CN108414405A - 评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，属于石油工程钻井液领域。所述方法包括：(1)制备岩心：利用从页岩地层中获取的岩心制备实验用岩心，在其内部制作出一条贯通微裂缝；测量岩心的润湿性；(2)在围压5‑15Mpa范围内分别测量不同围压下的微裂缝的缝宽，获得围压与微裂缝的缝宽的对应关系；(3)配置测试溶液：利用n种表面活性剂配置出n份测试溶液，每一份测试溶液中只有一种表面活性剂，n份测试溶液具有不同的表面张力；(4)对n份测试溶液依次进行测试溶液与实验用岩心的相互作用实验，获得每一种表面活性剂与实验用岩心的作用规律；(5)根据每一种表面活性剂与实验用岩心的作用规律优选出针对该页岩地层层位最适合的表面活性剂。

Description

评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法

技术领域

本发明属于石油工程钻井液领域，具体涉及一种评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法。

背景技术

随着非常规资源勘探开发的进展，在当前石油行业的严峻形势下，钻井工程也面临着越来越大的经济压力与环保压力，因此水基钻井液替代油基钻井液在页岩气资源的勘探开发中是大势所趋。由于页岩地层因其具有：硬脆性强；孔隙度与渗透率极低，层理与微裂缝发育；粘土矿物以伊利石与伊蒙混层为主，水化能力较弱等等特征，因此在页岩地层的钻进过程中井壁失稳是水基钻井液必须解决的主要问题。对水基钻井液而言，影响页岩地层井壁稳定的因素较多，包括力学因素、地质构造因素、沉积环境因素、滤液与地层岩石的相互作用的因素以及钻井液的抑制、封堵能力等等，另外一个主要因素则是页岩往往表现出亲水或亲油性，甚至亲油亲水两亲性，结合页岩地层的原生微裂缝与诱导微裂缝产生的毛细管力，以及页岩所含地层水欠饱和的特点，页岩地层通常表现出较强的自吸水特征，即钻井液滤液与页岩地层接触后，在平衡或者正压差条件下，钻井液滤液不但进入页岩微裂缝，而且由于其自吸水的特征，进入页岩微裂缝的滤液进一步以较快的速度向深处运移，从而导致井壁失稳。

目前，为了阻止钻井液滤液进入页岩地层微裂缝，通常采用封堵的方法，即通过调整钻井液体系内不同形态的封堵材料的配比，提高钻井液的封堵微裂缝的能力，在微裂缝开口处形成封堵带，降低侵入地层微裂缝的滤液量。尽管通过合理的配比能降低钻井液滤液侵入页岩地层微裂缝的速率，但由于封堵颗粒并不能完全封闭微裂缝，所以仍然有滤液持续不断的侵入。由于页岩自身的特征，往往表现出自吸水的特征，并将引起的钻井液滤液向院里井筒方向移动延伸，增加水与页岩地层接触面积，引起页岩地层内伊蒙混层的水化，极大的增加了井壁失稳的风险。因此如果能减弱或阻止钻井液滤液在页岩地层微裂缝内移动延伸，降低钻井液滤液的移动速率与累积侵入量，将对井壁稳定起到重要的作用。

目前不少学者也提出通过改变钻井液的润湿性而达到上述目的，但对表面活性剂在页岩地层微裂缝中的作用规律缺乏认识，对是否获得期望的延缓或阻止滤液在微裂缝内移动延伸的效果没有合适的实验评价方法。通常采用接触角法对钻井液滤液的润湿性进行测定，再据此结果对表面活性剂在页岩微裂缝内的作用规律进行推断，对加入了表面活性就的钻井液的滤液进入页岩地层微裂缝后是否延缓了滤液的侵入速率与侵入量进行理论推断，缺乏验证。而其它的测量润湿性的方法，包括：Amott法、USBM法、自吸速率法等均不适合测量表面活性剂在页岩微裂缝内的作用规律。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，测量在钻井液体系内加入不同表面活性剂后，钻井液滤液在真实页岩微裂缝内的移动速率及累积侵入量。该评价方法在页岩地层井壁稳定技术方面具有较大的实用性，能直接用于钻井液体系的设计并指导现场使用，且具有较广的应用价值。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，包括：

