关于无渗透钻井液技术合理性的思考.pdf

第 2 6卷 第 4期 2 0 0 9年 7月 钻 井 液与 完 井 液 DRI L LI NG FL UI D COM P LETI ON F LUI D Vo 1 ． 2 6 No ． 4 J u l y 2 0 0 9 文章编号 l O O l 一 5 6 2 0 2 0 0 9 0 4 0 0 5 6 0 6 关 于无渗透钻 井液技术合理性的思考 蔡利 山 于培 志 刘贵传 1 ． 中石化石油勘探开发研究 院钻井研究所 ， 山东德州 ； 2 ． 中石化石油勘探 开发研究 院钻井研究所 ， 北京 摘 要 以室 内评价方法和现场应用资料为基础 ， 结 合相 关的理论 研究成 果， 对 无渗透钻 井液 的技术特 点进行 了分析 ， 认为无论从评价方 法原理还是从技术功 能上讲 ， 无渗透钻井液都是对传统钻 井液技术 的改 良， 且部 分评价 方法不足 以反映无渗透钻井液技术 的真实情况 ， 指 出该体 系似 乎不会 有好 的应用前景 。分析 其主要原 因与无渗透 钻井液在概念的定义上存在缺 陷有关 ， 由于缺乏 明确 的理论指 导， 导致该体 系无法在 技术上得 到更进一步 的提 升。 此 外由于非渗透剂特 性所致 ， 使 得这种材料与常规钻井液助 剂差别 较大 ， 从 而极 大地 限制 了无渗 透体 系的正 常使 用 与维护 。通过对各种资料 总结分析后认为 ， 无渗透钻 井液不是一种独立 的钻井液体 系 ， 与传 统钻 井液 相比， 其大 多数特征性技术功 能并不具有 实质 性的差异 。 关键词 无渗透钻 井液； 评价方法； 钻 井液性 能； 专论 中图分类号 TE 2 5 4 文献标识码 A 0 引 言 “ 无 渗透钻 井 液 ” 这 一 专 业 术语 ， 无 论 从 技 术 上 还是功能 的概括上 ， 其意义表述均十分明确 ， 亦即该 钻井液在与地层或岩石接触后， 具有完全 阻止其滤 液 一般 指水 ， 按 照技 术 上 的延 伸说 法 ， 也 可 以包 括 烃类 物质 、 人 工合 成液 相等 持续 进入 亦 即渗透 接 触 物 内部 的功 能 。中 国 最 早 于 2 0 0 3年 提 出“ 无 渗 透 ” 这一 概念 ， 并 于该年 下半 年在 新疆 的部分 地 区开 始 试应 用 这 一 技 术 。对 该 技 术 的研 究 高 潮 出 现 于 2 0 0 5 ～ 2 0 0 6年 间 ， 其 中 2 0 0 5年 发 表 论 文 2 3篇 ， 2 0 0 6年发 表论 文 2 2篇 ， 会 议交 流 4篇 ； 2 0 0 7年 相关 的研究 与应 用工 作 开 始 回落 ， 发 表 论 文 1 5篇 ， 会 议 交 流 2篇 ； 2 0 0 8年发 表论 文 4篇 ； 2 0 0 9年 发稿 1篇 ， 会 议交 流 1篇 均 截 止 到 本 文撰 写 的时 间 ， 意 味着 该 技术 基本 结束 了 规模 性 的研 究 与 推广 阶段 ， 前 后 历 时 5年 。从各 方 面 的相 关 信 息 看 ， 该 技术 实 际投 入使用的情况与期望值相差很大 ， 并有逐渐淡出钻 井液技术领域的趋势 。客观地讲 ， 造成这种情形 的 因素是多方面的， 但笔者认为概念上 的缺陷是主要 的原 因 。 1 关于“ 渗透” 概念 的说 明 从 纯 粹 的物理 和 化 学 角度 讲 ， 渗 透是 指 溶 剂分 子 通过 半透膜 并 扩散 的过程 。在溶 液 中渗透 是指溶 剂 分子从 溶质 浓度 较低 的环 境 向溶 质 浓度较 高 的环 境 移动 的过程 。渗透是 一种 十分 复杂 的物理 化学 现 象 ， 可 以说 只要存 在物 质之 间 的接 触 ， 就有渗 透过 程 存 在 ， 其 最终 结果 是 2种相 互 接 触 的物质 在 各 种 物 理 或化 学 因素 的综合作 用下 达 到动态 平衡 。 因此 从 理论上讲 ， 自然界不存在“ 无渗透” 这种情况 ， 或者说 “ 渗透” 是绝 对 的 ， 而“ 非 渗 透” 则是 相对 的。 