国内外钻井完井液技术新趋势.ppt

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1、国内外钻井完井液技术新趋势,目录 一、概述 二、“钻井完井液系统工程技术”新概念 三、井壁稳定技术研究新进展 四、钻井完井液油气层保护技术新进展 五、钻井液环保技术研究新趋势,国内外钻井完井液技术新趋势,一、概述 随着当代油气勘探开发技术的不断发展，特别是复杂地层深井超深井以及特殊工艺井油气钻探技术，对钻井完井液提出了更高的要求。钻井完井液技术在钻探中的重要地位更加显著，已被国内外油公司决策者们公认为是油气钻探中的“血液”，是核心技术之一。“钻井完井液系统工程技术”概念的形成，标志着钻井完井液技术进入了一个全新更高层次的发展阶段。,近来国外Shell、Amoco、Agip等投入了大量的人力和资

2、金，围绕着“安全、健康、高效”这一技术发展主题，主攻目标：满足复杂条件钻探技术油层保护油气录井与评价环保要求，提高油气勘探开发综合效益等 开展大量应用基础理论和新技术研究，取得了研究新成果和应用新技术，在很大程度上体现出21世纪钻井完井液技术蓬勃发展的总趋势。,钻井液井壁稳定技术方面：总趋势：部门协同、化学/力学等学科交叉，由单因素向多因素耦合模拟 宏观评价分析向微观机理、由定性向定量化 由静态向动态过程与控制、研究方法新突破,“压力传递”（PT）等模拟实验新技术的建立，突破了泥页岩极低渗透率和非理想膜效率定量测定等实验技术“瓶颈”问题，使钻井液/井壁岩石间的作用本质和井壁稳定机理研究引向深入

3、，钻井液物理化学/力学耦合研究技术的运用，使合理泥浆密度与防塌钻井液体系的协同优选。笔者提出:以阻缓压力传递和滤液侵入为首要前提、标本兼治、“多元协同”防塌新原理；,值得注意：当孔隙压力传递作用显著时，只靠提高钻井液密度，不一定有利于井壁稳定，有时会实得其反。近年来，新研制成功了聚合醇、多元醇、复合金属离子两性聚合物、甲酸盐和稀硅酸盐等水基防塌钻井液新体系，以及适应于极复杂地质条件下的、环保性能优良的第二代合成基钻井液新体系，钻前预测技术与随钻岩屑分析检测评价技术有了新进展,油气层保护:多个环节的系统工程技术问题。传统的1/3架桥暂堵原则发展为1/22/3基本原则，对于非均质性强的储层，特别强

4、调对渗透率贡献较大的孔径应实施有效的暂堵。提出并开展了广谱暂堵型钻井完井液技术研究工作；,研究表明裂缝油层和低渗气层存在应力敏感性损害，气层也存在水锁损害；对裂缝油气层和疏松高渗高孔油气层须加入纤维状暂堵剂才能实施有效暂堵；加入合适的表面活性剂能有效降低低渗油气层水锁损害；“白色”无机正电胶以及改进型的“黑色”有机正电胶钻井完井液受到重视研制成功了甲酸盐钻井完井液等新体系。,值得注意，在不断研究发展暂堵技术的同时，重视易清除内外泥饼暂堵层实用新技术的研究开发 一方面，正在积极探索研究易清除泥饼的钻井完井液新体系；一方面，开发物理法和化学法清除泥饼暂堵新技术。,物理法：高压水射流深射孔、射流空化

5、噪声冲击法和超声波法等；化学法：化学溶解、酸化处理、氧化降解、酶降解等新方法。酶降解法与低浓度酸液后处理相结合的双级解堵法，能同时解除聚合物和固相对储层的损害。可以预见，化学法和物理法有机结合，不仅能完全解除油层损害，而且有望进一步提高储层原始渗透率，发展前景广阔。,在钻前油层损害预测分析技术方面，由储层岩心和流体分析资料进行不连续预测，向综合利用储层岩心流体资料与地震、测井、地质等信息资料相结合，进行连续纵横预测技术方向发展。,另外，欠平衡钻井保护油层技术的运用:针对具体情况，优选基液密度、加入减轻剂、发泡或充气等手段，研制出较低密度的液相、气液混相（如泡沫、充气）钻井液体系及其配套应用技术

6、，但钻井完井液高温高压密度特性和流变性问题研究尤为重要,抗高温抗盐抗钙钻井液添加剂的研制开发 复杂超深井：钻井液技术研究的关键。AMPS系列聚合物;多功能微凝胶聚合物类抗温（180-200度）抗污染钻井液高温高压降滤失剂(CXA-1,CXA-2,SD-102等)。,大位移井：钻井液的携岩能力、摩阻性能、防塌防漏以及保护油气层性能；分枝井：分叉部位的井壁稳定问题、携岩性能、油层保护性能等技术问题。,在防漏堵漏技术方面:随钻剪切敏感型堵漏体系以及预置WSS固壁液堵漏防漏技术等。但是,防漏堵漏研究方法和模拟实验装置的不完善,钻井液固控技术(关键)关系到控制流变性和滤失造壁性、预防井下复杂情况、减轻固

