岩领域获得重大油气突破。深部油气藏逐步成为我国极具现实勘探开发意义的油气资源领域。然而，深层油气藏地质情况特殊、地应力条件复杂，在长时间、多期次、强构造运动及高地应力作用下，深部地层中通常发育不同损伤程度的损伤带，即破碎性地层。在高温、高压、高地应力以及钻井过程中的高扰动应力作用下，深部破碎性地层井壁失稳问题突出。以顺北油气田为例(见表1)，该油气田施工过程中在钻进奥陶系碳酸盐岩破碎性地层时，掉块严重，严重影响钻井时效。据不完全统计，工区完钻的5口勘探评价井因井壁坍塌、掉块严重共侧钻了10余次，单井损失时间达最长达242d，累积损失时间超过669d，处理井筒周期占钻井总周期最高可达48.2％。
3.表1顺北区块钻井复杂及处置时间
[0004][0005]
不难看出，深部破碎性碳酸盐岩油气层井壁失稳问题已经成为制约此类油气藏高效建井的突出问题。综合矿场钻探实际，破碎性层段井壁失稳体现为：
①
刚揭开地层就发生显著井壁掉块；
②
钻进过程中提高钻井液密度能够一定程度缓解井壁失稳情况，但多次发
生漏失。分析认为，深部破碎性岩层受到期次构造运用，地层天然裂缝发育，岩体强度低。揭开地层即失稳主要是由于岩体强度低，且普遍储存较大应变能，因此在刚揭开地层时，由于岩石强度不足导致应变能发生释放；提高钻井液密度造成井漏主要是由于破碎性地层岩体强度低，承压能力差，提高钻井液密度极易超过地层承压能力造成漏失。因此，控制深部破碎性地层井壁稳定的关键是在尽可能在钻揭地层前适当提高岩体强度，达到抑制地层应力释放、提高地层承压能力的效果。
[0006]
化学固结堵漏技术是提高疏松地层及缝洞性地层强度的常用堵漏方法。采用固结堵漏方法时，不需要考虑漏失通道的大小，并且固结堵漏浆液的凝固时间调整范围大，浆液的渗滤能力较强，滤液也能固化，成功率较高。目前，成熟的化学固结堵漏技术主要针对揭开地层进行，即揭开地层发生漏失后，采用随钻堵漏浆强钻揭穿漏失层段，随后再对漏失点进行化学固结专项堵漏作业。然而，目前深部破碎性地层层厚大，部分井井型甚至设计为水平井井型，钻遇破碎性层段长。如果采用常规的强钻后化学固结堵漏，将浪费大量随钻堵漏浆，降低纯钻时效，同时增大卡钻、埋钻风险。因此，提出一种破碎性地层化学固壁剂及其制备方法和超前注入施工方法，提前且大范围的提高深部破碎性易失稳地层岩石强度，以缓解其井壁失稳问题。


技术实现要素：

[0007]
鉴于目前深部破碎性地层层厚大，部分井井型甚至设计为水平井井型，钻遇破碎性层段长。如果采用常规的强钻后化学固结堵漏，将浪费大量随钻堵漏浆，降低纯钻时效，同时增大卡钻、甚至埋钻等风险。本发明提出一种破碎性地层化学固壁剂及其制备方法和超前注入施工方法，通过提出一种破碎性地层化学固壁剂，建立化学固壁剂的注入时机和化学固壁剂的注入及憋压流程，形成一种超前的、大范围、固结强度大的化学固结井壁稳定方法，以提高深部破碎性地层井壁稳定性，降低井壁失稳风险。
[0008]
本发明目的之一为提供一种破碎性地层化学固壁剂，包括矿渣、膨润土、水玻璃、石膏和超细方解石。
[0009]
所述化学固壁剂还包括水。
[0010]
所述化学固壁剂包括水、矿渣、膨润土、水玻璃、石膏和超细方解石，其中以100重量份的水为基准，矿渣为10～20重量份，膨润土为3～10重量份，水玻璃为3～10重量份，石膏为0.5～1.5重量份，超细方解石为2～12重量份。
[0011]
优选地，以100重量份的水为基准，矿渣为15～20重量份，膨润土为3～5重量份，水玻璃为3～6重量份，石膏为0.5～1重量份，超细方解石为2～10重量份。
[0012]
