鉆井液高溫高壓濾失封堵性新型測(cè)試方法

趙建剛，李梅楠，石凱，孫鵬，許云博，王雪竹，張曉翼，李慧想，鄧都都

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著國(guó)土資源部“三深一土”戰(zhàn)略的大力推進(jìn)，深部資源的勘查開(kāi)發(fā)成為重要的任務(wù)之一。鉆探孔越來(lái)越深，井下溫度和壓力也越來(lái)越高，安全、高效鉆井面臨著井下高溫高壓條件的考驗(yàn)，如何能更好地模擬井下高溫高壓的實(shí)際狀況，更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)鉆井液在高溫高壓條件下的濾失封堵性就顯得尤為重要，這就要求有先進(jìn)的測(cè)試儀器和評(píng)價(jià)方法。本文詳細(xì)地介紹了國(guó)外鉆井承包商目前使用較多的新型高溫高壓濾失封堵性測(cè)試儀器Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀及Fann APPA全自動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀的工作原理、主要技術(shù)性能指標(biāo)，并就其優(yōu)點(diǎn)與以往常規(guī)濾失封堵性測(cè)試方法進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)對(duì)當(dāng)前高溫高壓鉆井液濾失封堵性測(cè)試中遇到的一些主要問(wèn)題進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的處理方法。

1 Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀的工作原理

如圖1所示為美國(guó)Fann儀器公司(Fann Instrument Company)研制的手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀PPA(Permeability Plugging Apparatus)，其外形與以往常規(guī)的高溫高壓濾失儀相似，但兩者的工作模式和技術(shù)參數(shù)有很大不同。

Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀借鑒了常規(guī)500 mL高溫高壓濾失儀的部分設(shè)計(jì)原理并加以改進(jìn)設(shè)計(jì)而成。兩者的根本區(qū)別在于：常規(guī)的高溫高壓濾失儀將過(guò)濾介質(zhì)(如濾紙)放置在泥漿筒的底部，而鉆井泥漿是由許多種起不同作用的添加劑組成的，如為了加重泥漿會(huì)使用固體顆粒的重晶石，為了增強(qiáng)堵漏效果會(huì)加入核桃殼粉未等架橋型材料，這些固體顆粒材料在重力的作用下，會(huì)沉積到過(guò)濾介質(zhì)上，在鉆井液和過(guò)濾介質(zhì)之間會(huì)形成一層厚而且膨松的隔離層，不利于在過(guò)濾介質(zhì)上形成薄而密實(shí)的泥餅，這種情況會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的濾失量偏大。如圖2所示。

圖1 Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀

圖2 泥漿筒中固體顆粒在過(guò)濾介質(zhì)上的沉積過(guò)程

而在鉆井過(guò)程中，對(duì)垂直井壁上的裂縫、孔隙和滲透性地層起封堵作用的是井筒中鉆井液液柱在井壁上形成的泥皮，沉積到底部的固體顆粒對(duì)井壁漏失的封堵不起任何作用，如圖3所示。所以，常規(guī)高溫高壓濾失儀的測(cè)試方式與鉆井過(guò)程的真實(shí)情況有著較大區(qū)別，濾失量的測(cè)試結(jié)果并不能完全真實(shí)地反映鉆井液的實(shí)際情況。

圖3 鉆井液對(duì)漏失地層進(jìn)行失水造壁封堵示意圖

與常規(guī)高溫高壓濾失儀相比，F(xiàn)ann手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀PPA則將過(guò)濾介質(zhì)(如濾紙或巖心濾盤(pán))和回壓接收器放置于泥漿筒的頂部，外部的手動(dòng)液壓泵通過(guò)位于泥漿筒底部的液壓油推動(dòng)位于泥漿筒中的活塞向上運(yùn)動(dòng)，濾液從上部的過(guò)濾介質(zhì)濾出，并在過(guò)濾介質(zhì)上形成起封堵作用的泥餅，如圖4所示。