(1)制备岩心：利用从页岩地层中获取的岩心制备实验用岩心，在其内部制作出一条贯通微裂缝；测量岩心的润湿性；

(2)在围压5-15Mpa范围内分别测量不同围压下的微裂缝的缝宽，获得围压与微裂缝的缝宽的对应关系；

(3)配置测试溶液：利用n种表面活性剂配置出n份测试溶液，每一份测试溶液中只有一种表面活性剂，n份测试溶液具有不同的表面张力；

(4)对n份测试溶液依次进行测试溶液与实验用岩心的相互作用实验，获得每一种表面活性剂与实验用岩心的作用规律；

(5)根据每一种表面活性剂与实验用岩心的作用规律优选出针对该页岩地层层位最适合的表面活性剂。

所述步骤(1)中的所述实验用岩心的直径为2.54cm，长度为5cm，采用劈裂法在其内部制作出来一条微裂缝，缝长5cm，缝宽根据所施加的围压进行确定。

所述步骤(1)中是利用接触角法测量出实验用岩心的润湿性。

所述步骤(3)是这样实现的：

选用一种表面活性剂加入到清水中或者钻井液样品中，搅拌均匀，然后老化24小时后压制滤液，并用毛细管上升法测量滤液的表面张力；对每一种表面活性剂重复此步骤，最后获得n份测试溶液的表面张力。

所述步骤(4)是这样实现的：

对每一份测试溶液进行下面的实验：

将所述实验用岩心放入动态污染仪的岩心腔内，用岩心固定杆将实验用岩心固定好；在岩心固定杆下方放置容器用于收集穿透实验用岩心的微裂缝的钻井液滤液；

加持围压，根据所述围压与微裂缝的缝宽的对应关系得到该围压对应的缝宽；对比各表面活性剂在微裂缝内的作用规律要求在相同缝宽条件下进行；

将测试溶液倒入动态污染仪的钻井液腔内，密封好，待温度升至实验需要的温度时再按实验需求加持驱替压力，并同时开始计时t₁；

当观察到第一滴钻井液滤液自实验用岩心滴出时计时t₂；每隔1小时记录一次所收集的钻井液滤液量，分别记录为V₁、V₂、V₃···V_m，m为自然数，表示记录m个小时；

计算钻井液滤液在实验用岩心的微裂缝内的移动速率v_x：v_x＝L/t₂-t₁，L为缝长；并在以时间为横坐标、钻井液滤液量为纵坐标的坐标图上绘制曲线图，该曲线图和v_x即构成该种表面活性剂与实验用岩心的作用规律。

所述步骤(5)是这样实现的：

对比n份测试溶液的滤液在一定压力条件下在固定缝宽的微裂缝内的移动速度v_x和曲线图，找到钻井液滤液量最少且v_x最低的测试溶液对应的表面活性剂即为最适合该页岩地层层位的表面活性剂，如果钻井液滤液量最少的测试溶液与v_x最低的测试溶液不是同一种测试溶液，则选用钻井液滤液量最少的测试溶液对应的表面活性剂即为最适合该页岩地层层位的表面活性剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是评价表面活性剂在页岩地层微裂缝中的作用规律，是评价钻井液中加入不同的表面活性剂后钻井液滤液润湿性的改变在页岩微裂缝中的运移速率及累积侵入量，以此评价液体的润湿性对液体在页岩微裂缝内运移速率以及累积侵入量的影响，从而调节钻井液滤液的润湿性，降低其在页岩微裂缝内的运移速率，降低累积侵入量，起到稳定井壁的作用。实验结果能指导钻井液选择合适的表面活性剂，从而阻止或延缓钻井液滤液侵入速率与侵入量，配合钻井液其它技术措施，起到稳定井壁的作用。

附图说明

图1本发明方法的步骤框图

图2利用本发明方法获得的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明是室内模拟井下压力、温度条件下评价表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的评价方法，测量在钻井液体系内加入不同表面活性剂后，钻井液滤液在真实页岩微裂缝内的移动速率及累积侵入量，评价表面活性剂对液体在页岩微裂缝内的作用规律。