7、相油层损害、提高钻井速度和效益。新一代“干式”震动筛，震动筛向三层、四层方向发展，筛布目数可高达180目；采用预绷紧模块粘结筛布，局部破坏可以修补更换，寿命长；处理量高达3m3/min，分离效果更好，钻井液损失更少,新设想:钻井完井液化学作用提高钻井速度的新方法受到重视(-改善射流、软化),探井钻井液录井新技术受到重视 岩屑定量荧光录井新技术研究;钻井液逸出气体对气测录井影响的模拟实验基础研究取得了新进展.今后应同时加强对录井无干扰的钻井完井液添加剂的研制和开发。,环保意识的加强和环保法规的日趋严格:钻井完井液环保技术研究迫在眉睫，国外钻井液生物毒性评价实验方法和标准较为完善。研究集中在两个主

8、要方面：一是：研制开发环保型钻井完井液添加剂与体系（治本）二是：废弃钻井液无害化处理实用技术,计算机在钻井完井液配方、性能优化设计、复杂情况的预测、监测和控制等方面的应用 随着技术的进步，未来将朝着“闭环自控泥浆系统”方向不断发展，最终实现现场泥浆配制、性能监控以及调整和维护的全自动化。,二、“钻井完井液系统工程技术”概念的形成，标志着进入了一个全新更高层次的发展阶段。,钻井液技术从满足单一钻井工程需要，发展成保护油气层、提高油气产量、及时发现和正确评价油气层、提高油气勘探开发综合经济效益、满足环保要求等多方面，要求：多功能一体化钻井完井液新技术，形成并提出了“钻井完井液系统工程技术”概念，,

9、钻井完井液技术在油气勘探开发中越来越受到重视。复杂地质条下深井、特殊井钻探技术的进步，在很大程度上取决于钻井完井液技术水平的提高。,总之，应加强高层次技术人员的培养，加大技术和科研投入，制定长期技术发展规划。为更好地适应钻井完井液系统工程技术不断发展的需要，借助国外先进管理经验和作法，建立技术研究、技术服务、市场开发一体化的专业化钻井液技术公司（队伍）新体制。,三、井壁稳定技术研究新进展 井壁不稳定问题是世界性重大工程技术难题。井壁稳定是实现安全、快速、优质钻探的前提，是控制钻井成本影响钻探综合效益的关键性因素。保持井壁稳定是钻井液设计的首要立足点，防塌能力的高低，是钻井液技术进步的主要标志之

10、一，是国内外技术研究热点问题。就防塌能力和效果而言，油基泥浆是“王牌”，但成本较高，并存在严重的环保问题，受到极大限制。水基泥浆使井壁稳定性问题复杂化，特别是针对那些水敏性强的复杂泥页岩而言，井壁稳定性问题更加突出。,常见易塌地层：大段复杂泥页岩 还有火成岩地层、煤层、其它破碎性地层和盐膏泥混层，以及高陡地应力构造带等。各种复杂地层的坍塌机理和表现不尽相同，影响井壁稳定性的因素复杂多样(Z。,井壁稳定性问题仍没有从根本上彻底解决的根本原因有两个：以往研究指导思路和方法存在片面性 研究手段的局限性 泥页岩井壁/钻井液作用物理化学/力学本质 与井壁稳定性机理研究没有突破性进展。,九十年代以前：主要

11、是从钻井液化学或岩石力学单一方面开展研究工作，而缺乏化学与力学等多学科交叉协同研究。进入90年代：开始井壁稳定性化学-力学(岩石渗透力学)耦合研究，中期以前：主要集中在钻井液化学作用对泥页岩力学参数影响方面，难以突破模拟条件下泥页岩非理想半透膜特性测试等实验技术“瓶颈”问题，使水化应力研究难以深入。90年代中期以后：进入了全面深入发展阶段。建立了“压力传递”、“水化应力”等实验研究新技术。探索井壁泥页岩水化效应和渗流效应影响的力学稳定性耦合模型。,基于宏观岩石力学稳定原理建立的物化力学耦合模型主要：弹性应力耦合模型，弹性应变耦合模型。,国内，石油大学（华东）泥浆研究室研究成功了我国首台大型钻井

12、液/泥页岩耦合作用模拟实验装置（SHM仪），SHM模拟装置具备了“压力传递”实验功能，指标达到了Shell等国外公司同类仪器的先进水平。“压力传递”实验技术的建立，突破了泥页岩微渗透率测定、孔隙压传递作用、化学位诱导化学渗透作用，以及泥页岩非理想膜效率测定等实验研究技术“瓶颈”问题，为泥页岩水化应力/膨胀产生的本质及其规律模拟研究提供了先进的手段。各种先进实验研究手段有机结合，使研究技术切入点更加准确而深入，由耦合宏观研究逐渐发展为宏观与微观耦合研究，并朝钻井液化学、岩石力学、渗透力学和热力学等更多学科耦合研究方向发展。,第一、钻井液/井壁间的压力传递和滤液侵入作用 压力传递实验证明，虽然泥页

13、岩具有极低的渗透率（10-6-10-12D），但压力传递和滤液侵入现象仍然存在。压力传递和滤液侵入的主要驱动力是井下水力压差、地层水与泥浆水间活度差诱导产生的化学渗透压、温差以及毛管吸力等。压力传递作用引起近井壁地带孔隙压力提高，降低泥浆液柱压力对井壁的有效力学支撑作用，不利于井壁稳定，特别对火成岩等裂缝性发育及其他破碎性地层，问题更加突出。滤液侵入还能引发水敏性泥岩地层井壁水化失稳。盐膏层溶解等,第二、滤液侵入，引发泥页岩地层水化效应：水化应力/膨胀引起：导致井壁应力状态变化本构关系乃至强度准则的改变岩石力学参数的改变等(盐膏层溶解等)宏观井壁失稳现象微观本质：取决于泥页岩微观颗粒界面间的作