所述矿渣及超细方解石颗粒粒径远小于地层天然裂缝宽度，优选地，所述矿渣的粒径小于50μm，更优选为10～30μm；
[0013]
优选地，所述超细方解石的粒径小于30μm，更优选为5～25μm。
[0014]
所述水玻璃的模数为1.5～3.5，浓度为30～43be；优选地，所述水玻璃的模数为1.5～3.0，浓度为35～43be。
[0015]
本发明所述化学固壁剂的固相粒度相比现有化学固结剂固相粒度更细，能够在较小驱替压力下侵入岩石裂缝深部。
[0016]
本发明目的之二为提供所述破碎性地层化学固壁剂的制备方法，包括将包含矿
渣、膨润土、水玻璃、石膏和超细方解石在内的组分混合均匀。
[0017]
优选地，所述制备方法包括向水中加入矿渣、膨润土、水玻璃、石膏和超细方解石颗粒，混合均匀。
[0018]
更优选地，所述破碎性地层化学固壁剂的制备方法可包括步骤：在搅拌条件下，向100重量份的水中加入10～20重量份的矿渣，3～10重量份的膨润土，3～10重量份的水玻璃，0.5～1.5重量份的石膏及2～12重量份的超细方解石颗粒，充分进行搅拌直至混合均匀。
[0019]
最优选地，所述制备方法可包括步骤：在搅拌条件下，向100重量份的水中加入15～20重量份的矿渣，3～5重量份的膨润土，3～6重量份的水玻璃，0.5～1重量份的石膏及2～10重量份的超细方解石颗粒，充分进行搅拌直至混合均匀。
[0020]
本发明目的之三为提供所述破碎性地层化学固壁剂在石油、天然气钻探中的应用。
[0021]
应用本发明所述破碎性地层化学固壁剂可提高深部破碎性地层井壁稳定性。
[0022]
本发明目的之四为提供一种破碎性地层化学固壁剂超前注入的施工方法，包括在揭开破碎带适合深度后，将所述化学固壁剂注入破碎性地层中，直至所述化学固壁剂凝固。
[0023]
本发明方法中，在化学固壁剂超前注入之前进行深部破碎性地层钻前预测，根据预测结果确定揭开破碎地层的适合深度，然后注入化学固壁剂。
[0024]
优选地，所述破碎性地层化学固壁剂超前注入的施工方法包括以下步骤：
[0025]
(1)在近钻头上部加入封隔器；
[0026]
(2)开展深部破碎性地层钻前预测；
[0027]
(3)揭开破碎带适合深度，超前注入所述化学固壁剂；
[0028]
(4)将化学固壁剂驱替进入地层；
[0029]
(5)候凝等待；
[0030]
(6)钻揭破碎带。
[0031]
本发明所述施工方法中，在进行所述步骤(1)之前，还可开展深部破碎性地层地质预测。
[0032]
根据本发明优选的实施方式，所述化学固壁剂超前注入的施工方法中，所述步骤各自可具体为：
[0033]
步骤(1’)中，深部破碎性地层地质预测：利用地震资料及邻井测井，预测钻揭地层破碎特征，分析地层裂缝发育特征，明确井壁失稳高风险层段；和/或，
[0034]
所述步骤(1)中，更换钻具组合：钻揭破碎性地层段前，在近钻头上部加入封隔器；和/或，
[0035]
所述步骤(2)中，深部破碎性地层钻前预测：综合利用录井岩屑及钻井参数变化，及时预测裂缝发育地层，评价地层井壁失稳风险，当井壁失稳风险较大时进行超前注入化学固壁剂作业；和/或，
[0036]
所述步骤(3)中，适当揭开破碎地层，现场配制一定体积的高比重化学固壁剂浆并快速向井筒内注入，计算好化学固壁剂浆液面高度，化学固壁剂浆注入后及时提出钻头至化学固壁剂浆10m～20m处；和/或，
[0037]
所述步骤(4)中，静置钻头，小循环钻井液15min～30min，随后打开封隔器，提高立
管压力直至井底压力达到超前注入工作压力要求，保证化学固壁剂侵入地层；和/或，
