孔隙压力传递评价纳米材料封堵页岩效果

张伟，李文波，项涛　(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，河北 廊坊 065201)



孔隙压力传递评价纳米材料封堵页岩效果

张伟，李文波，项涛(中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，河北 廊坊 065201)

[摘要]常规评价方法不能评价纳米粒子在页岩中的封堵效果，而孔隙压力传递试验装置可以评价在真实页岩中压力的传递速度，准确地测定纳米粒子封堵页岩效果。取美国TerraTek公司的PIERREⅡ页岩岩心，进行岩心矿物含量和SEM分析，可知PIERREⅡ页岩岩心孔喉尺寸属微米及纳米级别。利用孔隙压力传递试验装置，通过测定页岩渗透率变化，评价纳米材料封堵页岩效果。试验结果表明，在盐水与基浆中加入纳米材料都能明显降低页岩中孔隙压力传递速率，使页岩渗透率降低，说明纳米材料封堵页岩中微米及纳米级孔喉效果明显。该研究对页岩封堵具有很好的指导作用，能够帮助解决页岩段钻进过程中出现的井壁稳定等难题。

[关键词]孔隙压力传递；页岩渗透率；纳米材料；封堵

通常页岩地层有着孔隙小、渗透率极低等特点，传统的封堵剂颗粒大，不能进入泥页岩的微孔隙[1]。近几年来石油行业开始引入纳米粒子封堵页岩中的微孔隙，以减少压力在页岩中传递，降低页岩渗透率[2～4]。常规的试验评价方法，如渗透封堵、人造泥饼封堵等试验所用介质并非页岩，因而不能准确地评价纳米粒子在页岩中的封堵效果，也不能评价压力在页岩中的传递效果。而孔隙压力传递试验装置可以评价在真实页岩中压力的传递速度，并能计算出页岩渗透率，直观准确地测定纳米粒子封堵页岩效果。

1孔隙压力传递试验装置

孔隙压力传递试验装置可进行泥页岩水力压差传递试验(HPT试验)，测定极低泥页岩渗透率；还可进行化学位差诱导的渗透压力传递试验(OPT试验)，测定泥页岩膜效率。

由于水的体积弹性模量很大(约为2100MPa)，几乎不可压缩，所以在装满水的密闭容腔内，只要改变容腔的少许几何体积，即可迅速建立起压力。结合半渗透膜原理，在页岩岩心初始两端压差不为零时，可以模拟实钻过程中钻井流体、井壁(半透膜)和地层流体之间的作用关系。根据孔隙压力传递评价装置实时采集的压力关系(实际压差)，直接反映出半渗透膜两侧压力变化的关系，可分析判断半渗透膜(井壁)两侧流体运移情况，为处理剂评价直观评分，为钻井液性能设计提供有效指导。进一步结合理论计算的渗透压和泥页岩膜效率的计算公式计算出对井壁膜效率的改善情况[5]。

2试验介质

试验介质为美国TerraTek公司的PIERREⅡ页岩岩心，该岩心开采自洛基山脉白垩纪晚期地层，为国际石油公司评价常用标准页岩岩心。

2.1PIERREⅡ页岩岩心矿物含量分析

利用X射线衍射对PIERREⅡ页岩岩心进行全岩矿物和黏土矿物分析，如表1、2所示，PIERREⅡ页岩岩心黏土含量较高，黏土中伊-蒙混层比例较高，易水化膨胀。

表1　PIERREⅡ页岩岩心全岩矿物分析

表2　PIERREⅡ页岩岩心黏土矿物分析

2.2电镜扫描分析

对PIERREⅡ页岩岩心进行电镜扫描，分析其孔喉大小，结果如图1、2所示。可以看出，PIERREⅡ页岩岩心孔喉大小为微米级与纳米级，孔喉尺寸较小。

图1　PIERREⅡ页岩岩心5×103倍电镜扫描　　　　图2　PIERREⅡ页岩岩心15×103倍电镜扫描

3封堵试验评价

试验之前首先测量PIERREⅡ页岩岩心的直径及长度，然后用4%NaCl盐水(4%为质量分数。下同)对PIERREⅡ页岩岩心进行饱和，使岩心活度与4%NaCl盐水活度相同。试验过程记录下端压力变化，利用下式对渗透率进行计算：

式中：k为渗透率，mD；μ为钻井液流体黏度，MPa·s；β为流体静态压缩率，1；V为下游封闭体积，cm3；A为岩样横截面积，cm2；L为岩样长度，cm；pm、p0分别为试液压力(岩心上端压力)和孔隙压力(岩心下端压力)，psi；p(L，t)为岩样下端t时刻的压力，psi。

3.1盐水中评价纳米材料封堵页岩效果

试验共分为3步，试验过程中保持下端液体为4%NaCl盐水不变，只改变上端液体[6]。具体试验步骤：第1步，上端液体为4%NaCl盐水，保持上端压力为600psi，记录下端压力变化，待压力变化较为稳定后计算出页岩渗透率；第2步，上端液体变为4%NaCl盐水+3%纳米材料，保持上端压力为600psi(1psi=6.895kPa)，记录下端压力变化，待压力变化较为稳定后计算出页岩渗透率；第3步，上端液体再次改变为4%NaCl盐水，保持上端压力为600psi，记录下端压力变化，待压力变化较为稳定后计算出页岩渗透率。

