（油气井工程专业论文）超低渗透钻井液实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d y o f u l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i d l i uk e ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i u z h e n g - s o n g a b s t r a e t u l t r a l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i ds y s t e mi san e wt e c h n o l o g y w i t hm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e su s i n gp a r t i c u l a rm e c h a n i s mo f s u r f a c e c h e m i s t r y t h es y s t e m c a n p r e v e n t l o s t c i r c u l a t i o n ， b o r e h o l ec o l l a p s e ，d i f f e r e n t i a lp i p es t i c k i n ga n df o r m a t i o nd a m a g e ， u s i n gs i m p l y , e n v i r o n m e n tf r i e n d l y g i v e nt h ea d v a n t a g e s o f u l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i ds y s t e m ，k e e p i n gi ns t e pw i t ht h e l a t e s tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，w ed e v e l o pl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t r e s e a r c ho fu l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i ds y s t e m a t i c a l l y o nt h eb a s i so fl i t e r a t u r ei n v e s t i g a t i o n ，w er e s e a r c he v a l u a t i o n m e t h o d so fu l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i da n de s t a b l i s hf o u rt e s t m e t h o d sf o ru l t r a l o wi n v a s i v ed r i l l i n g f l u i d a c c o r d i n gt ot h e m e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i co fu l t r a l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i d ，w e d e v e l o pu l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i da g e n t sa n dc o m p a r ew i t h s i m i l a rp r o d u c t sa th o m ea n da b r o a d t h em a i np e r f o r m a n c e so f n e wa g e n ta r eb e t t e rt h a nt h a to fs i m i l a r p r o d u c t s b y p h o t o m i c r o s c o p e ，g r a n u l a r i t y & e l e c t r i c a lp o t e n t i a ld e v i c e ， s p e c t r o p h o t o m e t e ra n do t h e re x p e r i m e n t a lt o o l s ，w ee x p l o r et h e a c t i o nm e c h a n i s mo fu l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i d i tc a nf o r m s p h e r em i c e l l e s ，w h e nb e c o m i n gp a r t i c u l a rc o n c e