多功能煤储层钻井液动态污染评价系统.pdf

第 2 8卷 第 4期 2 0 1 1 年7月 钻井液与完并液 DRI LL I NG F LUI D ＆ C0M P L ET 1 0N F LUI D 、 ， o 1 ． 28 NO． 4 J ul y 2 01 l 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 4 ． 0 0 1 1 - 0 3 多功能煤储层钻井液动态污染评价系统 余维初 ， 蒋光忠 ， 汪伟英 ， 胡三清 ， 邹来方 ， 田中兰 ， 杨恒林 1 ． 长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 ； 2 ． 中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 摘要 多功能煤储层钻井液动态污染评价系统是一种模拟煤储层真三轴应力条件下的钻井液对煤储层的侵入、 以及侵入储层的深度和程度，同时还可以进行各种真三轴应力条件下的煤储层各向异性特征研究的实验仪器，属 煤层气钻井液保护与伤害评价测试技术研究领域。该评价系统具有测量煤层煤心在各 向异性应力条件下渗透率变 化以及在真三维压力状态下煤储层钻井液动态污染前后的渗流变化规律的功能 ；能模拟正压差、1{ i 压差、平衡钻 井过程中的钻井液动态污染过程，实现煤储层污染过程和渗流测试过程一体化，避免多次装夹煤样产生应力效应 ； 适用于煤储层气液两相渗透率测试 ，解决 了目前评价实验 中常用的伪三轴夹持器不能在 3个轴向上加载不同轴压 的问题以及流体驱替实验、钻井液污染试验 、气液两相驱替试验要单独进行的缺陷，具有流程清晰、操作方便 、 实验软件模块化、实验数据标准化等特点。 关键词 煤储层 ； 真三轴应力 ；动态污染 ；实验研究 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识 码 A 目前 ，中国只有用于油气层保护研究的 、单一 的模拟钻井的人井流体损害装置和测量煤心受入井 流体损害深度和程度的动态损害评价系统等。但是 煤储 层的保护工作贯穿煤储层勘探开发 的各个生产 过程 ，是一项涉及多种学科的综合配套技术 ，上述 仪器装置并不能满足实际生产的需要。因此 ，对能 够模拟煤储层真三轴应力条件下钻井液对储层的侵 入 、以及侵人储层的深度和程度 ，同时还可以进行 储层 的各种三轴应力方面的评价系统 的试验研究意 义非常重大 ，用以满足煤储层保护工作实际生产的 需 要 [ 1 - 5 ] 1设 计 思 路 根据设计的要求 ，该 “ 评价系统”首先要设计 一 台能够用于真三轴应力 的煤心夹持器 ，能够模拟 地层上覆压力 、最大水平应力和最小水平应力 的加 载 ； 要能够测量煤心的原始渗透率和受损害后的渗 透率 ； 该系统测量原始渗透率后不必取出煤心，而 是在模拟地层温度 、真三轴压力 、流速的条件下对 煤心端面进行动态污染损害 ，动态污染采用端面循 环剪切式 的结构 ； 该评价系统配置和流程适用于气 液两相流体渗透率的测试。因此该仪器的主体结构 应该包括温度控制系统 、围三轴应力加压系统 、真 三轴煤心夹持器系统 、流体贮存及驱替系统 、液体 和气体计量系统 、压力及温度数据采集和数据处理 系统等 [ 6 - 7 ] 2 评价 系统 的结构及工 作原理 2 ． 1 评价系统的结构 多功能煤储层钻井液动态污染评价系统 由气体 增压泵 、 气体储气罐 、 I S C O1 0 0 D X泵 、 精密平流泵 、 加湿容器 、油活塞容器 、水活塞容器 、三轴应力岩 心夹持器 、 钻井液容器 、计量轴压泵 、回压缓冲器 、 气体质量流量计 、油气水分离器 、电子天平 、计算 机采集板 、烘箱等组成 。该动态污染评价系统的结 构如图 1 所示 。 基金项目 国家科技重大专项项 目3 6课题 1 2 0 0 8 z x 0 5 0 3 6 0 0 1 。 