07非滲透鉆井液作用機理研究

1、非滲透鉆井液作用機理研究薛玉志1 2邱正松*李公讓2劉寶鋒2武學(xué)芹2唐代緒2（1.中國石油大學(xué)（華東），山東東營，257061；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營，257017）摘要 通過對非滲透鉆井液機理研究，非滲透鉆井液處理劑小膠束聚介物在水小形成了球狀膠束，特 殊膠束聚合物水溶液膠束的粒度人小在610"660nm z間，聚合物可以在井壁巖石衣而產(chǎn)生吸附，當(dāng)達到一 定濃度時，可以形成致密的膠束封閉膜。非滲透鉆井液處理劑能形成封閉膜，其壓縮性好；壓差越人，封 閉膜越致密，封閉效果越好。非滲透鉆井液形成的封閉層易于清除，能夠減小對儲層的損害；能大幅提高 巖心的滲透率恢復(fù)值，達

2、到95%以上，有利于保護油氣層。非滲透鉆井液具有較明顯的阻緩壓力傳遞和濾 液侵入作用，在很短的時間內(nèi)鉆井液濾液進入巖心深度達到一個定值且濾液進入巖心深度很淺；能顯著提 高地層承壓能力，冇助于防漏。非滲透鉆井液的機理作用方式：理想充填，多點吸附，快速封堵和聚合物 牘易于變形，多層封閉。主題詞非滲透鉆井液機理防塌防漏汕層保護膠束為了解決多套壓力層系鉆井的復(fù)雜情況和汕層傷害問題、泥頁巖微裂縫地層的井壁穩(wěn)定 問題、解決衰竭油藏鉆井井漏以及油層損害問題、加寬鉆井液密度窗口以及提高地層承壓能 力等問題，2004年初，勝利鉆井院引進了美國edti公司的非滲透鉆井液動態(tài)降濾火劑 flc2000,在勝利油m鹽1

3、00、商852等井進行了國內(nèi)首次現(xiàn)場試驗，并取得成功冋。為了 更好地研究并推廣應(yīng)用該新型鉆井液技術(shù)，來彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足,從而達到提髙鉆井速度、 保證井下安全、防止汕層損害、降低鉆井綜介成木、提高勘探開發(fā)效益的kl的，對其作用機 理進行了深入研究和探討。1非滲透鉆井液處理劑微觀作用機理研究非滲透鉆井液處理劑聚合物具有疏水和親水兩性特點，加入到水基鉆井液中時，能夠迅 速在i古i液界而吸附（即在井舉巖石表而），并在巖石表而發(fā)生締合，形成疏水微區(qū)，疏水微 區(qū)有一個疏水的內(nèi)核，由聚合物的疏水基團構(gòu)成，外層由聚介物的親水鏈段包裹，且定向排 列，形成雙分子層，并以這種方式向空間縱深延展。隨著聚合物濃度的增

4、加，雙分子膜還可 以形成球形聚集體（囊泡），從而在巖石表面形成封閉層（膜），阻緩流體侵入地層。聚合物 分子在固液界面吸附，形成雙分子層或囊泡過程。1. 1非滲透鉆井液處理劑膠束顯微觀測分析利用照相顯微鏡對1%膠束聚介物和yhs-1水溶液進行觀測，3.3x20倍觀測結(jié)果可 以清楚看出，非滲透鉆井液處理劑形成了球形膠束。1. 2非滲透鉆井液處理劑聚合物膠束粒度分布特征借助口英國引進的粒度/電位儀（zetasizer3000型）實驗驗證并測試分析了非滲透鉆井 液處理劑的關(guān)鍵組分，即特殊膠束聚合物在水溶液中形成膠束的粒度分布特性，不同濃度的 實驗結(jié)杲見圖e強度(%)501000 20003000400

5、0o oo 53 2o o o0 5 02 11«£©圖11%聚合物水溶液膠束粒度分布（平均粒徑：652. 2nm）由圖1可知，非滲透鉆井液處理劑中特殊膠束聚合物水溶液膠束的粒度人小在 610660nm之間（0.51%濃度范圍內(nèi)）。1.3非滲透鉆井液處理劑聚合物吸附特性測定結(jié)果與分析（1）吸附等溫線衣室溫卜，測定不同濃度膠束聚合物在粘土顆粒上的吸附量，作吸附等溫線，見圖2。5000聚合物濃度5g/l）圖2膠束聚合物吸附等溫線從圖4可以看出，隨著聚合物濃度的增大，吸附量先緩慢增加，然后迅速上升，后來增 加速度變緩，趨向飽和。膠束聚合物在粘土表面產(chǎn)牛了吸附，吸附層rf