2 无渗透钻井液 主要技术功能剖析 据 文 献 资料 介 绍 ， 无 渗透 钻 井 液体 系 的作 用 原 理及 主要技 术 功 能 如 下 ① 具 有 广 谱 防漏 、 保 护 储 层 、 防止井 壁坍塌 和 提高 固控效 率 的作用 ； ② 于岩石 表面快 速形 成接 近 零 滤失 的保 护 层 ， 使 钻 井 液及 其 滤液 与地层 完全 隔离 ， 实 现“ 零 渗透 ” 功能 ， 并 由此使 得压力 传 递效应 被 完 全 阻 断 ， 从 而有 效 避 免 了压 差 卡钻 ； ③所 形成 的非 渗 透 膜 与 岩 石 以物 理 接 触方 式 为主 ， 当地层孔隙压力高于环空液柱压力时可 自动 脱落 ， 不会 对地 层造 成永 久性 堵塞 ， 并且该 非 渗透膜 的承 压能 力高 ， 能够 有效 提高 地层破 裂压 力梯 度 ， 改 善长 裸 眼复杂 压力 系统地 层 的施工 安全 性 。可 以看 出， 无渗透钻井液基本上具备了理想钻井液应有的 所有 功能 。国外还 开发 出 了一袋化 产 品 D WC 2 0 0 0 ， 第一作者简介 蔡利 山， 高级工程师 ， 1 9 6 3 年 生， 1 9 9 1年毕业于 中国地质大 学 武汉 探矿工程专业 ， 现在从事 钻井液技术 研 究工作 。地址 山东省德州市东风东路 3 5号 ； 邮政编码 2 5 3 0 0 5 ； 电话 0 5 3 4 2 6 7 O 1 O 2 ／ 2 6 7 O 1 7 5 ； E - ma i l c l s s i n o p d ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 4期 蔡利 山等 关- I - 渗透 钻 井液技 术合 理性 的 思考 5 7 即只采用 DWC 2 0 0 0就 能 完 成 超 低 渗 透 水 基 、 油 基 钻井液的配制 J 。 此处暂且不讨论钻井液助剂产 品一袋化使用形 式的现场可行性。单从无渗透 钻井液 的功能看 ， 实 际上 主要 还是通 过 添加非 渗 透剂对 泥饼 进行 功 能性 改造后 表 现 出来 的 。该体 系将 突破 方 向定位 于 泥饼 的改造 上 ， 目标 十分 明确 。众 所周 知 ， 钻 井液 性 能 的 好 坏最 终 总会体 现 在 泥饼 质 量 上 ， 比较 典 型 的指 标 就是泥饼的渗透性 ， 即一种优质的钻井液体 系其滤 饼 的渗 透性 必定 是 很 低 的。但 无 论 如 何 ， 泥 饼 不 会 具备理论意义上“ 膜” 对分子 或离子 的选择性透过 功能 。关 于这一 点 ， 文 献 [ 3 ] 中指 出 ， 钻井 液 的“ 半 透 膜 ” 现象 实 际上是 由于 地层 中 的液 体 水 与 钻 井 液 液相之间存在化学位差所致 ， 这种现象可 以用于化 学抑制理论 ， 但无法将其 运用于 降低 泥饼渗透性 。 从成膜角度讲 ， 即便是可以形成接近理论意义上的 “ 半透膜” 泥饼 ， 其也仍然不是“ 无渗透” 的， 因为半透 膜的一个主要特征就是能够有选择性地使一部分物 质 通过 。 3 泥饼 形成 过程简要分 析 钻井液 的许多功能是借助于泥饼来 实现的， 泥 饼 的质量 与钻井 液 性 能 直 接 相 关 ， 其 相关 性通 常受 钻井 液滤 失量 的影 响 ， 因为 滤 失 量 实 际 上 反 映 了钻 井液的胶体性质 ， 当体 系中的胶态粒子 占有相 当数 量并呈 现 比较稳 定 的分 布 时 ， 才 有 可 能将 滤失 量 控 制在 较 小 的范 围l_ 4 ] ， 这 意 味 着 钻井 液 中 固相粒 子 的 存在形 态 和分布 情况 对泥 饼渗 透性 起着 决定 性 的作 用。然而泥饼的形成决不是一个简单的物理沉积过 程 ， 它 是钻井 液 中各 种 固相 颗 粒 经过 与多 种 化 学 添 加剂 的相互 作用 并 形成 稳 定 的悬 浮 分 散 体 后 ， 在 压 力 与温 度环 境下 以物 理方 式为 主沉 积 附着 到岩 石 表 面而 产生 的 。 很 显然 ， 由于所处 环境 的特 殊性 ， 与 理想 状态 下 的颗粒 堆积方 式 相 比， 钻井 液 中 固相 粒 子 的沉 积 过 程要 复 杂得多 。对 于井 下 环 境 而 言 ， 颗 粒 的沉 积 过 程 主要受 液柱 压力 与地 层孔 隙压 力之 差 和环 空液 流 流 动状态 的影 响 ， 而 重 力 效 应 基本 可 以忽 略 。 