第一作者简介 余维初，教授，1 9 6 5年生，长期从事油 田化学和油气储层保护研究领域 的教学和科研工作。地址 荆州市开发 区荆沙大道 6号荆州市现代石油科技发展有限公司 ；邮政编码 4 3 4 0 0 0；电话 0 7 1 6 8 2 3 8 8 6 1 ／ 1 3 9 0 7 2 1 6 7 9 0； E ma i l y u we i c h u 1 2 6 ．C O 1T I 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 7月 1 ． 低 凋 ； 2 ． 气体增 泵 ； 3 ． 气体高压表 ； 4 ． 高压 凋压保护阀 ； 5 ． 高压减压 ； 6 ， 回压加压阀 ； 7 ． 钻井液污染 阀 ； 8 ． 低压凋压保护阀 ； 9 ． 高压加压 阀 ；l 0 ． 低压减压 1 1 ． 低乐加 ； 1 2 ． 六通阀门座 ；1 3 ． 进 口压力表 ； l 4 ． 轴 加压阀 ； 1 5 ． 轴压压力表 ； 1 6 ． 三轴应力煤心夹持器 ； 1 7 ． H j 口 力表 ； 1 8 ． 汁量轴乐泵； 1 9 ． 回压压力表 ； 2 0 ． 同压缓冲 ； 2 1 ． 旧 阀 ； 2 2 ． 气体质量流量计 ； 2 3 ． 油气水分离器 ； 2 4 ． 电 子天平 ； 2 5 ． 计算机采集板 ； 2 6 ． 钻井液容器 ； 2 7 ． 低压 力 传感器 ； 2 8 ． 高 压力传感器 ； 2 9 ． 烘箱 ； 3 0 ． 水活塞容器 ； 3 1 ． 油活塞容器 ； 3 2 ． 加湿容器 ； 3 3 ． 精密平流泵 ； 3 4 ． 弧替液 ； 3 5 ． I S C O1 0 0 D X泵 ； 3 6 ． 气体储气罐 1 多功能煤储层钻井液动态污染评价系统流程的结构 真 轴应力夹持器由 x轴压盖 、左调节螺母 、 x轴加压活塞、 左固定蠼 、 左固定块、 夹持器简体、 胶筒 、钻井液管道接 口、右柱塞 、右螺母 、有周定 块 、有调节螺母 、Y轴压盖 、Y轴加压柱塞等组成。 其结构如图 2和图 3所示 。 1 ． X辅 导管 ； 2 ． 流体人口； 3 ． X轴压盖 ； 4 ． 轴卡簧； 5 ． 调节螺母 ； 6 ． 轴卡簧 ； 7 ． O型圈 ； 8 ． X轴加压7 舌 塞 ； 9 ． 左同 定螺母 ；l 0 ． 左同定块 ； 1 1 ． 0 圈 ； 1 2 ． 定位螺丝 ； 1 3 ． 定似 销 ； 1 4 ． 夹持器简体 ；1 5 ． 胶简 ； 1 6 ． 样品 ；1 7 ． 钻井液管道接 口 ； 1 8 ． 四氟垫 ；l 9 、2 0 ． O型罔 ； 2 1 ． 有柱塞 ； 2 2 ． 1右螺埘 ； 2 3 ． 有 定块 ； 2 4 ． 渊节螺母 ； 2 5 ． 轴卡簧 ； 2 6 ． 流体出f J； 2 真轩 打 应力夹持器的轴向结构示意图 2 ． 2 工 作原理 将实验样品装入真 三轴煤心夹持器 的胶筒 ，装 入 x轴加压柱塞和 x轴压盖，装入 并顶紧右柱塞， 连接 Y轴和 z轴的轴压管线和注人流 m实验流程 ， x轴 、Y轴 、z轴轴压通过液压泵控制，■轴向爪 力可 以互不相同，装入配制的 替液 ，打 于 测试软 件和 口计量系统 ，启动驱替泵，即可进行真 一 轴 应力条件 F的流体渗透率测试实验。 真_ 二 轴煤心夹持器煤一 0右端面设计有垂 向的钻 井液污染通道 ，当流动实验完成后 ，将 梓塞邀⋯ 一 定距离 ，扣‘ 开钻井液通道，同时_『 1 『 以通过左端面 煤心 口收集钻井液滤失液 ， 用于任真 t 维 乃 状念下 ，模拟父平衡 、IF 差 、平衡钻井过程 r { I 的 钻井液动念污染过程 ，储层污染过程和渗流测试过 程一体化 [ 8 - 1 4 ] 一 2 7 ． Y轴 导管 ； 2 8 ． 螺栓 ； 2 9 ． Y轴压盖 ； 3 0 、3 1 ． O J 3 2 ． Y轴 } J 佳塞 ； 3 3 ． Z轴压 导管 ； 3 4 ． 扎簧 ； 3 5 ． 