钻井液暂堵颗粒粒径优化软件开发及室内评价.pdf

第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 5牟1月 钨井液与 完井 液 DRI L LI NG F L UI D C0MP LE TI ON F L UI D 、 ， o 1 ． 3 2 NO． 1 J a n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 1 钻井液暂堵颗粒粒径优化软件开发及室内评价 赵志强， 苗海龙， 耿铁 中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊 赵志强等 ． 钻井液暂堵颗粒粒径优化软件开发及室内评价 [ J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 1 4 2 ． 4 5 ． 摘要 暂堵颗粒粒径分布的优化是保护储层暂堵技术的关键。为方便井场施工操作，以Al f r e d模型为基础，恂建 了钻 井液 暂堵颗 粒理想充填 分布模型，并 以VB ． N E T为平 台开发 了颗 粒粒径优化软件。根据输入的 目标地最参数 ．软 件 自动给出相应的暂堵颗粒级配方案。室内通过 P P T实验考察了二元及三元颗粒级配匹配度与滤失量的关系，验证 了 2者的反相关性。采用0 ． 3 8 40 ． 4 2 g m。 人造岩心进行了 储层保护实验，进一步验证了匹配度与渗透率恢复值的正相关性 事_ h 验证实验表明，暂堵颗粒粒径经软件优化后能有效降低储层伤害，可应用于完井、修井作业的施工方案设计 ． 关键词 暂堵剂 ； Al f r e d模型 ； 粒径优化 ； 渗透性封堵测试 ； 储层保护 中图分类号T E 2 8 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 5 0 1 - 0 0 4 2 0 4 钻井过程中，固相对储层的伤害率可达 9 0 ％， 侵 入深度可达 1 ．5 m[】 】。2 0 世纪 9 0 年代初，罗平亚和罗 向东等人 口 提出了屏蔽暂堵技术。他们认为暂堵颗 粒应 由起架桥作用的刚性颗粒和起充填作用的可变形 粒子及软化粒子组成 。该理论只考虑 了刚性颗粒的平 均粒径，未涉及粒径优化的问题。暂堵剂粒径优化的 理论包括分型理论 、理想充填理论 q 等。分形理 论模型复杂 ，现场应用受限。理想充填理论常用的模 型 包 括 R o s i n ． R a mml e r 模 型、G a u d i n ． S c h u h ma n n模 型及 Al f r e d模 型 等，R o s i n ． R a m ml e r 模 型 和 G a u d i n ． S c h u h ma n n 模型未考虑暂堵颗粒的最小粒径。笔者以 Al f r e d模型为基础 ，构建 了暂堵颗粒粒径最佳分布的 数学模型 ，同时开发了相应的计算软件 ，并对软件计 算结果进行了实验验证 。 1 暂堵颗粒粒径分布理论模型 2 0世 纪 7 0年代 后期 ，A b r a ms 首先提 出 了著名 的 “ l ／ 3 架桥理论 ”[ J ， A b r a ms 认为暂堵颗粒 的平均 粒径应等于或稍大于地层孔喉平均尺寸的 1 ／ 3 ，同时， 钻井液中架桥颗粒体积占固相总体积的百分数至少为 5 ％。1 ／ 3 架桥理论只强调了刚性颗粒的架桥作用，而 未考虑暂堵颗粒粒径分布的优化。 K a e u ff e r 首先将涂料工业的研究成果应用于储层 暂堵技术，提出了暂堵颗粒粒径分布的 “ 理想充填理 论 I d e a l P a c k i n g T h e o r y ”[ 8 - 9 ] ，又称 d “ 理论 。该理 论认为钻井液 中的暂堵颗粒 服从 G a u d i n S c h u h ma n n 分布模型 ，且颗粒累积体积分数与粒径的平方根成正 比时，能够达到最佳封堵效果 。 Ga u d i n S c h u h ma n n模 型 是 一种 连 续 分布 模 型 ， 而实际的工业颗粒中 如碳酸钙 纳米尺寸颗粒的含 量很难满足 G a u d i n ． S c h u h ma n n模型的要求。Al fr e d 【 J U _ 对 Ga u d i n S c h u h ma n n模型进行 了改进 ，引入 了最小 颗粒尺寸。其模型方程如公式 1 所示 。 ．．_ d 1 ， 一 式 中，Y为粒径为 d时的累积粒度分布分数 ， 为 体系中的最大粒径， i 为体系中的最小粒径， n为 模型参数。 F u n k [ 等人通过推导计算得出， 当 n为 0 ． 3 7 时 ，颗粒堆积效率最高。 2 暂堵颗粒粒径优化软件 开发 由于A l f r e d 分布模型引入了体系最小粒径的概 念，因此与暂堵剂颗粒的实际特征更加吻合。