CN115683969A - 一种模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法。其包括选择螺纹杯盖式渗透性封堵仪作为试验设备；注入待测试钻井液；温度升至目标温度；进行变压循环试验；用蒸馏水进行滤失实验；获得泥饼平均厚度及直径，并计算泥饼面积、测试滤液吸光度；观察泥饼和陶瓷盘；评价待测试钻井液封堵性能等步骤；本发明效果：全部实验时间约为3h，设备及其配件目前在国内易于购置，如现场配备了氮气瓶，即可实现在井场的应用，因此是一种快捷评价方法。本方法模拟了井筒波动压力下钻井液形成泥饼的情况，并以此分析钻井液固相、液相对储层的伤害程度，提出钻井液油保性能优化建议，对钻井液油气层保护性能的提升具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于石油与天然气开发过程中钻井液技术领域，特别是涉及一种模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法。
背景技术
砂岩储层保护技术的研究是围绕“架桥封堵”、“模糊封堵”而开展，关注静态下的“理想”致密屏蔽带(即内外泥饼)的形成，评价固相和液相向储层的侵入程度。
但钻井过程中，泥饼是在动态条件下形成的。钻井液粘切引起的压力变化、接单根钻杆、起下钻引起的波动压力均会影响泥饼的质量，进而影响储层保护效果。因此仅关注于静态“致密”尚且不足，更应关注的是动态下高质量泥饼的形成。
目前砂岩储层伤害程度评价方法较为常见的评价方法为岩心流动实验和可视中压砂床滤失量评价实验，在数据及时性、准确性、可对比性以及模拟状态合理性方面存在诸多不足。
岩心流动试验依据标准《SY/T 6540-2002钻井液完井液损害油层室内评价方法》进行，在实验介质方面，涉及的岩心存在“地层岩心”、“露头岩心”、“人造岩心”等差异；涉及的饱和流体存在“地层水”、“模拟地层水”、“标准盐水”等差异；涉及的驱替流体存在油品品质选择的差异。这些差异均使得实验结果仅能作为钻井液油气层保护技术实施前后对比结果，而不能作为某一类钻井液油气层保护性能的评价指标。在实验模拟状态方面，实验过程中仅对损害过程模拟了钻井液循环状态下对岩心的污染，并未进行压力波动模拟，其它实验过程均在静态下完成，对钻井液在井筒中的状态模拟存在不足。在实验时间方面，该实验的周期较长，及时性差，从而失去了评价的意义。可视中压砂床滤失量评价实验是一种钻井液封堵性能评价的常用方法，在多项标准中有使用该方法。但就实验条件而言，一方面中压0.69MPa与实钻压差存在较大差异，另一方面恒定压力并没有模拟压力波动带来的影响；就实验介质而言，石英砂并非标准实验介质，其砂粒粒度分布、砂粒形态会造成实验重复性差。
为了准确快速评价砂岩储层钻井液保护性能优劣，指导后期油保技术的选择和优化，建立一种新的动态评价方法十分必要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法。
为了达到上述目的，本发明提供的模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)选择螺纹杯盖式渗透性封堵仪作为试验设备，其中的过滤介质选用陶瓷盘；
2)将待测试钻井液注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，并安装好陶瓷盘；
3)将螺纹杯盖式渗透性封堵仪的温度升至目标温度；
4)使用液压泵给螺纹杯盖式渗透性封堵仪加压，加压时间控制在1min之内，直至达到第一目标压力P1并保持时间t1；然后迅速降压至第二目标压力P2并保持时间t2；之后再次升压至第三目标压力P3并保持时间t3，至此完成一次变压循环试验，留取滤液并计量其数量作为滤失量；
5)重复步骤4)进行N次变压循环试验；
6)将螺纹杯盖式渗透性封堵仪降温，然后将陶瓷盘和粘附在陶瓷盘上的泥饼一起整体取出，倒掉钻井液；
7)将蒸馏水注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，再将取出的陶瓷盘和泥饼重新放入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，然后，升温至目标温度后，进行实验压差Δp为0.7MPa下的滤失实验，滤失时间为30min，每隔2分钟测定一次单位时间内蒸馏水的滤失体积q，单位cm3/s；