6、l吸附單體、表面膠束 和衣面空位組成，當(dāng)吸附達到飽和時，吸附單體量和衣面空位量趨向于零，表面膠束量趨向 于極值，即表而上所有吸附部位都被表而膠束占據(jù)。這表明聚合物可以在井壁巖石表而產(chǎn)生 吸附，當(dāng)達到一定濃度時，形成致密的膠束封閉膜。（2）臨界表面膠朿濃度（cmc）臨界表面膠束濃度是指由丁在固液界面上開始牛成表面膠束而使吸附迅速上升時的溶 液濃度。據(jù)此，臨界表面膠束濃度可由吸附等溫線吸附量迅速上升的豈線部分外延到與濃度 軸相交z處的濃度得到，由圖2可知，cmc=200mg/l,即聚合物在鉆井液小的濃度應(yīng)至少 大于cmc,否則，吸附量太少，在巖石表面形不成致密的封閉膜。2非滲透鉆井液油氣層保護機理

7、研究汕層損害最基本的機理包括孔喉的物理堵塞（i古i體顆粒侵入、聚合物侵入、粘土膨脹、 結(jié)垢等）和相對滲透率的改變（流體阻塞、乳化、潤濕性改變等）。因此，第一步必須把鉆 井液侵入降到盡可能低的水平（如果鉆井液不侵入，就不會發(fā)生地層損害）。在過平衡壓力 下侵入總會發(fā)牛，所以笫二步是鉆井液應(yīng)盡可能減少損害。非滲透鉆井液能把濾失量降到很低的水平；而且非滲透鉆井液處理劑能與所有普通的鉆 井液添加劑配伍使用，這表明在不損害低濾失性的條件下，非滲透鉆井液能夠?qū)崿F(xiàn)第二步。非滲透鉆井液能夠快速在巖石表而形成低滲透率的封閉膜，固體顆粒和人多數(shù)的聚合物 沒冇進入孔隙，只冇少量的濾液侵入，而且封閉膜的清除非常簡單。因

8、為封閉膜位于巖石表 面，口只有在高于聚合物臨界表面膠束濃度下存在，所以當(dāng)接觸洗井液或完井鹽水，以及采 油過程中與儲層流休接觸時，封閉膜易于被井內(nèi)流體淸除。因此，在室內(nèi)實驗中可以得到很 髙的滲透率恢復(fù)值。2.1非滲透鉆井液封閉膜清除實驗在基漿中添加2%的非滲透鉆井液處理劑，進行老化前后的封閉膜清除實驗。實驗結(jié)果 見表lo表1非滲透鉆井液封閉膜清除實驗結(jié)果配方條件清除結(jié)果基漿+2%flc2000老化前15s后流混水,封閉膜清除老化后5sjn流混水，封閉膜清除基漿+2%yhs-1老化前2s后流混水，封閉膜清除老化后10s流混水,封閉膜清除由實驗結(jié)果可知，封閉膜位于砂層表面，用淸水稍一浸泡就能淸除?？?/p>

9、以預(yù)見，在洗井 過程中，封閉膜很容易清除，反排清除會更加容易。這都有利于提高巖心滲透率恢復(fù)值。2. 2非滲透鉆井液滲透率恢復(fù)實驗基漿加入非滲透鉆井液處理劑的滲透率恢復(fù)實驗結(jié)果見表20儀器為多功能巖心流動實 驗儀。表2非滲透鉆井液滲透率恢復(fù)實驗結(jié)果配方滲透率恢復(fù)值基漿57.15%基漿+2%flc200087.10%基漿+2%yhs-195.86%從表2可以看出，非滲透鉆井液能人幅提高巖心的滲透率恢復(fù)值，有利于保護汕氣層, 提高油井產(chǎn)能。fl新研制產(chǎn)品滲透率恢復(fù)能力優(yōu)于flc2000,達到95%以上。非滲透鉆井液處理劑能有效封堵砂巖儲層的孔喉，因而用其處理的鉆井液對汕層滲透 率的損害大大地降低。表