定 销 罔 3 真_ 三 轴 力夹持器的径 结构， J j 意 2 ． 3 数据 采集与控制 原理 1 硬件部分 。多功能煤层气等温吸附 I j 钻“ 液动态污染评价实验仪的数据采集 以 F 5 件进 控制 传感器检测 ，信号预放大及滤波处理 ； 信 号 多路切换 、放大 、采样保持及量模数的转换部分 ； 单片机控制及数据传输 的处理部分 ；汁算机数据处 理部分。 2 软件部分。软件基于 Wi n 2 0 0 0 操作系统采 川 V B编制，全中文界面，通过高精度爪 传感器 和电子阀 自动控制压力，通过温度传感器和恒温装 置 自动控制温度。实现基本参数输入 、运行参数设 定 控制，能记录试验时 、 流量 、 孔隙体积 pv 、 T作时问 、T作压 力、 乐 力 、渗透率等，自动 绘制渗 透率值 与 PV倍数 、渗透牢值 时I H J 、 压力与时间的关系曲线 ，实现动态损害过 的 自动 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 4期 余维初等多功能煤储层钻井液动 态污染评价 系统 l 3 控制和提示 ； 同时软件还具有传感器标定、超压超 温报警 ； 记录时间间隔设定 ； 历史数据查询 、报表 与曲线打印、实现 Ac c e s s 或 E x c e l 格式实时数据存 储等功能。 2 ． 4 评价系统的主要技术指标 1 烘箱 2 5 0 0 mm8 5 0 mm1 7 5 0 mm。工 作箱容积 1 5 0 0 mm7 0 0 mm x 7 5 0 m m，内表 为 不锈钢 ，外表喷塑。 2 工作温度 室温 ～1 5 0 ； 控温精度 2 c c。 3流速范围 0 ． 0 0 1 ～4 0 mL ／ mi n。 4流动工作压力 0 ～5 0 MP a ，泵最高压力为 6 9MP a ，污染压力 0 ～1 0 MP a 。 5压力精度 满刻度的 0 ． 2 ％。 6气体压力 0 ～3 0MP a 。 7三轴应力 0 ～7 0 MP a 。 8渗透率测量范围 1 ～5 0 0 0 1 0 g m 。 3 主要 功 能及 用途 该评价系统的主要功能有 ①能测量煤层煤心 在各 向异性应力条件下 的渗透率变化 ； ②在真三维 压力状态下 ，流体的流动特性 ，适用 于煤储层钻井 液动态污染前后 的渗流变化规律 ； ③模拟欠平衡 、 正压差 、平衡 钻井过程 中的钻井液动态污染过程 ， 煤储层污染过程和渗流测试过程一体化 ，避免多次 装夹煤样产生应力效应 ； ④应用于煤储层 j 三 维方向 的渗透率测试 ，评价煤层煤心三维各向异性特征 ； ⑤适用于煤储层气液两相渗透率测试。 4实验 参数及数 据处 理方法 4 ． 1 液相渗透率的计算 在一定压差作用下 ，流体能够通过多孑 L 介质 ， 介质渗透流体的能力可以用达西定律来描述，计算 公式如下。 Ki 4 x 1 0 3 _ V pLi 兀 D △P| 其 中 z ／ - Q 式中 ，K 为煤心各分段渗透率 ，1 0 - 岬 。 ； V为体积 ， m L； 为流体黏度，m P a S ； L 为煤心长度，c m； D为煤 心直径 ，c m ； t 为时 间，s； △P 为煤 心各 分段压差 ，0 ． 1 MP a 。 4 ． 2 环空处钻井液上返速度的计算 环空 钻杆和钻铤 钻井液返速的计算方法如下。 兀 R 2 - r 2 F Q 4 O 对上式进行单位换算 ，得到下式 。 4 0 0 0 Q ’ 71 ～D 1 1 X 2 ．5 4 1 0 0 一 兀 ～ 1 0 0 rc D l 一 D 2 式 中，9为钻井液泵排 量，L ／ s； 为钻杆 和钻铤 处环空返速，m／ s； D 为钻头直径 ，mm ； 为钻头 半径 ，mi l l_ ； D2 为钻杆或钻铤外径 ，l l l m ． ； r 为钻杆 或钻铤半径 ，mm。 煤心端面处的剪切速率通过注入泵 的排量和煤 心端面的截面积计算 ，通过控制注人泵的排量达到 设计的上返速率。 