n t r a t i o n ，i tc a n 1 1 1 f o r mt i g h tm i c e l l em e m b r a n e i tc a np r e v e n tl o s s ，c o l l a p s ea n d f o r m a t i o nd a m a g ea n dt h ec o m p a t i b i l i t yi s g o o d t h er e s e a r c h r e s u l t ss e t t l ec o n s i s t e n tb a s eo fc a r r y i n go nt h ef i e l dt e s tf u r t h e r a n dp r e s e n ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：u l t r a - l o wi n v a s i v ed r i l l i n gf l u i d ，a g e n t sd e v e l o p ， a c t i o nm e c h a n i s m ，e v a l u a t i o nm e t h o d s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名： 矽d ，年，月坫日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名； 导师签名： 翻鞑泸6 年少月冶目 尊，挥厂月猡日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 超低渗透钻井液体系是一种主要利用独特界面化学封闭作 用机理，实现了集多种优良性能于一体的钻井液前沿性新技术。 与以往钻井液体系相比，该体系具有关键处理剂作用机理独特、 防漏、防塌和防卡以及保护油气层性能优越、环境友好，且地 层适应性较广泛的显著特点。 众所周知，当前随着油气勘探开发领域的不断扩展，钻井 过程中遇到的地层越来越复杂，如压力衰竭地层、裂缝发育地 层、破碎或弱胶结性地层、低渗储层以及深井长裸眼大段复杂 泥页岩和多套压力层系等地层。在这些地层中，钻井过程中压 差卡钻、钻井液漏失和( 或) 井壁垮塌等复杂问题以及地层损 害问题仍然较突出。长期研究表明，利用传统钻井液体系，往 往顾此失彼，难以同时解决以上复杂问题。为此，近年来国外 学者首先提出并开发出超低渗透钻井液新体系。该技术适应于 高密度、高温高压条件下的水基、油基和合成基钻井液体系， 使用维护简单，环境友好。 超低渗透钻井液主要工作原理特点为；利用特殊聚合物处 理剂，在井壁岩石表面浓集形成胶束，依靠聚合物胶束或胶粒 界面吸力及其可变形性，或与其它封堵剂协同配合，能自适应 封堵岩石表面较大范围的孔喉，在井壁岩石表面形成致密超低 渗透封堵薄层( 简称封闭层膜) ，有效封堵渗透性地层和微裂 缝泥页岩地层。因此，超低渗透钻井液能较好地解决以下技术 难题： 1 ) 超低渗透钻井液同一配方，能相对有效封堵不同渗透性 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 地层，即具有自适应防漏和保护储层效果。然而。传统钻井液 中固体颗粒桥堵作用效果却主要取决于颗粒分布与地层孔喉大 小匹配吻合度，地层适应范围较窄 2 ) 超低渗透钻井液封闭层形成速度快，且位于岩石表面上， 没有渗入岩石深处，所以只要消除过平衡压力，封闭层的作用 就将削弱，只要有反向流动，封闭层易被清除。因此，在完井 和生产过程中，封闭层易于清除，不易产生永久堵塞，损害储 层。 3 ) 超低渗透钻井液封闭层承压能力较强，能提高漏失压力 和破裂压力梯度，相当于扩大了安全密度窗口，能较好协同解 决以往钻长裸眼多套压力层系或压力衰竭地层时易发生的漏 失、卡钻、坍塌和油层损害等共存技术难题。 4 ) 不同于常规钻井液的泥饼，超低渗透钻井液井壁表面封 闭层很薄，且阻隔压力传递能力强，因此，能有效避免泥饼压 差卡钻。 鉴于超低渗透钻井液体系以上优点，需要紧跟国际最新技 术发展动态，开展超低渗透钻井液体系应用基础研究。本文在 查阅国内外大量资料的基础上，探索性地进行了超低渗透钻井 液室内研究工作。首先，进行了超低渗透钻井液实验评价方法 探讨；而后，根据超低渗透钻井液特点，研选超低渗透钻井液 处理剂，并与国内外同类产品进行了对比；最后。借助照相显 微镜、z e t a s i z e r 3 0 0 0 型粒度，电位仅和7 2 2 型光栅分光光度计 等实验手段，对超低渗透钻井液作用机理进行了初步实验探索。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 第2 章超低渗透钻井液研究现状 2 1 超低渗透钻井液的性能及特点“引 ( 1 ) 独特的表面化学作用原理 超低渗透钻井液利用独特的表面化学原理，在渗入到井壁 岩石表面微裂缝或孔喉处时，能够迅速吸附，在固液界面发生 缔合，形成双分子层，并以这种方式向空间纵深延展，形成很 薄的封闭膜，阻缓滤液侵入。 ( 2 ) 渗透率恢复值高 酸溶测试结果表明，超低渗透钻井液形成的滤饼有 9 8 一9 9 可以被清除掉，在压力反转的情况下可自动脱落；岩 心渗透率恢复值大于9 0 ，有利于保护油气层，提高产能。 ( 3 ) 有利于环境保护 国外超低渗透钻井液所有产品都通过了美国环保署的l c 5 0 测试，其毒性数据大于1 0 0 0 0 0 0 m g l ；在北海也通过了环保鉴定。 在环境保护要求高的地区，该钻井液可以代替油基钻井液使用。 ( 4 ) 超低渗透钻井液属宾汉塑性流体，较抗温、抗盐，体 系组分较简单，施工方便，易于维护，显示出使用周期长、降 低综合成本的优势。 ( 5 ) 超低渗透钻井液胶束能快速在( 或非常接近) 裸露的 岩石表面形成低渗透率的封闭层，阻缓压力传递和滤液侵入能 力较强，可提高地层的承压能力，有利于井眼稳定。 ( 6 ) 防止压差卡钻【3 t 4 ，5 ，6 】 在世界各个地区，压差卡钻( d s p ) 的发生都很普遍，成为 油井费用升高的主要原因之一。在一些地区，由于压差卡钻造 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 成的损失占了油井总成本的4 0 。当钻进一些压力衰竭油藏时， 压差卡钻的风险性更大。 新型超低渗透钻井液具有防止压差卡钻的能力，它通过两 种方式防止压差卡钻。第一，快速形成一个渗透率很低的封闭 层，减少了井筒压力对地层的压持影响；第二，因为有一个渗 透率很低的封闭薄层，泥饼厚度增加的速度没有传统钻井液快。 所以当使用超低渗透钻井液时，压差卡钻的风险可大大降低。 ( 7 ) 防止钻井液漏失1 4 , 7 , 8 , 9 】 复杂地层经常遇到井涌，并漏，往往使钻进不能进行。当井 底压力接近裸眼段最小漏失压力时，常会面临高额费用和井控 困难的局面。新型超低渗透钻井液能够提高地层漏失承压能力， 有效防止钻并液漏失。 超低渗透钻井液能够防止严重漏失，提高破裂压力梯度的 两个机理是： 并壁上( 或附近) 渗透率很低的封闭层使孔隙流体与井 筒流体分离。因为钻井液几乎不渗入地层，井壁圃岩地层孔隙 压力不会像传统钻井液那样升高很多，有效应力没有因此而显 著降低，井壁上不易产生裂缝【1 0 , 1 1 | 。 如果弱胶结地层上产生裂缝，超低渗透钻井液中的胶束 会在裂缝中形成封闭层，产生堵塞。因此，即使产生裂缝，它 的传播将会变慢或停止，这将防止或减少严重的钻井液漏失【1 孙。 ( 8 ) 提高固井作业质量 1 3 a 4 a $ 1 由于在固井过程中遇到严重漏失，国外探索把超低渗透钻 井液用作固井隔离液，看它是否可以强化薄弱的地层，并在多 口井上进行了试验，效果良好。这种新型隔离液被称为超低渗 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 透隔离液( n i s ) 。 2 2 超低渗透钻井液评价实验方法 超低渗透钻井液利用独特的表面化学封闭原理，在渗入到井 壁岩石表面微裂缝或孔喉处时，形成很薄的封闭膜，防止滤液 侵入。而传统方法用滤纸作为滤失介质，不能模拟真实的地层 情况，无法评价超低渗透钻井液的性质。人们开始改进原有的 实验方法和仪器进行其性能评价，随着研究的深入，逐步建立 和完善了与之相适用的实验评价方法，下面将介绍超低渗透钻 井液的主要评价方法。 2 2 1 注射器简易测试法”盯 较为直观的用砂子作渗滤介质的演示实验方法为注射器测 试法。在注射器中放入一定体积的具有一定粒径分布的石英砂 子，倒入试验液，然后推进活塞直到实验人员难以推动或活塞 碰到砂层面，观察钻井液的渗滤情况。该实验可以快速、方便 的观察钻井液的渗滤情况，如果滤液侵入量很少，流体不能从 注射器流出，并且可以测定出侵入深度。这种方法虽然简单易 行，但只能做定性评价。另外，在实验过程中发现，选用注射 器的大小以及使用砂量的多少、砂样粒度等都需要进一步有针 对性地进行探索。 2 2 2a p i 滤失仪( 砂床) 测试法“”1 常规a p i 滤失实验用滤纸作为渗滤介质，而滤纸不能完全 代表井壁表面及地层缝隙情况。近年来国外学者首先提出采用 砂子作模拟渗滤介质，以模拟并下储层( 地层) 情况。国外研 究者针对测试评价方法，开展了大量的实验工作，包括：砂子 的用量，如何平整砂子表面，如何防止砂层被流体破坏，阀门 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 的开启速率，砂子粒度大小等。推荐了一些接近a p i 滤失测试 法的砂床滤失实验评价方法。不同研究者推荐的评价方法的主 要实验步骤是一致的：组装一个不装滤纸的标准a p i 压滤杯； 称取一定质量具有一定粒径的砂子倒入压滤杯中；摇动压 滤杯直到砂面平整规则；倒入一定体积的待测试液；将压 滤杯放在支架上并盖紧杯盖：在压滤杯下放一个带有刻度的 量筒；打开气阀给流体施加0 7 m p a 的压力；流体在砂层中 滤失3 0 m i n ；3 0 m i n 后关闭气源卸掉压力；读出并记录量筒 中滤液的体积；如果3 0 m i n 内有气体排出，记下开始排出的时 间并停止实验，这种情况记为“3 0 m i n 内全部滤失”。 使用不同尺寸和质量的砂子作渗滤介质，得到的实验结果 也不同。