超低渗透钻井液稳定井壁的作用机理研究.pdf

第 3 O 卷第 3期 2 0 0 9 年 5月 石 油 学 报 ACTA PETROLEI S I NI CA Vo 1 ． 3 0 No ． 3 Ma y 20 09 文章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 9 0 3 0 4 3 4 一 1 6 超低渗透钻 井液稳定井壁的作用机理研究 薛玉志 李公 让 蓝 强 武 学芹 中国石化胜利石油管理局钻井工艺研究院 山东东营 2 5 7 0 1 7 摘要利用可视砂床渗透、 压力传递 、 吸附、 扫描 电镜和高精 度显微技术 以及 承压实验 ， 从微观和 宏观方面研 究 了超低 渗透钻井液 体 系作用机理 。研究结果发现 ， 超低渗透剂 YHS 一 1 能够迅速地 吸附在井壁上， 而且吸附能力强， 达到平衡 的时间短， 吸附量很高。 利用扫描电镜和超清晰显微技术研究发现， 超低 渗透钻井液能够在井壁和 泥饼前端形成一层致 密胶束膜 ， 该膜 进入 岩石 内部极浅， 比较容易清除。页岩抑制和压力传递实验 发现 ， 该体 系能够有效地 降低孔 隙压力在地 层 中的传递及 抑制页岩膨胀 ， 达到 防塌 的 目 的。从压 力传递 和承压 实验发现， 该体系能够形 成柔性致 密胶束膜及 渗透率为零的封堵层 ， 能够 大幅度提 高地 层的承压 能力， 具有 保护油层、 稳定 井壁和 防漏的突出性能。 关键词 超低渗透钻 井液 ； 防塌机理； 承压性能 ； 油层保护 井壁稳定性 中图分类号 TE 2 5 4 文献标识码 A I nt e r a c t i o n m e c h a ni s m s o f u l t r a l o w p e r me a b l e d r i l l i n g f l u i d f o r s t a b i l i t y o f b o r e h o l e wa l l XUE Yu z h i L 1 Go n g r a n g LAN Qi a n g W U Xu e q i n Dr i l l i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e ，S i n o p e c S h e n g l i Oi l f i e l d Co mp a n y，Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7，C h i n a Ab s t r a c t Th e d i f f e r e n t e x pe r i me nt s we r e u s e d t o i nv e s t i ga t e t he i nt e r a c t i o n me c ha ni s ms of u l t r a l ow p e r me a bl e dr i l l i n g f l u i d f o r s t a b i l i z i ng t he b or e h ol e wa l l i n mi c r o c os mi c a nd ma c r o s c op i c a s pe c t s，i nc l u d i n g v i s i b l e s a n d b e d p en e t r a t i on，pr e s s u r e t r a ns p o r t a t i o n， a d s o r p t i on，SEM ，hi gh r e s ol ut i on mi c r o s c o pe a n d pr e s s u r i z at i o n of mu d mi c r os t r uc t u r e ．I t wa s f ou nd t ha t t he ul t r a l o w pe r me a bl e a g e nt YHS 一 1 c ou l d be r a pi d l y a ds or be d o n t he b or e ho l e wa l l ，a nd t he a ds or pt i o n c a pa c i t y o f t he a ge nt wa s gr e a t ．