用改进的钻井泥浆设计来控制井眼.doc

用改进的钻井泥浆设计来控制井眼不稳定性与地层损害 姚新珠 时天钟 编译 王允良 审校 摘 要 井眼不稳定和地层损害是石油工业遇到的两个主要问题。人们普遍认为地层损害主要是泥浆滤液的侵入与流体岩石相互作用改变了孔隙内流体的化学性质引起的。在井壁上形成一层致密的泥饼能阻止泥浆滤液的侵入。致密的泥饼也能对井壁起到支撑作用而防止井眼坍塌。因此，解决井眼不稳定和地层损害问题最有效的方法是设计一种与储层内流体岩石相适应具有独特泥饼特性的钻井液。本文研究了多种新型特性的泥浆体系，以及它们在澳大利亚中心地区致密气层钻井完井中的潜在用途，这些地区的储层非常容易受到损害。所研究的四种泥浆中，酯基泥浆在井壁上形成一层致密泥饼是一种最有效的保护储层的泥浆体系。(译自IADC/SPE 47786)前 言井眼不稳定主要发生在覆盖目的层的所有页岩中，影响勘探直至开发的整个钻井过程，估计全球每年的花费超过六亿五千万美元。另一方面,目前在澳大利亚每天由于地层损害失掉5到10万桶的石油产量。这表明急需研究一种补救方法降低这种损失。地层损害是一种发生在井眼周围区域渗透率降低的现象，这引起油气井产量下降，或注水井、注气井注入能力下降。一般认为地层损害是由于不相容的外来液体和/或外来固相颗粒侵入地层所致。泥浆滤液侵入原始地层也可能引起井眼不稳定问题，导致井眼坍塌和其它井眼不稳定问题。钻遇未胶结地层和坍塌性地层更是这样。为了避免这种井眼不稳定问题，研制一种能很快在井壁表面上形成薄而致密的低渗透性泥饼的钻井泥浆，以便进一步阻止泥浆滤液进入地层，是最理想的。这将提供一个极好的泥浆支撑作用。显而易见，控制井眼不稳定和地层损害问题的关键是设计一种合适的钻井液，它能在井壁上形成一个致密的低渗透性泥饼以把进入地层的滤液降到最小。此研究的目的是用实验方法研究不同钻井泥浆体系在低渗透性气层上的泥饼性能，致力于形成一个标准，使钻井工业对低渗透性气层选择合适的泥浆体系。泥饼形成过程一种理想的钻井泥浆应与地层的化学性质匹配，同时既能在井壁上形成一种薄而致密的外泥饼又能在井眼周围非常近的区域中形成薄的内泥饼，以把泥浆滤液和泥浆固相侵入量降到最小。泥浆瞬时滤失量在泥饼形成前产生，其大小是钻井泥浆的一个重要特性。内泥饼形成的速度根据泥浆中固相颗粒大小与地层孔隙尺寸的配伍性而定。比孔径大的颗粒不能进入孔隙，比孔径小得多的颗粒，进入孔隙而且自由的运移到地层内。有人已经提议，在孔道内形成稳定桥堵的泥浆固相颗粒的平均直径是最大孔径的1/3左右。一旦在近井壁区域的孔道中形成稳定的桥接,那么，较小的颗粒将留在大颗粒中间形成初始的内泥饼。内泥饼是在外泥饼形成基础上形成的。外泥饼形成的速率由泥浆流中有利于颗粒在泥饼表面沉积的流体动力和有利于清除泥饼表面颗粒的剪切应力控制。这两个力达到平衡，泥饼厚度不再增加。环空泥浆循环速度越高，固相颗粒沉积越少，泥饼越薄，它的性能就越好。也就是说低孔隙度和低渗透率，是非常重要的。显而易见，为了桥堵孔道和孔喉，泥浆中固相颗粒的大小是确定内泥饼形成初始阶段瞬时滤失量大小的关键。可是，泥浆中的细微颗粒在确定内泥饼和外泥饼的孔隙度和渗透率方面起着重要的作用。因此，为了获得一个薄而低渗透性泥饼，一种钻井泥浆应含有各种粒度分布的固相颗粒。许多不同类型的颗粒可以用作泥浆的降滤失剂。粘土是典型而又普遍使用的固相颗粒。复杂聚合物在井底条件下仍然能稳定，当膨胀的粘土不起作用时，也用于钻井泥浆中的辅助降滤失剂。胶体有时也被用作改善泥浆滤失性。在油基泥浆中，加入乳化剂能形成堵塞孔喉的稳定乳状液。在大多数情况下，不同类型的颗粒和聚合物用于钻井泥浆的配制。实验程序在此研究中，用澳大利亚中部致密气砂岩研究四种钻井泥浆的泥饼特性，即，乙二醇泥浆、酯基泥浆、高温粘土抑制（HTCI）泥浆及改性的高温粘土抑制泥浆。众所周知，这些钻井泥浆有许多新型的特性，使得它们适合钻低压致密气层。