上返速度的推荐值为0 ．5 ～0 ．6 r n ／ s 时， 才能形成平板型层流， 满足勘探钻井工艺要求。 4 ． 3 煤心动滤失速率的计算 根据钻井液动滤失方程 ，钻井液或完井液通过 煤心时的动滤失速率可使用下式计算 6 0A0 J d A ．A t 式 中 为 动 滤 失 速 率 ，mL ／ c m。 mi n ；A0为 △t 时 间内的动滤失量 ，mL；At 为滤 失时间 ，S； A为煤心端面渗滤面积 ，c m 。 5 应 用前景 多功能煤储层钻井液动态污染评价是一种模拟 煤储层真三轴应力条件下的钻井液对储层的侵入、 以及侵入储层 的深度和程度 ，同时还可 以进行各种 真j轴应力条件下 的煤储层各 向异性特征研究 的实 验装置。该评价系统解决 了目前评价实验 中常用 的 伪三轴夹持器不能在 3 个轴 向上加载不 同轴压的问 题以及流体驱替实验 、钻井液污染试验 、气液两相 驱替试验要单独进行的缺陷 ，具有流程清晰、操作 方便 、实验软件模块化 、实验数据标准化等特点。 该研究成果对于钻井液引起煤储层伤害机理研究具 有重要的意义，应用前景广阔。 参 考 文 献 [ 1 ] 孙建平 ． 煤层气井钻井液特点的探讨 f J ] ． 中国煤田地质， 2 0 0 3 ，8 6 1 _ 6 2 ． 下转第1 8 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 7月 表 7 Ma d e d e r o p 一 1 井部分井段 B H A T H钻井液性能 注 钻 井液 中压 滤失 泥饼厚 度均 为 0 ． 3 mi l l； F L 在 1 6 0 F测定 ，泥饼厚度均为 0 ． 7 mm ； 泥饼摩阻系数均为 0 ． 0 5 ，含砂量均为 0 ．2 ％，p H值均为 8 ． 5 。 3 结 论 1 ． B H A T H“ 三高” 钻井液的体系稳定 ， 抗温性 、 流动性能较好 ，抗温能力达 2 2 0℃，最高密度可达 2． 5 0 g ／ c m 。 2 ． BH A T H “ 三高”钻井液具有好 的综合特性 ， 能够 以相对较低的密度钻穿 目的层 ，最大限度地保 护油气层 。而且其 良好 的造壁性能和润滑性能 ，能 够很好地保护和稳定井壁 ，减少潜在的复杂事故隐 患 ，预防井漏的发生 ，从而缩短施_T时间，降低施 工难度和T作强度 ，提高综合效益 。 f 上接第 】 3 页 3．BH ATH“-- 一 A 高”钻井液具有较强的抑制性 ， 适合于纯盐层和复合盐层钻井 ，适用于压力系数超 高和含泥页岩的地层。 可根据钻井需要调整 B Z WY J 的加量 ，使盐膏层盐岩适 地溶解 ，控制盐膏层计 眼扩大率 ，同时保持 B H A T H钻井液有较强的抑制 性能。 参 考 文 献 Ca r n e y L L， Gu v e n N ． W a t e r B a s e M u d S y s t e m Ha v i n g M os t of t he Adva nt a ge s of Any Oi l Ba s e Sys t e m Pl us E c o l o g i c a l A d v a n t a g e s [ R ] ．S P E 1 7 6 1 6 ． Abdon J C ． Ja ckson B L．The Devel opm enl of a De f l o c c u l a t e d P o l y me r Mu d f o r H T HP D r i l l i n g [ R ] ． S P E l 7 9 24． M i t c h e l l R K ． De s i g n a n d Ap pl i c a t i o n of a Hi g h T e mp e r a t u r e Mu d S y s t e m for H o s t i l e E n v i r o n me n t s [ R 】 ． s PE 20 43 6 李祥华，张景阳．