破碎性地层井壁稳定评价方法

本文摘要：（由ai生成）

本文综述了井壁稳定评价方法，包括高温高压滤失量测定、API失水实验等，以及钻井液性能的研究。通过线性膨胀、三轴应力防塌实验、扫描电镜观察等方法，评估了钻井液的封堵性能和岩石结构。中国石油川庆、康菲等公司研发了测试装置，游利军等通过摩擦系数测试发现水基钻井液有利井壁稳定。梁利喜等发明了评价钻井液固壁能力的方法。这些研究对钻井液性能优化和安全钻井工程设计具重要意义。

目前已形成了多种多样的井壁稳定评价方法，主要包括：高温高压滤失量测定、API失水实验、扫描电镜观察法、压力传递实验、砂床滤失量实验、线性膨胀实验、三轴压缩实验、CT扫描、矿物组分分析等等，这些方法可在一定程度上评价钻井液封堵性能、岩石微观结构、黏土含量、力学强度等。

图7  鹰1井深部泥岩线性膨胀率试验结果

林永学等（2019）选用鹰1井志留系柯坪塔格组和奥陶系桑塔木组地层岩样，采用滚动分散回收试验和线性膨胀试验评价SMHP-1钻井液的抑制性能，不同体系钻井液作用下，岩石线性膨胀率实验结果如图7所示，岩样在SMHP-1钻井液和油基钻井液中的线性膨胀率仅为3%左右，表明钻井液具有良好的抑制泥岩水化膨胀的性能。

由于滤纸孔径较大，难以评价微纳米级孔隙发育地层的封堵性能，马天寿等（2015）研制了新型压力传递装置，如图8所示，在岩心上下端面分别设置为钻井液滤液和地层，在水里压差作用下，开展岩样中压力传递测试实验。

图8  新型压力传递装置照片

图9  三轴压缩实验装置

林永学等（1999）开展三轴应力防塌实验，即在岩样承受流体浸泡和冲蚀的同时，施加轴向及围向压力，以测试岩样的破坏方式和程度，研究了泥页岩在不同轴围压、不同流速和不同流体条件下的失稳破坏特点与方式，单纯要求滤失量小或滚动回收率高都不能作为选择防塌体系的依据，只能使二者均合适才能使体系合理。

对岩石微纳米结构的研究方法主要有三种，①显微镜观察法，通过偏光显微镜直接观测岩样新鲜断面来获取内部孔隙分布情况，如扫描电镜、透射电镜等，但是显微观测无法分辨孔径小于5nm的孔隙，仅作为辅助手段；②射线散射、波动传播法，能够测定岩石内部微观孔隙结构与孔径分布，如小角X射线散射、小角/超小角中子散射、核磁共振等，但这种方法对设备要求较高，且测试时间长，应用较少；③气体吸附与流体注入法，如低压氮气吸附法、高压压汞法。

图10  S-4800冷场发射扫描电子显微镜

邢晓东等（2017）采用S-4800冷场发射扫描电子显微镜，如图10所示，对岩样的微观形貌进行观察，龙马溪组储层页岩富含有机质，有机质边缘多发育层理和微裂缝，且有机质内部微孔隙、微裂缝发育，主要为纳米级孔隙，有机质孔隙度可达基质的2～10倍，孔径分布在10～900nm之间，有机质孔隙是页岩储集空间的重要组成部分，有机质微裂缝宽度不一，主要分布在0.5～3μm，并且具有连通性好、弯曲程度大等特点。

中国石油川庆钻探公司研发了不同体系钻井液封堵承压能力测试装置，如图11所示，模拟实验装置由岩心夹持系统、油液转换系统以及压力计量与控制系统三部分组成，最高实验压力50MPa，围压最高15MPa，并可实时采集驱替压力实验数据；实验岩样采用厚壁筒试样，如图11所示。

图11  不同体系钻井液封堵承压能力测试装置与厚壁筒岩样

图12  不同体系钻井液驱替过程压力变化

实验首先用地层水饱和厚壁筒，之后在三轴应力下，记录人造岩心破裂及封堵过程中的压力变化，如图12所示，实验结果确定10%碳酸钙（>120目）能实现阻断液柱压力向裂缝的传播，即时封堵地层。