由此 可以推测 ， 实际作业条件下泥饼 的形成过程主要 与 压差和地层的渗透性有关 ， 只有 当颗粒完成了沉积 过程后在继发的压实过程 中， 颗粒的粒径分布才开 始对泥饼的渗透性发挥作用 。关 于这一点 ， 不少文 献对 其进行 了分析 与 论 证 ， 最 终 得 出 的 比较 一 致 的 结论有 ①理想的单一粒径分布方式会 降低颗粒堆 积的紧密度 ， 但对于提高单位空间粒子容纳量而言， 颗粒 粒径 相差 越 大越好 ， 一 般相 差 4 ～5倍 即可 以达 到 紧密 堆 积 效果 ； ② 颗 粒 的形 状 和 充填 方 式 会 明 显影响堆积密实度 ， 研究表明 ， 球形效应越好的颗粒 越能达到 紧密堆积 ； ③超塑化剂 减 水剂或 降滤 失 剂 能够有效改善空 隙结 构， 提高颗粒 堆积 的一体 性 ； ④ 颗粒 的表 面 性 质如 光 滑 度 、 水 膜厚 度 、 吸 附 性能 等也 会影 响堆 积 的紧密 程度 。 文献[ 4 ] 也 明确指出， 泥饼的渗透率取决于构成 泥饼的黏土及其组成粒子的尺寸 、 形状与水化程度 ， 颗 粒越 小 ， 形状 越 扁 平 ， 在 压 力 下 越 易变 形 ， 对 降低 渗透率越有效 ； 颗粒水化膜越厚 ， 充填微孔隙效应越 好 ， 降低渗透性效果也越好。实际上钻井液 中所使 用的各种稳定剂 降滤失剂 、 稀释剂 主要就是为 了 通过增强和改善黏土粒子的水 化效应 ， 达到降低泥 饼渗透性的 目的。从这种角度讲 ， 非渗透剂 与降滤 失剂所要达到的技术 目标其实是一致 的， 亦 即可 以 把非渗透剂视为一种专用的降滤失剂 ， 但在许多相 关文献的描述中， 都特别强调了“ 零渗透” 和“ 降低滤 失 ” 在概 念上 不是 一 回事 ， 以示 二 者 的 区别 ， 但 直 到 目前 为 止 ， 尚未见 到 有 文 章从 机 理方 面或 采 用 数 理 分析 方式 对二 者 之 间的 区别进 行论 证 。 笔者认为， “ 零渗透” 和“ 降滤失” 在技术上并无 实质 性 的差异 ， 将 “ 无 渗 透 ” 概 念 引入 到 钻 井 液 中对 相关 技术 的提 升 实际上 并 没有 多大 意义 。根 据最新 的交流信息 ， 部分专家认 为泥饼必须具有一定的渗 透性 ， 其理由是 ①渗透率极低的泥饼会给完井作业 中井筒 的清洗造成很大 困难 ； ②具有适度渗透性的 泥饼有 利 于在 近井 壁 地 带 建 立 压 力平 衡 ， 降 低井 眼 失稳概率 。很显然 ， 对于传统的技术观念而言 ， 这种 观点不 啻是 一种 颠 覆性 的挑 战 ， 限于 篇 幅 ， 本文 不过 多地涉 及这 一 问题 。 4 无渗透钻 井液性能评价 方法分 析 为 了评价无渗透钻井液形成的封堵膜的抗渗透 能力 ， 室内开发了各种评价测试方法。根据文献E 7 J 的介绍 ， 测定封堵膜抗渗透能力的方法 主要有 以下 4种 ， 分别为 ①中压 和高温高压条件下的砂床滤失 量 ； ②裂缝封堵能力评价 ； ③ 岩心降滤失能力评价； ④岩心承压能力评价 。也有人采用测定膜结构密封 度和岩心渗 透率恢 复率来评价无 渗透膜 的封 堵能 力 ， 但就其基本操作方式和欲达到的最终 目标看 ， 与 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 钻 井液与 完 井 液 2 0 0 9年 7月 上述 4种 方法 并 无 本 质差 异 ， 因此 不 单 独 列 出 。为 了对 比通 常 的滤失 量测 定 与抗渗 透能 力测定 方法 的 异 同 ， 有 必要对 各 种 测试 无 渗 透 膜 封 堵 能力 的方 法 进行 分 析 。 4 ． 1 不同条件下砂床滤失量的测定 中压砂 床滤 失 实 验 方 法 与 AP I 滤 失 量 测 定 方 法 基本 相 同 ， 二 者 的主 要 区别 在 于 以不 同 分离 粒 径 的砂床 代替 了常 规滤 纸 ， 石 英 砂粒 径 一 般 为 0 ． 4 5 ～ 0 ． 9 0 mm 并 可 以根 据 需 要 选 择 。