圖4 Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀工作原理圖

用Fann手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀PPA測(cè)試泥漿的濾失性，可以有效避免常規(guī)高溫高壓濾失儀測(cè)試時(shí)固體顆料沉積物對(duì)濾失量和泥餅狀態(tài)等參數(shù)的影響，測(cè)得的結(jié)果更加符合鉆探的實(shí)際情況。Fann PPA 的泥漿筒、活塞及配套T形工具如圖5所示。

圖5 Fann PPA 泥漿筒、活塞及配套T形工具

例如國(guó)外某家著名的鉆井服務(wù)承包商使用的某個(gè)密度為2.0 g/cm3的水基加重泥漿，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下(溫度150℃、正壓3.45 MPa、回壓0.69 MPa)使用常規(guī)的Fann 71型高溫高壓濾失儀測(cè)試其濾失量為14 mL，而使用Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀在相同條件下測(cè)試的濾失量卻只有9 mL。當(dāng)將其密度進(jìn)一步加大為2.2 g/cm3時(shí)，常規(guī)測(cè)試方法測(cè)試的濾失量為16 mL，用Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀測(cè)試的濾失量為10 mL。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泥漿密度的增加將導(dǎo)致濾失量有上升的趨勢(shì)，使用Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀測(cè)試的濾失量比常規(guī)的測(cè)試方法測(cè)試的濾失量要小，更能真實(shí)地反映鉆井液在實(shí)際狀況下的濾失封堵特性。

Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀最高測(cè)試工作溫度可達(dá)260℃，最高測(cè)試工作壓力可達(dá)35 MPa，從而可以更好地模擬深井中高溫高壓的真實(shí)環(huán)境條件，測(cè)試鉆井液在高溫高壓條件下的濾失封堵特性。Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀使用雙端開(kāi)口的泥漿筒，這樣就可以保證兼容以往常規(guī)高溫高壓濾失儀使用的過(guò)濾介質(zhì)(如濾紙、人造巖心濾盤(pán)、高溫介質(zhì)盤(pán)、高溫玻璃纖維濾網(wǎng)等)。Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀的整體組成如圖6所示。圖中所示的二氧化碳?xì)鈴椨糜谔峁┗貕海部梢酝ㄟ^(guò)使用轉(zhuǎn)換接頭，由氮?dú)馄刻峁┗貕骸?/p>

圖6 Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀整體組成

2 Fann APPA全自動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀的工作原理

Fann公司在手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀PPA的基礎(chǔ)上，研發(fā)了全自動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀APPA(Model 389 AP/MC Automated Permeability Plugging Apparatus)，如圖7所示。

圖7 Fann 389 AP/MC全自動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀APPA

與手動(dòng)的PPA相比，F(xiàn)ann 389 AP/MC 全自動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀APPA自動(dòng)化程度和性能得到了極大提高。首先，壓力的控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，數(shù)字面板設(shè)定壓力，由外部氣源驅(qū)動(dòng)壓力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加到泥漿杯底部活塞上的壓力保持恒定；其次，實(shí)現(xiàn)了濾液的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，并且在常規(guī)的30分鐘實(shí)驗(yàn)之后，還可以繼續(xù)自動(dòng)實(shí)驗(yàn)16個(gè)小時(shí)，以評(píng)價(jià)后期濾失特性及形成的泥餅的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)后還可以進(jìn)行自動(dòng)清洗，省時(shí)省力；另外，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的自動(dòng)化，包括實(shí)驗(yàn)溫度、壓力、濾失量等參數(shù)隨時(shí)自動(dòng)測(cè)試、記錄和存儲(chǔ)，并可以形成曲線、圖表發(fā)往外部網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)。Fann APPA工作的最高溫度和壓力與Fann PPA基本相同，但其自動(dòng)化程度和易用性方面有了質(zhì)的提高。

3 當(dāng)前高溫高壓鉆井液濾失封堵性測(cè)試中遇到的一些主要問(wèn)題及解決辦法

由于生產(chǎn)高溫高壓鉆井液濾失封堵性測(cè)試儀器的廠家眾多，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣不等，再加上實(shí)驗(yàn)人員的測(cè)試程序方法不同，常常導(dǎo)致質(zhì)檢中心與各種助劑生產(chǎn)廠家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果有著較大的區(qū)別，進(jìn)而形成產(chǎn)品是否合格的爭(zhēng)議，常見(jiàn)的原因及解決辦法主要有：