康菲国际石油公司开展了大型立方体试样对不同体系钻井液封堵承压能力试验，如图13所示，试验发现水基和油基泥浆形成裂缝的初始压力是一样的；水基泥浆可自行恢复，形成厚的泥饼，将裂缝末端的流体和压力分隔开来；油基泥浆不具备自行恢复，形成的泥饼很薄；井筒对水基泥浆的承压能力更高。

图13  不同体系钻井液封堵承压能力测试与压力变化曲线

但是该试验费时费力，且花费较高，不方便推广应用；壳牌公司简化了上述试验，加工直径为4in的岩心，岩心夹持器可施加围压和孔隙压力，施加围压和孔隙应力后，注入不同体系钻井液，监测人造岩心破裂及封堵过程中的压力变化，试验装置示意图和实验试样如图14所示。

图14  不同体系钻井液封堵承压能力测试简化装置示意图和实验试样

图15  不同体系钻井液注入压力变化曲线

采用图14所示简化装置，开展封堵效果评价测试，不同体系钻井液注入压力变化曲线如图15所示，从图15（a）发现，岩心破裂后，围压随注入压力同步增大，说明钻井液在裂缝尖端对注入压力无封隔作用；图15（b）可观察到钻井液对注入压力的阻断作用，可实现对裂缝尖端压力的封堵。

如何准确、客观反映钻井液防塌剂的作用效果，为钻井工程提供合理的施工建议，是油气勘探开发过程中面临的一个难题。目前对于分散性及硬脆性地层井壁不稳定，国内外已经研究制定了许多成熟的钻井液防塌性能评价手段，一般通过研究钻井液防塌剂封堵性能，如API滤失量、高温高压失水、对渗透性砂床的侵入深度、砂盘封堵、渗透率测试等实验方法反应钻井液防塌剂的防塌性能，但对强固壁钻井液防塌剂“胶结、固化”的作用特性缺乏针对性，相互之间可比性差，在评价过程中仍具有一定的局限性。破裂面间的摩擦系数，尤其是钻井液浸润下破碎面间静摩擦系数，是影响破碎性地层井壁稳定的关键因素，但目前针对钻井液加固井壁性能评价的已有方法，主要通过评价钻井液的水化抑制性，均未涉及通过测试岩石破碎面间的摩擦系数来优选钻井液。

游利军等（2017）钻取圆柱试样，将圆柱试样沿中线均匀切分为两个圆盘试样，将两岩块抛光面相对上、下放置安装在摩擦系数仪上，利用摩擦系数仪测试两岩块抛光面之间摩擦力随时间的变化曲线，如图16所示，实验发现，油基和水基钻井液均减小了裂缝面摩擦力，但水基降低幅度减小，有利于井壁稳定。

（a）摩擦系数测试试样

（b）不同体系钻井液摩擦系数变化曲线

图16  不同体系钻井液对裂缝面摩擦系数影响

科学、合理地评价钻井液对破碎围岩胶结、固结能力，不仅是钻井液性能优化的重要依据，同时也是安全钻井工程设计尤其是钻井液设计的重要基础，对复杂破碎地层快速、安全钻井技术的建立具有重要意义。受破碎地层钻井取心困难的制约，长期以来，钻井液性能评价主要针对完整地层及部分裂缝发育地层，且对钻井液稳定井壁的性能评价也主要集中在钻井液的抑制性能、封堵性能、流变性能、失水造壁性能，而对钻井液胶结或固结能力的评价较少，至今未见系统的室内评价方法。在提高钻井液抑制、封堵性能的基础上，强化钻井液对井壁破碎围岩的固结能力是最大程度降低、避免破碎性地层井壁失稳垮塌的最为有效技术手段。因此，开发一种针对强固壁钻井液防塌剂的评价方法，对于客观评价防塌剂在破碎性地层的胶结固化效果，研究其作用方式和作用机理，完善现有的井壁稳定理论具有重大意义

图17  钻井液作用后不同法向载荷作用下的抗剪强度测试结果示意图