Th e r e s u l t s o f SEM a n d hi gh - r e s ol ut i o n mi c r o s c ope e x pe r i me nt s s h owe d t ha t YH S 1 c o ul d f or m a t i ght mi c e l l e me mb r a n e b e t we e n t he s ur f a c e o f b or e ho l e wa l l a nd t he f r ont o f mu d c a ke ．The t i g ht mi c e l l e me mbr a ne c o ul d e n t e r t he s ha l l ow r oc ks a nd b e e a s i l y r e mo v e d．Th e s ha l e i n ha hi t a t i on a n d p r e s s ur e t r a ns mi s s i on e xp e r i me nt s c onf i r me d t ha t t he d r i l l i ng f l ui d s ys t e m c o ul d e f f e c t i v e l y r e du c e t he t r a ns mi s s i on r a t e o f p or e p r e s s u r e ，i n hi bi t t h e e x pa n s i on o f s ha l e p a r t i c l e s a nd a l s o e f f e c t i v e l y pr e v e nt b o r e h ol e wa l l f r o m c ol l ap s e ．Th e s of t mi c e l l e me m br a n e c o ul d f or m a t hi n n on p e r me a b l e s e a l i n g l a ye r ，wh i c h c o ul d di s t i nc t l y e n ha nc e t he p r e s s ur i z a t i o n p e r f o r ma nc e o f dr i l l e d f or ma t i on ．Th e ul t r a l o w p e r me a bl e d r i l l i ng f l u i d ha s g oo d p e r f or ma nc e s，s uc h a s r e s e r v o i r pr ot e c t i on，s t a bi l i z a t i on of bo r e ho l e wa l l a nd o b v i o u s l e a k r e s i s t a n c e ． Ke y wo r d s u l t r a - l o w p e r me a b l e d r i l l i n g f l u i d；a n t i c o l l a p s e me c h a n i s m ；p r e s s u r i z a t i o n p e r f o r ma n c e ；o i l r e s e r v o i r p r o t e c t i o n；b o r e h ol e wa l 1 s t a bi l i t y 随着世界石 油工业 的迅速 发展 ， 钻 井 的数 量 、 速度 和深度 均显著增 加 ， 所 钻穿 的地层更 加复杂多 样 ， 裸 眼 也 越 来 越 长 ， 因 此 对 钻 井 液 性 能 提 出 了 更 高 的 要 求l_ 1 j 。针 对压力衰 竭 的地 层 的实 际情况 ， 往 往采 用欠 平衡 钻井技术 ， 但欠平衡 钻井技 术有其 自身局 限性 ， 在 很多情况下不能应用 。而传统钻井技术可能引起压差 卡钻 、 严 重井漏 以及 油 层损 害 等 突 出问题 。超低 渗透 钻井液 是一种 在过平 衡 或 近平 衡条 件 下使 用 ， 又 能 提 高地层承压能力和油层保护性能的钻井液体系。