[0038]
所述步骤(5)中，待化学固壁剂浆完全侵入地层后泄压，关闭封隔器，上提钻头至井底以上50～100m，静置4h～16h等候化学固壁剂浆凝固；和/或，
[0039]
所述步骤(6)中，候凝结束后，下放钻头探塞，继续钻进。
[0040]
所述的封隔器包括但不限于多级投球封隔器、多级扩张式封隔器、多级滑套封隔器中的一种，可以多次重复打开及关闭，高温高压下性能稳定。
[0041]
所述的化学固壁剂还可包括但不限于高强度的水泥固结材料，稠化前在高温高压下具有良好的流动性，其固相粒度受到严格控制，固相粒度分布d90远小于地层裂缝宽度。
[0042]
与现有技术相比，本发明提供的超前注入化学固壁剂的深部破碎性井壁稳定方法具有以下优势：
[0043]
(1)通过在钻头上部加装封隔器，能够有效提高近钻头位置的液柱压力，为化学固壁剂持续侵入地层提供驱替压力，保证化学固壁剂侵入深度更深；
[0044]
(2)通过加入可以重复开关的封隔器，能够避免每次化学固结堵漏时起、下钻更换钻具组合，显著缩短施工时间；
[0045]
(3)超前注入化学固壁剂能够显著提高破碎性地层岩石力学强度，能够防止钻揭破碎性地层上部发生严重的井壁失稳现象，弱化井周应力变化程度，防止井壁失稳问题进一步加剧；
[0046]
(4)超前注入化学固壁剂能够显著提高破碎性地层岩石力学强度，减少了破碎性地层的强钻环节，显著降低卡钻、埋钻风险。
[0047]
本发明的有益效果为：
[0048]
(1)本发明提供的超前注入化学固壁剂、制备方法及施工方法，是在考虑如果采用常规的强钻后化学固结堵漏钻揭长段深部破碎性地层会浪费大量随钻堵漏浆、降低纯钻时效、增大卡钻及埋钻风险的实际情况，通过超前注入的非常规技术思路，形成在地层天然裂缝内具有适当侵入深度的化学固壁剂，力图在揭开尽量浅破碎性地层时及早通过注入化学固壁剂，能够显著提高破碎性地层岩石力学强度，大幅度降低破碎性地层井壁失稳风险。
[0049]
(2)超前注入化学固壁剂易于制备，固化时间可调，可以适度侵入裂缝地层，有效提高裂缝地层强度，施工流程清楚，施工时仅需在钻头上部添加封隔器，操作简单。
附图说明
[0050]
图1为本发明提供的超前注入化学固壁剂的井壁稳定方法施工过程中，钻揭破碎性地层前，钻头及附近地层裂缝发育情况示意图。
[0051]
图2为本发明提供的超前注入化学固壁剂的井壁稳定方法施工过程中，钻揭浅层破碎性地层时，钻头及附近地层裂缝发育情况示意图。
[0052]
图3为本发明提供的超前注入化学固壁剂的井壁稳定方法施工过程中，打开封隔器注入化学固壁剂时，钻头及附近地层裂缝发育情况示意图。
[0053]
图4为本发明提供的超前注入化学固壁剂的井壁稳定方法施工过程中，重新钻揭破碎性地层时，钻头及附近地层裂缝发育情况示意图。
[0054]
图1-图4标记说明：
[0055]
1.钻杆；2.封隔器；3.钻头；4.地层发育的天然裂缝；5.注入化学固壁剂后的地层
裂缝。
[0056]
图5为岩石单轴抗压强度变化情况。
具体实施方式
[0057]
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
[0058]
本发明具体实施方式中所用原料为市售所得。
[0059]
实施例1
[0060]
在1000g自来水中加入膨润土30g，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加入100g矿渣(矿渣粒径小于38μm)和30g水玻璃(模数为1.5，浓度为35be)，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加5g石膏，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加20g超细方解石颗粒(颗粒粒径小于25μm)，继续搅拌10分钟后即得到化学固壁剂a1。
