砂心試片評價鉆井液性能的方法

趙修太 李海濤 任 熵 龍秋蓮 張 靜

（1.中國石油大學（華東），山東 青島 266555；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

砂心試片評價鉆井液性能的方法

趙修太1李海濤1任 熵1龍秋蓮2張 靜1

（1.中國石油大學（華東），山東 青島 266555；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

鉆井液性能的好壞直接影響鉆井質(zhì)量，為了更全面深入地評價鉆井液性能，采用砂心試片作為滲漏介質(zhì)，測定鉆井液滲濾性能，建立砂心試片評價鉆井液性能的方法，此法較傳統(tǒng)的滲漏介質(zhì)濾紙對地層模擬更為逼真。通過對試片表面或斷面的圖像采集，可以分析鉆井液處理劑微觀作用機理。同時可以評價出試片返排后滲透性恢復(fù)值，提高測試儀器的利用率。以成膜鉆井液為例，考察砂心試片評價鉆井液性能方法的可行性。實驗結(jié)果表明，該方法可以更好地模擬地層情況，并且操作簡單方便，科學實用，可為有關(guān)科研和生產(chǎn)提供一種新評價手段。

砂心試片；圖像采集；濾失量；評價方法

鉆井過程中井壁對鉆井液的濾失，是對鉆進過程的重要評價。濾失量是評價鉆井液性能最基本也是最重要的指標之一，其測量的準確與否直接影響鉆井質(zhì)量的好壞［1］。幾十年來，濾紙一直是測量鉆井液濾失量的滲漏介質(zhì)。但是，濾紙的孔隙是均質(zhì)的，而地層孔隙是非均質(zhì)的，并且對于地層巖石的吸附性、潤濕性及帶電性，濾紙也無法給出準確的模擬。所以，這種鉆井液濾失量的測量方法不能準確反映地層的實際情況，研究一種既可以模擬地層、又簡單實用的評價方法是很有必要的。

1 鉆井液砂心試片評價方法

目前常用砂床或砂心濾失儀測定鉆井液性能，通過在濾失儀中充填一定目數(shù)的砂子或夾持巖心來實現(xiàn)的。這類濾失儀或多或少都存在一定的不足，有的只能定性評價（注射器與試管測試法［2］），有的不能進行返排實驗，測試指標單一（FA型濾失儀測定法［3］），還有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對巖心加圍壓（巖心濾失法［4］）。并且，它們都不能從微觀上對鉆井液處理劑作用機理進行分析。

砂心試片評價方法是一種操作簡單、方便的鉆井液性能評價方法。它不僅可以較好地模擬地層，提高測試精度，而且可以通過圖像采集對鉆井液處理劑作用機理進行分析，同時可以評價鉆井液返排解堵效果。

1.1 砂心試片的制備

將清洗后的石英砂、河砂或海砂篩分，取一定目數(shù)的砂子與膠結(jié)劑按一定比例混合，攪拌均勻成砂漿料，在壓片裝置上將砂漿料與環(huán)形墊圈壓制成一體，壓片機壓力控制在10～20 MPa，保持壓力5～10 min。泄壓，推出成型的砂心試片，在60～80℃下放置4～10 h，制成人工砂心試片，或者采用天然巖心切片，通過膠結(jié)劑與環(huán)形墊圈膠結(jié)成一體結(jié)構(gòu)。砂心試片的厚度及所選砂子粒徑可根據(jù)具體情況而定。

合格的砂心試片是成功進行評價的關(guān)鍵。在壓制砂心試片過程中，如果膠量過多，會堵塞孔喉，影響后期的評價結(jié)果；如果膠量過少，強度可能不夠。固化劑用量過多時，容易造成烘干過程中固化劑析出，使得試片表面泛白，甚至堵塞孔喉；固化劑用量過少時，影響膠結(jié)強度。此外，拌砂過程中混砂不均，容易造成試片局部膠量過多，影響評價。需要注意的是，在壓制一定厚度的砂心試片時，不同粒徑的砂子所需膠量是不同的。一般粒徑越大，比表面面積越小，接觸的面積也越小，所需膠量越少；粒徑越小，比表面積越大，所需膠量也越多。因此，在評價過程中要選擇膠量適中、孔隙性好的砂心試片。