该 实 验 方 法 似 乎 具 有较 好 的逻辑 性 ， 也 具 有 国 际先 进 水 平 及 较好 的 可操作 性 ， 并 且 实验 结 果 有 助 于定 性 地 判 断 被测 钻 井液 的抗渗 透能 力 ， 但 这 种 实 验方 法 忽 视 了以下 一 些关键 因素 的影 响 。 4 ． 1 ． 1组成砂 床 的石英 砂粒 径 砂 床 是用 于模 拟真实 地层 的 ， 很显然 ， 石 英砂 的 粒径 直接 决 定 着 砂 床 的 孔 隙度 。对 于 由较 细岩 石 小 于 0 ． 9 0 mm 所 构成 的模 拟 地 层 ， 其 物理 状 态 可 能更加接近于土壤 ， 亦 即非渗透性评价实验 中所使 用 的砂床 实 际上是 一种孔 隙分布 近似 均匀 的多孔 介 质 ， 因此 钻井 液在 砂 床 中 的流 动 一 般 表现 为典 型 的 渗 流 。在封堵 效应 亦 即无 渗 透 膜 出现 之 前 ， 砂 床 中流体 的运动 状态 基本 上符 合达 西定 律 一KJ， 式 中 ， 为液 流 在 砂 床 中 的平 均 流 速 ， K 为 砂 床 渗 透 率 ， 为 渗 流 水 力 压 降 。可 以看 出 ， 砂 床 渗 透 率 K 与钻井液的渗透 速度 成正 比， K 越大 ， 非渗透过程 就 越难 于实 现 。经 验 表 明 ， 砂 床孔 隙率 一 般 是 随着 砂 粒粒 径 的增大 而 变 大 的 ， 因 此对 于 不 同分 离粒 径 砂 粒所 构成 的砂 床 ， 钻 井 液 表 现 出 的抗 渗 透 能力 也 有 明显 差异 ， 这 可 以 由钻 井 液 在不 同砂 床 中的 渗透 深度直 观地 反 映出来 。表 1 是 聚磺 钻井 液 中添加非 渗透剂 T wY一 1形成的非渗透体系 ， 于不 同砂床上 测得 的渗 透深度 。 表 1 非渗透钻井液在不同砂床上的渗透深度 砂床粒径 ／ mm 0 ． 4 5 ～O ． 9 0 0 ． 2 8 ～0 ． 6 6 0 ． 1 8 ～O ． 2 8 0 ． 1 5 ～0 ． 1 8 注 *沿 管 径 1 2 0 分 布 点 测 量 得 到 的 3个 数 据 点 的算 术 平均值 ； * * 非 渗透 剂体 系中未添加惰性桥堵材料 。 4 ． 1 ． 2钻 井液添 加剂 的配 伍 渗流是一个非常复杂 的过程 ， 具体到砂床的渗 流状态 ， 一般认为是液流 钻井液 与砂粒相互作用 后 以一种 多孑 L 漫 流形 式 表 现 出来 ， 渗 流 过程 中 的钻 井 液流 受到 吸 附力 、 毛 细 力 、 重 力 等各 种 力 的作 用 ， 其 液相 水 可能 形 成气 态 水 、 附着 水 、 薄膜 水 、 毛 细 水 和重 力水 ， 情况 比较 复杂 ， 而各 种 添加剂 则会极 大 地 改变 体 系 中 自由水 的存 在 状 态 ， 例 如 降 滤失 剂 有 助 于 强化 和加厚 黏 土 颗粒 表 面 的水化 层 ， 增 大土 粒 的静电斥力 ， 提高水化膜的黏度和弹性， 使泥饼趋于 致 密 。例如 聚磺 体 系 中加 人生 物短纤 维 、 云母粉 粒 径 小 于 0 ． 1 8 ram 、 C a C O 3 粒 径 小 于 0 ． 0 5 ram 和 非渗透剂 S D YS形成非渗透钻井液后， 分别加入不 同数量 MV C MC搅拌分散均匀后， 测得其在 0 ． 4 5 ～ 0 ． 9 0 mm 砂床 上 的渗透 深度 见表 2 。 由此 可 以看 出 ， 钻井液添加剂对体 系的渗透能力也具有 比较显 著 的影 响 ， 其 主要原 因是 泥饼 质量 得到 了改善 。 表 2 降滤失剂对钻井液抗渗能力的影响 MV CMC／ g ／ L0 2 4 6 8 1 0 渗 透 深 度 ／ c m 5 ． 2 0 5 ． 2 2 4 ． 8 3 4 ． 5 2 3 ． 4 8 3 ． 3 4 注 *渗 透 深 度 测 定 方 法 同 表 1 。 4 ． 1 ． 3 钻 井液 中非溶解 固相 的粒 度分 布范 围 关 于 固体 颗 粒粒径 分 布对孔 隙填 充效 应 的影 响 已有众 多 的研 究 成果 ， 并得 到 了 比较 一致 的结论 即 在 一定 的正 压差 条 件下 ， 当 架桥 颗 粒 粒 径 为地 层 平 均 孔径 的 1 ／ 2 2 ／ 3时 ， 在 裂 隙孔 喉处 的架 桥效果 最 为稳定 ， 当配伍 使用粒 径更 小 的充填 颗粒 包括 可变 形颗粒 时可 以形成渗 透率接近于零 的屏蔽环_ 8 ] 。 