本发明方法如图1所示，包括：

首先对页岩地层的润湿性进行测量，对加入表面活性剂后钻井液滤液的润湿性进行测量，可利用最简单有效的接触角法进行确定；然后将页岩地层岩心制备成直径2.54cm，长5cm的页岩岩心，用劈裂法人工制作出来的一条微裂缝，缝宽根据围压不同而不同，缝长5cm；再将制备好的页岩岩心放置于动态污染仪的岩心腔体中，并根据所需缝高加持相应围压；将配制好的溶液倒入泥浆样品腔体中，加0～3.5MPa范围的顶替压力，升温至实验要求温度；从加压开始计时t₁，至观察到有滤液自页岩微裂缝另一端滴出时记录时间t₂，并开始收集滴出的滤液，并每1小时记录一次滴出的量V₁、V₂、V₃、……；最后利用钻井液滤液穿过页岩微裂缝所需时间t_c＝t₂-t₁对侵入速率进行计算，利用钻井液滤液穿过页岩微裂缝的滤液量绘制成曲线，再分别利用该时间t_c与曲线对不同钻井液的润湿性对阻止或延缓钻井液滤液侵入微裂缝的影响进行评价。

本发明的一个实施例如下：

1.页岩微裂缝的制备：将页岩地层岩心制备成直径为2.54cm，长度为5cm的岩心柱，人工劈裂，在围压5-15Mpa范围内分别测量不同压力条件下的微裂缝的缝宽，得出围压与微裂缝缝宽的应对关系；

2.利用接触角法测量与所制备的岩心柱同层位的页岩岩心的润湿性；

3.按要求配置好溶液，选用某种表面活性剂加入溶液中或者钻井液样品中，搅拌均匀，老化24小时后压制滤液，用毛细管上升法测量滤液的表面张力；

4.将制备的页岩微裂缝岩心放入动态污染仪的岩心腔内，用岩心固定杆将岩心固定好；在岩心固定杆下方放置容器便于收集穿透页岩微裂缝的钻井液滤液；按实验需求加持围压，该围压条件下对应了页岩微裂缝的缝宽，围压与微裂缝的缝宽的对应关系是在制备岩心后已有的实验结果；

5.将制备完成的钻井液样品倒入动态污染仪的钻井液腔内，密封好，待温度升至实验需要的温度时再按实验需求加持驱替压力，并同时开始计时t₁；

6.当观察到第一滴钻井液滤液自岩心固定内滴出时计时t₂；每隔1小时记录一次所收集的钻井液滤液量(可根据需要设置时间间隔)(记录的是累积量)，分别记录为V₁、V₂、V₃···，可以根据需要记录8-24h设定好实验时间后，每次选用不同的表面活性剂进行测试的时间都应与设计时间一致。

7.计算钻井液滤液在页岩微裂缝内的移动速率为：v_x＝L/t₂-t₁(L为缝长，即5cm)；累积侵入量即是所收集的钻井液滤液量V₁、V₂、V₃···并将其绘制成曲线，横坐标为时间，纵坐标为收集的滤液量，如图2所示。

8.在同样的围压、温度以及驱替压力条件下，不同的表面活性剂加入钻井液后所得出的v_x与累积侵入量曲线将不同，移动速率v_x越低、累计侵入量越小表明表面活性剂的加入对阻止或延缓滤液向微裂缝内移动的作用越好，反之则作用越差，通过实验结果可优选出针对该层位的页岩地层的最适合的表面活性剂，选择在一定时间内收集到的滤液最少的表面活性剂，即在累计时间内，累计侵入量越低，滤液在微裂缝中的v_x越低。

本发明是室内模拟井下压力、温度条件下评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，是测量在钻井液体系内加入不同表面活性剂后，钻井液滤液在真实页岩微裂缝内的移动速率及累积侵入量，并以此评价表面活性剂对液体在页岩微裂缝内的作用规律。实验结果能指导钻井液选择合适的表面活性剂，从而阻止或延缓钻井液滤液侵入速率与侵入量，配合钻井液其它技术措施，起到稳定井壁的作用，具有极大的应用价值，目前公开发表的文献和专利尚无类似方法的提出与应用。