四种泥浆泥饼形成特性根据API滤失量、瞬时滤失量、 动态滤失量和动失水后地层的渗透率损失来评估。用扫描电子显微技术定性地评价泥饼结构和泥浆固相侵入深度。材 料层面从整块岩心钻切直径1英寸的岩样。在80的烘箱中烘48小时后,用三氯甲烷和甲醇（8713）共沸物在回流加热索氏抽提器中抽提实验岩心。混合物的沸点低于40。连续抽提24小时直到与实验岩样接触的熔剂无变色为止。实验前，岩样在80烘箱中烘干24小时。用与上述岩样制备相同的岩样切片，通过X射线衍射和X射线荧光分析测定岩样的矿物组成。利用氦孔隙度仪和压汞孔隙度仪分别测量岩样的孔隙度和孔径分布。用微型渗透率仪测量岩样的空气渗透率。利用渗透率仪测量动态失水前后湿气渗透率。用于此研究中四种泥浆体系的主要组成见表1。配制的每种泥浆在滚子炉中80老化24小时。用氢氧化钠溶液调节泥浆的PH值。用API失水仪测量泥浆的静失水。用扫描电子显微技术观察静态泥饼，研究静态泥饼结构。表1用于致密气砂岩层的四种钻井泥浆的组分1、乙二醇泥浆：水、乙二醇、XCD聚合物、Dextrid、乳化剂、RevDust和氯化钾（4%重量百分比）2、酯基泥浆：石油酯、乳化剂、DuratoneHT(耐高温处理剂)、Gelatone（胶凝体）、氯化钙、氢氧化钙和重晶石粉3、高温粘土抑制（HTCI）泥浆：水、高温聚合物、页岩抑制剂、XCD聚合物、重质碳酸钙和Aquagel（粘土）4、改性的HTCI泥浆：与前面的3成分相同但没有页岩抑制剂，加入氯化钾（4%重量百分比）仪器设备图1是研究中使用的湿气渗透率仪示意图。实验用岩样装入岩芯夹持器的胶套中,施加一定的围压。用湿气测量原始渗透率前岩样用盐水抽真空饱和。测量岩样两端的压降和通过岩样的湿气流速确定岩样的渗透率。湿气由空气加湿系统产生，此空气加湿系统由一个压缩的空气罐，充满玻璃球和水的含水饱和塔，一个冷却水浴和一个相对湿度测试议组成。空气的湿度通过调节冷却水浴的温度来控制。图1、湿气渗透率测定仪流程图1、岩心夹持器 2、容器堵头 3、压力存储泵 4、压差计5、注入泵 6、排放容器 7、冷却水浴 8、充满水和玻璃球的瓶子9、压缩干燥空气瓶 10、相对湿度仪 11、储液罐图2是在此研究中所用的动失水仪流程图。 除了岩心夹持器顶端如此设计用来模拟动滤失条件下允许钻井液从岩心端面循环外，岩心来持器类似于图1所示的渗透率仪的岩心夹持器。 用一个三活塞往复泵和闭环回路，保持钻井器液在恒压下不断循环。通过泥浆容器中的加热元件把循环泥浆的温度维持在60。岩心夹持器及其附件放在一个空气烘箱中维持同样的温度。利用回压阀维持回压（模拟地层压力）。把回压阀设计成只有当滤液压力大于地层压力（孔隙压力）时，泥浆滤液才能流过阀。利用与电子计算机相连的电子天平，监测滤液量与时间关系，测量动态失水率。动态失水实验测量短岩心柱（4cm长）的渗透率，假设即使在4cm长岩心中，地层的渗透率变化非常大。为了从岩心柱上获得的数据解释渗透率的变化，4cm的岩心被切割为2段。动态失水实验前后分别测两段的渗透率。前段（1.5cm）与循环泥浆最接近，而且这段的恢复渗透率将说明内泥饼的致密度。 后段（2.5cm）的恢复渗透率将告诉我们由于动态泥浆循环，地层损害的程度。此后，这两段（前段和后段）岩心将被看作完整岩心。图2、动态失水仪流程图1、岩心夹持器 2、容器堵头 3、压力存储泵 4、泥浆容器5、带发动机的活塞泵 6、回压阀 7、压力存储泵8、储层流体注入泵 9、调压器 10、压差计具有相同物理性质的两块组合岩心，在相同条件下，用每种泥浆体系进行动态实验。这样，一段用于研究恢复渗透率，另一段用于扫描电子显微技术研究。从组合岩心不同部位切下的薄片（1到2mm）去目测固相侵入的程度。用湿气渗透率仪分别测定两段的饱和度原始渗透率。每段岩心在用脱色盐水饱和前，放入岩心夹持器中，用35m水银柱的压力抽真空。