推荐砂子的使用粒径主要有：0 4 5 - - 0 9 0 m m 、 0 6 6 一o 9 0 m m 、0 4 5 一o 6 6 m m 、0 1 8 一o 2 8 m m 、0 1 5 4 一o 1 8 m m 等，推荐砂子的用量有2 0 0 9 、3 0 0 9 等。用不同粒径和不同质量 的砂子进行实验，结果表明，砂子粒径越小、质量越大，则滤 失量越小。如何根据地层渗透率、孔隙度等参数，确定实验中 砂子的大小和质量有待于深入探讨。 2 2 3 可视式中压砂床滤失仪测试法”“” 用砂床替代滤纸的常规a p i 滤失实验，对滤液在砂床中的渗 透速度及渗滤程度的评价不够清晰直观，如果滤液侵入量很少， 没有流体流出，就无法测定侵入深度，也就无法进一步评价对 比钻井液的渗滤性能。为此，国外学者首先采用透明的有机玻 璃筒代替a p i 滤失实验的测试杯，可以在实验过程中清晰地观 察到滤液的渗滤情况。 但是，实验砂床所用的砂子的粒径与质量应根据实验要求 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 或模拟地层情况进行调整，并需进一步标准化可视式中压砂床 滤失仪测试方法。 2 2 4 高温高压砂层滤失量测试方法 如果要更好的模拟井下情况，就需要进行高温高压砂层滤 失实验。压力和温度较高时，需要使用钢容器。钢容器的主要 缺点是无法观察到侵入过程。最好的解决办法是，先用透明容 器做o 7 m p a 压力下的实验，观察流体的侵入状态，然后再利用 高温高压滤失仪进行高温高压砂层滤失实验。 2 3 超低渗透钻井液主要组成与作用机理“8 ”2 0 。2 国外超低渗透钻井液技术发展起步较早，体系比较完善， 主要包括以下几种处理剂： ( 1 ) d w c 2 0 0 0 ，一种增粘剂，为一袋化产品，可以直接加 入到水、油中，配合加重材料配制超低渗透水基、油基钻井液。 主要由溶解性高的，部分溶解的和不溶解的天然与合成聚合物 配制而成。 ( 2 ) f l c 2 0 0 0 ，一种动态降滤失剂，由具有不同溶解度的 同系聚合物配制而成：从水溶性到油溶性，从可溶性到不溶性。 它不受井内的污染物影响，可用于水或油基钻井液。 ( 3 ) k f a 2 0 0 0 ，一种润滑剂，对环境无害。 ( 4 ) l c p 2 0 0 0 ，它是当遇到严重漏失时用到的一种材料。 由混合聚合物、经过处理的薄片、纤维和颗粒材料组成，其中 薄片粒径为o 1 5 - 4 0 0 m m ，纤维长度为o 2 1 3 r a m ，材料细度低 至0 0 3 m m 。该产品在水基和油基钻井液中均可使用。 超低渗透钻井液体系最终的p h 值应该在l o 左右，需要一 定的矿化度来抑制页岩，还需要加重材料，例如重晶石或赤铁 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 矿。使用一种有效的杀菌剂可防止过早的生物降解。 当把它们加入水基钻井液中时，混合物中的一些聚合物溶 解，与许多传统添加剂类似，用来控制滤失。由于亲油特性， 其他一些聚合物部分溶解；这些聚合物形成可变形的聚集体或 胶束( 胶束是溶液中分子的集合，它们聚集在一起形成微小的 球、棒和层状) 。当被过平衡压力驱动时，钻井液开始侵入渗透 性岩石，这些胶束在孔喉和微裂缝处快速形成渗透率很低的封 闭层，只有少量的滤液侵入 粒度分析表明，这种胶束的直径分布为从几微米到1 0 0 0 微 米( d s o 大约是6 0 微米，d l o 是9 微米，d 9 0 是3 4 0 微米) 。这种 材料靠快速形成渗透率很低的封闭层( 含有大量胶束) 来很好 的控制侵入。可以大大减少固体颗粒或流体的进一步侵入。封 闭层内的胶束是可变形的，如果压力增大，它们就被压缩，进 一步降低了封闭层的渗透率。 这种胶束产生像逆乳化油基钻井液中的小水珠那样的作 用，可以集中在滤饼上，对控制侵入起主要作用。胶束的主要 优点在于易变形，尺寸范围更宽，因而是更好的封堵剂，能在 更宽的孔喉尺寸和渗透率范围内起作用。 由于超低渗透钻井液处理剂具有油溶和水溶性，其在油基 或合成基钻井液中的作用与在水基钻井液中的作用相同，只是 在烃类流体中油溶性成分溶解不形成胶束，而水溶性成分形成 胶束。由于能形成低渗透性封闭层，这种添加剂具有防止易碎 地层压力传递及破裂的能力，有效的提高了破裂压力梯度，拓 宽了安全钻井密度窗口范围，不仅适用于微裂缝地层钻井，而 且改善了枯竭带、疏松砂岩等地层的钻井性能，具有很大的潜 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 力。 超低渗透钻井液处理剂形成的封闭层的清除非常简单。因 为胶束只有在高于聚合物i 豳界浓度条件下存在，因而当与洗井 液或完井盐水以及采油过程中的储层流体接触时，屏蔽层易于 分散，被井内流体清除。同时值得注意的是，在油井钻完和下 套管前，当聚合物浓度低于l 晦界值时，微裂缝上已形成的有效 封闭层将遭到破坏并且稳定作用会消失。因此，这种钻井液体 系维护的原则是：在整个存在微裂缝的井段，要保持添加剂的 有效浓度不降低。有效的浓度范围是8 5 6 - 2 2 8 2 k g m 3 。这个范 围的最佳值取决于钻井液的基本性质和所钻地层的渗透率。 2 4 室内实验研究基本情况 2 4 1 超低渗透钻井液与传统钻井液对比实验n “1 传统方法是利用钻井液中的颗粒来桥堵孔喉( 桥堵或屏蔽 暂堵) ，常用的颗粒材料是碳酸钙和盐类。