钻井中封堵漏层和水层的理论研究及新型堵剂的研制

论文摘要

井筒中的漏失和地层出水是油气井工程中典型的复杂情况,严重影响着安全优质的钻完井设计和施工,要解决这些问题就必须在理论上寻求新的方法进行深入研究,同时研制新型的堵剂,形成新的技术。针对井漏这一钻井液侵入地层的极端形式,以达西定律为依据,结合流体力学动量守恒定律,在对抑制钻井液侵入地层机理分析的基础上,建立了一维、二维钻井液侵入地层模型;并结合井漏的力学分析,建立了堵漏模型。从模型中可以得出:降低地层渗透率和孔隙度,并最终在井壁上形成致密的泥饼是堵漏作业成功的关键;颗粒类堵漏材料密度和体积太大会冲击地层,不利于堵漏作业;符合颗粒级配原理的颗粒类材料在堵漏中会起到较好的效果;在微裂缝中形成渗透率非常低的隔层是阻止裂缝扩展,成功封堵该类漏层的关键;触变性水泥浆为孔洞缝存在的恶性漏失层的封堵提供了有效手段;油溶性水泥浆为储层漏失的封堵提供了有效手段。在对地层出水原因进行分析的基础上,结合流体动力学理论建立了地层出水模型;并结合对地层阻力的分析,建立了地层堵水模型。物模实验研究结果进一步表明:堵水剂进入水层的距离越远,堵水剂最终的粘度越大,地层与堵水剂之间的最大阻力也会越大,也就越有利于对水层的封堵;初始粘度较低,成胶后粘度较大的冻胶材料可以作为有效的堵水剂。在分析常规聚合物冻胶机理和缺陷的基础上,结合交联反应基本原理,研制出了成胶强度更大、成胶时间较短且可控的新型堵剂,并利用红外分析对其机理进行了验证。针对冻胶类堵剂力学性能评价设备方面的不足,设计并建立了冻胶力学性能评价装置。大量的实验研究结果表明:新型堵剂具有较好的耐高温、耐酸碱、耐高矿化度特性;与常规聚合物冻胶相比,新型堵剂具有良好的直角稠化特性,稠度可以超过100Bc,在成胶过程中,静液柱压力基本不变,而且成胶时间相对较短、可控;该堵剂与管壁剪切力梯度非常低,因此即使在钻杆中已经成胶,也容易被压出来,从而可以避免造成井下事故;随着温度的升高,该堵剂的阻压系数逐渐增大,有利于在地层中起到良好的封隔作用;该堵剂可以在裂缝中承受较大的压力,可以用来配合触变性水泥浆对恶性漏失层进行封堵;其堵水能力高于堵油能力,可以用作储层漏失的堵漏剂;该冻胶具有良好的抑制性,可有效地防止页岩膨胀。综合研究表明:新型堵剂具备了良好的堵漏剂和堵水剂性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 国内冻胶堵剂研究现状
• 1.2.2 国外冻胶堵剂研究现状
• 1.2.3 选择性调剖堵水剂的研究现状
• 1.2.4 暂堵剂的研究现状
• 1.2.5 堵漏机理的研究现状
• 1.2.6 国内外研究不足
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 第2章 抑制钻井液侵入地层模型研究
• 2.1 井下压力平衡破坏分析
• 2.1.1 井壁周围介质力学及结构分析
• 2.1.2 井下压力平衡状态方程
• 2.1.3 井下压力平衡破坏分析
• 2.2 地层阻力计算模型建立
• 2.2.1 地层对流体流动产生的阻力分析
• 2.2.2 地层阻力计算模型
• 2.2.3 地层最大流动阻力计算
• 2.3 钻井液侵入地层模型建立
• 2.3.1 钻井液侵入地层的物理模型
• 2.3.2 钻井液侵入距离计算模型
• 2.3.3 影响钻井液侵入地层的因素分析
• 2.4 钻井液侵入地层的物模实验
• 2.4.1 实验原理及方法
• 2.4.2 实验装置介绍
• 2.4.3 数据处理分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 钻井中封堵漏层模型研究
• 3.1 钻井中井漏模型建立
• 3.1.1 井漏的力学本质分析
• 3.1.2 井漏模型的建立
• 3.1.3 算例分析
• 3.1.4 模型修正
• 3.1.5 影响堵漏的关键因素分析
• 3.2 钻井中封堵漏层模型建立
• 3.2.1 井筒内堵漏材料能量计算模型
• 3.2.2 堵漏材料进入漏层起作用分析
• 3.2.3 堵漏材料降低漏层渗透率分析
• 3.3 特殊漏层封堵模型分析
• 3.3.1 微裂缝发育漏层封堵模型
• 3.3.2 孔洞、裂缝发育漏层封堵模型
• 3.3.3 漏储同层的漏层封堵模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 钻井中封堵水层模型研究
• 4.1 钻井中地层出水模型建立
• 4.1.1 钻井中地层出水原因分析
• 4.1.2 钻井中地层出水模型
• 4.1.3 影响地层出水的因素分析
• 4.2 钻井中堵水模型建立
• 4.2.1 钻井中封堵水层分析
• 4.2.2 钻井中堵水模型
• 4.2.3 钻井中堵水材料的优选原则分析
• 4.3 钻井堵水物模实验
• 4.3.1 地层出水物模实验
• 4.3.2 封堵水层物模实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 新型堵剂的研制
• 5.1 新型堵剂的结构设计
• 5.1.1 常用冻胶堵剂的成胶机理分析
• 5.1.2 新型堵剂的结构设计
• 5.2 新型堵剂配方研究
• 5.2.1 冻胶堵剂实验方法
• 5.2.2 正交实验研究
• 5.2.3 单因素实验研究
• 5.2.4 特定成胶时间配方
• 5.2.5 新型堵剂与常规冻胶堵剂强度对比实验
• 5.3 新型堵剂成胶机理实验研究
• 5.3.1 红外分析实验原理和方法
• 5.3.2 实验设备
• 5.3.3 实验结果分析
• 5.4 改善新型堵剂强度研究
• 5.4.1 增强材料优选实验研究
• 5.4.2 PAM纤维提高冻胶强度研究
• 5.4.3 C纤维提高冻胶强度研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 新型堵剂性能的实验研究
• 6.1 冻胶力学性能评价装置研究
• 6.1.1 装置的设计
• 6.1.2 装置的标定
• 6.1.3 装置的使用方法
• 6.2 新型堵剂适应性评价
• 6.2.1 新型堵剂耐高温特性研究
• 6.2.2 新型堵剂耐酸碱特性研究
• 6.2.3 新型堵剂耐高矿化度特性研究
• 6.3 新型堵剂力学性能评价
• 6.3.1 新型堵剂胶结强度研究
• 6.3.2 新型堵剂阻压特性研究
• 6.4 新型堵剂浆体性能评价
• 6.4.1 新型堵剂稠度发展研究
• 6.4.2 新型堵剂静液柱压力发展研究
• 6.5 新型堵剂封堵性能评价
• 6.5.1 封堵裂缝实验
• 6.5.2 封堵油层实验
• 6.5.3 封堵不同渗透率的出水层实验
• 6.6 新型堵剂防塌性能评价
• 6.6.1 页岩膨胀抑制实验
• 6.6.2 页岩分散抑制实验
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介