致密地层形成泥饼临界条件研究_吕坚.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-02-27修回日期 2020-03-11 第一作者简介 吕坚 （1985-） ， 男 （汉族） ， 吉林松原人， 工程师， 现从事钻井工程作业和管理方面的工作。 致密地层形成泥饼临界条件研究 吕坚*1， 何浪 2， 汤 明 2 （1.大庆钻探工程公司钻井一公司， 黑龙江 大庆 163000; 2. “油气藏地质及开发工程国家重点实验室” 西南石油大学， 四川 成都 610500） 摘要 通常认为在正压差钻井条件下会不可避免的在井壁形成泥饼， 然而现有的理论和实验研究 鲜有考虑轴向流动对泥饼形成的影响。为了从机理上探讨泥饼的形成过程， 以流动力学为基础， 模 拟实际的井筒流动条件， 建立了考虑地层井筒耦合流动作用下的屈服幂律流体中泥饼的形成临界 条件判定模型， 系统分析不同因素对泥饼形成临界压差的影响规律。结果表明 形成泥饼临界压差 随流体密度、 泵排量、 滤液粘度和固相颗粒半径的增大而增加， 随地层渗透率和泥饼孔隙度的增大而 降低； 川渝地区的泥页岩地层钻井中， 常规钻井液难以保证在不发生压差卡钻的条件下形成泥饼。 研究成果对致密易塌地层的防塌对策研究提供了基础的理论支撑。 关键词 致密地层； 泥饼； 临界条件； 屈服幂律流体 中图分类号 TE2 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0042-05 1概述 在过平衡钻井时， 井壁会形成泥饼。正压差作用 下钻井液滤液侵入地层， 钻井液中的固相颗粒在井壁 堆积， 形成泥饼。泥饼可降低滤液侵入量， 减小水化作 用， 维持井壁稳定。 仅考虑渗流作用， 熊汉桥等人[1]建立了井壁内泥饼 和外泥饼动态形成模型， 忽略了重力、 浮力和环空流动 的影响。范宜仁等人[2]建立了仅考虑渗流压差作用下 的泥饼动态生长的有限差分模型， 分析了固相含量、 地 层孔隙度和渗透率等因素对泥饼动态生长的影响规 律。Raheem等人[3]通过室内实验， 研究了不同钻井液 体系在不同温度压力条件下的失水量和泥饼厚度， 并 建立相应的理论模型， 模型预测结果与实验测试吻合 较好。廖若君等人[4]利用室内实验测试不同井斜角条 件下的泥饼厚度， 结果表明 同一井斜角下,沿重力方 向,泥饼厚度逐渐增加;水平方向上,泥饼厚度基本相 同。不同井斜角下,背离重力方向处,随着井斜角的增 大,泥饼厚度逐渐减小;向着重力方向处,随着井斜角的 增大,泥饼厚度先减小后增大。 考虑渗流和轴向流动， 马教春[5]提出只有当渗透率 高于临界渗透率时才会形成泥饼。基于流体力学原 理， 焦棣[6]建立了采用幂律流型钻井液形成泥饼的临界 条件预测新模型， 计算结果表明泥饼的形成速率与钻 井液颗粒和钻井液性能有关， 形成的泥饼具有一定的 非均质性。Zinati等人[7]建立了考虑地层射孔孔眼耦 合流动的牛顿流体泥饼动态形成模型， 分析了射孔深 度对滤饼厚度、 渗流速度、 轴向流动速度等参数的影响 规律。陈鹏等人[8]建立了考虑地层 （渗流） 井筒 （轴向 流动） 耦合作用下的幂律型钻井液动态泥饼形成预测 模型， 并分析了钻井正压差、 钻井时间、 固相颗粒尺寸、 泥饼渗透率和环空返速对泥饼厚度的影响规律。 现有研究鲜有同时考虑井筒地层耦合流动作用 的影响。本文建立井筒地层耦合流动作用下致密地 层泥饼形成临界条件模型， 分析形成泥饼临界条件。 2泥饼临界条件判定模型 钻井液是一种典型的非牛顿流体， 常用的表征钻 井液流变参数的模型有宾汉塑性模型、 幂律模型和屈 服幂律模型 （或赫巴模型） ， 与钻井液流变参数吻合最 好的为屈服幂律模型。为了分析致密地层中的泥饼 形成临界条件， 本文基于如下假设条件建立了考虑地 层井筒耦合流动条件下的泥饼形成临界条件判定模 型 1固相颗粒为规则圆形颗粒； 2钻井液满足屈服幂律模型的本构关系； 42 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 3忽略温度对钻井液和滤液流变参数的影响； 4钻井液滤液径向渗流为稳态渗流[9]； 5忽略固相颗粒之间的相互作用力； 6钻井液虑失量远小于泵排量； 7径向渗流中忽略泥饼厚度影响。 