该体 系具有防止易碎地层压力传递及破裂的能力 ， 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 。 笔者利用 微观 和宏观 性 能相 结 合 的方 法 ， 揭示 了超 低 渗透钻井 液 的微 观作用 机理 。 1 超低渗透钻井液微观作用机理 1 ． 1 超低 渗透 主剂 的吸附机 理 首先 合成 了起关键 作用 的胶束 聚 合物 Y HS 一 1 ， 然 后测定 不 同浓 度胶 束 聚合 物在 粒 径为 0 ． 1 ～5 I T l m 页 岩颗粒 取 自梁 1 1 2 4 6井 沙 三 上 到 沙 三 中 2 4 0 0 ～ 基金项目 中国石油化工集团公 司重点科技攻关项 目 J P 0 5 0 0 3 2 部分成果 作者简介 薛玉志， 男， 1 9 6 6年 6月生 ， 1 9 9 1 年毕业于石油大学 华东 ， 现为胜利油田钻井工艺研究院油化所所长， 高级工程师 ， 主要从事油 田化学和 钻井工艺方面的研究 。E ma i l s l y h s v i p ． s i n a ． c o rn 第3期薛玉志等超低 渗透钻井 液 稳 定 井 壁 的作用机理研 究 4 3 5 2 600m 处上的吸附情况。研究了不同时 问对 吸附量 的影响取 一 定质量 的0 ．1 ～ 5mm页岩样品，分别配 成6份 颗 粒 质量分 数 为5％的悬浮体样品，在这 些样 品中加入0 ．5％的Y H S 一 1，在150 。C 下密闭热 滚不同 的时间。热滚完毕后，冷却至室温，在25 000r／mi n下 超离心 20min，确保所有岩 屑颗粒沉淀下来，然 后 用 针 式取样器 取 一 定体积 的上部 清液，采用 TOC有机总 碳，型号为TOC VCSN方法 测定其浓度，通过 吸附前 后体相内的胶束聚合物的浓 度差，计算其吸附量。从 结果可以看出，当作用时 间超过 5rain后，其吸 附量 基 本保持不变，这充分 说明胶束聚合物 在 井 壁上的吸附 是非 常迅速 的。改 变 聚合物 浓度，重复上面步骤 ，研究 其吸附特性图 1。 二 、 k ● 目 栅 整 螫 Y H S - 1加量／mgI．。。 图1胶 束 聚 合物Y HS 一 1的吸附等温线 F i g． 1AdsorptionisothemofY HS 一 1onthe shale parti cles 图1所示等温线属于LⅢ型吸附等温线 ，在等温线 上有 一 个 拐点，表示单层半胶束吸附达 到饱和 ，多层 胶束吸附开始 H j 。 对等温线数据的分析对于研究吸附的形式 有 着 重 要的意义。通常吸附等温线都可以通过 Langmuir 和F reundlich两个 方程来研究。Freundlich等温线方 程与实验结果 拟合程度很好 ，说明Y H S 一 1在页岩颗粒 上的吸附属于多层吸附。通 过 Freund lich等温线方 程计算出 Y HS l吸附强度高达2．30，说明胶束聚合 物在页岩井 壁上具有很 强 的吸 附 能力 。这充 分说明， 由于胶束聚合物 在 井 壁上的吸附能力 较强 ，因 此它能 迅速 在井壁上形成薄而致密的胶束聚合物膜 ，从而发 挥其成膜、承压 、防塌和保护 油气层等作用。 1．2 成膜机理 成膜护壁 维持井壁稳定的思路是依据井眼与地层 系统传质 、传能的基本原理 口* ”] ，从 稳定井壁的化 学、 物理固壁 的新观念 出发 ，通 过人工控制 水基钻井液 特 殊组分，在井 筒流体与井壁 界面形成 一 种完全隔离、封 闭水相运移 的膜，以达到稳定井壁 的目的。当前 ，国内 外研究主要集 中在讨论 泥 页岩本身是 否存在半透膜性 质，对钻井液体系本 身是否能 在泥 页岩 表面形成隔离 膜及其成膜 条件研究较少，而且多以形成半透膜 为基 础进行研 究，对其他 膜 研究更少。 1．2．1 扫描 电镜分析 将做过 AP I失水 的泥饼 在室 温下自然干 燥后切 割成小块，再用扫描电镜观察泥饼 表面，结果如图2所 示[除图2 d 外，放大倍数均为500倍]。 a基浆泥饼b基浆中加入1％Y H s 一 1所 形成的泥饼 c基浆 中加入I％F L C 2000 所形成的泥饼 d基浆中加入1％Y H S - 1所 形成的泥饼 放大5 000倍 图2泥饼显微 镜照片 Fi g．