14、用力的平衡关系（斥力和吸力）及其破坏的程度。,井壁稳定性模拟实验研究方法（SHM仪），有利于探明水化失稳机理，但设备复杂，周期长，成本高，需要原地层块状岩心。往往同时满足上述各要求有困难。为了评价分析泥页岩水化稳定性及其水化失稳机理 探索更简单实用的泥页岩井壁水化稳定性评价方法比重水量法也具有十分重要的现实意义。比亲水量（单位表面积上的吸水量）的物理意义与传统的单位重量吸水量不同，相当于水化膜厚度，在一定程度上反映了表面水化斥力的大小，更有助于研究分析深层剥落掉块式垮塌机理。,第三，井下液柱压力对井壁的有效力学支撑作用 有效封固井壁，阻止孔隙压力传递，是有效提高井下力学支撑井壁作用的基本前提，

15、确保井壁力学稳定 有的学者指出，就钻井液防塌机理而言：首要的是阻止孔隙压力传递，抑制水化效应是第二位的。,钻井液物化-力学耦合防塌新原理 通过“压力传递”模拟实验研究，结合井壁稳定性化学-力学耦合作用理论分析，笔者归纳提出了广义的：“物化封固-抑制水化-化学反渗透-有效应力支撑”这一标本兼治、“四元协同”钻井液防塌新原理。,“物理化学封固”作用：即物理封堵和/或化学胶结加固井壁两种作用。不仅强调物理封堵作用,而且开始重视固壁剂的化学胶结加固井壁作用，对缝隙发育和破碎性易塌地层尤为重要。硅酸盐类固壁剂重新引起关注，形成了稀硅酸盐防塌泥浆体系，具有物理封堵和化学加固井壁双重防塌作用，能降低井壁渗透

16、率、阻止压力传递，而且抑制水化能力较强，改善泥页岩膜效率，可望发展成为一种能取代油基钻井液的高效水基防塌钻井液体系。,“抑制水化”：优选抑制剂，减少水化应力，抑制水化分散，阻缓水化。研究结果表明，抑制剂不能将泥页岩水化应力降为零，泥页岩水化在前，抑制剂作用在后，抑制作用是有限度的；一般抑制剂有最佳使用浓度，有时过高反而不利于井壁稳定；阴离子的协同抑制作用受到重视。多种抑制剂的协同防塌作用越来越受到重视，但协同防塌机理有待于深入研究。研究开发出：硅酸盐的抑制分散作用尤为突出；甲酸盐的抑制性也很强；复合金属离子两性聚合物增粘包被剂，具有较理想的抑制水化分散作用。,聚合醇是一种非离子表面活性物质，溶

17、于水，但其溶解度随温度升高而降低，井下温度达“浊点”温度后，不溶的聚合醇聚集成微小颗粒，能堵塞微孔隙，阻止压力传递，同时聚合醇也具有抑制水化作用；聚合醇与无机盐复配使用抑制效果更佳。,“化学反渗透”防塌作用：指通过调节钻井液水活度和改善泥页岩膜效率，化学渗透压部分抵消井下水力压差孔隙压力传递和滤液侵入作用，甚至使地层水流向井眼内部，促进井壁稳定即实施水活度差诱导的“化学反渗透”防塌措施根据该防塌原理，成功开发出了甲基葡萄糖苷（MEG）防塌钻井液体系，其防塌能力强，润滑性好，无毒性且易生物降解，MEG主要通过吸附改善半透膜，降低泥浆水活度，形成低渗透性坚硬泥饼，稳定井壁。,但只靠高浓度无机盐降低

18、钻井液水活度时，高浓度差可能会促进无机盐离子交换进入页岩内部，改变泥页岩原有内部组成结构，水化离子浓集引发粘土颗粒界面间短程斥力增加，又不利于井壁稳定性。因此，防塌钻井液中无机盐抑制剂存在一个最佳浓度范围。,“有效应力支撑井壁”作用：井壁力学稳定的必要条件。确定坍塌压力和破裂压力时，应考虑孔隙压力传递、水化应力、岩石力学参数变化等影响。加强封固，阻缓孔隙压力传递，是提高井下液柱压力对井壁有效力学支撑作用的前提。对缝隙发育或破碎地层而言，封固造壁能力差，孔隙压力传递作用显著时，只靠提高钻井液密度，不一定有利于井壁稳定。由于密度提高，井眼压力增加，加剧水力压差驱动下的孔隙压力传递和滤液侵入，进而降

19、低对井壁的有效力学支撑作用，也能引发更严重的水化作用。,总之，针对油田具体复杂地层失稳机理，运用标本兼治的化学/力学耦合“多元协同”防塌新原理，研制开发环保型仿油基钻井液的水基高效防塌剂和新体系，是防塌技术未来发展的主攻方向。,2、井壁稳定性钻前预测与随钻检测技术研究进展 井壁稳定性钻前预测与随钻检测：尽早发现井壁坍塌隐患，弄清失稳机理，及时采取有效措施，减少损失。但受信息资料来源和准确性所限，准确的井壁稳定性预测和检测难度很大。利用“钻屑分析技术”，开展井壁稳定性随钻预测新技术研究受到重视。,钻屑分析技术：主要包括钻屑声波特性测试、钻屑微压入强度测定、钻屑介电常数测定以及钻屑比表面和比亲水量