图1固相颗粒形成泥饼物理模型 在正常钻井过程中， 钻井液在径向压差作用下会 渗流进入地层， 钻井液的径向渗流会使固相颗粒在井 壁堆积形成泥饼， 图1给出了泥饼中的固相颗粒受力示 意图， 固相颗粒在径向方向的积力Fy为 FyπR2p ρs ρm τwy1 式中 Fy固相颗粒在径向方向收到的沉积力， N； Rp形成泥饼的固相颗粒半径， m； τwy径向方向钻井液对固相颗粒的剪切力， Pa。 固相颗粒在轴向上的合力Fx为 FxFDFB-FG2 式中 FD钻井液在环空运移时对壁面固相颗粒的 拖拽力； FB固相颗粒收到的钻井液的浮力； FG固相颗粒收到的重力。 FD、 FB和FG可由下式进行确定 ■ ■ ■ ■■ ■■ FDπR2pτwx FB 4 3πR3pρmg FG 4 3πR3pρsg 3 式中 τwx轴向方向钻井液对固相颗粒的剪切力， N； ρs固相颗粒密度， kg/m3； ρm钻井液密度， kg/m3。 根据流体动力学原理， 可以得到钻井液中固相颗 粒沉积为泥饼， 需满足以下的力学关系 Fyfx≥Fx4 式中 fx轴向方向固相颗粒的摩擦系数。 根据屈服幂律流体的本构方程ττ0Kγn推导可得 到， 壁面的切应力方程为 τwτ0Kγnw5 壁面的平均剪切速率γw可由下式获取 γw 8v Dh abm m 6 式中 γw壁面的平均剪切速率， Ⅰ/s； τw钻井液流动过程中对壁面产生的切应力， Pa； τ0屈服值， Pa； K钻井液的稠度系数， Pasn； n钻井液流性指数； v平均流速， m/s； Dh当量水力直径， m； m系数； a、 b流道几何形状参数， 圆管流动 a0.25和 b0.75， 环空流动 a≈0.50和b≈1.0。 系数m定义为 m nK8v Dh n τ0K8v Dh n 7 由此可以得到钻井液对固相颗粒在径向和轴向的 剪切力为 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ τwxτ0K■ ■ ■ ■ ■ ■ 8vx dh-dp 0.5mx mx n τwyτ0K■ ■ ■ ■ ■ ■ 4vy Rp 0.250.75my my n 8 式中 dh井筒直径， m； dp钻杆外直径， m。 其中mx和my可由下式确定 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ mx nK■ ■ ■ ■ 8vxdh-dp n τ0K■ ■ ■ ■ 8vxdh-dp n my nK4vyRp n τ0K4vyRp n 9 钻井液的轴向流平均动速度可直接由下式确定 vx 4Qp πd 2 h-d 2 p 10 式中 Qp泵排量， m3/s。 钻井液的径向流动平均为 43 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 vy Ql 1-φ πdhΔL 11 式中 Ql钻井液径向滤失量， m3/s； φ泥饼孔隙度； ΔL泥饼段长度， m。 将一维径向稳定渗流达西方程带入径向平均速度 方程， 化解后可得 vy 2KfPm-Pp 1-φ dhμfln re rw 12 式中 Pm井底钻井液液柱压力， Pa； Pp地层孔隙压力， Pa。 利用式 （4） 便可以判定出井壁失稳能够形成稳定 的泥饼， 然而在模型的求解过程中， 需要利用数值迭代 求解才能最终确定不同计算条件 形成泥饼的临界渗透 压差。 3形成泥饼临界条件因素因素分析 当其它基础输入条件一定时， 可利用式1～11迭 代求解确定在井壁径向形成泥饼的临界压差ΔPPm- Pp。下面以川渝某页岩气工区为例分析不同因素对形 成泥饼的临界压差的影响规律， 工区的基本参数如表1 所示。 在实际的钻井过程中， 只有在正压差的作用下才 可能在井壁形成泥饼， 压差越大越容易形成泥饼， 且泥 饼的厚度也会越厚。但是当压差过大且泥饼也较厚 时， 易导致压差卡钻， 因此在实际的钻井过程中规定了 防止压差卡钻的最大压差， 对于正常压力系统地层， 防 止压差卡钻的最大压差为ΔPN16.56MPa， 在异常高压 地层防止压差卡钻的最大钻井压差为ΔPa21.36MPa。 图2给出了形成泥饼所需的临界压差随流体密度 和泵排量的变化规律。临界压差随流体密度的增大而 增加， 即流体密度越大越难形成泥饼 （图2.a） ， 原因为 流体的密度越大， 固相颗粒所受到的轴向作用力越小 越不易不运移出井底， 即越容易在井壁形成泥饼。临 界压差随泵排量的增大而增加， 泥浆泵排量越大， 钻井 液携带固相颗粒的能力越强， 固相颗粒就越难在井壁 沉积形成泥饼。 