2 Microscopicphotos ofm udcakesbefore andafter addingultra low perm eable agents 图2a显示 基浆 形 成泥饼 的黏土颗粒堆积不明 显，且颗粒表面包上了 一 层厚薄不均的高聚物薄膜，黏 土颗 粒之间形 成 的多孔结 构 清晰可 见，说明该泥饼具 有较大的渗透率。图 2b和图2c显示，在基浆 中分 别 加入 1％的Y HS 一 1和F LC2000以后 形成的泥饼结 构基本是 一 致的，它们的大小 颗 粒紧密堆积 ，其表面 也 包上了 一 层高聚合物薄膜。但与基浆不同，该聚合 物 均匀且有较强的附着力。从 图 2中聚合 物拉丝形态可 以看 出，泥饼中的 固体颗粒形成的多孔结构不明显 ，说 明泥饼的渗透 性极 差，并具 有 较 大 的抗压强度。从 放 大 到5 000倍的 图片[图 2 d ]可以更清楚地看到，在 基浆 中分别加入 1％的Y HS 一 1和FI。C2000以后形 成 的泥饼 具有 明显的层状结构 ，说明泥饼坚实而紧密，具 有超低渗透性 。 1．2．2 高清晰电子成像分析 在高温高压条件下 ，对 加入超低 渗透 钻 井 液处理 剂Y H S 一 1前后的钻 井 液体系进 行了动态滤 失实验。 滤失30 min后，泄压降温并取出岩心，在刮去 岩心端 面泥饼后，采用扫描电镜观测其端面形貌；随后切去长 为0 ．5cm 岩心 ，进 一 步考察其内部结构。表面形态采 436石油学报 2009年 第30卷 用二次电子图像进行观察研究 ，配合能谱和波谱研究 岩心切面的结构组成图 3。 a没有污染的岩心 对比加入超 低渗透剂 前后的 岩心[图 3a和 图3b]发现，超低渗透钻井液在井壁岩石表面浓集 bY HS 一 1钻井液污染岩心 去表面泥饼后的形貌 ◆ cYHS 一 1钻井液污染岩心 切去0．5cm后的形貌 图3岩心端面的高清晰 电子成像照片 Fi g．3 H ighresolutionmicros copicphotosofcore surface 形成胶束，依靠聚合物 胶束或 胶 粒界 面吸力及其可变 形性，能封堵岩石表面的孑L喉 ，在井壁岩石表面形成致 密超低渗透封堵 膜，有 效封堵不同渗透性地层 。在 进 人地层浅层的孔 吼通道中迅速形成凝胶状的复合封 闭 膜薄层[图3c] ，形成渗透率为零的封堵层。 1．3超低渗透钻井液油气层保护机理 油层损害最基本的机理包括孔 喉 的物理堵塞 ∞。 。0 即 固体颗粒侵入、聚合物侵入、黏土膨胀和结垢等和 相对渗透率的改 变 [ 1。] 即流体阻塞、乳 化和润湿性 改 变等。因此，必须 把钻井 液侵入降到尽可能 低的水 平。在过平衡压力下总会发生侵入 ，所以钻 井 液还应 尽可能减少损 害。超 低渗透 处理剂 能与所有普通的 钻 井液添加剂配伍 使用 ，这表明在不损 害 低滤 失 性 的条件下，超低 渗透钻 井 液 能 够 实现减少对 油 层 的 损害。 1．3．1超低渗透钻井液砂床 实验 所用的基浆是 4％的钠土浆，其AP I失 水 为25 mL ，在120 。C 、3 ．5MPa条件下的失水 为36mI。 。从 结果可以看出，加入超低渗透钻井 液后 ，其失水并没有 得 到多大改善。因此 不能用传统的滤纸来评价超低渗 透钻井液体系。笔者 在参 考国外相关工作基础上 ，研 制 出G A型可视 承压砂床，进行超低 渗透钻井 液 的渗 滤实验。该装置可以直观地验证超低渗透钻井液形成 超低渗透封闭膜层 及其承压能力。为了研究在高温高 压情况 下钻井液在砂床 中的渗滤情况，改 进了高温高 压滤 失仪，把常规高温高压滤失实验的滤纸换成砂层， 其实验步骤与高温高压滤失步骤相 同。因 目前还 没有 关于砂床实验的A P I标准，根据国外 相 关工作，制 订 出钻井液用超低渗透处理剂通用技术条件的行业标 准，对研制的超低渗透钻井液处理剂 Y H S 一 1以及 国外 产品F LC2000分别进行了砂床实验分析。具体步骤 为先 在可视 管 中加入 100g粒径为0．15 ～ 0．8 3mm 的砂 子，压实后加入预先配好的钻 井 液 ，开始加压，观 测实验结果，并开始接收 滤液。在高温高压砂床渗滤 实验 中，预设温度要略高于所需温度 5 ～ 6 。C ，待体系 温度达 到平衡后 ，才能开始加压，其他过程与常规高温 高压失水方法 一 致。实验时间均为30m in。 