z 4超深井钻片液 岂技术 【 J 1 ．西部 探矿 【 程 ，2 0 0 5 1 0 1 3 9 1 4 2 ． 陈小 明，徐 常生 ，赵顺亭 ，等 ．自 5 6深 井高惭度钻 ” 液技术 f J 1J．钻采 厂 ，2 0 0 2 ，2 5 5 J l 2 一 f 4 ． [ 2 ] 陈江峰 ． 储层伤害煤层气钻井应注意的问题 [ J 1 ． 煤 炭技术 ，1 9 9 8 ，2 1 8 - 1 9 ． 【 3 】 贾军，唐培琴 ． 钻井液对煤层气储层渗透性的损害 I J 1 ． 钻井液与完井液，1 9 9 5 ，1 2 6 1 6 ． [ 4 】 任俊， 董泽军， 张靖伟 ． 煤层气钻井技术 『 J 】 ． 断块油气 田， 1 9 9 8 ，5 2 4 5 4 7 ． [ 5 ] 崔迎春 ． 煤层气储层钻井过程 中的地层损害及保护 【 J ] ． 探矿丁程 岩土钻掘 T程 ，1 9 9 8 ，4 5 0 ． 5 2 ． [ 6 ] 余维初 ，胡三清 ． J HR新型岩 煤 心夹持器系列的研 制与应用 『 J 1 ． 石油钻采工艺，1 9 9 5 ，1 7 6 8 2 8 4 ． [ 7 ] 李琪 ． 普通煤心分析技术 [ M] ． 北京 石油 r 业出版社， 1 99 3 5 ． 1 5 ． [ 8 】 余维初 ， 孙天锡， 李淑廉 ． 渗透率梯度测试仪的研制 l J 1 ． 百油钻采 lr 艺，1 9 9 5 ，1 7 5 8 2 ． 8 6 ． [ 9 】 余维初．鄢捷年 ． 智能型高温高压人井 流体 动态损 害评价 系统 的研制 『 J 1 ． 天然气 T业，2 0 0 5 ，2 5 4 l 1 1 3 收稿 日期2 0 1 1 0 2 2 5 H GF 1 1 0 3 F 5 编辑 汪桂娟 ，什硐 [ 1 0 ]余维初，何权 ．J H MDI新型智能高温高 动怠损害 失水仪的研制 f J l _ 钻井液 与完 液，2 0 0 5 ，2 2 6 4 9 5 O． [ 1 1 】法鲁 克 一 两维 编著，杨凤丽等 译．油 害 理 、模拟 、评价和防治 『 M] ． 北京 油 T 业f 版礼， 200 3 99 1】 5． f 1 2 ]Co n wa y M W ，P e n n y G S ，e t a 1 ． F r a c t u r i n g F l u i d Le a kof f a n d Da m a g e M e c ha ni s m s i n Co a l be d M e t ha ne R e s e r v o i r s [ R ] ． S P E 2 5 8 6 3 ． 【 1 3 】S h i y i n g L u o ，Y u n L i ，Yi n g f e n g Me n g ，L i e h u i Z h a n g ． A Ne w Dr i l l i n g F l u i d f o r F o r ma t i o n Da ma g e Co n t r o l Us e d i n U n d e r b a l a n c e d D r i l l i n g [ R ] ． S P E 5 9 2 6 1 ． [ 1 4 ]C h e rt Z，K h a j a N，Va l e n c i a K L，e t a l ， F o r ma t i o n Da ma g e I n d u c e d b y F r a c t u r e F l u i d s i n Co a l b e d M e t h a n e R e s e r v o i r s [ R ] ． S P E 1 0 1 l 2 7 ． 收稿 日期2 0 1 0 ． 1 2 2 4 ；H GF 1 l 0 3 N7 ；编辑 王小娜 Ⅲ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m