图3给出了临界压差随地层渗透率和泥饼孔隙度 参数 稠度系数K 流性指数n 泵排量Qp 屈服值τ0 平均地层渗透率Kf 泥饼孔隙度φ 轴向固相颗粒摩擦系数fx 渗流外边界re 井眼直径dh 钻杆直径dp 钻井液滤液粘度μf 钻井液密度ρm 固相颗粒密度ρs 固相颗粒平均半径Rp 数值 0.344 0.7 20 2.61 0.11 0.36 0.30 100 0.216 0.127 0.2 1600 2650 20 Pasn 无量纲 L/s Pa 10-15m2 无量纲 无量纲 m m m mPas kg/m3 kg/m3 10-6m 表1实际钻井工程关键数据 图2临界压差随流体密度和泵排量的变化规律（a） 流体密度; （b） 泵排量 的变化规律， 由图可知 临界压差随地层渗透率的增大 呈指数型降低， 随泥饼孔隙度增加呈线性降低。地层 渗透率和泥饼孔隙度越大， 径向渗流效应越显著， 固相 颗粒越容易在井壁堆积形成泥饼， 最终导致临界压差 随地层渗透率和泥饼孔隙度的增大而降低。 图4给出了临界压差随滤液粘度和固相颗粒半径 44 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 的变化规律。临界压差随滤液粘度的增大呈线性增 加， 随固相颗粒半径的增大呈幂律型增大。钻井液粘 度越大， 越难渗流进入地层， 渗流效应越不显著， 最终 导致临界压差增大。固相颗粒半径越小， 轴向作用力 越小， 最终导致固相颗粒更容易在井壁堆积形成泥饼。 4讨论 研究工区页岩层段岩芯渗透率范围为1.1210-4～ 0.11mD， 平均渗透率为0.017mD， 所采用的钻井液密度 为1.60g/cm3， 钻井液粒度测试得到的平均粒度直径为 58.24μm （图5） 。结合图2～图4的预测结果分析可知 正常条件下， 在工区的页岩地层中钻井， 仅纳米级的颗 粒才可能在井壁堆积形成泥饼， 而该钻井液中固相最 小颗粒直径大于2μm， 即不会在井壁形成泥饼。 对于川渝页岩气工区而言， 为了进一步提高页岩 气的开发进程， 部分区块在试点大排量钻井， 以辅助提 高机械钻速。在大排量钻井条件下， 井壁更是难以形 成有效的泥饼来维持井壁稳定。在致密的泥页岩地 层， 建议在钻井液中添加纳米级材料， 以便在井壁形成 稳定的泥饼， 降低钻井液滤失， 保障泥页岩层段的井壁 稳定。 5结论 本文在考虑地层井筒耦合流动的条件下， 建立 了屈服幂律流体钻井液泥饼形成临界条件判定模型， 得到的主要结论有 （1） 临界压差随流体密度和泵排量的增大分别呈 指数型和线性而增加； 临界压差随地层渗透率和泥饼 孔隙度分别呈指数型和线性降低； 临界压差随滤液粘 （下转第49页） 图3临界压差随地层渗透率和泥饼孔隙度的变化规律（a） 地层渗透率和（b） 泥饼孔隙度 图4临界压差随滤液粘度和颗粒半径的变化规律（a） 滤液粘度; （b） 颗粒半径 图5研究工区钻井液粒度测试结果 45 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 （1） 从提取的 5 个地震属性剖面上都识别出了 BSR， 并与叠后偏移剖面上的BSR相吻合。BSR是海 底天然气水合物存在的重要标志， 可以初步推测水合 物成藏的目标区域， 因此准确识别出BSR具有十分重 要的意义。 （2） 对瞬时振幅剖面、 平滑频率剖面和视极性剖面 的分析表明BSR上方存在水合物层， 并初步地圈定出 了水合物含量较高的区域。 （3） 地震属性的种类很多， 文中只是基于了 “三瞬” 属性进行分析， 就如何做到多属性结合以更全面、 准确 地圈定对天然气水合物的目标区域还有待进一步的分 析研究。 参考文献 [1]唐勇,金翔龙,方银霞， 等.冲绳海槽天然气水合物BSR的地 震研究[J].海洋学报, 2003， 254 59-66. [2]李文,于兴河,曾小明， 等.南海北部陆坡神狐海域水合物调 查区新近系地震相与沉积相[J].海洋地质前沿,2013， 291 17-26. [3]蒋漆,张大海,周英,等.琼东南勘查区天然气水合物地震属性 分析研究[J]. 海洋石油,2013， 331 18-22. [4]吴时国,姚伯初.天然气水合物赋存的地质构造分析与资源 评价[M].