[0061]
采用高压驱替装置和三轴岩石力学试验模拟化学固壁剂超前注入施工方法“打开封隔器，提高立管压力直至井底压力达到超前注入工作压力要求，保证化学固壁剂侵入地层”，即将化学固壁剂通过高压驱替装置注入直径2.54cm
×
长度5cm疏松砂岩中，所述疏松砂岩孔候直径主峰介于50～70μm，测量化学固壁剂的穿透岩样的时间和岩样单轴抗压强度变化，测试结果如表2和图5所示。
[0062]
实施例2
[0063]
在1000g自来水中加入膨润土40g，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加入175g矿渣(矿渣粒径小于38μm)和60g水玻璃(模数为1.5，浓度为35be)，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加10g石膏，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加60g超细方解石颗粒(颗粒粒径小于13μm)，继续搅拌10分钟后即得到化学固壁剂a2。
[0064]
采用高压驱替装置和三轴岩石力学试验模拟化学固壁剂超前注入施工方法“打开封隔器，提高立管压力直至井底压力达到超前注入工作压力要求，保证化学固壁剂侵入地层”，即将化学固壁剂通过高压驱替装置注入直径2.54cm
×
长度5cm疏松砂岩中，所述疏松砂岩孔候直径主峰介于50～70μm，测量化学固壁剂的穿透岩样的时间和岩样单轴抗压强度变化，测试结果如表2和图5所示。
[0065]
实施例3
[0066]
在1000g自来水中加入膨润土50g，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加入200g矿渣(矿渣粒径小于25μm)和50g水玻璃(模数为1.5，浓度为35be)，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加10g石膏，在搅拌速率为4000转/分钟的环境下搅拌10分钟后再加100g超细方解石颗粒(颗粒粒径小于13μm)，继续搅拌10分钟后即得到化学固壁剂a3。
[0067]
采用高压驱替装置和三轴岩石力学试验模拟化学固壁剂超前注入施工方法“打开封隔器，提高立管压力直至井底压力达到超前注入工作压力要求，保证化学固壁剂侵入地层”，即将化学固壁剂通过高压驱替装置注入直径2.54cm
×
长度5cm疏松砂岩中，所述疏松
砂岩孔候直径主峰介于50～70μm，测量化学固壁剂的穿透岩样的时间和岩样单轴抗压强度变化，测试结果如表2和图5所示。
[0068]
对比例1
[0069]
本对比例采用发明专利cn104045271a“一种用于油田或天然气开采的堵漏剂及其制备方法”的制备方法获得的化学固结堵漏剂。将0.2g总量份的羧基乙叉二膦酸放入自来水中，搅拌均匀；将5重量份的52.5型硅酸盐水泥、11重量份的粒度在50μm以下的细矿渣、1重量份的膨润土和1重量份的二水石膏放入搅拌机中搅拌均匀，加入自来水中；配制成密度为1.3g/cm3的溶液。
[0070]
采用高压驱替装置和三轴岩石力学试验模拟化学固壁剂超前注入施工方法“打开封隔器，提高立管压力直至井底压力达到超前注入工作压力要求，保证化学固壁剂侵入地层”，即将化学固壁剂通过高压驱替装置注入直径2.54cm