8)滤失实验后，取出陶瓷盘和泥饼并分离，用直尺测量泥饼的厚度和直径，获得平均厚度H及平均直径，并计算出泥饼面积A；同时选择30mm比色皿使用可见光分光光度计在680nm波长下测试步骤4)至步骤5)留取的滤液吸光度；
9)观察泥饼表面是否有明显凹陷，如有明显凹陷，表明待测试钻井液在变压过程中存在抗压薄弱环节，需在粘附性方面进行改进；观察泥饼厚度，如视觉可见明显的虚厚层，表观显示为果冻状可晃动态，表明待测试钻井液在粒度分布方面需要进行优化；
10)借助工具将陶瓷盘剖开，使用20倍以上的放大镜观察待测试钻井液固相在陶瓷盘中是否产生架桥情况，如有，表明陶瓷盘受到待测试钻井液的侵入，然后利用步骤7)和8)获得的单位时间内蒸馏水的滤失体积q、泥饼的平均厚度H、蒸馏水在目标温度下的粘度μ、泥饼面积A和实验压差Δp计算出泥饼渗透率K，以判断侵入程度；
11)若某次变压循环过程获得的滤失量和滤液吸光度激增，表明该次变压循环过程中泥饼被突破；
12)将N次变压循环过程获得的滤液合并而获得混合滤液，并测定混合滤液吸光度和总滤失量；混合滤液吸光度越高，则钻井液固相含量越高，表明钻井液固相侵入储层而对储层造成的损害越大；总滤失量越大，则钻井液液相侵入储层越多，如遇敏感性储层，则引发水敏、盐敏、碱敏的几率增大；如遇低渗特低渗储层，则水锁伤害几率增大。
在步骤1)中，所述过滤介质选用Fann生产的陶瓷盘，该陶瓷盘的孔径分为2.5μm、5μm、10μm、20μm多种。
在步骤3)中，所述目标温度依据井底温度设定，如无明确井底温度，使用低温梯度计算。
在步骤4)中，所述第一目标压力P1为模拟井底压力，其数值为井筒静液柱压力P液与地层孔隙压力PP的差值；
第二目标压力P2是根据井筒静液柱压力P液、地层孔隙压力PP和起钻抽汲压力PSW1计算而得，单位均为MPa，其表达式为：
P2＝P液-PP-PSW1 (1)
第三目标压力P3是根据井筒静液柱压力P液、地层孔隙压力PP和下钻激动压力PSW2计算而得，单位均为MPa，其表达式为：
P2＝P液-PP+PSW2 (2)
所述时间t1至t3的单位均为min，是根据现场的单根钻杆钻进时间、接单根钻杆起钻时间和接完单根钻杆下放时间而确定的，根据多数储层段钻进情况，三个时间t1至t3的关系为：
t1：t2：t3＝16：3：4 (3)。
在步骤5)中，所述循环试验次数N设定为4次，如单井可能遇到的复杂情况较多，适当增加循环试验次数N。
在步骤10)中，所述利用步骤7)和8)获得的单位时间内蒸馏水的滤失体积q、泥饼的平均厚度H、蒸馏水在目标温度下的粘度μ、泥饼面积A和实验压差Δp计算出泥饼渗透率K的表达式为：
K＝qHμ/(AΔp) (4)
泥饼渗透率K用来表征泥饼的致密程度，当泥饼渗透率K小于等于10-6D时，其中D是单位达西，表明泥饼致密度良好；如果泥饼渗透率K高于10-6D，则需要添加封堵类处理剂，以提高泥饼致密度。
本发明提供的模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法具有如下有益效果：全部实验时间约为3h，设备及其配件目前在国内易于购置，如现场配备了氮气瓶，即可实现在井场的应用，因此是一种快捷评价方法。本方法模拟了井筒波动压力下钻井液形成泥饼的情况，并以此分析钻井液固相、液相对储层的伤害程度，提出钻井液油保性能优化建议，对钻井液油气层保护性能的提升具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例获得的泥饼照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供的模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)选择螺纹杯盖式渗透性封堵仪作为试验设备，其中的过滤介质选用Fann生产的陶瓷盘，该陶瓷盘的孔径分为2.5μm、5μm、10μm、20μm多种；
2)将待测试钻井液注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，并安装好陶瓷盘；
3)将螺纹杯盖式渗透性封堵仪的温度升至目标温度，该目标温度依据井底温度设定，如无明确井底温度，使用低温梯度计算；