笔者以 Al fr e d分布模型为基础 ，重新构建了暂堵颗粒粒径最 第一作者简介 赵志强，工程师，硕士，1 9 8 0年生，毕业于中国石油大学 北京应用化学专业，现从事钻完井液材料及 技术研究工作。地址 河北省三河市燕郊开发区行宫西大街中海油服油化研究院； 邮政编码 0 6 5 2 0 1 ； 电话 0 3 1 63 3 6 7 0 5 4 ； E - ma i l z h a o z h q 4 c o s 1 ． c o rn． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 l 期 赵志强等钻井液暂堵颗粒粒径优化软件开发及 室内评价 4 3 佳分布的数学模型 ，其模型方程如公式 2所示 第 2 一 D L 式 中 ，Y为暂 堵 颗 粒粒 径 为 d时 的 累积 分布 分 数 ， 为 日标地层的最 大孔喉尺寸 ，D 为暂堵剂颗粒 的最小粒径。当所选的暂堵颗粒 的粒径 一 累积分布分 数曲线 卜 j 模型曲线一致或接近时，就可以取得最佳的 封堵效果。 实际的暂堵颗粒粒径分布曲线与模型曲线 的接近 程度用 配度表示 ， 配度的计算方法如下 1 一 R S S ／ T S S 1 0 0 ％ 3 式 中， 为 【 J 配 度 ，介 于 0 ～1 0 0 ％ 之 间， 越 大 ， 实际曲线 与模型曲线越接近 ，封堵效果越好 ，R S S为 实际粒径分布 卜 j 模型曲线的残差平方和 ，T S S为实际 粒度分 的离差平方和。 以 上述 2个数 学模 型为基础 ，以 VB． N E T为 开 发平 台， 开发出了保护储层暂堵颗粒粒径优化的软件。 暂堵 颗粒粒径优化软件可 在输入 目标地层参数 平均地层孑 L 喉尺寸 、平均地层渗透率 、最大地层孑 L 喉尺寸 ，一者之一 后 ，根据数据库 中的暂堵颗粒粒 径分布数据，汁算 几套可供选择的颗粒级配方案， 并提供每套方案所对应 的暂堵颗粒种类 、最佳配比及 其 配度 现场操作人员可综合 库存材料种类 、材料 成本及每套方案的 配度 ，择优选择其 中一种方案进 行施 r 。在选定暂堵颗粒种类的前提下，软件还可计 算 出不同配 比所对应的 配度 。 以封堵渗透率为 2 p m 的目标地层为例 ，软件提 供 了 2种暂堵力‘ 案 ① 只使用粒径为 0 ． 0 3 8 mm的碳 酸钙 封堵 ； ②按粒 径为 0 ． 0 7 6 mm碳 酸钙 0 ． 0 3 8 mm 碳酸钙 2 0 8 0级配后封堵。2种方案 的匹配度分别 为 9 3 ． 2 ％ 和 9 5 ． 4 ％。显 然只选择 粒径为 0 ． 0 3 8 mm 的 碳 酸钙进行封堵便 于现场操作 ，而加入 2 0 ％ 的粒径 为 0 ． 0 7 6 1 T i m 的碳酸钙后封堵效果更佳。本算例对应 的暂堵曲线如 l 所示。 梧 Ⅲ 骺 粒 径 ／ u m 注 级配曲线为粒径为0 ． 0 7 6 mm碳酸钙 0 ． 0 3 8 m m碳酸 钙 2 0 8 0级配后的累积粒度分布曲线。 罔 l 渗透率为 2 u m 地层的暂堵曲线 3 暂堵颗粒 粒径优化及 实验验 证 室 内实验一般选择渗透性封堵测试 P e r me a t i o n P l u g g i n g T e s t i n g ，P P T砂盘模拟地层岩心 ，通过测 试一定温度和压 力下 3 0 mi n的滤失量来评价钻井液 的封堵性 能。选择渗透 率分别 为 0 ． 4岬 、0 ． 7 5 p m 和2 p m 孑 L 喉平均尺寸分别为 1 0 m、1 2 m、 2 0 m的 P P T砂盘进行暂堵颗粒粒径优化计算 ，并对 软件计算结果进行实验验证。 实验用钻井液配方如下 。 海水 十 0 ． 2 ％Na OH 0 ． 1 5 ％Na 2 C O 3 2 ％P F ． F L O 3 ％ C a C O 不同比例级配 0 ． 5 ％P F ． X C 3 ． 1 元颗粒 粒径优 化 选择粒径 为 0 ． O 1 5和 0 ． 0 2 5 mm 的碳 酸钙作为暂 堵颗粒 ，对渗透率为 0 ． 4 b t m 的砂盘进行暂堵颗粒粒 径优化计算 ，得出不同碳酸钙配比下 的 配度及最佳 配 比。然后测 试 8 0 o C、3 ． 5 MP a下 ，不 同碳 酸钙配 比时钻井液 的 P P T滤失量 ，比较 匹配度与滤失量的 关系。其结果如图 2所示 。从图 2可以看出，随着粒 径为 0 ． 0 2 5 mm 的碳酸钙含量的增大 ，匹配度先升高 后降低，在 3 3 ％时达到最大值。而滤失量则先降低 后升高 ，在 3 3 ％～4 0 ％ 时达到最小值 。这说 明软件 计算结果与实验验证结果具有 良好的一致性。 l o 0 蔷∞95 窿 8 5 8 0 7 5 7 0 窒 棚 水 躐 粒 径 为 0 ． 0 2 5mi l l 的碳 酸 钙 ， ％ 图2 渗透率为 0 ． 4 b t m 的砂盘的暂堵颗粒粒径优化结粜 选择粒径为 0 ． 0 3 0和 0 ． 0 3 8 mm的碳酸钙，对渗透 率为 0 ． 