20、等物理化学性能的测试等，尽可能获取井壁稳定性分析所需的物理化学和力学关键参数。正在探索利用钻前已有的地质、地震资料信息，并结合邻井的测井资料和钻井工程中的各种信息资料，对新探区，开展区域井壁稳定性纵横预测分析研究。,四、钻井完井液油气层保护技术研究新进展,1 储层损害机理研究新进展 97年Shell公司实验表明，钻井完井液引起储层损害的主要原因是井壁内部固相侵入带，一般低于4cm，是引起渗透率恢复值下降的主要原因。原始渗透率较大的储层，压差反排解除损害的效果较好，而对低渗透率的储层，特别重视易解除泥饼的钻井完井液新体系研究开发。,清除井壁内外泥饼的化学方法：溶解法：盐粒暂堵；油溶性暂堵剂；酸化

21、解堵法；氧化剂清除法；酶降解聚合物法等。裂缝性储层和气层应力敏感损害较严重；气层也存在严重的水锁效应。对于超深井油气层，温度敏感性损害。,2、油气层损害室内实验评价方法现状 实验方法标准化工作目前仍不够完善。不足之处：主要针对常规较高渗透性油层制定的，不适用于低渗油层、气层、裂缝性油气层以及疏松高渗透储层；均没有规范模拟实验装置，测试条件缺乏统一定量化。,3 保护油气层钻井完井液技术措施研究新进展（1）暂堵技术研究 暂堵技术措施与储层特性、完井方式等多种因素有关，必须有针对性的开展研究。孔隙型油层的暂堵技术 基本原理：利用钻井完井液井下液柱压力与地层流体压力之间的压差，在钻开油层极短的时间内，

22、暂堵剂进入油气层孔喉，在井壁附近形成渗透率接近零，暂堵厚度小于射孔深度的屏蔽暂堵带，阻止钻井完井液固相和液相继续进入油气层深部，在完井投产时，通过反排、射孔、酸化等措施解除暂堵层。这项技术目前被普遍应用。,裂缝性油气层 为提高裂缝架桥暂堵层的稳定性和承压能力，必须使用纤维状暂堵材料：因为多点接触，接触面积大，堵塞层较稳。了解井下裂缝的宽度及其分布，是有效实施暂堵技术的关键。裂缝宽度的确定方法有成像测井解释法、模拟实验与计算机模拟相结合的方法。一般裂缝性储层暂堵带厚度较深，完井反排解堵效果一般不很理想。即使采取反排解堵措施时，也应当逐渐降低井内液柱压力，并控制反排压差不应过大，以免引发储层应力敏

23、感性损害。,（2）可清除泥饼的钻井完井液油层保护技术研究进展 在筛管、砾石充填和裸眼完井方式条件下，特别针对疏松高渗储层和裂缝性储层，近来特别重视探索易清除泥饼暂堵层的油层保护技术研究。在完井投产时，当仅靠反排不能使油气层渗透率较好恢复或效果很差时：一方面探索解堵方法：化学解堵方法：溶解法、酸化处理、氧化降解、酶降解等 物理解堵新方法：高压水射流深射孔、射流空化噪声冲击法和超声波法等；另一方面，着重开发易清除泥饼的钻井完井液新体系。最近国外研究报道，利用分级注入不同种类的化学剂，在储层孔隙内表面形成固态的超薄化学膜（厚度约12nm，简称为“纳米膜”），能有效的控制微粒水化和运移。,（3）欠平衡

24、钻井完井液保护油气层技术 优选合理较低的钻井完井液密度，能维持井底压力低于地层流体压力，可以消除“正压差”损害储层，特别适用于钻探开发“三低”储层油气资源；防止井漏和压差卡钻，显著提高钻速，延长钻头寿命，随钻实时产能评价。目前国外将欠平衡钻井技术与水平井和连续软管钻井新技术紧密结合。但是以确保井眼稳定和具备必要的配套设备为基本前提条件。欠平衡钻井液技术是有效实施欠平衡钻井的核心技术之一。体系类型：液体（清水、柴油、稀原油、低密度常规钻井液体系）、空气、充气钻井液体系、稳定泡沫钻井液体系等。,确保井底处于欠平衡状态是贯穿欠平衡钻井技术的核心问题。由于欠平衡钻井液体系（如泡沫钻井液）的密度特性和流

25、变性受温度和压力影响显著，直接关系到井内泥浆液柱压力的大小，因此，迫切需要开展高温高压条件下的密度特性和流变性的理论分析与模拟实验研究。（深井同样重要）最新报道：在近平衡钻井中使用的井下水动力气蚀条件下自生的微泡钻井液体系，自生微泡钻井液体系，不需要充气，就能在井下钻井液流出喷咀时形成的压力降和水动力气蚀条件下产生较均匀气泡，能降低钻井液密度，并能堵塞储层微裂缝。,（4）无粘土相盐水钻井完井液研究新进展彻底消除了人为加入的粘土矿物微粒损害问题，有利于钻速提高，以盐类作为加重剂和抑制剂，防塌能力强。甲酸盐钻井完井液新体系 利用甲酸盐（甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯）作为密度调节剂，可使密度最高达2.3g