10、3列出非滲透鉆井液處理劑處理過的鉆井液對砂巖巖心滲透率恢 復(fù)值的影響。從農(nóng)中數(shù)據(jù)可以看出，非滲透鉆井液處理劑能有效地提髙巖心的滲透率恢復(fù) 值。該劑對滲透率恢復(fù)值的影響與巖心滲透率有關(guān)，隨著滲透率增加，鉆井液侵入帶增人, 但滲透率恢復(fù)值均比原漿大幅度提高。表3非滲透處理劑對砂巖儲層滲透率恢復(fù)值的影響序 號配方巖心滲透率恢復(fù)值動失水濾 液體積ml直接反排切割0. 5cm切割1cm2基漿436. 471003.2基漿 +1.5%yhs-1691.461003. 3注：基漿為永920井2300m鉆井液,密度115 g/cm3總之，非滲透鉆井液通過在井壁表面形成致密的非滲透封閉薄層，有效封閉滲透性地層

11、和微裂縫泥頁巖地層，在井壁的外圍形成保護層，從而有望實現(xiàn)接近零濾失估井，防止地層 內(nèi)粘土顆粒的運移，且封閉層位于巖石表而，易于清除，能夠人大減小鉆井液對儲層的損害, 保護油氣層。3非滲透鉆井液防塌作用機理研究可以從兩個方面解釋非滲透鉆井液的防塌作川機理。利用非滲透鉆井液鉆進時，rh于鉆 井液中的特殊聚合物聚集成可變形的膠束，當(dāng)鉆井液開始向頁巖滲透時，這些膠束在頁巖上 迅速鋪展開，并在孔喉處形成非滲透封閉膜，阻止鉆井液進一步滲透。非滲透封閉層能阻緩 流體進入巖層小。這冇兩個好處，一是頁巖不與鉆井流體接觸，可以避免頁巖的水化膨脹和 分散，穩(wěn)定井壁；二是孔隙壓力不會像使用常規(guī)流體那樣大幅度增加，有效

12、應(yīng)力將不會降低 太多，有助于有效支撐井壁作用。如果在弱膠結(jié)地層，當(dāng)因鉆井施工等因素引起頁巖產(chǎn)生裂縫時，非滲透鉆井液能填塞這 些裂縫，在裂縫中形成封閉層，阻緩鉆井液繼續(xù)濾失。因此即使產(chǎn)牛裂縫，它的傳播也會變 慢或停止，不會使裂縫擴大，造成井壁坍塌。表4泥頁巖樣pt實驗結(jié)果試液滲透率，pun2地層水9.9x10*73%yhs-12.74x10-7從表屮還可以看出，非滲透鉆井液處理劑可使泥頁巖的滲透率明顯下降。說明它具有較 明顯的阻緩壓力傳遞和濾液侵入作用。4非滲透鉆井液防漏作用機理實驗研究非滲透鉆井液提高地層破裂壓力梯度的主要機理：1）接近井壁的非滲透封閉層可以把孔隙流體與井筒流體隔開。因此，流體

13、很難進入井 壁巖層屮，孔隙壓力不會像常規(guī)流體那樣人幅度增加。有效應(yīng)力將不會降低太多，井壁上不 易產(chǎn)生裂縫。2）如果弱地層上產(chǎn)牛裂縫，非滲透鉆井液中的膠束會在裂縫中形成封閉層，阻止壓力 繼續(xù)向地層傳播。因此，如果產(chǎn)生裂縫，它的傳播將會變慢或停止。非滲透鉆井液處理劑提高承壓能力實驗儀器為多功能巖心流動實驗儀。實驗結(jié)果見表 5。表5非滲透鉆井液處理劑提高承壓能力實驗結(jié)果配方承壓強度（mpa）基漿3.51棊漿+2%flc20006.51基漿+2%yhs114.1從結(jié)果可以看出，非滲透鉆井液能人幅度提高巖心的承壓強度，防止鉆井液漏失，h新 研制產(chǎn)品承壓能力優(yōu)于flc2000o5機理作用方式研究分析通過研

14、究和分析，認為非滲透鉆井液的機理作用方式如下：5.1.理想充填，多點吸附，快速封堵近年來國外學(xué)者在連續(xù)尺寸顆粒堆積理論基礎(chǔ)上提出了理想充填理論和（190規(guī)則，力求 達到理想的暫堵和保護儲層效果?！袄硐氤涮睢笔侵福簩τ诒Ｗo儲層的鉆井液，需要根據(jù)孔 喉尺寸加入具有連續(xù)粒徑序列分布的暫堵劑顆粒來有效地封堵儲層中大小不等的各種孔喉, 以及暫堵顆粒之間形成的孔隙。只有形成這種合理的粒徑序列分布，才能確保形成致密泥餅 o在鉆井液流動過程中，它具有一定的定向作用，總是趨向于靠近剪切速率最低的井準附 近的區(qū)域，在井壁處滯留并形成多點吸附，迅速形成封堵層。同時一部分處理劑顆粒也會進 入近井壁的孔喉或裂縫小，增加