孔隙流体的含盐浓度，由临界含盐浓度（CSC）实验法确定。对此研究中的砂岩地层，CSC是4%KCI（重量百分比）。饱和后，卸下岩心，称重，测其饱和度。然后把岩心再装入岩心夹持器中。注入湿气，直至获得一个稳定的束缚水饱和度。测量空气原始渗透率。为了比较此岩心段的原始渗透率和恢复渗透率，测量同一岩心柱的两种渗透率，必须注入相同累计孔隙体积的湿气。湿气量是造成岩心束缚盐水饱和度所必需的（测定初始湿气渗透率）。为了保持组合岩心前后段的一致性，对每段使用相同量的湿气孔隙体积。在25下测量渗透率。在空气浴烘箱中维持渗透率仪的实验温度，温度误差范围为1。测量原始渗透率后，卸下岩心，称重，测定束缚盐水饱和度。把两段岩芯连接起来装入动态失水岩心夹持器中。前面岩心的端面受到连续不断的泥浆循环作用，泥浆循环速度为0.5m/s，循环时间为4小时。在4小时的动态失水过程中岩心的压差为100Psi。泥浆循环4小时后，在静止条件下，岩样继续与泥浆接触10小时，模拟实际操作的关井阶段。在此期间维持100Psi的静态压差。在整个14小时的实验过程中，监测渗滤速度。然后再卸下岩心，称重估算泥浆固相和滤液侵入深度。实验完成后，用湿气渗透率仪测定岩心的恢复渗透率。结果讨论1矿物和岩石物理性质：X射线衍射和X射线荧光分析表明砂岩是富含伊利石的岩层如表2。长石断裂和溶解与云母和云母碎片形成自生伊利石。砂岩的扫描电子显微技术研究表明，伊利石覆盖整个孔隙系统的表面，充填孔隙和堵塞孔喉（见图3）。 表2致密气砂岩层典型矿物组分矿 物 重量百分比 石 英 91.8 伊利石 5.8 高岭石 1.3 绿泥石 0.9 菱镁矿 0.2 图3、低渗透率砂岩孔隙中粘土矿物存在的SEM图伊利石是片状结构，长11m，宽7m。它还没有形成很好的稳定结构。砂岩中含有少量蒙脱石和蒙/伊混层。蒙/伊混层易膨胀且对淡水环境敏感。在这种情况下,常用氯化钾（KCI）作粘土防膨剂。砂岩中也含有少量高岭石和绿泥石。扫描电子显微技术分析表明高流速（比临界速度高）会引起孔隙中粘土矿物的运移。图4是一个典型的致密气砂层孔隙大小分布图。从图中可以看出地层中存在大量的微孔隙，等于或小于0.01m的微孔隙约占25%。此研究中，组合岩心的岩石物理性质如表3所示。表4概述岩心柱不同岩心段的湿气饱和度。表3在动态失水实验中所用岩心柱的岩石物理性质岩心号孔隙度（%）空气渗透率（mD）原始渗透率（mD）恢复渗透率（mD）前段后段前段后段T4A12.960.22491.021.160.40.5T4B12.960.23371.370.530.750.53T6B14.510.33502.512.651.262.68T13B13.90.19671.430.960.720.88图4、低渗透率砂岩孔隙大小分布图图4在不同段所用湿空气孔隙体积量与岩芯饱和度钻井泥浆岩心段饱和度%所用空隙体积（1）（2）（3）（4）（5）乙二醇T6B前09216823135580后09514732435580酯基T4A前0897982413530后08713682313530HTCIT13B前09239783119640后098387231.519640改造的HTCIT4B前09416100185500后0943080.51855002泥浆性能：在此研究中，四种钻井泥浆即：乙二醇、酯基、HTCI和改性的HTCI泥浆流变性和滤失性见表5。这些泥浆有低的API失水，其中酯基泥浆最低（2.1cc），乙二醇泥浆最高（4.6cc）。四种泥浆没有观察到瞬时失水量。表5研究所用四种泥浆的流变性和滤液性能性能THCI改性的THCI乙二醇酯基密度9.69.69.59.5PH值8.628.79.0塑性粘度（cp）23262126屈服值（Ibf/100sqft）4741303API失水（ml/30min）3.43.64.62.1瞬时失水（ml）零零零零动滤失（PV）5.12.25.01.53动态失水过程：（1）乙二醇泥浆：乙二醇泥浆形成的静态泥饼结构如图5。