1.2 鉆井液性能測試評價過程

1）用10～300倍數(shù)字顯微鏡對砂心試片表面進行圖像采集，用于分析其表面結(jié)構(gòu)及孔徑分布。

2）砂心試片安裝在濾失儀內(nèi)，鉆井液筒加入鉆井液，將鉆井液筒的凹形端蓋擰緊后開始加壓，加到所需壓力后計時，測定在規(guī)定時間內(nèi)的鉆井液濾失量。

3）另取一組相應(yīng)粒徑的砂心試片做空白實驗，按步驟2的方法用清水或基漿代替鉆井液進行測定。滲透率高的砂心試片采用基漿測定，滲透率低的砂心試片采用清水測定。

4）取出砂心試片，對其表面清洗后再在數(shù)字顯微鏡下進行圖像采集，采集的圖像與步驟1實驗前的圖像做對比，用以分析鉆井液處理劑作用機理。

5）在鉆井液筒中加入清水，并將砂心試片按步驟2中的方向相反放置，即翻轉(zhuǎn)放置，加壓對砂心試片進行反沖洗。取出反沖洗后的砂心試片，進行表面或斷面圖像采集，用于微觀評價反沖洗效果。

6）對反沖洗后的砂心試片重復(fù)步驟3的空白實驗，并將空白實驗結(jié)果與步驟5的結(jié)果做對比，評價其滲透性恢復(fù)情況。

1.3 砂心試片評價方法應(yīng)用

基漿的配制：用二級膨潤土配成4%的土漿，并加入膨潤土用量的2%的Na2CO3，熟化24 h以上。

成膜鉆井液的配制：按基漿量的3%加入成膜劑配制成鉆井液。

砂心試片規(guī)格：厚度為9 mm，砂子粒徑40～60目，80～100目，100～120目。

鉆井液成膜的最終目的是使鉆井液具有半透膜的性能或在井壁上形成一層致密的隔離膜，從而有效地防止地層水化膨脹，封堵地層裂隙，防止井壁坍塌，保護油氣層［5］。筆者以砂心試片為滲濾介質(zhì)，通過成膜鉆井液濾失與恢復(fù)性能的測定，對成膜鉆井液性能及作用機理進行評價。

1.3.1 空白砂心試片圖像采集

空白砂心試片圖像采集如圖1所示。

圖1 空白砂心試片表面

1.3.2 濾失性能測試與圖像采集

考察成膜鉆井液在不同粒徑砂心試片的濾失性能，采集的圖像見圖2。

圖2 基漿的砂心試片表面

圖3 成膜鉆井液的砂心試片表面

從圖2可以看出，基漿對砂心試片表面不能形成有效的封堵，鉆井液侵入較深，因此濾失量較大。從圖3可以看出，40～60目砂心試片由于自身孔喉尺寸較大，在壓差作用下，成膜劑在試片表面大孔喉處容易形成漏失，無法形成完整封堵性好的屏蔽膜；在80～100目、100～120目砂心試片表面，成膜劑在試片表面吸附聚集形成屏蔽膜，成膜致密均勻，封堵性較好，有效減少鉆井液侵入試片深部。通過數(shù)字顯微鏡，可以直觀地觀察到鉆井液處理劑對不同大小孔喉結(jié)構(gòu)的影響，便于從機理上分析作用機理，這是濾紙所不能達到的。

1.3.3 返排恢復(fù)測試結(jié)果

返排恢復(fù)是衡量處理劑等對地層傷害程度的標準，也是對其解堵性能的判斷，返排后用基漿測試，如果濾失量與空白值越接近，說明解堵效果越好，對地層傷害越小。圖4是返排后砂心試片的恢復(fù)情況圖片。從圖4試片表面結(jié)構(gòu)可以看出，成膜劑對砂心試片孔道的堵塞已經(jīng)解開，無明顯殘留，對試片的傷害性小，與實驗測試結(jié)果相符。