桥堵方法要求颗粒侵 入岩石来桥堵孔喉并且避免进一步的渗透。这要求钻井液中颗 粒尺寸的分布与地层孔隙大小匹配。如果尺寸不匹配，就不能 起到有效的桥堵作用，钻井液将侵入岩石深处。 由于井筒内外的摩擦，即使钻井液循环作用，颗粒的大小 也将一直变化。颗粒大小受影响的快慢取决于其硬度例如碳 酸钙，当钻进一段时间后，它的原始尺寸将受到很大影响。 桥堵法封堵渗透层的两个主要缺点如下：一是很难准确确 定将钻遇岩层真实的孔隙大小分布；二是岩层是各向异性的。 因此，随着钻井的进行，最初的钻井液已不能继续较好地封堵 裸露的岩层。 而超低渗透钻井液不存在这些问题，封堵效果好，维护较 o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 简单。 图2 一l 是取自现场的钻井液与超低渗透钻井液样品在高压 和1 9 0 1 ：下进行砂床滤失实验的结果。尽管新配制的钻井液能封 堵所选砂层，但是在钻进1 2 小时后封堵性完全丧失( 滤液是在 不到2 0 秒的时间里收集到的) 。从图2 1 上的数据可见，在钻井 液样品中加入1 1 4 k g m 3 的f l c 2 0 0 0 ，则测得的滤失量最低这 些实验的测试压力为6 9 m p a 。完整超低渗透钻井液体系的滤失 量为零，胜过其他所有样品。 图2 1 超低渗透钻井液与传统钻井液砂床滤失对比实验结果 卜新配制的钻井液，2 一循环1 2 小时后的钻井液，3 一循环2 2 小时后 的钻井液，4 - 3 中加入f l c 2 0 0 0 ，5 - 完整超低渗透钻井液体系 到目前为止测试了多种不同流体( 乙二酵、凝胶膨润士、 k c i p h p a 等) ，大多数流体对砂层没有封堵能力。只有在固相 含量高、颗粒尺寸分布合适时，才有封堵性。而且新配流体与 己使用老化的流体有很大差别。流体循环后，最初的颗粒尺寸 分布状态可在很短的时间内完全改变，见图2 1 所示。 2 4 2 可视式中压砂床滤失实验。 在砂床滤失仪的圆柱筒中加入3 5 0 e m 3 一定粒径经清水洗净 后烘干的砂子，压实铺平，慢慢加入5 0 0 m l 钻井液，加压至 t o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 o 7 m p a ，实验3 0 m i n ，在实验过程中，通过容器壁可以很容易地 观察滤液的侵入情况，考察侵入深度随时间的变化情况。 ( a )( b ) 图2 - 2 可视式中压砂床滤失实验 图2 2 表明超低渗透钻井液可以大大减少钻井液侵入深度。a 图表示一种油基钻井液侵入砂层很深。b 图是同样的钻井液，但 加入了1 4 2 t k g m 3 超低渗透处理剂。 图2 3 的三种砂层模拟了深水表层的地层。可以看出，三种 情况下都实现了砂层的封堵，并且侵入砂层的深度各不相同。 总之，相同组成的超低渗透钻井液可以对不同渗透性的不同 粒级砂子的孔喉进行封堵，其适应能力优于需要通过不同碳酸 钙粒度分布有效桥堵的钻井液。 图2 - 3 超低渗透钻井液在不同砂床上的滤失实验 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 2 4 3 高温高压砂层滤失实验幢钉 用高温高压滤失仪，不加滤纸，直接加入2 0 0 9 粒径为 0 4 5 0 9 m m 的经洗狰烘干的砂子，加入3 0 0 m l 钻井液，按常规 高温高压滤失实验的步骤进行实验，可以看出高温高压砂层滤 失量不是时间平方根的函数，与高温高压滤失量没有对应关系。 表2 - 1 高温高压滤失量与高温高压砂层滤失量实验结果 配方a v ( m p a s )y p ( p a )f l m p ( m l )f lp _ ( m l ) 基浆1 9 08 52 6 0全失 基浆+ i f l c 2 0 0 0 2 0 59 o2 8 8全失 井浆 2 6 o1 0 02 5 6全失 井浆+ 1 f l c 2 0 0 0 1 8 57 52 5 65 2 2 4 4 渗透率恢复实验1 使用不同渗透率的岩心做渗透率恢复实验，图2 - 4 的岩心 取自南美的一口井，在膨润土水基钻井液中加入2 2 。8 2 k g m 3 的 超低渗透处理剂，渗透率恢复值达到9 3 。图2 - 5 是在无固相水 基钻井液中加入1 7 1 2 k g m 的超低渗透处理剂，渗透率恢复值 为9 5 。 篮 踟 星姗 倚 生l 啪 渤驹 谖复痿遴牮 ，鞫 l o 卜- - - 艚柏拍8 0 1 1 0 趵 连入黼c e l ) 图2 - 4 添加超低渗透处理剂的膨润土水基钻井液渗透率恢复实验 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 i 1 j j 一。一 l iii i 熙始缍谖琶3 宅售i 谬筮毒遵翠 3 6 1 l 往 # 貌乩 图2 - 5 添加超低渗透处理剂的无固相水基钻井液渗透率恢复实验 2 5 超低渗透钻井液现场应用典型实例”2 町 在世界各地，超低渗透钻井液已经作为完整的体系，同时 也作为现有油基或水基钻井液的辅助添加剂在各种场合下得到 使用。应用涉及到用超低渗透钻井液补救完全漏失和部分渗漏 的井。 ( 1 ) 在2 0 0 1 年前，美国在远东地区的两个井区内使用传 统钻井液钻井，二年钻井液的漏失量分别达到3 4 5 2 1 和1 5 5 5 4 l m 。2 0 0 1 年底以后，使用超低渗透钻井液完井液，钻井液的损 失仅为2 2 7 6 和7 9 6 6 l m ，由此节省的非生产时间也是可观的。 ( 2 ) 2 0 0 2 年底，在远东地区的一口油井中，钻井液渗进储 层页岩的裂缝中，泵入含1 9 1 1 5 k g m 3 l c p 2 0 0 0 的钻井液6 3 6 m 3 ， 浸泡1 h 后，漏失停止；3 h 后，井压达到6 8 9 5 m p a ，没有发生 漏失。 ( 3 ) 在南美沿安第斯山脉，阿根廷北部以北一直到哥伦比 亚地区的地质构造强度非常大，页岩很硬，页岩层间包裹砂石， 使用油基钻井液钻井，常常发生渗漏。有时使用1 5 种防漏失剂 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章超低渗透钻井液研究现状 控制漏失，但效果甚微，卡钻事故经常发生。使用超低渗透钻 井液完井液，确保了井壁的稳定性。 ( 4 ) 在孟买深海，碳酸盐段有断层，在7 口井的钻井过程 中发生的大量钻井液漏失，用d o b c 平均2 7 h 堵住漏失，而用 超低渗透钻井液只用了6 h ，油井比预期的产能高出了5 8 0 。 尽管超低渗透钻井液在国外应用成功地解决了裂缝地层的 井壁稳定问题、复杂压力层系井的井漏和压差卡钻等问题，但 在国内应用和研究起始于2 0 0 4 年，2 0 0 4 年首次在胜利油田盐 1 0 0 1 并、商9 5 2 井，盐1 0 0 斜2 井进行了现场试验，取得了较 好的效果。盐1 0 0 1 井的井径比使用常规钻井液的盐1 0 0 井的井 径要规则得多。商8 5 2 井使用超低渗透钻井液体系，全井未发 生一次井漏，而使用常规钻井液体系的邻井商8 5 0 、商8 5 1 井均 发生不同程度的井漏。超低渗透钻井液的良好性能保证了商8 5 2 井的顺利完钻，全井无任何复杂事故，完钻电测结果显示，该 井井壁稳定，井径规则，井径扩大率低，在电测结束后直接进 行井壁取心，束发生复杂事故。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 由于传统方法无法合理评价超低渗透钻井液的特性，超低 渗透钻井液评价实验方法研究是首要的基础问题。在国内外调 研的基础上，本文探讨了可用于评价超低渗透钻井液特性的实 验方法主要有4 种：即可视中压砂床滤失仪测试法、高温高压 砂层滤失量测试方法、多功能岩心流动实验仪测试法以及压力 传递实验法等。 3 1 可视中压砂床滤失仪测试法 此方法是在a p i 滤失量测试法基础上建立起来的，到目前 为止发展比较成熟，是评价超低渗透钻井液性质最常用、最主 要的方法之一。这种方法采用有机玻璃筒作为可透视的钻井液 杯，可以在实验过程中清晰地观察到滤液的渗滤过程。超低渗 透处理剂的研制评价将以此方法为基础进行。仪器见图3 1 所 示。 图3 - 1 可视中压砂床滤失仪简图 3 1 1 可视中压砂床滤失仪基本设计 3 1 1 1 组成与技术参数 借鉴国外设计经验，定做并改进了可视中压砂床滤失仪， 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 该滤失仪由钻井液杯组件、减压阀组件和支架等组成。它的主 要技术参数见表3 1 。 表3 一i 可视中压砂床滤失仪主要技术参数 序号名称技术参数 1有效滤失面积1 8 c m 2 2 工作压力 0 7 m p a 3标准滤砂注入量3 5 0 c m 3 4标准钻井液注入量5 0 0 c m 3 5外形尺寸4 0 0 x 2 5 0 x 1l o o m m 3 1 1 2 预防砂层被流体破坏措施 当倒入流体后，砂层必须保持平整规则，否则，实验结果 将产生很大误差。为此，本文专门设计了减小流体冲击的缓冲 器( 图3 2 ) ，a 图是缓冲器上部便于倾倒钻井液的漏斗，b 图是 下部缓冲设计结构。实验时，把缓冲器放入钻井液杯，然后倒 入钻井液，由于缓冲器的特殊设计，即使流速很快，也不会对 砂层产生干扰 ( a )( b ) 图3 - 2 缓冲器实物照片 3 1 1 3 砂子的粒度选择 砂子粒度大小范围必须很窄，否则，实验结果没有可重复 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 性。当然粒径越小，滤失量或侵入深度就越小。具体粒径大小 可根据实验要求确定。 3 1 2 仪器安装操作步骤 ( 1 ) 要确保钻井液杯各部件，尤其是滤网清洁干燥，也要 确保密封圈未变形或损坏。 ( 2 ) 取出仪器支架部分，检查支架上的钻井液杯顶盖内是 否放入橡胶圈，将仪器放平。 ( 3 ) 检查减压阀组件的气源接头内“o ”型密封圈是否完 好无损。将气源输气管的连接螺母接在减压阀组件气源接头上 旋紧，调压手柄处于自由状态。 ( 4 ) 钻井液杯按以下顺序组装使用，将底盖内放入橡胶圈、 滤网压圈( 滤网一体) 、橡胶圈。钻井液杯体上有两圆柱销使其 对准底盖两开口放入逆时针拧紧。 ( 5 ) 将一定量一定粒径的砂子倒入钻井液杯内滤网之上。 再将钻井液注入钻井液杯内砂子之上。 ( 6 ) 将注入钻井液的钻井液杯放于支架上，顺时针旋转手 柄，使顶盖和钻井液筒垂直方向压合密封。 ( 7 ) 将干燥的量筒放在排出管下面的量筒座上，调整量筒 对准钻井液杯滤水口处用来接收滤液。 ( 8 ) 将气瓶减压器利用g 5 8 螺纹与气瓶及其他气源相接。 打开气源，调节气瓶减压器压力至1 m p a 。 ( 9 ) 顺时针方向慢慢旋转减压阀调压器手柄，将压力调至 0 7 m p a 。 ( 1 0 ) 打开减压阀浮动阀芯，压力表指针波动或有气流声 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 进入钻井液杯或通气管，滤失仪滤失开始。 ( 1 1 ) 实验完毕，关闭减压阀浮动阀芯( 此时钻井液杯内 余气排出) 。 ( 1 2 ) 在确定杯内压力全部放掉的前提下，顺时针方向旋 转手柄，提起钻井液杯顶盖从支架上取下钻井液杯，倒掉钻井 液，小心的拆开钻井液杯组件。 ( 1 3 ) 实验完毕，关闭总气源，打开减压阀阀芯，放掉系 统内余气。松开减压阀组件和气瓶减压器调压手柄，使手柄处 于自由状态。 3 1 3 实验步骤 ( 1 ) 安装好可视式中压砂床滤失仪支架及实验管线： ( 2 ) 根据实验要求，将一定质量、不同粒径的砂子装入钻 井液杯至3 5 0 r a l 刻度线上( 或按实验要求选定砂量) ，倒入待测 流体； ( 3 ) 将钻井液杯放在支架上并盖紧筒盏； ( 4 ) 打开气阀给流体施加o 7 m p a 的压力； ( 5 ) 流体在砂层中滤失3 0 r a i n ，观察渗透滤失情况； ( 6 ) 3 0 m i n 后关闭气源卸掉压力； ( 7 ) 读出并记录量筒中滤液的体积，或读出并记录滤液侵 入砂层的深度； ( 8 ) 由于滤液在砂层中的侵入深度不均匀，所以应测量不 同位置的深度，最后结果取各深度的加权平均值。 3 1 4 平行性数据与误差分析 为验证实验数据的准确度，对f l c 2 0 0 0 进行了平行性实验， 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 实验结果见表3 2 。实验所用基浆是密度为1 0 2 8 9 e m 3 的膨润土 浆，砂层砂子粒径为2 0 4 0 目。 表3 2 可视式中压砂床滤失平行实验结果 编号配方条件 侵入深度( e r a ) l基浆+ 2 f l c 2 0 0 01 5 0 t 6 h1 0 1 2同上1 5 0 ，1 6 h9 5 3同上1 5 0 ，1 6 h 9 7 对三次测量值进行误差分析，分析结果见表3 - 3 。绝对误差 占和相对误差r e 计算公式如下： s = x - 口( 3 - 1 ) r e ：三1 0 0 ( 3 2 ) 式中，x 为测量值；口为真实值，由于真实值无法知道，常 以平均值代替真实值。 表3 - 3 平行实验误差分析结果 配方相对误差( )平均侵入深度( c m ) 13 3 8 22 7 69 7 7 30 7 2 可以看出，相对误差最大的是1 。，为3 3 8 5 ，可以满足 工程需要。 3 2 高温高压砂层滤失量测试方法 此方法把常规高温高压滤失实验的滤纸换成砂层，然后对 高温高压滤失仪加以改进而成。 3 2 1 仪器 高温高压滤失仪包括改型钻井液杯( 把原来不通孔的杯体 】9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 变成通孔杯体) ，加热套，回压接收器，温度控制部件，底座 支架部件，温度表，气源管汇部件等，其主要技术参数见表3 - 4 。 表3 4 高温高压砂层滤失仪主要技术参数 序号 名称技术参数 1工作温度 s 1 5 0 2钻井液杯工作压力4 2 m p a 3 回压器压力 o 7 m p a 4有效失水面积 2 2 6 c m 2 6钻井液杯容量2 5 0 m l 3 2 2 实验步骤 ( 1 ) 将温度计插入钻井液压滤器加热套的温度插孔中，接 通电源，预热至略高于所需温度( 高5 - 6 ) ； ( 2 ) 在压滤器中加入l o o g 一定粒径( 按实验要求确定) 的石英砂，尽量铺平； ( 3 ) 将待测液缓慢而均匀的沿失水仪侧壁( 或玻璃棒) 加 入到杯中，至刻线，盖好杯盖，用螺丝固定； ( 4 ) 将上、下两个阀杆关紧，放进加热套中，慢慢旋转钻 井液杯，使其置于定位销上，把另一温度计插入压滤器上部温 度插孔中，装上回压接收器，插入固定销，并在上连通阀杆处 安装三通，插入固定销； ( 5 ) 旋转调压手柄至o 7 m p a ，逆时针旋松上连通阀杆( 预 防钻井液加热沸腾) ，待杯内输入气体后，旋紧上连通阀秆； ( 6 ) 当温度升至所需温度时，调整调压手柄和回压手柄至 所需压力，旋松上下连通阀杆，计时，开始滤失； ( 7 ) 滤失3 0 r a i n 后，旋紧上下连通阀杆，收集余下滤液， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 松开调压手柄和回压手柄，放出管汇内余气； ( 8 ) 取出钻井液杯，冷却至室温，将钻井液杯直立，慢慢 打开连通阀杆，放掉杯内余气，取下杯盖，倒出钻井液和砂子， 洗净擦干所有部件。 