这也是 在 储 层 保 护 领 域 被 广 泛 应 用 的 屏 蔽 暂 堵 技 术， 该技术在 2 O世纪 9 O年代初期开始进入规模化 研究 ， 末期 基本 成熟并 获 得 了推广 。实践 表 明 ， 钻井 液 中粒径 级配合 理 的颗粒 完全 能够 在地层 中形 成渗 透性极 低 的封堵 层 。 由表 1可 以看 出 ， 钻 井 液在 由 不 同分离 粒 径 砂 粒 组 成 的砂 床 上 的 渗 透 性 相 差 很 大 ， 可见钻井液中架桥颗粒 的配伍是否合理对其渗 透性 的影 响非 常 显著 ， 砂 床 孔 隙越 大其 影 响程 度也 越 高 。 4 ． 1 ． 4 砂床 的物 理存在 状 态 实验室条件下砂床的物理存在状态主要是指组 成砂 床 的砂粒 的表 面性 质 如光 滑 度 、 规 则 度 、 润 湿 性 等 、 堆积 紧密 程 度 和粒 径 分 布 情况 ， 在 实 际 的井 眼条件下 ， 还需要考虑地层温度 ， 这也是室内评价高 温高压环境下非渗透体系抗渗能力的主要原因。不 过从各种实验数据看 ， 高温高压条件下钻井液的抗 渗能力主要取决于钻井液本身 的抗高温能力 ， 亦 即 钻井液 的抗渗能力和其在高温高压条件下是否能够 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 4期 蔡 利 山等 关于无 渗透 钻 井液技 术合 理性 的 思考 5 9 形成高质量的滤饼 直接相关 ， 而与是否使用非渗透 剂 关 系不是很 大 。 从常识上讲 ， 砂床的物理存在状态对其孔隙分 布状 态 和通过 流体 的 能力肯 定有 明显 影 响 。例 如 组 成砂床的砂粒的粒径分布直接决定着砂床的堆积紧 密度 ， 在相 同的压力 作用下 ， 粒径组合越合理 ， 越容 易达到紧密堆积， 而 能够实现紧密堆积的砂床其渗 透性无疑会明显降低 。此外砂粒的表面性质会直接 影 响流 体在 其 中的通 过能 力 ， 孔 隙越 小 ， 这种 影 响越 大， 例如对于微孑 L 隙而言 ， 毛细阻力 已经成为主要 的 流 动阻力 ， 而 砂粒 表 面 能 的 大小 则 决 定 着 液 体 对 其 表 面 的润 湿程 度 ， 润 湿 性 越好 ， 流 动 阻 力越 小 ， 渗 透 过程就越容易完成 。但 由于钻井液体系成分比较复 杂 ， 导致其表面润湿能力常常会有较大的变化 ， 与砂 粒接触 后 肯定会 影 响其 表 面 润 湿性 ， 甚 至 改 变 润湿 的性质 ， 发生这种情况时 ， 砂床会因渗透阻力 的变化 而导致 渗透 性变 好 或 变坏 ， 表 现 在 实验 结 果 中就 是 钻 井液 的抗 渗透 能力 提高 或 降低 。 4 ． 1 ． 5钻 井液性 能 从 大量 的室 内实验 结 果 看 ， 钻 井 液滤 失 量 对 渗 滤过程的影响最大 ， 表现为 随着滤失量的降低抗 渗 透能力 增 强 ； 其 次 是 体 系 的黏 度 ， 相 同条 件 下 ， 黏度 较高者抗渗透能力较强 ， 这主要是 因为高黏流体会 增 大孔 隙 流动 阻力 的缘故 。表 3 列 出了加入 非 渗透 剂 的聚磺 钻 井 液 在 不 同滤失 量 的条 件 下 于 0 ． 4 5 ～ 0 ． 9 0 mm 砂 床 上 的渗 透 深 度 。从 该 实 验数 据 可 以 看 出 ， 钻 井液 滤饼 形 成 的质 量 和速 度 对 于 渗 透 性 有 着重 要影 响 ， 再 一 次 说 明钻 井 液 滤 饼 的质 量 可 能 是 影响其抗渗透能力的关键。 表 3钻井液滤失量对渗透性 的影 响 4 ． 2 封堵裂缝能力评价 该方 法主 要是 将含 有不 同数 量零 滤失 井 眼稳定 剂的非渗透钻井液置于堵漏装置 中， 按照仪器操作 规程进行不 同温度下的裂缝封堵试验 。从文献 [ 7 ] 所提供的实验数据看 ， 加人合理数量 的零滤失井眼 稳定剂能够封堵缝宽小于 1 mm 的裂缝 ， 对于缝宽 在 2 mm 以上的裂缝则必须配伍适量的桥堵材料如 核桃壳等 。室内实验结果表 明， 对于分离粒径较细 的砂 床 如 0 ． 2 8 ～O ． 