砂心试片评价钻井液性能的方法

赵修太 李海涛 任 熵 龙秋莲 张 静

（1.中国石油大学（华东），山东 青岛 266555；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

砂心试片评价钻井液性能的方法

赵修太1李海涛1任 熵1龙秋莲2张 静1

（1.中国石油大学（华东），山东 青岛 266555；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

钻井液性能的好坏直接影响钻井质量，为了更全面深入地评价钻井液性能，采用砂心试片作为渗漏介质，测定钻井液渗滤性能，建立砂心试片评价钻井液性能的方法，此法较传统的渗漏介质滤纸对地层模拟更为逼真。通过对试片表面或断面的图像采集，可以分析钻井液处理剂微观作用机理。同时可以评价出试片返排后渗透性恢复值，提高测试仪器的利用率。以成膜钻井液为例，考察砂心试片评价钻井液性能方法的可行性。实验结果表明，该方法可以更好地模拟地层情况，并且操作简单方便，科学实用，可为有关科研和生产提供一种新评价手段。

砂心试片；图像采集；滤失量；评价方法

钻井过程中井壁对钻井液的滤失，是对钻进过程的重要评价。滤失量是评价钻井液性能最基本也是最重要的指标之一，其测量的准确与否直接影响钻井质量的好坏［1］。几十年来，滤纸一直是测量钻井液滤失量的渗漏介质。但是，滤纸的孔隙是均质的，而地层孔隙是非均质的，并且对于地层岩石的吸附性、润湿性及带电性，滤纸也无法给出准确的模拟。所以，这种钻井液滤失量的测量方法不能准确反映地层的实际情况，研究一种既可以模拟地层、又简单实用的评价方法是很有必要的。

1 钻井液砂心试片评价方法

目前常用砂床或砂心滤失仪测定钻井液性能，通过在滤失仪中充填一定目数的砂子或夹持岩心来实现的。这类滤失仪或多或少都存在一定的不足，有的只能定性评价（注射器与试管测试法［2］），有的不能进行返排实验，测试指标单一（FA型滤失仪测定法［3］），还有的结构复杂，需要对岩心加围压（岩心滤失法［4］）。并且，它们都不能从微观上对钻井液处理剂作用机理进行分析。

砂心试片评价方法是一种操作简单、方便的钻井液性能评价方法。它不仅可以较好地模拟地层，提高测试精度，而且可以通过图像采集对钻井液处理剂作用机理进行分析，同时可以评价钻井液返排解堵效果。

1.1 砂心试片的制备

将清洗后的石英砂、河砂或海砂筛分，取一定目数的砂子与胶结剂按一定比例混合，搅拌均匀成砂浆料，在压片装置上将砂浆料与环形垫圈压制成一体，压片机压力控制在10～20 MPa，保持压力5～10 min。泄压，推出成型的砂心试片，在60～80℃下放置4～10 h，制成人工砂心试片，或者采用天然岩心切片，通过胶结剂与环形垫圈胶结成一体结构。砂心试片的厚度及所选砂子粒径可根据具体情况而定。

合格的砂心试片是成功进行评价的关键。在压制砂心试片过程中，如果胶量过多，会堵塞孔喉，影响后期的评价结果；如果胶量过少，强度可能不够。固化剂用量过多时，容易造成烘干过程中固化剂析出，使得试片表面泛白，甚至堵塞孔喉；固化剂用量过少时，影响胶结强度。此外，拌砂过程中混砂不均，容易造成试片局部胶量过多，影响评价。需要注意的是，在压制一定厚度的砂心试片时，不同粒径的砂子所需胶量是不同的。一般粒径越大，比表面面积越小，接触的面积也越小，所需胶量越少；粒径越小，比表面积越大，所需胶量也越多。因此，在评价过程中要选择胶量适中、孔隙性好的砂心试片。