3 2 3 平行性数据与误差分析 为验证实验数据的准确度，对s d n 2 a 进行了平行性实验， 实验结果见表3 5 。实验所用基浆是密度为1 0 2 8 9 c m 3 的膨润土 浆，砂层砂子粒径为4 0 6 0 目，实验温度1 2 0 ，实验压力3 m p a 。 表3 5 高温高压砂层滤失平行实验结果 编号配方条件滤失量( m l ) l基浆+ 2 s d n 2 a1 5 0 1 6 h2 9 8 2 同上 1 5 0 1 6 h3 2 2 3 圆上 1 5 0 3 2 1 6 h3 1 6 对三次实验结果进行相对误差计算，计算结果见表3 6 。 表3 - 6 高温高压平行实验误差分析 配方相对误差( )平均滤失量( m l ) l4 4 9 2 3 2 13 1 2 31 2 8 可以看出，三次实验的最大误差是4 4 9 5 ，可以满足工 程需要。 3 3 多功能岩心流动实验仪测试方法 3 3 1 仪器 该仪器可以做钻井液在高温高压下对岩心的动静态滤失或 污染和岩心敏感性评价等实验。主要包括以下几大部分( 仪器 2 1 生里互迪盔堂( 些东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 整体外观示意图见图3 - 3 ) ： 幽3 - 3 多功能岩心流动实验仪外观示意图 ( 1 ) 注入系统 注入系统主要包括一台平流泵( 流量o - 1 0 m l m i n ，最高压 力4 0 m p a ) 及相应的管路系统平流泵使用常规4 r a m 管线。 ( 2 ) 储液系统 主要由三个中间容器组成，三个中间容器并联连接，每个 中间容器的输入输出端都有阀门进行控制，三个中间容器的输 入输出端又分别汇总为中间容器组的输入输出端( 连接原理见 图3 - 4 ) 。中间容器主要用来储存和输送工作介质，另外还有缓 冲压力波动的作用 a 鼽 一锄 1 救空 图3 - 4 中间容器组连接原理示意图 ( 3 ) 污染釜及夹持器 撇圃阡1撇哿 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 污染釜和岩心夹持器、污染夹持器外部都缠有加热带，可 以模拟地层高温环境。温度通过传感器由计算机控制。 ( 4 ) 控温系统 控温系统包括控制电路、加热软件、温度传感器、温控仪 等。主要指对预热罐、夹持器及护套加热控温系统、釜体的加 热控温。 系统降温可以采取自然冷却或启动水循环冷却系统来实 现。 ( 5 ) 控制流程 该仪器设有正反两向流程，可通过控制主控柜面板上的阀 门来控制正反方向，面板流程如图3 5 所示。 围3 - 5 面板流程示意图 ( 6 ) 磁力驱动搅拌系统 包括强磁力偶合器、驱动电机、电机控制电路、调速以及 速度显示等。可在静密封条件下通过磁力驱动污染釜内的搅拌 锥盘来搅拌污染釜内的液体，实现动态测试。搅拌速度可以通 过面板上的调节钮无级调节。 ( 7 ) 加压及压力监视系统 包括平流泵、环压泵、气瓶、进口压力传感器、压力表、 加压阀( 气源阀) 、放空阀以及相应的管路系统。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 ( 8 ) 计量系统 有压力计量和流量计量两部分，压力计量主要由压力传感 器完成。流量计量主要由天平完成，天平的数据实时的传给计 算机，由计算机实时的算出即时流量来。 ( 9 ) 数据采集处理系统 包括采集板，自动控制电路，计算机，打印机等。 ( 1 0 ) 系统软件 用v b 6 0 编写，既能完成数据采集、处理，又能很好的完 成自动识别和控制选择传感器的工作。 岩心流动实验仪主要技术参数见表3 7 。 表3 - 7 岩心流动实验仪主要技术参数 序号名称技术参数 l电源a c 2 2 0 v5 0 h z 2系统耐压 5 0 m p a 3梯度实验工作压力4 0 m p a 4环压4 0 m p a 5工作温度 室温一1 5 0 6搅拌速度o - 1 0 0 0 转分 7 流量范围o - l o m l m i n 3 3 2 实验步骤 3 3 2 i 渗透率恢复实验步骤 ( 1 ) 将中间容器小车面板上的输出输入接头从面板上取 下，将小车拉出，打开要使用的容器两端的阀门，关闭其余阀 门，装完液体后将小车推回仪器内，连接好管线备用； ( 2 ) 打开电源，启动计算机，进入软件系统，进行参数初 始化和实验类型选择； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章超低渗透钻井液评价实验方法探索 ( 3 ) 打开天平和平流泵，天平归零，平流泵设定流量； ( 4 ) 选择正反向，选择中间容器，打开污染夹持器两端阀 门，关闭常规岩心夹持器两端阀门； ( 5 ) 把岩心装入污染夹持器，连接好管线，如需加热，则 打开加热开关，然后转动环压泵加上所需压力，开平流泵测污 染前的渗透率； ( 6 ) 打开软件系统数据采集窗口，开始采集数据，当测得 的渗透率值基本稳定时，开始数据存盘： ( 7 ) 数据存盘结束后，停泵，将污染夹持器环压口上的阀 门关闭，保持环压不变，把污染夹持器从加热护套上卸下，装 到污染釜上； ( 8 ) 通过加压接头的连接孔加入待测液体，然后拧紧接头， 如需做动态污染，则打开面板上的电源，调节转速，如需加热， 则打开加热开关；