(1)選擇正確的過(guò)濾介質(zhì)

濾失性實(shí)驗(yàn)對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的要求較高，以常用的濾紙為例，濾紙的均勻度、致密度、厚度、抗拉強(qiáng)度、耐溫特性、一致性等都會(huì)對(duì)濾失量的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不容忽視的影響。如Fann公司的進(jìn)口濾紙韌性好、孔徑特別均勻，試驗(yàn)平行性好，耐溫特性好，實(shí)驗(yàn)時(shí)不易被壓穿。而有些廠家生產(chǎn)的濾紙薄而且不均勻，導(dǎo)致試驗(yàn)平行性不好；耐溫性較差，濾紙韌性差，實(shí)驗(yàn)時(shí)極容易被壓穿而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。所以，建議選用質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的廠家生產(chǎn)的專用濾紙、巖心濾盤(pán)、高溫介質(zhì)盤(pán)、玻璃纖維濾紙等產(chǎn)品。

(2)選用專用的抗高溫過(guò)濾介質(zhì)

在做高溫濾失性試驗(yàn)時(shí)，一般的濾紙超過(guò)160℃時(shí)將會(huì)由于高溫的作用發(fā)生碳化，常會(huì)壓穿濾紙導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。有些實(shí)驗(yàn)人員采有變通的辦法，使用兩層或多層高溫高壓濾紙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然可以減少濾紙被壓穿的機(jī)率，但測(cè)得的數(shù)據(jù)與單層濾紙測(cè)得的數(shù)據(jù)有較大區(qū)別，測(cè)試結(jié)果并不完全真實(shí)可靠。要解決此問(wèn)題，可以選用耐高溫的玻璃纖維濾網(wǎng)或不銹鋼高溫介質(zhì)盤(pán)(耐溫可達(dá)300℃)作為過(guò)濾介質(zhì)。還有一種辦法，就是根據(jù)需要模擬的地層的滲透率，選用與之相匹配的人造巖心濾盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)。

(3)設(shè)定相同的溫度和壓力進(jìn)行平行性實(shí)驗(yàn)

溫度和壓力對(duì)于高溫高壓濾失性的測(cè)試結(jié)果影響較大，即使是同一個(gè)實(shí)驗(yàn)人員使用同一臺(tái)高溫高壓濾失儀，其控制的溫度和壓力每次也不完全相同，這就導(dǎo)致了測(cè)試結(jié)果的平行性不好。要解決此問(wèn)題，可以選用四聯(lián)高溫高壓濾失儀進(jìn)行測(cè)試。由于其正壓和回壓由同一套壓力管匯分別進(jìn)行控制，四個(gè)樣品的正壓和回壓可以達(dá)到完全一致，平行樣品測(cè)試結(jié)果的平行性和對(duì)比性得到了極大提高。

(4)使用更先進(jìn)的測(cè)試儀器

使用Fann PPA手動(dòng)濾失封堵測(cè)試儀之類的先進(jìn)儀器，測(cè)試鉆井液的濾失量可得到更加科學(xué)、合理、準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，能更真實(shí)地模擬鉆井液在實(shí)際狀態(tài)下的濾失特性。

4 結(jié)論

鉆井液在高溫高壓環(huán)境下的濾失特性對(duì)于深井、超深井的安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆進(jìn)具有極其重要的作用，選擇更加先進(jìn)的Fann PPA或APPA濾失封堵測(cè)試儀測(cè)試，可以得到更加符合井下高溫高壓環(huán)境條件的測(cè)試結(jié)果；同時(shí)，選擇合適的過(guò)濾介質(zhì)和測(cè)試條件，有利于實(shí)驗(yàn)順利完成，提高實(shí)驗(yàn)的平行性和重復(fù)性，減少由于測(cè)試結(jié)果有差異而引發(fā)的諸如產(chǎn)品質(zhì)量是否合格等方面的爭(zhēng)議。

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