4)使用液压泵给螺纹杯盖式渗透性封堵仪加压，加压时间控制在1min之内，直至达到第一目标压力P1并保持时间t1；第一目标压力P1为模拟井底压力，其数值为井筒静液柱压力P液与地层孔隙压力PP的差值；然后迅速降压至第二目标压力P2并保持时间t2；第二目标压力P2是根据井筒静液柱压力P液、地层孔隙压力PP和起钻抽汲压力PSW1计算而得，单位均为MPa，其表达式为：
P2＝P液-PP-PSW1 (1)
之后再次升压至第三目标压力P3并保持时间t3，至此完成一次变压循环试验，留取滤液并计量其数量作为滤失量；第三目标压力P3是根据井筒静液柱压力P液、地层孔隙压力PP和下钻激动压力PSW2计算而得，单位均为MPa，其表达式为：
P2＝P液-PP+PSW2 (2)
所述时间t1至t3的单位均为min，是根据现场的单根钻杆钻进时间、接单根钻杆起钻时间和接完单根钻杆下放时间而确定的，根据多数储层段钻进情况，三个时间t1至t3的关系一般为：
t1：t2：t3＝16：3：4 (3)
5)重复步骤4)进行N次变压循环试验，循环试验次数N一般设定为4次，如单井可能遇到的复杂情况较多，适当增加循环试验次数N；
6)将螺纹杯盖式渗透性封堵仪降温，然后将陶瓷盘和粘附在陶瓷盘上的泥饼一起整体取出，倒掉钻井液；
7)将蒸馏水注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，再将取出的陶瓷盘和泥饼重新放入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，然后，升温至目标温度后，进行实验压差Δp为0.7MPa下的滤失实验，滤失时间为30min，每隔2分钟测定一次单位时间内蒸馏水的滤失体积q(单位cm3/s)；
8)滤失实验后，取出陶瓷盘和泥饼并分离，用直尺测量泥饼的厚度和直径，获得平均厚度H及平均直径，并计算出泥饼面积A；同时选择30mm比色皿使用可见光分光光度计在680nm波长下测试步骤4)至步骤5)留取的滤液吸光度；
9)观察泥饼表面是否有明显凹陷，如有明显凹陷，表明待测试钻井液在变压过程中存在抗压薄弱环节，需在粘附性方面进行改进；观察泥饼厚度，如视觉可见明显的虚厚层，表观显示为果冻状可晃动态，表明待测试钻井液在粒度分布方面需要进行优化；
10)借助工具将陶瓷盘剖开，使用20倍以上的放大镜观察待测试钻井液固相在陶瓷盘中是否产生架桥情况，如有，表明陶瓷盘受到待测试钻井液的侵入，然后利用步骤7)和8)获得的单位时间内蒸馏水的滤失体积q、泥饼的平均厚度H、蒸馏水在目标温度下的粘度μ、泥饼面积A和实验压差Δp计算出泥饼渗透率K，以判断侵入程度；
泥饼渗透率K的表达式为：
K＝qHμ/(AΔp) (4)
泥饼渗透率K用来表征泥饼的致密程度，一般情况下，当泥饼渗透率K小于等于10- 6D时，其中D是单位达西，表明泥饼致密度良好；如果泥饼渗透率K高于10-6D，则需要添加封堵类处理剂，以提高泥饼致密度；
11)若某次变压循环过程获得的滤失量和滤液吸光度激增，表明该次变压循环过程中泥饼被突破；
12)将N次变压循环过程获得的滤液合并而获得混合滤液，并测定混合滤液吸光度和总滤失量；混合滤液吸光度越高，则钻井液固相含量越高，表明钻井液固相侵入储层而对储层造成的损害越大；总滤失量越大，则钻井液液相侵入储层越多，如遇敏感性储层，则引发水敏、盐敏、碱敏的几率增大；如遇低渗特低渗储层，则水锁伤害几率增大。
实施例：
某井测深为2500m，储层钻井液密度为1.25g/cm3，地层孔隙压力为27MPa，起钻抽汲压力为4MPa，下钻激动压力为3.5MPa，单根钻杆钻进时间为32min，使用本发明方法进行钻井液变压差封堵性能评价。
(1)实验参数确定：
①目标温度：以地温梯度3℃/100m、地表温度20℃计算，目标温度为95℃；
②目标压力及加压时间，如表1所示：
表1、目标压力及加压时间
(2)实验过程
将螺纹杯盖式渗透性封堵仪按照GB/T 16783.1-2014相关规定进行安装，在达到目标温度后，使用液压泵加压至4.25MPa的第一目标压力P1，开启上阀杆同时计时，稳定压力16min后迅速降压至0.25MPa的第二目标压力P2，保持3min，之后升压至7.75MPa的第三目标压力P3，保持4min，完成第一次变压循环试验，留取本次变压循环过程的滤液并计量其数量作为滤失量；
按上述方法重复变压循环试验3次，保留好每一次变压循环试验的滤液并计量其数量作为滤失量。
将螺纹杯盖式渗透性封堵仪降温，然后将陶瓷盘和粘附在陶瓷盘上的泥饼一起整体取出，倒掉钻井液；