从实验可以明显看出，在超低 渗透钻 井 液 与砂床 接 触的瞬 间形成了 一 层比较 致密 的 封 闭 层结 构，在 0．69MPa压力下 继续延长压制时 间，侵入深度不变 化。继续加压至 3．0MPa，侵入深度略有增加，没有滤 失量。但是，当温度升高到 120 。C 时，钻 井 液开始滤 失，Y H S I体系 的失水明显 比常规高温高压滤 失量 小，而 F LC2000体系则 与常规高温高压滤失量 相当， 这从侧面反 映常规 的H T H P失水 并不能反映超低渗 透钻井液在砂岩井壁上的渗滤过程。从结果还 可以看 出，Y H S 一 1体系 的膜 结 构比F LC2000具有 更强的可 压缩性，在较高压力下变得更加致密，因而 承压能力和 阻缓压力传递能力 更强。由此 可 见，超低渗透钻井液 在循环过程中，都可以在 一 定压力下阻止流体进入油 层，进而 达到保护储层的目的。 1．3．2 封闭膜清除实验 虽然形成的封 闭膜致密、承压能力强，但是 由于形 成的封 闭膜位于岩层表面，因而 很容易清除，这 一 点也 在实验 中得 到了证实。具体 实验 过 程为在基浆 中添 加2％的超低渗透 处理剂，进 行老化 前后的封 闭膜 清 除实验。实验步骤 为测定 150 。C 、16h滚 动老化前后 的可视中压砂床20 4 0目砂 层滤失实验，作用时 间 为30mi n，压力为0．69MPa；在倒出钻井 液后，加入清 水200mI。，倒 掉后，再 重新 加入清 水4 00mI。，加压到 0．69MPa，观察封 闭 膜是否清 除。 具体实验结果如 表1所示。 由表 1的结果可知，超低渗透钻 井液封 闭膜位于 砂层表面，用清水稍微浸 泡就能 清 除。所以在钻井施 第3期薛玉志等超低 渗透 钻井 液稳 定 井壁的作用 机理研 究437 工过程中，当接触洗 井液或完井盐水，以及采油过 程中 与储层 流体接触 时，封 闭膜易于被井 内流体 清 除。 表1超低渗透钻井液 封闭膜清除 实验结 果 Tab le1Rem ovingsealedm emb ra ne resultsofultra low perm eabl edri l l ingfluid 注Y HS - 2是YHS 一 1的 改进型 。 1．3．3 渗透率恢复实验 考察钻 井 液 的油气层保护效 果的 另 一 个重要 指标是渗透率 恢 复率，实验 中采用高孔隙度和高 渗透率砂岩 岩心进行 实 验，岩心长 度为 4．320cm。 截面积为4 ．81cm 。 ，孔隙体积为2 ．065cm 。 ，孔隙 度 为5 ．69％ 。 岩心的污染 与反排 解 堵 评价实 验 步骤为①把岩 心装入污染夹持器，把夹持器装到污染釜上，接 好 管 线；②通过加压接头的连接孔 加入待测液体，然后拧 紧 接头，如需做动态滤 失，则打开 面板上的电 源，调节转 速，如需加热，则打开加热开关，设定温度；③接上 压力 源，缓慢加压到预定值，然后进行滤失 实验；④如果有 滤失量，则用量筒接收测量，否则将岩心从污染 夹持器 中取 出，测量侵入深度；⑤实验 完毕后，将 岩心倒置 ，反 向驱替，考察其反排情况。具体实验结果如表 2所 示 。 表2岩 ，厶在围压为4 MPa下的流动实 验数 据 Table2Experim entdataofcorefloodingunder conf iningpressure4MPa 由表2可知，体系的油层保护性能良好，靠煤油反 排解堵，岩心的渗透率恢复率经计 算达98．4％ ，这证 明了超低渗透钻井 液对地层无伤害。同样 条件下，测 定 F I。C2000的渗透率恢复率为 87．10％ 。总 之，超低 渗透钻井液通 过在井壁表面形成致 密的超低渗透封 闭 薄层，有效封闭渗透性地层和微 裂缝泥页岩地 层 ，在井 壁 的外围形 成保护层，从而有可能 实现接近零滤失 钻 井，能有效减少地层内黏土颗 粒 的运移，且封闭层位于 岩石表面，易于清除，能够减少钻 井液对储层的损害， 保护 油气层。 2 超低渗透钻井液防塌作用 机理实验 2．1 页岩分 散抑制 对 超低渗透 处理剂进 行页岩膨胀实验，其步骤为 在100mL蒸馏水中加入2g处理剂，搅拌30min，进行 页岩膨胀 实 验，记录8h的线 膨 胀量。图4为各种实 验液体页岩线膨胀量随时间的变化 曲线。 I 、 嘲 当 渣 0100200300400500 时 间，rain 图4页岩 线膨 胀量 随时间的变化 曲线 F i g ．