26、/cm3。主要由甲酸盐、聚合物增粘剂和降失水剂组成，配方组成较为简单，该体系具有以下优点：油层保护性能好。抑制粘土水化能力强，与地层中的二价阳离子不形成沉淀。抑制水化能力强，防塌效果好。甲酸盐的水溶液粘度低，循环流动摩阻压耗低，有利于提高喷射钻井速度。甲酸盐可生物降解，环保性能好；甲酸盐比卤化物盐类（如NaCl、KCl）腐蚀性低甲酸盐的结晶温度和凝固点均较低。甲酸盐能促进与之配伍使用的聚合物抗温性甲酸盐钻井完井液体系易于回收再利用，,其它盐水钻井完井液新体系l 新型CaCl2/Ca（NO3）2复合盐水无粘土相钻井完井液体系 最大密度只有1.35g/cm3，传统的方法是加入CaBr2和ZnBr2

27、提高其密度，但环境污染以及结晶温度较高，CaCl2与Ca（NO3）2复合盐水钻井完井液体系，其密度可达1.65g/cm3，结晶温度最低可调节为-50，适用于低温环境，同时也避免了溴化物对环境的污染问题。l 硫酸钾钻井完井液体系 皇朝公司使用了硫酸盐钻井完井液体系。该体系的高温高压失水较低（120/3.5Mpa失水低于15ml），常规API失水较大（一般10-20ml）；另外，对气层岩心的渗透率恢复值可高达90%以上，防塌效果也较好。,五、钻井液环保技术研究 钻井完井液环保技术研究，将成为21世纪油气工程领域最关注的热点课题之一。钻井完井液环保技术研究两个方面：研制开发环保型的钻井液添加剂和体系

28、，研究开发废弃钻井完井液处理新技术，尽可能减少或消除对环境的污染，着手治理钻井完井液环境污染问题的有效手段,取代油基泥浆的合成基钻井液体系有了很大发展 合成基钻井液：以人工合成的有机物为连续相，淡水或盐水为分散相，并加入乳化剂、降水剂、流型改进剂等组成的钻井液新体系。人工合成有机物主要：酯、醚或聚-烯烃类等物质，低毒易生物降解，环保性能好。主要用于极复杂的地质条件疑难井、海上钻探中目前国外已由第一代发展为第二代。国外围绕着处理钻井废弃物进行大量研究工作，找到钻井废弃物处理方法：主要有固液分离法、环空或地层注入法、土地分散耕施法、干燥焚烧法、化学固化法、生物降解法以及转化为其它用途（如MTC技术

29、）等。较好方法：化学固化法、固液分离法、生物降解法及MTC技术等。,第二部分 井壁稳定机理研究,绪论井壁泥页岩与钻井液作用理论分析高温高压SHM模拟实验装置研制 及压力传递实验新方法建立井壁泥页岩/水基钻井液作用机理模拟研究结论与建议,提 纲,一、绪论：,井壁不稳定问题是钻井中的世界性技术难题。目前仍没有彻底解决。特别是，随着当代钻井新技术的运用，井壁不稳定问题在某些情况下更加突出。目前，水基钻井液条件下深层泥页岩井壁不稳定性问题更复杂，更普遍，是核心问题之一。它是涉及钻井液化学、岩石力学、微观结构力学、渗流力学、泥岩矿物学以及钻井工艺学等多门学科的复杂技术难题。,二 井壁泥页岩与钻井液作用理

30、论分析,泥页岩井壁失稳的宏观和微观基本理论(井壁泥页岩特性)井壁泥页岩钻井液间流体传递的热力学分析水基钻井液泥页岩非理想化学渗透机理及其控制孔隙压力传递规律与控制泥页岩水化作用对井壁稳定性的影响及其控制钻井液物理化学力学耦合稳定井壁基本原理（岩石力学和渗流力学）,当代宏观和微观破裂力学理论的形成与发展，为泥页岩井壁稳定性深入研究提供了理论和方法上的启迪。揭示宏观失稳与微观物理化学力学失稳机理的内在联系，才能推动井壁稳定性定量化研究进程，为探索高效防塌新途径提供依据。泥页岩井壁失稳是由宏微观各层次下多种失稳机理耦合作用的结果；根本上受微观力学过程的控制：泥页岩中粘土颗粒界面间的吸力与斥力的平衡关

31、系，当斥力大于吸力，造成泥页岩井壁的宏观变形和破坏。,泥页岩颗粒间两大类作用力：机械力和物理化学力。机械力：垂直和水平原地应力、孔隙压力以及胶结力等。物理化学力：范德华引力、双电层斥力以及粘土表面和层间离子的 短 程水化斥力和吸力（合力为膨胀压）,微观上：控制井壁泥页岩中粘土颗粒间的斥力与吸力平衡关系，是维持井壁稳定的内在本质问题。宏观上：岩石力学为宏观井壁力学稳定性评价以及定量确定钻井液安全密度范围提供了手段。广义上井壁稳定性受井壁应力状态与强度的平衡关系的制约。(复杂的泥页岩井壁不稳定往往是力学与物理化学耦合作用导致的。),研究重点和难点：S/WM相互作用机理及影响规律广义上的泥页岩/钻井