将蒸馏水注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，再将取出的陶瓷盘和泥饼重新放入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，升温至目标温度后，进行实验压差Δp为0.7MPa下的滤失实验，滤失时间为30min，每隔2分钟测定一次单位时间内蒸馏水的滤失体积q(单位cm3/s)；
滤失实验后，取出陶瓷盘和泥饼并分离，用直尺测量泥饼的厚度和直径，获得平均厚度H和平均直径，并计算出泥饼面积A；同时选择30mm比色皿使用可见光分光光度计在680nm波长下测试上述留取的滤液吸光度；
借助工具将陶瓷盘剖开，使用20倍以上的放大镜观察待测试钻井液固相在陶瓷盘中是否产生架桥情况，然后利用上述获得的单位时间内蒸馏水的滤失体积q、泥饼的平均厚度H、蒸馏水在目标温度下的粘度μ、泥饼面积A和实验压差Δp通过式(4)计算出泥饼渗透率K，以判断侵入程度；
滤失量及滤液吸光度如表2所示。
表2、滤失量及滤液吸光度
根据测试分析要求观察泥饼、测试泥饼渗透率、观察陶瓷盘、观察滤液、读取滤失量、测试滤液吸光度。
①泥饼、陶瓷盘及滤液状态描述
A、泥饼：钻井液形成的泥饼厚约0.3cm，表层有冻状虚厚层且有约1cm直径的凹陷，如图1所示；
B、陶瓷盘：陶瓷盘全部侵入；
C、滤液：第1次变压循环过程的滤液浑浊；第2次变压循环过程的滤液略见清澈；第3次变压循环过程的滤液略显浑浊；第4次变压循环过程的滤液略见清澈。
②评价结论
A、本井钻井液在变压下形成的泥饼质量很差，如本井压力波动频繁，井壁泥饼将出现明显的薄弱带；
B、本井钻井液形成的泥饼渗透率高，可见其致密度较差，不能形成较好封堵；
C、本井钻井液的滤液吸光度较高，且在第三次变压循环过程中泥饼质量急剧恶化，滤液吸光度再次上升，表明由于压力变化，钻井液固相对储层的侵入深度、侵入量明显增加；
D、本井钻井液的滤失量较高，同样在第三次变压循环过程中滤失量激增，表明此刻泥饼质量恶化，大量滤液穿透泥饼，预示着对储层的伤害加剧。
Claims (6)
1.一种模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法，其特征在于：所述的模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)选择螺纹杯盖式渗透性封堵仪作为试验设备，其中的过滤介质选用陶瓷盘；
2)将待测试钻井液注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，并安装好陶瓷盘；
3)将螺纹杯盖式渗透性封堵仪的温度升至目标温度；
4)使用液压泵给螺纹杯盖式渗透性封堵仪加压，加压时间控制在1min之内，直至达到第一目标压力P1并保持时间t1；然后迅速降压至第二目标压力P2并保持时间t2；之后再次升压至第三目标压力P3并保持时间t3，至此完成一次变压循环试验，留取滤液并计量其数量作为滤失量；
5)重复步骤4)进行N次变压循环试验；
6)将螺纹杯盖式渗透性封堵仪降温，然后将陶瓷盘和粘附在陶瓷盘上的泥饼一起整体取出，倒掉钻井液；
7)将蒸馏水注入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，再将取出的陶瓷盘和泥饼重新放入螺纹杯盖式渗透性封堵仪中，然后，升温至目标温度后，进行实验压差Δp为0.7MPa下的滤失实验，滤失时间为30min，每隔2分钟测定一次单位时间内蒸馏水的滤失体积q，单位cm3/s；
8)滤失实验后，取出陶瓷盘和泥饼并分离，用直尺测量泥饼的厚度和直径，获得平均厚度H及平均直径，并计算出泥饼面积A；同时选择30mm比色皿使用可见光分光光度计在680nm波长下测试步骤4)至步骤5)留取的滤液吸光度；
9)观察泥饼表面是否有明显凹陷，如有明显凹陷，表明待测试钻井液在变压过程中存在抗压薄弱环节，需在粘附性方面进行改进；观察泥饼厚度，如视觉可见明显的虚厚层，表观显示为果冻状可晃动态，表明待测试钻井液在粒度分布方面需要进行优化；
10)借助工具将陶瓷盘剖开，使用20倍以上的放大镜观察待测试钻井液固相在陶瓷盘中是否产生架桥情况，如有，表明陶瓷盘受到待测试钻井液的侵入，然后利用步骤7)和8)获得的单位时间内蒸馏水的滤失体积q、泥饼的平均厚度H、蒸馏水在目标温度下的粘度μ、泥饼面积A和实验压差Δp计算出泥饼渗透率K，以判断侵入程度；