15、了泥餅的強度和完整性，使形成的泥餅具冇很強的抗沖蝕能 力。粒度分析衣明，膠束的粒徑分布在11000pm范圍之間，這些材料通過快速形成富含 膠束的非滲透屏蔽層提供優(yōu)良的濾失控制能力，從而很人程度的減少固相或流體的進一步侵 入。顆粒尺寸分布范圍很廣，它既能對很小的孔喉和裂縫進行封堵，乂能通過卷1川對較人的 孔喉和裂縫進行充填，能夠起到快速封堵作用。5. 2.聚合物膜易于變形，多層封閉非滲透鉆井液處理劑山植物衍生物形成的混合物、部分水溶和全水溶的合成有機聚合物 等組成，當(dāng)把非滲透鉆井液處理劑加入到水基鉆井液中時，混合物中一些聚合物溶解，這些 聚介物類似其他常規(guī)處理劑一樣可以控制濾失。但其他組分由于其

16、親汕特性只能部分溶解, 這些聚合物組成可變形膠束（聚合物“膠朿"并不像表面活性劑膠束那樣結(jié)構(gòu)冇序，而fl受環(huán) 境（礦化度、溫度等）的影響比表面活性劑小），這些膠束nj以在孔喉和微裂縫中快速形成 低滲透密封層，因而有效阻止液體侵入。聚合物具有汕溶和水溶兩親特性，加入到水基鉆井液中時，能夠在固液界而迅速人量吸 附（即在井壁巖石表面），當(dāng)達到臨界濃度時，聚合物在巖石表而發(fā)牛締合，形成疏水微區(qū), 疏水微區(qū)有一個疏水的內(nèi)核，由聚合物的疏水基因構(gòu)成，外層由聚合物的親水鏈段包裹，形 成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而達到穩(wěn)定。隨著聚合物濃度的增加，在固液界甸（井壁）上形成大屋 膠團，并口聚合物山鏈內(nèi)締合發(fā)展到鏈

17、間締合，從向在巖石農(nóng)面形成封閉膜，阻止了流休的 侵入。封閉膜具有二維無限性和一維有限性。這包含兩重意義：一是聚合物膠團尺寸在平面方 向可以變化，而厚度是冇限定的。它受成膜分子長度的限制，不可能大于兩倍分子伸展長度。 二是成膜分子在膜血的二維空間內(nèi)能夠比較自由的運動，而在垂直于膜血的第三維空間內(nèi)受 到很人限制。這意味著構(gòu)成聚合物膠團的兩個定向單層的分了不容易發(fā)生交換，也意味著分 子不容易穿過膠團層。這是因為任何分子要從其一側(cè)穿到另-側(cè)都必須既通過極性區(qū)乂通過 非極性區(qū)。不論極性分子還是非極性分子都難以做到這一點?？梢詮木酆衔锬さ臐獠顦O化現(xiàn)象說明封閉膜的概念和作用。濃差極化會起到如下作用： 滲透效

18、果降低。這是市膜血處被阻擋組分的濃度升高從而引起該組分滲透過膜的滲透量降 低造成的。阻擋率升高。這種情況是山于被阻擋的組分在脫面形成一層比膜更為致密的物 質(zhì)，可以認為這層物質(zhì)為二次膜，從而提高了對組分的阻擋率。因此，封閉膜的概念可以認 為是由于濃差極化產(chǎn)牛的二次膜或者三次膜甚至多次膜,其效果是鉆井液中的口由水在膜上 的滲透率大為降低甚至為零，最終表現(xiàn)為沒冇火水量的增加。由此可見，封閉膜是經(jīng)過多次 沉積沉淀而形成的。在封閉膜中的聚合物膠束也是可變形的，因此，如果壓力升高，膠束就 會收縮，并進一步降低封閉膜的滲透率。6結(jié)論(1) 顯微照相表明，非滲透鉆井液處理劑屮膠束聚合物在水中形成了球狀膠朿；粒度 測試實驗表明，特殊膠束聚合物水溶液膠束的粒度大小在610660nmz間(0.51%濃度范 圍內(nèi))；吸附量測定實驗表明，聚介物可以在井壁巖石表面產(chǎn)生吸附，當(dāng)達到一定濃度時, 可以形成致密的膠束封閉膜。(2) 非滲透鉆井液處理劑能形成封閉膜，其壓縮性好；壓差越人，封閉膜越致密，封 閉效果越好。(3) 非滲透鉆井液形成的封閉層易于清除，能夠減小對儲層的損害；非滲透鉆井液處 理劑能大幅提高巖心的