32、液作用方式：宏观上：井内压力对井壁的有效力学支撑，围岩应力集中 SM传递作用，孔隙压力提高，降低有效支撑 水化效应：水化应力、强度降低、弹性参数改变。微观上：归结为影响颗粒间斥力和吸力平衡关系,(SM作用取决于：泥页岩特性和钻井液组成和性能。泥页岩：主要由粘土矿物为主要组成的非均质细 颗粒沉积岩。粘土矿物亲水性决定泥页岩水敏性（对油相存在毛细管阻力）。泥页岩结构孔隙细小（：3100nm，主要10nm左右）连通性差，因此渗透率极低（1061012达西）（1达西=1um2)细孔隙被地层水饱和且低渗透性，少量滤液侵入导致井壁围岩孔隙压力显著提高。孔隙细小且孔隙表面带负电荷，则滤液组分传递具有选择性，

33、表现为非理想半透膜特性),井壁泥页岩钻井液流体传递驱动力 流体传递作用：导致孔隙压力提高，水化效应驱动力：水力压差化学势差温差、电势差毛细管力（OBM）,井壁泥页岩钻井液间流体传递的热力学分析(流体传递为非平衡不可逆物理化学作用过程 流动(Ji)与驱动力(Xj)认为符合以下线性关系：,（经验系数Lij反映出某一驱动力对指定流动的贡献，Lji=Lij19）针对单一非电解质水溶液在4种驱动力作用下为：,（JV和JD分别表示总的溶液体积流量以及溶质相对总溶液流动的扩散流动；、分别表示水力压力梯度、化学势梯度、电势梯度以及温度梯度。）,（式中0w是纯水标准化学势，R是气体常数，T是绝对温度，aw是水活

34、度。）忽略电势差和温差，简化为如图2-2所示的泥页岩膜作用模型：,钻井液向泥页岩流动为正，则得单位面积流动公式：,为理想化学渗透压：,实际化学渗透压为：,为膜效率，10 当1时，即为理想半透膜情况。当0时，即不存在选择性膜，溶剂（水）和溶质（离子）同步流动传递。(当01时，非理想半透膜特性，越小，表明溶质越易通过膜，此时具有“漏膜”特性),阻缓水流动的方法：尽可能降低水力压差 化学渗透平衡，即油基或水基钻井液，均可控制水活度差和改善泥页岩膜效，诱导化学渗透流动（化学渗透压松驰，暂时性）降低泥页岩渗透率 提高滤液粘度，,非理想半透膜效率及其形成原因 形成原因：非理想半透膜特性（水可渗透且溶质（离

35、子）选择性 渗透）；机理：尺寸阻碍作用；电排斥作用。膜的理想程度：粘土组成、含量、结构致密度及溶质（离子）尺寸。膜效率（）和化学渗透压：,膜效率大小确定：PT实验技术，在国内未见研究报道。S/WM间非理想化学渗透的控制：控制水活度之差以及膜效率大小，,井壁泥页岩水基钻井液间传递作用：孔隙压力传递、水传递和溶质（离子）传递的速率不同。孔隙压力传递较溶质（离子）扩散快10至20倍，离子 扩散 又比滤液（水）传递快1020倍。孔隙压力传递作用最快。,压力传递规律与渗透率的确定：建立PT实验新技术是研究关键。在PmP0水力压差驱动下孔隙压力传递使下游压力随时间提高。,泥页岩水化机理与水化效应：泥页岩水

36、化具有依时性。两种水化膨胀机理：表面（晶格）水化膨胀；离子浓度差引起 的化学渗透水化膨胀。两种评价水化膨胀方法：膨胀率和膨胀压测试法。膨胀压形成机制和大小与粘土颗粒间距密切相关：短程水化膨胀压：取决于表面水化斥力，可高达几千 个大气压，往往足以克服粒间吸力。长程水化膨胀压：主要取决于双电层斥力（即渗透水 化应力），一般不超过几十个大气压。,本文归纳提炼出：研究分析泥页岩水化膨胀压机理、大小及其控制时，应树立“时间-空间”的认识观念，泥页岩水化膨胀压具有明显的“时空”特性新观点。所谓“时间”含义：即微观上(不同部位的粘土矿物水化程度与作用时间密切相关，)某部位的泥页岩水化膨胀压是时间的函数，宏观

37、上表现为井壁稳定性具有依时性；所谓“空间”含义：即微观上(不同部位的)粘土颗粒间的水化膨胀压性质、大小及其控制对粒间距非常敏感，宏观上表现为井壁不同部位的泥岩水化特性及其状态显著不同，也可用于解释不同水化半径离子间协同抑制水化作用效果。,（膨胀压垂直作用于水化表面的一种斥力（张力），具有微观上的不均性）抑制水化作用的本质在于控制水化膨胀压。抑制膨胀压三种方法：抑制剂协同降低水化膨胀压，但最好的抑制剂也不能将膨胀压降为0；化学固壁剂增加颗粒连结力，抵消膨胀压，并有助于提高泥岩强度；优选低分子量的表面活性剂，降低泥页岩表面张力，削弱表面水化（膨胀压特征与粘土矿物类型密切相关。抑制剂降低不同类型粘土