科学出版社 2008 99-100. [5]Ecker C, Nur A, Dvorkin J. Sediments with gas hydrates Inter- nal structure from seismic AVO [J]. Geophysics,1998，655 1659-1669 [6]Petersen C J, Papenberg C, Klaeschen D. Seismic Quantifica- tion of Gas Hydrates and BSR Characterization From Multi-fre- quency OBS Data at Northern Hydrate Ridge [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2007， 255 414-431. [7]Andreassen K, Hart P E, Grantz A. Seismic Studies of a Bot- tom Simulating Reflection Related to Gas Hydrate Beneath the Continental margin of the Beaufort Sea [J]. Journal of Geophysi- cal, 1995100 12659-12673. [8]Liu Yanjun, Liu Xiwu, Liu Dameng1, Wang Yanjin. Applica- tions of Seismic Techniques to Gas Hydrates Prediction [J]. Ap- plied Geophysics, 2008,51 67–73. [9]张辉,卢海龙,梁金强,等. 南海北部神狐海域沉积物颗粒对 天然气水合物聚集的主要影响[J].科学通报,2016,613388- 397. [10]ZHANG HUI, LU HAILONG, LIANG JINQIANG, et al. The Methane Hydrate Accumulation Controlled Compellingly by Sediment Grain at Shenhu, Northern South China Sea [J]. Chi- nese Science Bulletin,2016,613388-397. in Chinese with English abstract. 图6视极性剖面 （上接第45页） 度的增大呈线性增加， 随固相颗粒半径的增大呈幂律 型增大。 （2） 在川渝地区的泥页岩地层钻井中， 采用常规钻 井液难以保证在不发生压差卡钻的条件下形成泥饼； 为了保障泥页岩地层的井壁稳定， 推荐采用添加纳米 级封堵材料的钻井液体系。 参考文献 [1]熊汉桥, 王平全, 任富鹏,等. 钻井完井中动态外滤饼形成的 数学模型研究[J]. 天然气技术, 2010， 41 48-50， 85. [2]范宜仁, 胡云云, 李虎,等. 泥饼动态生长与泥浆侵入模拟研 究[J]. 测井技术, 2013， 375466-471. [3]Raheem A., Basirat B., Mohammed A. New Kinetic Model to Characterize the Filter Cake ation and Fluid Loss in HPHT Process[C] // Offshore Technology Conference, 2014, OTC-25100-MS. [4]廖若君, 唐雨, 顾军. 油气水平井内固井二界面泥饼形成规 律实验研究[J]. 新疆石油天然气, 2018， 14456-62. [5]马教春， 桂娇银 （译） . 动态泥饼层形成的研究 最小过平衡 压力的概念[J]. 国外钻井技术, 19945 35-38. [6]焦棣. 低渗地层动态泥饼形成的研究[J]. 钻井液与完井液, 1995， 12322-25. [7]Zinati F F , Farajzadeh R , Currie P K , et al. Modeling of Ex- ternal Filter Cake Build-up in Radial Geometry[J]. Petroleum Science and Technology, 2009， 277746-763. [8]陈鹏, 王新海, 董樱花,等. 泥饼形成预测模型及影响因素分 析[J]. 断块油气田, 2012， 194118-121. [9]庞伟,刘理明,何祖清,等.基于节点网络的水平井分段流入剖 面预测方法[J].石油钻探技术,2019， 47293-98. 49 ChaoXing