圖4 反沖洗后砂心試片表面

1.3.4 實驗數(shù)據(jù)匯總

對實驗過程中測定的成膜鉆井液性能數(shù)據(jù)匯總處理，結(jié)果見表1。

表1 砂心試片評價成膜鉆井液性能

從表1可以看出，成膜劑加入對不同粒徑的砂心試片具有一定的適應(yīng)性，基漿降濾失效果明顯，隨著砂子粒徑的減小，濾失量減小，并且成膜鉆井液解堵恢復(fù)性高，恢復(fù)值在95%以上。

2 結(jié)論

1）砂心試片評價方法克服了傳統(tǒng)評價方法的缺點，可以更好地模擬地層情況，提供了一個更接近實際鉆井液濾失量的測量方法。

2）相比加圍壓密封，砂心試片采用墊圈密封，結(jié)構(gòu)簡單，操作也更為方便。

3）砂心試片評價方法通過試片表面顯微成像，從微觀對鉆井液處理劑進行機理分析，如鉆井液鑲嵌劑、成膜劑等處理劑對地層保護機理進行分析。

4）砂心試片評價方法考察成膜鉆井液性能及對試片孔隙結(jié)構(gòu)影響實驗，證明了該評價方法的科學性、可靠性和實用性，為鉆井液、完井液對油氣層傷害與保護的理論評價和試驗評價提供了新的方法。

［1］王中華.鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.斷塊油氣田，2004，11（5）：59-62. Wang Zhonghua.Present situation and development of drilling fluid technology［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2004，11（5）：59-62.

［2］羅向東，陶衛(wèi)民，劉鵬，等.無滲透無侵害鉆井液及其滲濾性能評價方法的探討［J］.鉆井液與完井液，2005，22（1）：5-8. Luo Xiangdong，Tao Weimin，Liu Peng，et al.The non-filtration，noninvasive drilling fluid and the infiltration evaluation method［J］. Drilling Fluid&Completion Fluid，2005，22（1）：5-8.

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Evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece

Zhao Xiutai1Li Haitao1Ren Shang1Long Qiulian2Zhang Jing1
(1.China University of Petroleum,Qingdao 266555,China;2.Research Institute of Exploration and Development,SINOPEC, Beijing 100083,China)

Drilling fluid properties have a direct impact on the drilling quality during drilling operation.In order to evaluate drilling fluid properties further,this paper adopts the sand core test piece as the leakage medium to determine the infiltration performance of drilling fluid and to establish the evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece.The method is more lifelike than the traditional stratigraphic simulation with leakage medium(filter paper).The microscopic action mechanism of drilling fluid additives is analyzed by the image acquisition of the surface or cross section of test piece.At the same time,the permeability recovery value of sand core test piece can be appraised after reverse discharging,thus raising the utilization ratio of test instrument. Taking the membrane-forming drilling fluid as an example,the feasibility of evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece is investigated in this paper.The experimental results show that the method can simulate the strata well,and it is simple and convenient,scientific and practical,which can provide a new evaluation way for relevant scientific research and production.

sand core test piece;image acquisition;filter loss;evaluation method

國家重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（20082X05002）

TE254+.1

：A

1005-8907（2011）02-251-03

2010-08-17；改回日期：2011-01-17。

趙修太，男，教授，主要從事油田化學方向的研究工作。E-mail：zxt1667@126.com。

（編輯趙衛(wèi)紅）

趙修太，李海濤，任熵，等.砂心試片評價鉆井液性能的方法［J］.斷塊油氣田，2011，18（2）：251-253. Zhao Xiutai，Li Haitao，Ren Shang，et al.Evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2011，18（2）：251-253.