4 5 mm 的砂或更 细 ， 可 以通 过 调 节 非渗 透剂 的种 类 和 加 量 达 到 非 渗 透 效果 ， 但 对 于粒径大于 0 ． 6 6 mm 的砂床则必须配伍惰性堵 漏 材料 ， 如云母 片、 核桃壳 、 石墨粉 、 橡胶粒等， 其适宜 配 伍粒 径遵 循文 献 E s ] 所 述规 则 。这种 情 况说 明 ， 非 渗透剂 中必须要含有一定数 量的架桥材料 ， 其 中的 可 变形胶 粒 只能 对架 桥过 程完 成 以后所 遗 留 的微 孔 隙进 行进 一 步 的填充 封堵 ， 以最终 实现 “ 零滤 失” ， 从 技术上讲 ， 这种功能也完全可以通过添加降滤失剂 或者是添加相应粒径的屏蔽暂堵材料提高泥饼 的封 闭质量 来 实 现 。2 O世 纪 9 0年 代 初 期 兴 起 的 “ 单 向 封闭剂” 类产品以及后来 为了提高储层保护效果使 用超细 C a C O。 等技术手段与无渗透体 系所要达 到 的 目标是 一 致 的 。文 献 f g ] 中也 明 确 提 到 了非 渗 透 剂是 由架 桥 材料 、 井 壁 稳定 辅 剂 泥 饼 增 韧材 料 和 聚合物成胶剂三种材料按照合适比例经物理混合并 经适 当 的技术 处理 以后 形 成 的产 品 ， 具 有 温 度 稳 定 性 。这基 本上 也是 非 渗透剂 生 产工 艺 的概括 。可 以 想象 ， 以这 种方 式 完成 的 非渗 透 剂 产 品和 各 种粒 径 的非溶 解性 物质 在 钻井 液添 加剂 的辅 助作 用下 与地 层的作用过程及最终效果并不存在本质区别。 4 ． 3 采用岩心评价钻井液的非渗透能力 这 种方 法实 质上 是在 模拟 地层 温 度下 的岩 心静 态流 动实 验 ， 其 操 作过 程与 储层 保护 实 验基本 相 同 ， 也是 采用 封堵 层 泥饼 对 岩心 裂缝 封堵 的严 密程 度 来 评 价钻 井液 的抗 渗透 能 力 ， 如果 形 成 了完 全 隔 离 层 达 到 了非渗 透 效应 ， 则 以滤 液 进 入 岩 心 的 深度 评 价其 抗 渗透 能力 ； 如果 液 流穿 透岩 心形 成渗 漏 ， 则 以一定 时 间 内的滤失 量 或漏 失量 衡 量体 系 的抗渗 能力 。客观上讲 ， 这种评价方法与常规的储层保护 技术 是 相 同的 ， 亦 即钻 井 液 中添 加 各 种具 有 屏 蔽 暂 堵能 力 的储层 保 护剂 以后 也 能 实 现 这 一 目标 ， 从 这 种意义上说 ， 储层保护技术具有非渗透功能。 4 ． 4 非渗透泥饼承压能力评价 关于非渗透泥饼 的承压能力在不 同文献中的说 法也各不相 同， 例如文献[ 1 0 ] 中提到将超低渗透稳 定剂 等 效产 品 GN Y B J与 暂 堵 剂 复 配 以后 形 成 了 砂床封堵带 ， 其直接承压能力大于 5 ． 7 MP a ， 而在笔 者所见到的其它相关资料 中， 反 映出的非渗透泥饼 承压能力从 3 ～5 MP a至 1 5 MP a 不等。笔者认为， 这是关于非渗透钻井液功能评价 的又一误区， 严格 地 讲 ， 泥饼 不具 有强 度 ， 行业 中提 到 的“ 泥 饼强 度” 通 常只是一种约定俗成且 比较形象的说 法， 不能直接 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 7月 将其引用到具体的技术指标 中， 而且 以这种方式测 定 出 的泥 饼 承压 能 力 与 测试 条 件 密 切 相关 。首 先 ， 测 定数值 直 接受被 封堵 裂缝 尺寸 影 响 ， 裂缝 越大 ， 数 值越低 ， 这也是公认 的事实 ； 第二， 与受测时钻井液 中含有 的各 种 类 型 封 堵 材 料 的 配 伍 方 式 和 数 量 有 关 ， 配伍情况合理 ， 比较容易获得较高的承压值 ； 第 三 ， 受封堵层 中架桥材料本身的耐压强度和架桥程 度 的有 效性 影 响很 大 ， 架桥 程度 可靠性 好 ， 架桥 材料 耐压强度较高时， 形成 的封堵层承压能力也较高； 第 四 ， 和测 试环 境有 关 ， 例如组 成 砂床砂 粒 的堆积 紧密 度 、 受试 体 砂床 、 岩心 的被约 束强度 等 ， 直观地 看 ， 对 于 实现有 效架 桥 的封 堵 层 而 言 ， 由于 物 体在 压 力 下 的物理变 形效 应 ， 使 得 作 用 于受 试 体 的压力 最 终 被约束体 如岩心夹持器 、 砂床承压管等 所承受， 终 了压 力值 已经 不 能 反 映受 试 体 承 受 压 力 的真 实 情 况 。 