7 5 12 m 的砂盘进行暂堵颗粒粒径优化计算及实 验验证 ； 选择粒径为 0 ． 0 3 8和 0 ． 0 7 6 mm的碳酸钙，对 渗透率为 2 m 的砂盘进行暂堵颗粒粒径优化讨‘算及 实验验证。方法同 I 二 。计算及实验结果分别如同 3 和 图 4所示 。 岛 圜 2 。 星 嚣 粒径 为 0 ．0 3 8 ∞ 的碳 酸 钙 ， ％ 图3 渗透率为 0 ． 7 5 1． t m 的砂盘的暂堵颗粒粒径优化结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钴井液与 完 井液 2 0 1 5年 1月 逞 蕊 童 棚 | j 鬻 粒径为0 ． 0 7 6 i n l n 的碳酸钙／ ％ 图4 渗透率为 2岬 。 的砂盘的暂堵颗粒粒径优化结果 从 图 3和图 4可以看出，随着匹配度的降低 ，滤 失量也逐渐增大。匹配度曲线与滤失量 曲线的变化规 律表现出一致性 ，这说明软件 的计算结果与实验验证 结果一致 。 3 ． 2 三元颗粒粒径优化 选择粒径为 0 ． 0 1 1 、O ． 0 1 3 、0 ． 0 1 5和 0 ． 0 3 0 mm 的 碳酸钙 ，对渗透率为 0 ． 4 r n 2 的砂盘进行三元封堵颗 粒粒径优化计算和实验验证。图5 ～图 8 是以三元相 图形式表示的 4种颗粒级配组合所对应的匹配度计算 结果 。图中，数据点在相图中位置的变化表示组份的 不 同配 比，用不 同的数据标记表示匹配度的大小 。 从相 图中可 以看 出，当使用粒径为 0 ． 0 1 1 、0 ． 0 1 5 和 0 ．0 3 0 m m的碳酸钙或使用粒径为 0 ．0 l 1 、0 ． 0 1 3 和 0 ．0 3 0 m m的碳酸钙颗粒进行三元颗粒粒径优化计算 时 ，匹配度可达 9 4 ％ 以上。 n0 D 0 ． 2 5 0 5 o 0 ． 7 5 1 ． 0 0 0 ． 0 3 Om 图 5 0 ． 0 1 3 、0 ．0 1 5 、0 ． 0 3 0 mm粒径优化结果 0 ． 4 m 砂 盘 O n3 0 ． 6 09 D - 0 1 5m 图 6 0 ． 0 1 1 、0 ． 0 1 3 、0 ． 0 1 5 m m粒径优化结果 0 ．4 g m 砂盘 OO 0 ． 3 0 ． 6 0 ． 9 O0 3 0 h i m 图 7 0 ． 0 1 1 、0 ． 0 1 5 、0 ． 0 3 0 1 1 “1 1 2 2 粒径优化结果 0 ． 4 g m 砂盘 00 03 0 6 0 9 0 0 3 0n 瑚 图 8 O ． o 1 1 、O ． 0 1 3 、0 ． 0 3 0l n lT l 粒径优化结果 0 ． 4 g m 砂盘 在 4种颗粒级配组合中，选择每种组合下匹配度 最高的配比进行实验验证 ，结果如表 1 所示 。 表 1 三元颗粒级配优化结果及实验验证 编 0 ． 0 3 0mm ／ 0 ． 0 1 5mm ／ 0 ． 0 1 3mm ／ 0 ． 0 1 1 mm／ 匹配度 ／ F L ／ 号 ％ ％ ％ ％ ％ mL 1 6 5 5 3 0 9 2 ． 7 7 ． 5 2 3 O 5 6 5 9 3． 1 7． 0 3 5 0 1 0 40 9 4． 1 5． 7 4 55 1 0 3 5 9 4． 4 5． 7 从表 1 可以看出 ，随着匹配度的增大 ，滤失量总 体趋势变小。软件计算结果与验证数据吻合。 4 储层保 护性能评价 为验证暂堵颗粒粒径优化计算结果的可靠性，进 行 了储层保护性能评价 [ 1 1 - 1 2 ] o用表 1 所示 1 、2 、3 酉 己 比及 0 ． 0 2 5 mm 0 ． 0 1 5 mm3 3 6 7的酉 己 比 5 酉 己 制待测钻井液。选取渗透率为 0 ． 3 8 ～0 ．4 2 H l 2 的4 组 人造岩心 ， 分别用 4组待测钻井液进行岩心污染实验 。 首先测定岩心污染前渗透率。然后在 8 0℃下进行岩 心污染实验 ，实验结束后 ，用 5 ％P F ． J P C进行破胶 ， 再次测定破胶后岩心的渗透率并计算渗透率恢复值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 1 期 赵志强等 钻井液暂堵颗粒粒径优化软件开发及 室内评价 4 5 实验结果如表 2所示。 表 2 暂堵颗粒级配不同钻井液的储层保护实验 从表 2 可以看出，匹配度最高的 3 钻井液，渗 透率恢复值也最大 ； 而 5 样品匹配度最低，渗透率 恢复值则在 8 5 ％以下。利用颗粒级配优化软件进行 暂堵剂颗粒粒径分布的优化计算 ，能提高储层保护性 能，降低钻井液中固相对储层的伤害。 5 结论 1 ． 以 Al fr e d模型 为基础 ，开发 了暂堵颗粒粒径 优化软件 ，软件可用于完井、修井作业 中暂堵颗粒粒 径优化方案的设计。 2 ． P P T实验表 明， 匹配度与滤失量具有反相关性 ； 储层保护实验表明，匹配度与渗透率恢复值具有正相 关性 。 3 ． 室内验证实验表明，软件计算结果可靠。 [ 2 ] [ 3 ] 参 考 文 献 张金波 ，鄢捷年，赵海燕 ． 优选暂堵剂粒度分布的新方 法 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 4 ，2 1 5 4 7 ． Zh a n g J i n b o，Ya n J i e n i a n，Zh a o Ha i y a n ． Op t i mi z a t i o n o f b r i d g i n g p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f d r i l l i n g flu i d f o r ma t i o n p r o t e c t i o n [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 4 ．2 1 5 4 7 ． 罗向东，罗平亚 ． 屏蔽式暂堵技术及储层保护中的应用 研究 [ J 】 ． 钻井液与完井液，1 9 9 2 ，9 2 1 9 ． 2 7 ． Lu o Xi a n g d o n g，Lu o P i n g y a ． Te c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o n o f r e s e r v o i r p r o t e c t i o n o f s h i e l d e d t e mp o r a r y b l o c k i n g [ J ] ． Dr i l l i n gFl u i d＆ C o m pl e t i o n Fl u i d，1 9 9 2， 9 21 9 2 7． 刘大伟 ，康毅力，雷鸣，等 ． 保护碳酸盐岩储层屏蔽暂 堵技术研究进展 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 8 ，2 5 5 57 ． 61 ． Li u Da we i ，Ka n g Yi l i ，L e i Mi n g ，e t a 1 ． Re s e a r c h p r o g r e s s e s i n t e mp o r a r y p l u g g i n g t e c h n o l o g y f o r c a r b o n a t e r e s e r v o i r p r o t e c t i o n [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 8 。2 5 5 5 7 - 6 1 ． [ 4 ] 徐同台，陈永浩 ，冯京海 ，等 ． 广谱型屏蔽暂堵保护油 气层技术 的探讨 [ J J ． 钻井液与完井液，2 0 0 3 ，2 0 2 3 9 ． 4 1 ． Xu To n g t a i ，Ch e n Y o ng ha o，Fe n g J i n g ha i ， e t a 1 ． T he g e n e r a l - p u r p o s e t e mp o r a r y s hi e l d p l u g g i n g t e c h n o l o g y i n p r o t e c t i n g h y d r o c a r b o n r e s e r v o i r [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 3 ，2 0 2 3 9 - 4 1 ． [ 5 ] Ka e u f f e r M． De t e r mi n a t i o d e o p t i mu m d e r e mp l i s s a g e g r a n u l o me t r i q u e e t q u e l q u e s p r o p r i e t e s s y r a t t a c h a n t[ C ] ． P r e s e n t e d a t Co n g r e s s I n t e r n a t i o n a l d e AFT P V ，Ro u e n， Oc t ，1 97 3 1 1 2． [ 6 】 Ha n d s N，Ko w b e l K，Ma i k r a n z s ． Dr i l l i n g - i n fl u i d r e d u c e s f o rm a t i o n d a ma g e i n c r e a s e s p r o d u c t i o n r a t e s [ J ] ． O i l Ga s J ， 1 9 9 8 ， 9 6 2 8 6 5． 