11)若某次变压循环过程获得的滤失量和滤液吸光度激增，表明该次变压循环过程中泥饼被突破；
12)将N次变压循环过程获得的滤液合并而获得混合滤液，并测定混合滤液吸光度和总滤失量；混合滤液吸光度越高，则钻井液固相含量越高，表明钻井液固相侵入储层而对储层造成的损害越大；总滤失量越大，则钻井液液相侵入储层越多，如遇敏感性储层，则引发水敏、盐敏、碱敏的几率增大；如遇低渗特低渗储层，则水锁伤害几率增大。
2.根据权利要求1所述模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法，其特征在于：在步骤1)中，所述过滤介质选用Fann生产的陶瓷盘，该陶瓷盘的孔径分为2.5μm、5μm、10μm、20μm多种。
3.根据权利要求1所述模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法，其特征在于：在步骤3)中，所述目标温度依据井底温度设定，如无明确井底温度，使用低温梯度计算。
4.根据权利要求1所述模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法，其特征在于：在步骤4)中，所述第一目标压力P1为模拟井底压力，其数值为井筒静液柱压力P液与地层孔隙压力PP的差值；
第二目标压力P2是根据井筒静液柱压力P液、地层孔隙压力PP和起钻抽汲压力PSW1计算而得，单位均为MPa，其表达式为：
P2＝P液-PP-PSW1 (1)
第三目标压力P3是根据井筒静液柱压力P液、地层孔隙压力PP和下钻激动压力PSW2计算而得，单位均为MPa，其表达式为：
P2＝P液-PP+PSW2 (2)
所述时间t1至t3的单位均为min，是根据现场的单根钻杆钻进时间、接单根钻杆起钻时间和接完单根钻杆下放时间而确定的，根据多数储层段钻进情况，三个时间t1至t3的关系为：
t1：t2：t3＝16：3：4 (3)。
5.根据权利要求1所述模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法，其特征在于：在步骤5)中，所述循环试验次数N设定为4次，如单井可能遇到的复杂情况较多，适当增加循环试验次数N。
6.根据权利要求1所述模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法，其特征在于：在步骤10)中，所述利用步骤7)和8)获得的单位时间内蒸馏水的滤失体积q、泥饼的平均厚度H、蒸馏水在目标温度下的粘度μ、泥饼面积A和实验压差Δp计算出泥饼渗透率K的表达式为：
K＝qHμ/(AΔp) (4)
泥饼渗透率K用来表征泥饼的致密程度，当泥饼渗透率K小于等于10-6D时，其中D是单位达西，表明泥饼致密度良好；如果泥饼渗透率K高于10-6D，则需要添加封堵类处理剂，以提高泥饼致密度。
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|---|---|---|---|
| CN202110836646.3A CN115683969A (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种模拟井筒波动压力的钻井液变压差封堵性能评价方法 |
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| CN (1) | CN115683969A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116256239A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-06-13 | 成都理工大学 | 一种考虑滤失的封堵带承压性能测试可视化装置及方法 |
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2021
- 2021-07-23 CN CN202110836646.3A patent/CN115683969A/zh active Pending
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