4The change curves ofshaleexpansion withtime elapsing 从图4可以看 出，除蒸馏水，所有 防塌剂在 一 定 程 度上都能抑制页岩膨胀。其中以 YH S 一 1的抑制能力 最强。采用超低渗透钻井液体系钻进时，由于钻 井 液 中的特殊 聚合物聚集形成可变型胶束。当钻井 液开始 向页岩渗透时， 一 方面这些 胶束在页岩上迅速铺展 开， 并在孔 喉处 形 成 超低 渗透封 闭膜，阻止钻 井 液进 一 步 渗透 页岩，不与钻井 流体接触，可以避免页岩的水化膨 胀和分散，稳定井壁；另 一 方面，即使有少量流体渗透 进入与页岩接触，由于该体系 良好的页岩抑制性，也不 会 引起页岩的分散 膨 胀。因此，超低渗透钻 井 液可以 有效防止井 壁坍塌 。 2．2 超 低 渗透膜封 堵实验 按可视中压砂床滤失仪测试 方法 进行不同时间 的 滤失实验，随后考 察清水的漏失情况 。具体实 验过 程 为首先在砂床上加上钻井 液，在压力 为0 ．7MPa条件 下分别渗透2 ．5min、5min和10min后，停止加压；将 钻 井 液缓 慢 倒入 4 00mL 清水，重新 加压到0 ．7MPa，考 察清水的漏 失情况。本实验所 用 基浆是 密度为 1．028 g／ cm 。 的膨润土浆，实验用砂粒径为20 40目。 从 结果 可以看 出，分别 加入 2．0％的YH S 一 1和 YH S 一 2的基浆，在分别滤失2．5r nin和5min后，清水 在10mi n内仅出现缓慢滴水，未 出现大量漏 失；在滤失 10min后，Y H S 一 1体系 在20min 内 未 出现滴 液，而 D 5 D 50 5 O 5 0 5 O 54 4 33 22 l l O 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 438石油学报 2009年 第3 卷 YHS 一 2体系 出现缓慢滴液，但仍未 出现大量 漏失；在 滤失30r ain后，清水在30rain内仍 然以滴水 形式滤 出。对于国外产 品FLC2000体系而言 ，在同等加量条 件下 ，钻井液体系 的封堵 能 力 与国内的YHS 一 1体 系 相当。 超低渗透钻 井 液 在 砂层 表面形成了致 密的封 闭 膜，能够封堵住清水漏失；封闭膜在几分钟时间内就可 以形成，这可以阻止大部分滤液和 固相颗粒侵入地层。 为了与其他处理剂进行对比，选择了铵盐 、树脂、聚合 醇和纤维素类等常用 处理剂进行实 验 ，它们在进行中 压砂床滤失实验时瞬间完全漏失，不能形成封闭膜，因 此 不能有效封堵清水侵入 。按照超低渗透钻井液聚合 物胶束封 闭膜作用理论，压力越大，胶束被压缩，超低 渗透钻井液滤失量或侵入深度应 越小。因此，在不同 压力下，用改型高温高压滤 失仪测定 15 。C 、16h静止 老化后钻井液的高温砂 层滤失实 验。该实 验温度为 120℃，砂子粒径为4 0 60目，砂子用量为100g，设 定 实验时间为30m in，实验结果如表3所示 。 表3不同压力下高温砂层滤失实验结果 Table3Experim entresultsofhi曲temperatures andlayerfi ltrationunderdi fferentpres sure 由表3可知 ，超低渗透钻井液封 闭膜具有压缩 性， 压力越大，封闭膜越致 密，封闭效果越好，且新研制产 品的封 闭膜压缩性、致 密性比F LC2000好。封闭膜可 压缩性强，致密，阻缓压力传递能力强。同样，其他处 理剂树脂、沥青、堵漏 剂等大 都压力瞬间穿透，完全 漏失，只有 一 种堵漏剂 一 SD 一 802没有完全 漏失，但滤 失量随压力增大而增大，其效果远小于 Y H S 一 1 。 2．3阻缓压力传递性 能 使用 的岩样为人工压制页岩岩心 ，其气体渗透率 为2 ．77 “m 。 ，属于高渗透岩心。其实验步骤为①地 层水饱和平衡 岩样，恢复岩样原始地层含水状 态；②在 地层水 一 岩样 一 地 层水作用条件下测定泥页岩的渗透 率；③分别配制超低渗透处理剂 的水溶液，进行压力传 递实验。实验结果如图5所示。 时间／10 。 min 图5超低渗透钻井液体系的压力传递 测试 F i g ．