从图可以看出静态泥饼为网状结构。网状结构的孔隙约从12m到400m,表明它是一个低孔隙度、底渗透率的泥饼。扫描电子显微技术图象中能清楚地看到嵌入在网状结构中的固相颗粒。图6是在动态失水条件下乙二醇泥浆在岩样表面形成外泥饼的扫描电子显微图。 它清楚地显示出泥饼表面覆盖着聚合物膜，固相颗粒进入聚合物结构中。从同一块组合岩心的前端切割下来的薄片扫描电子显微技术分析表明，内泥饼为3维网状结构。它很致密,是低孔隙度，最大孔隙为300m。图7为乙二醇泥浆的一个典型内泥饼结构的SEM图。能清楚地看见聚合物结构中的结晶盐（由于冻干）和固相颗粒。 图5、乙二醇泥浆静态泥饼结构的SEM图。能清楚地看到泥饼的网状/似网状结构。注意80，000倍放大率。 图6、乙二醇泥浆外泥饼结构的SEM图。观察较深断面，聚合物和固相颗粒较少。SEM分析也显示在孔隙中伊利石和绿泥石等粘土矿物不受滤液侵入的影响。在岩样的后端面没有发现聚合物或泥浆固相颗粒。图8为组合岩样T6B在乙二醇泥浆中后端面恢复渗透率剖面图。注入15000倍孔隙体积的湿气后，前段的恢复渗透率可达到原始值的45%（1.02mD）。 当给后段注入18000倍孔隙体积的湿气，后段的恢复渗透率为100%（2.65mD）。 这意味着乙二醇泥浆泥饼（内泥饼和外泥饼）阻止固相颗粒向地层更深的侵入，这与SEM图相符合，如图6、图7所示。（2）酯基泥浆：酯基泥浆与油基泥浆有相似的特性，不可能用冷冻干燥技术配制SEM分析样品。组合岩样T4A在无油泥浆中两段的恢复渗透率剖面如图9所示。注入13530倍孔隙体积的湿气后,前后段的恢复渗透率分别为45%和55%（1.02mD和1.16mD）。似乎后段渗透率很低。可是,当再注入13530倍孔隙体积的湿气后，后段恢复了它的原始渗透率。 因为酯基泥浆的滤液粘度高（7cp），需要大量的湿气替换孔隙中的滤液。然而注入附加孔隙体积的湿气，岩样前段渗透率损失的恢复值没有任何显示。值得注意的是在泥浆失水实验的整个14小时收集到的滤液仅仅为1.4个孔隙体积。图7、乙二醇泥浆形成的内泥饼结构SEM图。 图8、岩样T6B在乙二醇泥浆中 组合岩心前后段恢复渗透率剖面图图9、组合岩心T4A侵入酯基泥浆后前后段的恢复渗透率剖面图（3）HTCI泥浆：图10是HTCI泥浆的静态泥饼结构。SEM图象显示泥饼具有大约2m或更小孔隙的多孔结构。聚合物无规律的相互连接。高温泥浆API失水为3.4cc。图11为外泥饼的基本结构。图为暴露的前端面。我们能清楚地看到孔隙空间充满了聚合物，因此表明HTCI泥浆泥饼性能良好。 图12是HTCI泥浆内泥饼结构的SEM图象。内泥饼结构相似于静态泥饼结构。 SEM分析显示固相/聚合物侵入岩心的最大深度为0.8cm。分析表明伊利石和蒙/伊混层已经被泥浆滤液侵入所干扰,这些矿物和高岭石碎片已经从孔隙壁上脱落，随流体流走（见图13）。图14是HTCI泥浆中组合岩样T13B前后段的恢复渗透率剖面图。注入6000倍孔隙体积湿气后，前段的恢复渗透率达到40%（1.43mD），而后段注入9000倍孔隙体积湿气后，恢复渗透率为80%（0.98mD），随着后段再注入的湿气，渗透率恢复值不再明显增加。SEM分析认为，后段20%的渗透率损失是由HTCI泥浆滤液与地层的不相容引起的。 图10、HTCI泥浆静态泥饼结构SEM图 图11、HTCI泥浆中岩样表面外泥饼SEM图 图12、HTCI泥浆内泥饼SEM图。 图13、孔隙中粘土矿物运移的SEM图图14、HTCI泥浆中组合岩样T13B前后段恢复渗透率剖面图。（4）改性的HTCI泥浆：为了克服由于流体与岩石不相容引起的渗透率减损，改性HTCI泥浆用4%重量比KCI盐水替代页岩抑制剂aquacol。图15为改性的HTC