38、矿物膨胀压的能力显著不同：K+对蒙脱石有较强的抑制作用，对纯伊利石几乎没有作用，而 对高岭石会增加其膨胀压5。）,归纳提炼出钻井液物理化学力学（岩石和渗透力学）协同防塌基本原理：“封堵固结抑制水化化学渗透平衡 有效应力支撑”“封堵固结”稳定井壁原理与措施 所谓封堵固结：包括机械封堵和化学胶结加固两种作用。封堵阻缓压力传递和滤液渗透作用。缝隙发育的地层，不强调封固，只强调提高密度，防塌效果有时会实得其反。（常用的封堵型防塌剂：沥青及其改性产品、有机铝络合物、聚合醇、多元醇成膜树脂、硅酸盐等）,抑制水化稳定井壁原理与措施：所谓抑制水化：盐类等对水化膨胀压的抑制作用。抑制水化作用的防塌效果有局限性的

39、。原因：泥页岩水化作用在先，任何好的抑制剂均不能将膨胀压降低为0；对于蒙脱石含量较高的膨胀性泥页岩而言，强抑制作用促进渗透率提高；很高浓度盐溶液接触时反而表现为膨胀压增加。对于膨润土而言，一价离子抑制膨胀压能力的强弱次序为：Cs+K+Na+Li+，特别是Cs+的膨胀压特别低。应特别重视铯基新型防塌钻井液的应用研究，,不同无机阳离子间的协同抑制水化作用引起人们的重视，笔者曾着重研究了K+/Ca2+两种离子协同抑制作用效果。原因剖析：受孔隙或颗粒间距的位阻作用，K+、Na+和Ca2+可分别进入与之匹配的不同间距的颗粒之间，总体表现为较好的协同抑制作用效果。本实验表明，不同阴离子钾盐的抑制水化分散作

40、用不同，阴离子抑制作用的差别不可忽视。,（实验岩样为港东26#沙一段泥页岩）,按抑制强弱，可将钾盐分为4类：K2SiO3抑制作用极强,页岩回收率可大于80%；证明了硅酸盐的模数越高，其抑制分散作用越好；KCl、KNO3和醋酸钾（KAC），具有强抑制分散能力，页岩回收率可大于70%；K2SO4、K2CO3、K3PO4、K2CrO7和K4P2O7,页岩回收率均大于60%，具有较强的抑制水化分散能力；总之：针对钻遇复杂泥页岩特性，必须针对性地开展抑制剂的优选及其作用机理的深入研究，以便指导抑制剂种类和加量的优化选择。,化学渗透平衡的稳定井壁原理与措施：条件：存在理想或非理想半透膜特性。措施：控制钻井

41、液水活度awm小于泥页岩地层水活度aws，化学渗透压抵消水力压差，阻缓水力压差流动，甚至水流出地层；应设法提高半透膜效率，改善半透膜特性，为长期实施化学渗透平衡稳定井壁作用提供保证。,有效应力支撑井壁稳定基本原理：合理钻井液密度的优选是关键。必须考虑孔隙压力传递和泥页岩水化效应（水化应力和力学参数变化）。封堵作用是实施有效应力支撑井壁作用的基本前提。特别是破碎性地层，只提高密度防塌效果，有时会适得其反。,总之：以上四个方面防塌途径互相联系且存在 一定的制约关系。针对复杂泥页岩：一般应采取“四元”协同防塌措施：即物理化学力学（岩石和渗透）防塌新原理：“封固抑制水化化学渗透平衡有效应力 支撑井壁”

42、,SHM模拟实验装置研制及压力传递实验新方法建立,高温高压SHM模拟实验装置研制 泥页岩渗透率和膜效率测定基本原理 PT实验新技术建立：突破泥岩极低渗透率、膜效率测定，作用机理研究深入。,SHM装置的研制，是深入开展S/M物理化学-力学耦合作用机理研究的“瓶径”问题，国内尚属空白。SHM装置结构较复杂，设计难度较大，整体规模较大，需投入的资金也较多，从零开始。技术难点：高温高压釜体结构设计、三轴液压稳压控制系统设计、加温控制系统设计、试液循环系统设计，以及计算机数据采集与处理系统设计等一系列技术难题。攻克了以上难题，研制成功了具有国际同期先进水平的SHM仪。,SHM装置结构组成：五部份,SHM

43、装置主要技术指标：轴压：050MPa；围压：050MPa；试液压力：035MPa；压力传感器检测范围：010MPa；差压传感器检测范围：03.5MPa；温度：室温150；数据采集系统：可同时自动连续记录压力、差压、应力、应变等信号。且数据记录、实时显示、存盘、回放等功能完善。,由HPT测定泥页岩渗透率：已知P上，测得DP，则P下=P上-DP：,（k渗透率；-钻井液流体粘度；-流体静态压缩率，4.510-5atm-1；V-下游封闭体积（约为12.57cm3）；A-岩样横截面积，cm2；L-岩样长度，cm；Pm，Po-分别表示试液压力和孔隙压力（此处Pm为P上,Po为P下）；P(L,t)-岩样下端

44、t时刻的压力）,由OPT实验测定页岩膜效率：根据泥页岩膜效率定义：,（P理论，P实际分别表示泥页岩的理论渗透压和实际渗透压）,PT实验目的和意义 开展S/M作用机理以及防塌剂和体系评价提供实验手段。PT又可分为HPT和OPT两种具体实验方法（模拟！）。压力传递实验基本原理见图3-2所示：,OPT实验 所谓OPT实验：即在上下游两端水力压差P=0时，化学位差诱导的渗透压力传递（Osmotic Pressure Transmission）实时检测技术。OPT实验技术克服了页岩膜效率定量测定难题。用于化学渗透机理及其规律模拟研究。防塌剂通过活度差渗透防塌作用机理研究。,岩样的制备：四个油田具有代表性