5Pressuretransmissionresults ofultra low perm eabl edri l lingflui ds 在孑L和缝 发育的泥岩岩心中，地层水的原始渗透 率为0 ．9910 一 肚m 。 ，经过Y H S 一 1和FLC2000超低 渗透钻井液体系处理后，其渗透率 分别降至 0．277 10 1 gm 。 和0 ．3 1910 ～ 肚m 。 ，而且YH S 一 1体系的降 低幅度比相 应 的FL C2000体系高很多。从图5可以 看出，在20mi n内，其下游压力迅速下降至0．46MPa。 这表明，刚开始时，钻井液具有诱导井壁内部孔 隙流体 向井 内流动的趋势，这 是 一 种 渗透诱导 性行为。其阻 止流体向地层内渗透的作用非常明显，渗透率降低了 将近70％ ，因此，这种钻井 液 能有效阻止滤 液的渗透 和地层压力的传递，从而防止水敏性地层水 化 膨胀的 发生以及裂 缝 性地层局部 水 化应力过大的问 题 E钆” 。 ⋯ 。 3 超低渗透钻井液防漏作用 机理 井漏是钻井过程中常见 的井下复杂情况 之 一 ，提 高地层 承压能力是解 决 井 漏问 题 的主 要 手 段 14“ “川 。 超低渗透钻井液 防漏技 术 能有 效 提高地层 承压能力， 保证钻井顺利安全。实验用仪器为多功能岩心流动实 验仪。在 长为7 ．5cm ，内径为2．0cm，外径为2．5CI T I 的岩心筒中加入适量 的40 60目砂粒，在6．9MPa压 力下压制5r ain。 在常温下进行 动态滤失，压差为3 ．5 MPa，围压为 5 M Pa，滤失时间为3 0min，转速为500r／ min 。 实验发 现基浆本身的承压 强度 为3 ．5 1MPa，加入 2．0％ FLC2000后，其承压强度 提高到9．60MPa 。在 基浆 中加入2 ．0％ Y HS 一 1后，其承压强度超过 了12．0 第 3期 薛玉志等 超低渗透钻井 液稳定井 壁的作用 机理研究 4 3 9 MP a 。因此， 超低渗透钻井液能大幅度提高岩心的承 压强 度 ， 防 止 钻 井 液 漏 失 ， 且 YHS 一 1承 压 能 力 优 于 FLC2 00 0。 因此 YHS 一 1 通过 在 井 壁 表 面形 成 超 低 渗 透 膜 及 在 进入 地层 浅层 的孔喉 通道 后迅 速形 成凝 胶状 的封 堵 膜 薄层 ， 形成 渗透 率为零 的封 堵层 ， 大 幅度 提高 了岩 心 承压能 力 。 聚合 物胶束 在 弱胶 结地层 原生 裂缝 处形 成一 个屏 障 ， 当摩擦 力 大于井 眼压 力 时 ， 薄 片 吸 入液 体 后 膨 胀 ， 在 漏失处 锁 住 堵 漏 材 料 。该 体 系 具 有 很 强 的 封 堵 性 能 ， 可以将 过平衡 压 力 降 低 到零 ， 减缓 压 力 传 递 ， 有 效 封堵地层 ， 而钻具不会 由于过 平衡压力冲蚀井壁造成 井壁 坍塌 和钻井 液 严重漏 失l_ 1 州。 4 结 论 1 超 低 渗 透 钻 井 液 主 要 利 用 特 殊 胶 束 聚 合 物 YHS 一 1 ， 在井壁岩石表面快速浓集形成胶束 ， 依靠聚合 物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性 ， 能 自适应封闭 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 闭薄 膜 。 2 超 低 渗透钻 井液 通过超 低 渗 透封 闭 薄层 有 效 封闭渗 透性 地层 和微 裂 缝 泥 页 岩地 层 ， 实 现 接 近 零 滤 失钻井 ； 其封 闭层 位 于岩 石 表 面 ， 易 于 清 除 ， 可 显 著减 小钻井 液对储 层 的损 害 ， 有 利于保 护油 气层 。 3 当超低 渗 透 钻井 液 开始 向 页岩 地 层 渗 透 时 ， 在孔喉 处形成 的超 低 渗 透封 闭膜 ， 能 够 减 缓 或 阻 止滤 液侵入引起的水化膨胀和分散； 另一方面， 该体系本身 具有 良好 的页岩抑 制性 ， 即使 少量 进 入 也 不 会 引起 页 岩的严 重分散 膨胀 ， 有助 于井 壁稳 定 。 4 超低渗透钻井液 能够提高地层承压能力 ， 减 缓 压 力 传 递 和 滤 液 侵 入 ， 从 而 有 效 减 少 井 漏 事 故 的 发生 。 [ 1 ] E 2 ] 参 考 文 献 鄢捷年 ． 钻井液工艺学[ M] ． 