6 8 [ 7 ] Ab r a ms A． Mu d d e s i g n t o mi n i mi z e r o c k i mp a i r me n t d u e t o p a r t i c l e i n v a s i o n [ J ] ． J P e t r o l T e c h n o l ，1 9 7 7 ， 2 9 3 5 8 6 ． 5 9 3 ． [ 8 ] D i c k M A，H e i n z T J ， s v o b o d a C F， e t a 1 ． O p t i mi z i n g t h e s e l e c t i o n o f b r i d g i n g p a r t i c l e s f o r r e s e r v o i r d r i l l i n g fl ui d s [ c】 ． S P E 5 8 9 7 3 ． ／ ／ P r e s e n t e d a t t h e i n t e rna t i o n a l s y m p o s i u m o n f o r m a t i o n d a m a g e ． He l d i n La f a y e t t e ，L o u i s i a n a ，F e b 2 3 - 2 4， 2 0 0 0 1 8 3 - 1 9 1 ． [ 9 ] S mi t h P S ， B r o wn e S V， He i n z T J ，e t a 1 ． Dr i l l i n g fl u i d d e s i g n t o p r e v e n t f o r ma t i o n d a ma g e i n h i g h p e r me a b i l i t y q u a rt z a r e n i t e s a n d s t o n e s[ C 】 ． S P E 3 6 4 3 0 ／ ／ P r e s e n e d a t t h e a n n u l s p e t e c h n o l o g y c o n f e r e n c e ． He l d i n De n v e r ，Oc t 6 - 9， 1 9 961 4 7． 1 53 ． 【 1 0 ]曾凡，胡永平 ． 矿物加工颗粒学 [ M]． 徐州 中国矿业大 学出版社， 1 9 9 5 7 5 8 6 ． Ze n g F a n，Hu Yo n g p i n g ． Pa r t i c l e t e c h n o l o g y o f mi n e r a l p r o c e s s i n g [ M] ． Xu z h o u C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c hn ol og y p r e s s，1 9 95 75 86． [ 1 1 】孔翠龙，孙玉学 ，王桂全 ． 基于 An d r e a s e n方程的屏蔽暂 堵新方法 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 1 2 6 ． 2 8 ． Ko n g Cui l o n g， S un Y u x u e， W a n g Gu i q u a n ．A ne w t e c h n o l o g y o f t e mp o r a r y p l u g g i n g b y s h i e l d i n g b a s e d o n a n d r e a s e n e q u a t i o n [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ． 2 0 1 0 ，2 7 1 2 6 ． 2 8 ． [ 1 2 】刘波，鄢捷年 ． 国外保护油气层技术新进展关于暂 堵机理和方法的研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 3 ， 2 0 1 4 3． 48 ． L i u Bo， Ya n J i e n i a n ． Ad v a n c e s i n o v e r s e a s t e c h n o l o g y o f f o r ma t i o n d a ma g e c o n t r o l - -． ．I nv e s t i g a t i o n s o n t h e me c h a n i s ms a n d me t h o d s o f t e mp o r a r y p l u g g i n g [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 3 ，2 0 1 4 3 ． 4 8 ． 收稿 日期2 0 1 4 - 0 9 - 1 0 ；HG F 1 5 0 1 M3 ；编辑马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m