45、的大块泥岩岩心，钻取获得直径为一英寸的试验岩样。PT实验模拟基本条件：轴压和围压为5Mpa；温度为65；试液压力为3.5Mpa；下试液压力为0.5Mpa；实验前用标准地层水饱和岩样。压力传递实验平行性检验：管路保压性能检验；压力传递实验平行性检验 SHM仪功能是可靠的，PT新方法是可行的。,四 井壁泥页岩/水基钻井液作用机理 模拟研究,简况 PT实验结果分析,借助SHM装置，利用PT实验新技术，针对江苏的复杂泥页岩地层：开展了压力传递规律研究，泥页岩膜效率和极低渗透率定量测定；实验研究了主要防塌剂或体系阻缓PT规律。,HPT结果：,阜宁组泥页岩水力压差驱动HPT明显 阜二段（1#样）渗透率为6

46、.0610-10达西；阜三段（2#样）渗透率为1.7610-8达西；裂缝的存在，HPT速度明显加快（渗透率增加四个数量级）,阜二段泥页岩（1号样）OPT实验：,aw=a下-a上 驱动下，下游压力下降 a下=0.952 OPT证实了水基钻井液作用下化学势差诱导 渗透作用 存在；测得不同试液作用的膜效率（非理想渗透膜）甲酸钾作用时的泥页岩膜效率较高。,处理剂HPT结果：,处理剂HPT实验结果：,防塌剂HPT实验：,防塌剂HPT实验：,聚硅钻井液配方的封堵效果良好；A浆+2%DYFT-1体系效果最好（渗透率降低3个数量级）,缝隙发育的凝灰质泥岩经过Na2SiO3处理后，渗透率明显下降，处理后几乎形成

47、了一个“正向隔膜”，在40分钟内几乎无PT（处理前1.7910-6达西下降为1.1410-10 达西）,主要结论如下：,运用宏观和微观破裂力学理论，探索建立了井壁泥页岩稳定性的微观物理化学-力学概念模型；借助热力学有关理论和方法，开展了井壁泥页岩与水基钻井液间复杂的流体传递规律研究；从分子级微观角度探讨了泥页岩水化及水化膨胀压形成机理，归纳提炼出：泥页岩水化膨胀压本质、大小及其控制分析研究应树立“时间-空间”新观点。克服以往认识上的不足，归纳提炼出“封堵固结抑制水化化学渗透平衡有效应力支撑井壁”四元协同防塌基本原理,发展和完善了钻井液物理化学-力学耦合稳定井壁基本理论。推论得出，封固阻缓流体传

48、递作用是有效防塌首要的问题，特别对缝隙发育地层，只提高密度可导致适得其反的防塌效果。明确提出铯基防塌钻井液新体系及阴阳离子间协同抑制作用研究值得重视的新看法，与国外最新研究成果相吻合。,研制成功了我国首台泥页岩与钻井液作用模拟实验装置，建立了压力传递（PT）井壁稳定性实验新技术，解决了泥页岩膜效率和极低渗透率定量测试的实验技术“瓶径”问题，填补国内空白；PT模拟实验证明，深层泥页岩压力传递主要驱动力为水力压差和水活度差，泥页岩具有非理想半透膜特性，膜效率也与无机盐离子种类和浓度有关；硅酸盐、硅腐钾和改性沥青等阻缓压力传递能力较强。另外，首次引入并建立了深层剥落掉块泥页岩水敏性简易评价新方法-比

49、亲水量法。,其他主要研究成果：,（1）在井壁泥页岩与水基钻井液作用理论研究方面：系统归纳提炼得出泥页岩与钻井液间作用主要三种方式：一是钻井液井内压力对井壁的有效力学支撑作用；二是井壁泥页岩钻井液间流体传递作用；三是滤液侵入引发水化效应（水化应力和力学参数变化）。借助热力学有关方法，论述了井壁泥页岩钻井液间复杂的流动传递机理。推论得出，不论是油基钻井液还是水基钻井液作用条件下，都可以通过化学渗透压，阻缓水力压差流动，促进井壁稳定。归纳总结出控制井壁泥页岩水基钻井液间化学渗透压的两种基本措施。,研究了泥页岩孔隙压力传递规律，推导了泥页岩渗透率公式，并进一步论述了控制压力传递的主要因素，为建立压力传

50、递实验新技术奠定了理论基础。提出了抑制水化的本质在于抑制膨胀压的新认识，总结得出了三种降低膨胀压的基本途径。推论得出，抑制水化防塌作用效果有局限性，且无机盐浓度越高并不一定抑制水化防塌效果就越好。实验研究分析了水化泥页岩力学性质（强度和弹性参数）的变化规律及其作用机理。泥页岩强度与孔隙压力和含水量成反比关系。实验还发现，溶液组成也影响泥页岩力学性质。,（2）在井壁泥页岩/钻井液作用模拟实验新技术及其研究成果方面：OPT模拟实验证明，甲酸钾对某些泥页岩有改善半透膜效率作用。而裂缝发育泥页岩的压力传递驱动力以水力压差占主导。岩样裂缝的存在，促使水力压差传递速度显著提高，这也是破碎性泥页岩易塌的主要