图3　盐水中纳米材料封堵页岩效果评价

图4　基浆中纳米材料封堵页岩效果评价

试验结果如图3所示，第1步盐水中渗透率为0.3183mD，第2步加入纳米材料后渗透率为0.0563mD，第3步再次为盐水时渗透率为0.0004003mD。可以看出，加入纳米材料以后能明显降低页岩渗透率，孔隙压力增加速度明显降低。

3.2基浆中评价纳米材料封堵页岩效果

基浆配方：20kg/m3膨润土+3kg/m3PAC-LV+1.5kg/m3XC。试验分3步，试验过程中保持下端液体为4%NaCl盐水不变，只改变上端液体，具体试验步骤：第1步，上端液体为4%NaCl盐水，保持上端压力为600psi，记录下端压力变化，待压力变化较为稳定后计算出页岩渗透率；第2步，上端液体变为基浆，保持上端压力为600psi，记录下端压力变化，待压力变化较为稳定后计算出页岩渗透率；第3步，上端液体改变为基浆+3%纳米材料，保持上端压力为600psi，记录下端压力变化，待压力变化较为稳定后计算出页岩渗透率。

试验结果如图4所示，第1步盐水中渗透率为0.1747mD，第2步加入纳米材料后渗透率为0.0925mD，第3步再次为盐水时渗透率为0.0002766mD。可以看出，在基浆中加入纳米材料以后，页岩渗透率同样明显降低，下游孔隙压力增加速度明显降低。

4结论

1)通过X射线衍射对PIERREⅡ页岩岩心进行矿物含量分析可以看出，PIERREⅡ页岩黏土含量较高，易水化膨胀，因此在钻井过程中要注意封堵滤液进入，以维持井壁稳定。

2)通过电镜扫描实验发现，PIERREⅡ页岩岩心孔喉大小为微米级与纳米级，孔喉尺寸较小。

3)盐水和基浆中加入纳米材料以后能明显降低页岩渗透率，使下游孔隙压力增加速度明显降低，说明该纳米材料能够很好地封堵页岩，能够达到维持页岩井壁稳定的目的。

[参考文献]

[1]付艳，黄进军，武元鹏，等.钻井液用纳米粒子封堵性能的评价[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2013，15(3)：30～32.

[2]孙迎胜，陈渊，温栋良，等.纳米封堵剂性能评价及现场应用[J].精细石油化工进展，2010，11(11):10～12.

[3]陈福明，田峰，李伯芬，等.纳米级封堵剂及其应用[J].钻井液与完井液，2014，31(4)：71～74.

[4]陈二丁，周辉.成膜强抑制纳米封堵钻井液的研究[J].钻井液与完井液，2011，28(3)：39～41.

[5]胡进军，孙强，夏小春，等.泥页岩动态孔隙压力传递评价装置的研制[A].全国钻井液完井液技术交流研讨会(2013)论文集[C].北京：石油工业出版社，2013：827～832.

[6]Riley M,Stamatakis E,Young S,et al.Novel water based mud for shale gas，part II：mud formulations and performance[J]. SPE152945,2012.

[编辑]帅群

Application of Pore Pressure Transfer Equipment in Evaluating the Effect of Shale Plugging of Nano-materials

Zhang Wei，Li Wenbo，Xiang Tao

(FirstAuthor’sAddress：OilfieldChemicalsR&DInstitute，COSL，Langfang065201，Hebei，China)

Abstract:The conventional method could not evaluate the shale plugging effect of nano particles, while a pressure transmission tester could evaluate the pressure transmission velocity in actual shale and accurately measure the shale plugging effect of the nano particles. The mineral content and SEM were analyzed by using PIERREⅡ Shale Core from TerraTek Company,USA, it was presented that the shale core throat size was macro-nano and nano-grades. The effectiveness nano-materials was demonstrated by measuring the change of shale permeability and evaluating the its plugging effect. The experimental results show that pore pressure transmission velocity is reduced by adding nano-materials in both brine and mud, thus shale permeability is reduced, which indicates that pore-throats at micrometer scale and nanometer scale are effectively plugged by nano-materials. The study can direct shale plugging，also it is beneficial for solving the problem of borehole stability in drilling the shale section.

Key words:pore pressure transmission；shale permeability；nano-material；plugging

[中图分类号]TE254.4

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)8-0050-03

[作者简介]张伟(1982-)，男，硕士，工程师，从事钻完井液研究工作，zhangwei61@cosl.com.cn。

[收稿日期]2015-12-01

[引著格式]张伟，李文波，项涛.孔隙压力传递评价纳米材料封堵页岩效果[J].长江大学学报(自科版),2016,13(8):50～52.