×
长度5cm疏松砂岩中，所述疏松砂岩孔候直径主峰介于50～70μm，测量化学固壁剂的穿透岩样的时间和岩样单轴抗压强度变化，测试结果如表2和图5所示。
[0071]
实施例4
[0072]
中国塔里木盆地典型超深井破碎性地层化学固壁剂超前注入施工方法，包括以下步骤：
[0073]
(1)基于tarim-1井地震信息，进行深部破碎性地层地质预测：利用地震资料及邻井测井，预测钻揭地层破碎特征，分析地层裂缝发育特征，明确井壁失稳高风险层段位于6500～6750m，地层裂缝宽度介于100～200μm；
[0074]
(2)钻至6490m，起钻更换钻具组合，即钻揭破碎性地层段前，在近钻头上部加入封封隔器；
[0075]
(3)钻揭破碎地层至6505m，根据地层裂缝宽度预测结果，现场配制50m3的化学固壁浆并快速向井筒内注入，化学固壁浆配方为：在1000kg自来水中加入膨润土50kg，在搅拌环境下再加入200kg矿渣(矿渣粒径小于25μm)和500kg水玻璃(模数为1.5，浓度为35be)，在搅拌环境下搅拌10分钟后再加10kg石膏，在搅拌环境下搅拌10分钟后再加100kg超细方解石颗粒(颗粒粒径小于13μm)，继续搅拌10分钟后即得到化学固壁剂。
[0076]
(4)计算好化学固壁浆液面高度为6450m，化学固壁浆注入后及时提出钻头至化学固壁浆顶端10m～20m处，即井深6440～6430m处；
[0077]
(5)静置钻头，小循环钻井液15min～30min，随后打开封隔器，提高立管压力直至井底压力达到超前注入工作压力要求，保证化学固壁剂侵入地层；
[0078]
(6)待化学固壁浆完全侵入地层后泄压，关闭封隔器，上提钻头至井底以上50～100m，即6300m左右处，静置4h～16h等候化学固壁浆凝固；
[0079]
(7)候凝结束后，下放钻头探塞，继续钻进，观察井壁掉块情况及井径扩大率情况。
[0080]
下面对实施例的产品性能及应用效果进行说明。
[0081]
(1)岩心穿透能力
[0082]
采用本实施例的上述的化学固壁剂，通过高压注入疏松砂岩中，通过肉眼观察发现，3mpa～7mpa驱替压力下维持5～20min，化学固壁剂便可以穿透岩样。由表2可知，随矿渣粒径和超细方解石颗粒粒径的减小，化学固壁剂穿透岩样的时间越短。由此可知，本发明的化学固壁剂具有较好的地层天然裂缝侵入能力，是一种可以大范围提高破碎性地层井壁稳
定的技术方法。
[0083]
表2岩心穿透能力评价结果
[0084][0085]
(2)提高岩石单轴抗压强度
[0086]
采用本实施例的上述的化学固壁剂，通过高压注入疏松砂岩中，待工作液完全侵入岩心后，取出岩心进行单轴抗压强度测试。由图5可知，相对原始状态的疏松砂岩，注入对比例1的常规化学固结剂的岩样单轴抗压强度提高程度不超过10％，注入本发明化学固壁剂的岩样单轴抗压强度提高幅度不低于50％。由此可知，本发明的化学固壁剂具有较好的岩石强度提高能力，是一种可以大范围提高破碎性地层强度，降低井壁失稳风险的技术方法。
[0087]
(3)有效维持井壁稳定、减小井径扩大率
[0088]
使用破碎性地层化学固壁剂及其制备方法和超前注入施工方法后，tarim-1井6500～6750m破碎带地层井壁稳定性好，钻井过程中无明显掉块，钻揭完成后成像测井结果显示井径扩大率仅为10％，明显好于邻井破碎性地层井径扩大率。
[0089]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。