由此 可 以看 出 ， 采 用 测 定 非渗 透 泥 饼 承 压 能力 来 评 价封 堵 带 封 堵 质 量 的做 法 与 实 际 情 况 差 别 较 大 ， 对 现场 操作 基本 不具 有 明确 的指导意 义 。 4 ． 5 无渗透钻井液现场应用情况简介 从相 关 技 术 文献 提 供 的信 息 看 ， 非 渗透 钻 井 液 在 中 国的使 用 数量 可 能 已 经 达 到 了近 百 口井 ， 并 各 自达 到 了相应 的技 术 指 标 ， 但 该 技术 应 用 最 多 的 主 要还 是在 处 理 渗 透 性 漏 失 或 提 高 地 层 承 压 能 力 方 面 ， 至于 提高 井壁稳 定性 的功 能 ， 一般认 为 主要是 由 于非 渗透 泥饼 对井 壁 地 层 实 施有 效 涂 覆 以后 ， 钻 井 液液 柱压 力能 更 加有 效 地 转 化 为井 壁 支 撑 力 所致 ， 这种 技术 无论 在原 理上 还是 在最 终结果 上 均与传 统 的通 过 提高钻 井液 微裂 隙封 堵能 力 以扩大 安全密 度 窗 口的作 法是 相 同的 。就笔 者所 收集 到 的各种相 关 资料 看 ， 还未 见到 有 文献 就非 渗 透 钻 井 液提 高 井 壁 稳定 性 进行过 专 门 的论 述 ， 几 乎 所 有 文 献在 涉 及 到 这一问题时均以使用结果为依据论证非渗透体系的 井 壁稳 定能力 ， 然 而众 所周 知 ， 井 壁稳 定是 一项综 合 性 很强 的技术 ， 学 界一 致认 为 ， 化 学稳 定 和力学 稳定 是研究井壁稳定的两大理论基础 ， 现在看来， 非渗透 体系的防塌作用可能主要体现在能够增强地层力学 稳定性效应方面， 这与常规 的钻井液技术没有区别。 此外 ， 从现场使用角度看 ， 非渗透钻井液在循环 维护方面存在缺陷。在现代钻井液技术条件下 ， 一 种 成熟 处理 剂应 能在 钻井 液 中充分 分散并 能够 使用 它在循 环状 态下 对 钻井 液 进 行 持 续维 护 堵 漏剂 除 外 ， 不具备 这一 条 件 的 添 加剂 肯 定 没 有 应 用前 景 。 从非渗透剂 的组成特征看 ， 绝大部分 的非渗透剂都 含有泥饼增强材料和聚合物成胶材料 ， 其 中泥饼增 强 材料 以短 纤维 为 主 ， 成胶 材 料 则 是 各 种分 子 量 的 溶胀型或部分溶解 型高聚物 ， 二者在钻井液环境下 均 有不 同 程 度 的“ 糊 筛 ” 效 应 ， 影 响振 动 筛 的 使 用 。 关 于这 种情 况 ， 文 献 [ 1 1 ] 和 [ 1 2 ] 均 提 到 了 2种 粒 度 分 别 为 0 ． 1 8 mm 代号 D L S 一 0 6 和 0 ． 1 2 5 ram 代 号 C D F 一 1 的超低渗透处理剂在现场使用 时可 以顺利 通 过 0 ． 1 5 ～O ． 1 8 mm 筛 ， 这是 所见 到 的有关 加入 非 渗 透材 料后 使用 振动 筛 的明确 数据 ， 余 者 均未提 及 。 以笔者的现场经验看 ， 使用非渗透剂以后 ， 使用振动 筛基本上成为一种形式 ， 由于非渗透材料中的大多 数组合料均为非水溶性的， 在加入到钻井液中以后 ， 在水 的作用 下 或溶 胀 或 发 生粒 子 聚 集 ， 而 且 由 于其 自然的黏结效应 ， 使得 聚集体的体积较干燥状 态下 要大 十几倍 至 几十倍 ， 这 样一 来 ， 所 加入 的非渗 透剂 不是 堵筛 眼就 是被振 动筛 滤掉 ， 一 般 1 ～2个循 环周 即 可除去 8 O 左 右 ， 即便 换 用 0 ． 4 5 mm 或 更 粗 一 些的筛布 ， 情况也不会有根本改观 。实际上在许多 情况 下 ， 非 渗 透剂 的使用 都是 一次 性 的 ， 即为 了堵漏 或 承压而 加入 的非 渗 透 材 料 ， 在 作 业完 成 以后 一般 可 全部筛 除 走振 动筛 循 环 时 自然 被 清 除 ， 以免影 响后续维护。