1.2 钻井液性能测试评价过程

1）用10～300倍数字显微镜对砂心试片表面进行图像采集，用于分析其表面结构及孔径分布。

2）砂心试片安装在滤失仪内，钻井液筒加入钻井液，将钻井液筒的凹形端盖拧紧后开始加压，加到所需压力后计时，测定在规定时间内的钻井液滤失量。

3）另取一组相应粒径的砂心试片做空白实验，按步骤2的方法用清水或基浆代替钻井液进行测定。渗透率高的砂心试片采用基浆测定，渗透率低的砂心试片采用清水测定。

4）取出砂心试片，对其表面清洗后再在数字显微镜下进行图像采集，采集的图像与步骤1实验前的图像做对比，用以分析钻井液处理剂作用机理。

5）在钻井液筒中加入清水，并将砂心试片按步骤2中的方向相反放置，即翻转放置，加压对砂心试片进行反冲洗。取出反冲洗后的砂心试片，进行表面或断面图像采集，用于微观评价反冲洗效果。

6）对反冲洗后的砂心试片重复步骤3的空白实验，并将空白实验结果与步骤5的结果做对比，评价其渗透性恢复情况。

1.3 砂心试片评价方法应用

基浆的配制：用二级膨润土配成4%的土浆，并加入膨润土用量的2%的Na2CO3，熟化24 h以上。

成膜钻井液的配制：按基浆量的3%加入成膜剂配制成钻井液。

砂心试片规格：厚度为9 mm，砂子粒径40～60目，80～100目，100～120目。

钻井液成膜的最终目的是使钻井液具有半透膜的性能或在井壁上形成一层致密的隔离膜，从而有效地防止地层水化膨胀，封堵地层裂隙，防止井壁坍塌，保护油气层［5］。笔者以砂心试片为渗滤介质，通过成膜钻井液滤失与恢复性能的测定，对成膜钻井液性能及作用机理进行评价。

1.3.1 空白砂心试片图像采集

空白砂心试片图像采集如图1所示。

图1 空白砂心试片表面

1.3.2 滤失性能测试与图像采集

考察成膜钻井液在不同粒径砂心试片的滤失性能，采集的图像见图2。

图2 基浆的砂心试片表面

图3 成膜钻井液的砂心试片表面

从图2可以看出，基浆对砂心试片表面不能形成有效的封堵，钻井液侵入较深，因此滤失量较大。从图3可以看出，40～60目砂心试片由于自身孔喉尺寸较大，在压差作用下，成膜剂在试片表面大孔喉处容易形成漏失，无法形成完整封堵性好的屏蔽膜；在80～100目、100～120目砂心试片表面，成膜剂在试片表面吸附聚集形成屏蔽膜，成膜致密均匀，封堵性较好，有效减少钻井液侵入试片深部。通过数字显微镜，可以直观地观察到钻井液处理剂对不同大小孔喉结构的影响，便于从机理上分析作用机理，这是滤纸所不能达到的。

1.3.3 返排恢复测试结果

返排恢复是衡量处理剂等对地层伤害程度的标准，也是对其解堵性能的判断，返排后用基浆测试，如果滤失量与空白值越接近，说明解堵效果越好，对地层伤害越小。图4是返排后砂心试片的恢复情况图片。从图4试片表面结构可以看出，成膜剂对砂心试片孔道的堵塞已经解开，无明显残留，对试片的伤害性小，与实验测试结果相符。

图4 反冲洗后砂心试片表面

1.3.4 实验数据汇总

对实验过程中测定的成膜钻井液性能数据汇总处理，结果见表1。

表1 砂心试片评价成膜钻井液性能

从表1可以看出，成膜剂加入对不同粒径的砂心试片具有一定的适应性，基浆降滤失效果明显，随着砂子粒径的减小，滤失量减小，并且成膜钻井液解堵恢复性高，恢复值在95%以上。