本发明主要应用于石油工程钻井液领域。通过评价在页岩地层微裂缝中的作用规律，选择合适的表面活性剂，阻止或延缓钻井液在页岩微裂缝中的侵入速率及侵入量，防止或减弱钻井液滤液与页岩岩石发生相互的物理化学作用，使页岩地层保持井壁稳定，降低页岩地层井下事故发生率，降低钻井成本，为非常规页岩油气资源的勘探开发起到重要的推进作用。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)制备岩心：利用从页岩地层中获取的岩心制备实验用岩心，在其内部制作出一条贯通微裂缝；测量岩心的润湿性；

(2)在围压5-15Mpa范围内分别测量不同围压下的微裂缝的缝宽，获得围压与微裂缝的缝宽的对应关系；

(3)配置测试溶液：利用n种表面活性剂配置出n份测试溶液，每一份测试溶液中只有一种表面活性剂，n份测试溶液具有不同的表面张力；

(4)对n份测试溶液依次进行测试溶液与实验用岩心的相互作用实验，获得每一种表面活性剂与实验用岩心的作用规律；

(5)根据每一种表面活性剂与实验用岩心的作用规律优选出针对该页岩地层层位最适合的表面活性剂。

2.根据权利要求1所述的评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的所述实验用岩心的直径为2.54cm，长度为5cm，采用劈裂法在其内部制作出来一条微裂缝，缝长5cm，缝宽根据所施加的围压进行确定。

3.根据权利要求2所述的评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，其特征在于：所述步骤(1)中是利用接触角法测量出实验用岩心的润湿性。

4.根据权利要求3所述的评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，其特征在于：所述步骤(3)是这样实现的：

选用一种表面活性剂加入到清水中或者钻井液样品中，搅拌均匀，然后老化24小时后压制滤液，并用毛细管上升法测量滤液的表面张力；对每一种表面活性剂重复此步骤，最后获得n份测试溶液的表面张力。

5.根据权利要求4所述的评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，其特征在于：所述步骤(4)是这样实现的：

对每一份测试溶液进行下面的实验：

将所述实验用岩心放入动态污染仪的岩心腔内，用岩心固定杆将实验用岩心固定好；在岩心固定杆下方放置容器用于收集穿透实验用岩心的微裂缝的钻井液滤液；

加持围压，根据所述围压与微裂缝的缝宽的对应关系得到该围压对应的缝宽；对比各表面活性剂在微裂缝内的作用规律要求在相同缝宽条件下进行；

将测试溶液倒入动态污染仪的钻井液腔内，密封好，待温度升至实验需要的温度时再按实验需求加持驱替压力，并同时开始计时t₁；

当观察到第一滴钻井液滤液自实验用岩心滴出时计时t₂；每隔1小时记录一次所收集的钻井液滤液量，分别记录为V₁、V₂、V₃···V_m，m为自然数，表示记录m个小时；

计算钻井液滤液在实验用岩心的微裂缝内的移动速率v_x：v_x＝L/t₂-t₁，L为缝长；并在以时间为横坐标、钻井液滤液量为纵坐标的坐标图上绘制曲线图，该曲线图和v_x即构成该种表面活性剂与实验用岩心的作用规律。

6.根据权利要求5所述的评价钻井液中表面活性剂在页岩微裂缝内作用规律的方法，其特征在于：所述步骤(5)是这样实现的：

对比n份测试溶液的滤液在一定压力条件下在固定缝宽的微裂缝内的移动速度v_x和曲线图，找到钻井液滤液量最少且v_x最低的测试溶液对应的表面活性剂即为最适合该页岩地层层位的表面活性剂，如果钻井液滤液量最少的测试溶液与v_x最低的测试溶液不是同一种测试溶液，则选用钻井液滤液量最少的测试溶液对应的表面活性剂即为最适合该页岩地层层位的表面活性剂。