由此笔者认为 ， 目前大多数 的非渗透 剂 并不具 备作 为钻 井液 添加 剂 的基本 功能 。 5 关于无渗透体 系与常规体 系区别 点 的 质 疑 5 ． 1 滤 失量 问题 从文献 资料看 ， 这一 问题可 以分 为滤 液进入 深度 和直接滤失 2 种情 况 ， 前一种情况 是完整 地形成 了非 渗 透泥饼 ， 并 阻隔了液相在砂床 或岩 心 中的进 一步 渗 透 ， 后一种情 况属 于 泥饼 封堵 质量 较 差 ， 或不 能实 现 封堵 。关 于滤液进入岩 心 的深度 ， 文献 E g ] 认为 ， 普 通 钻井液滤液进 入岩心 的深 度是时 问平方 根的 函数 ， 而超低渗透钻 井液 滤 液进 入岩 心 的深度 不 是 时间平 方 根 的函数 ， 还 有文献[ 2 3 ] 中提 出了 中压 砂床 滤失量 与中压 A P I 滤失量 、 高温高压砂床滤失量与高温高压 滤失量没有对应关系， 亦即砂床滤失量也不是时间平 方根的函数 。笔者认为， 由于砂床 或岩心 的渗透特 性与固相沉积于滤纸上所形成的渗滤层差别很大， 目 前 尚无方法 证 明非渗 透 泥饼在 多 大程 度上 能够 与 常 规泥饼接近， 因此不能将二者做简单的比较。 5 ． 2 封堵 问题 非渗透钻井液技术 的研发专家认 为， 传统钻井 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 6卷 第 4期 蔡利山等 关于无渗透钻井液技 术合理性的思考 6 1 液的桥堵作用效果主要取决于颗粒分布与地层孑 L 喉 匹配 的吻合度 ， 地 层适 应范 围较 窄 ， 而非 渗透 钻井 液 则以同一配方就能有效封堵不同渗透性的地层 ， 即 具有 广谱 防漏 和保 护储层 效 果_ 2 ] 。这一 结论 的基础 是建立在非渗透泥饼 或者说形成非渗透泥饼的材 料 具 有很 好 的变形 特性 上 ， 亦 即非 渗 透泥饼 具 有类 似软橡 胶材 料 的变 形 特 点 ， 可 以 根 据裂 缝 大 小 自动 填充孔 缝 空间 ， 实 际上对 于微 裂缝 的封 堵 ， 常规 泥饼 也 是基 于这种 机 理来 完 成 封 堵 过 程 的 ， 只 不 过 常 规 泥饼主要是依靠添加 良好的稳定剂提高其质量 主 要是弹性变形特性 来实现这一 目标 ， 二者不存在本 质 区别 ， 而且 对 于 裂 缝 宽 度 稍 大 如 大 于 0 ． 5 ram 的情 况 ， 二者 又归 并为 一种 技术 。 5 ． 3 压力屏蔽问题 这是与前述关 于 井壁 力 学稳 定性 密 切相 关 的技 术问题 ， 非渗 透技 术认 为 ， 由非 渗 透材 料 为主 组 成 的 非渗透泥饼不同于常规钻井液泥饼 ， 无渗透钻井液在 井 壁 表 面形 成 的封堵 层 很 薄 ， 且 阻 隔压 力 传 递能 力 强 ， 能有效避免压差卡钻。关于这一点， 文献 E 1 4 ] 明 确指出， 无渗透钻井液体系的开发和应用能否称得上 是井壁稳定 技术 的一 大进步 以前 的水化膨 胀 、 半 透 膜 、 渗 透理论 、 毛 细管 效 应 、 活度 、 双 电层 等 理论 如 何 正确评价 和应 用是 否 只用 一种 “ 隔离墙 ” 的办 法 就 可 以解决全 部井 壁 失稳 的问题 这些 都 需要 做 进一 步的研究 。事实上 ， 所有钻井 液泥饼 均具 有不 同 的压 力屏蔽能力 ， 其屏蔽效率和泥饼质量直接相关， 而且 压力 屏蔽是一个 相当复杂 的问题 ， 涉 及到众 多影 响 因 素 ， 在这 一点上 ， 二者 不存 在 可比性 。 6 结 ．g - 1 ．非渗 透钻 井 液 体 系不 是 一 种 独 立 的钻 井 液 技术 ， 它只是在传统钻井液技术的基础上进行 了一 些功能性改良， 使其适合于现场特殊作业情况需要。 2 ． 无 论从 哪方 面看 ， 非 渗 透钻 井 液 体 系都 不 可 能取代传统钻井液 ， 因为该体系在技术上还未成熟。 3 ．非渗透材料 的适用性 比较有限， 不能如 同常 规助剂一样增强体 系的稳定性 ， 并且基本不具有可 持 续维 护特 点 。 4 ．从渗透的概念出发 ， 真正的非渗透泥饼应该 以化学方式为主形成 ， 并 以物理方式贴敷 于井壁上 形成 超低 渗 透效