2 结论

1）砂心试片评价方法克服了传统评价方法的缺点，可以更好地模拟地层情况，提供了一个更接近实际钻井液滤失量的测量方法。

2）相比加围压密封，砂心试片采用垫圈密封，结构简单，操作也更为方便。

3）砂心试片评价方法通过试片表面显微成像，从微观对钻井液处理剂进行机理分析，如钻井液镶嵌剂、成膜剂等处理剂对地层保护机理进行分析。

4）砂心试片评价方法考察成膜钻井液性能及对试片孔隙结构影响实验，证明了该评价方法的科学性、可靠性和实用性，为钻井液、完井液对油气层伤害与保护的理论评价和试验评价提供了新的方法。

［1］王中华.钻井液技术现状及发展方向［J］.断块油气田，2004，11（5）：59-62. Wang Zhonghua.Present situation and development of drilling fluid technology［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2004，11（5）：59-62.

［2］罗向东，陶卫民，刘鹏，等.无渗透无侵害钻井液及其渗滤性能评价方法的探讨［J］.钻井液与完井液，2005，22（1）：5-8. Luo Xiangdong，Tao Weimin，Liu Peng，et al.The non-filtration，noninvasive drilling fluid and the infiltration evaluation method［J］. Drilling Fluid&Completion Fluid，2005，22（1）：5-8.

［3］刘霞，罗春芝，王越之.国内外无渗透钻井液的研究与应用［J］.断块油气田，2006，13（3）：64-66. Liu Xia，Luo Chunzhi，Wang Yuezhi.Study and application of noninvasive drilling fluid at home and abroad［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2006，13（3）：64-66.

［4］赵雄虎，崔胜元.砂床法评价钻井液滤失性可行性研究［J］.西部探矿工程，2009，33（5）：83-85. Zhao Xionghu，CuiShengyuan.Feasibility study on sand bed evaluation method for drilling fluid filtration property［J］.West-China Exploration Engineering，2009，33（5）：83-85.

［5］白小东，蒲晓林.水基钻井液成膜技术研究进展［J］.天然气工业，2006，26（8）：75-77. Bai Xiaodong，Pu Xiaolin.Evolution of membrane forming technology of water-based mud［J］.Natural Gas Industry，2006，26（8）：75-77.

Evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece

Zhao Xiutai1Li Haitao1Ren Shang1Long Qiulian2Zhang Jing1
(1.China University of Petroleum,Qingdao 266555,China;2.Research Institute of Exploration and Development,SINOPEC, Beijing 100083,China)

Drilling fluid properties have a direct impact on the drilling quality during drilling operation.In order to evaluate drilling fluid properties further,this paper adopts the sand core test piece as the leakage medium to determine the infiltration performance of drilling fluid and to establish the evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece.The method is more lifelike than the traditional stratigraphic simulation with leakage medium(filter paper).The microscopic action mechanism of drilling fluid additives is analyzed by the image acquisition of the surface or cross section of test piece.At the same time,the permeability recovery value of sand core test piece can be appraised after reverse discharging,thus raising the utilization ratio of test instrument. Taking the membrane-forming drilling fluid as an example,the feasibility of evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece is investigated in this paper.The experimental results show that the method can simulate the strata well,and it is simple and convenient,scientific and practical,which can provide a new evaluation way for relevant scientific research and production.

sand core test piece;image acquisition;filter loss;evaluation method

国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”（20082X05002）

TE254+.1

：A

1005-8907（2011）02-251-03

2010-08-17；改回日期：2011-01-17。

赵修太，男，教授，主要从事油田化学方向的研究工作。E-mail：zxt1667@126.com。

（编辑赵卫红）

赵修太，李海涛，任熵，等.砂心试片评价钻井液性能的方法［J］.断块油气田，2011，18（2）：251-253. Zhao Xiutai，Li Haitao，Ren Shang，et al.Evaluation method of drilling fluid properties with sand core test piece［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2011，18（2）：251-253.