东营 石油大学出版社 ， 2 1 0 1 1 8 - 2 4 ． Ya h J i e n i a n ． Te c h n i q u e s o f d r i l l i n g f l u id [ M] ． Do n g y i n g P r e s s o f t h e Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Ch i n a， 2 0 0 1 1 8 - 2 4 ． 邱正松 ， 徐加放 ， 吕开河 ， 等． “ 多元 协同” 稳定井壁新理 论[ J ] ． 石 油学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 1 7 1 1 9 ． Qi u Zh e n g s o n g， Xu j i a f a ng， Ln Ka i h e， e t a 1 ． A mu l t i v a r i a t e c o o p e r a t io n p r i n c i p l e f o r we l l～ b o r e s t a b mz a t i 0 n [ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 7， 2 8 2 1 1 7 1 1 9 ． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 3 [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] 徐加放 ， 邱正松 ， 吕开河． 泥页岩 水化一 力学耦合模 拟实验装 置与 压力传递实验新技术E J ] ． 石油学报， 2 0 0 5， 2 6 6 1 1 5 - 1 1 8 ． Xu J i a f a ng， Qi u Zh e n gs o n g， L0 Ka i h e ． P r e s s u r e t r a n s mi s s i o n t e s t i n g t e c h n o l o g y a nd s i m u l a t i o n e q u i pme nt f o r h y d r a me c h a n i c s c o u p l i n g o f s h a l e [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 5 ， 2 6 6 1 I 5 - 1 I 8 ． S a n t o s H， Ol a ya J ． No da ma g e d r il l i n g Ho w t o a c h i e v e t h i s c t a l l e n g i n g g o a l [ R ] ． S P E 7 7 1 8 9 ， 2 0 0 2 ． 蓝强， 邱正松 ， 王毅． 硅酸盐钻井液 防塌 机理研究[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 7， 2 8 5 1 3 3 1 3 8 ． La n Qt a ng， Qi u Zh e n g s o n g． Wa n g Yi ． Th e a n t i c o l l a p s e me c h a n i s ms s t u d y o f s i l i c a t e d r il l i n g f l u i d s [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 7， 2 8 5 I 3 3 一 I 3 8 ． La b e ns k i F， Re i d P， S a n t o s H． Dr i l l i n g f l u i d s a p p r o a c h e s f o r c o n t r o I o f we l l b o r e i n s t a b i l i t y i n f r a c t u r e d f o r ma t i o n s [ R] ．S P E 8 5 3 0 4， 2 0 0 3 ． Ga l l a n t C， Zh a ng J G ， W o 1 f C A W e