CN111855484B - 基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法 - Google Patents

基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，该方法包含：对待钻泥页岩地层钻井取心，烘干；计算测定试样的密度、纵波波速、电阻率；将试样置于老化罐或高温高压失水仪，加入待评价钻井液，使钻井液应完全浸没柱塞岩心试样，并施加压力，使老化罐或高温高压失水仪处于浸泡温度；待浸泡结束后，进行冷却，释放压力，取出浸泡后的试样；测定钻井液浸泡后的试样的长度、直径和质量，计算密度，测试试样的纵波波速、电阻率，计算声电扰动综合指数；根据声电扰动综合指数判断钻井液稳定泥页岩地层井壁能力。本发明的方法为泥页岩地层的钻井液性能设计、性能优化、钻井液配方体系优选提供了高效、可靠的实验方法。

Description

基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法
技术领域
本发明涉及一种钻井液室内评价方法，具体涉及一种基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法。
背景技术
钻井过程中普遍存在的泥页岩地层垮塌失稳，这极大增大了井下复杂风险，导致钻井周期延长、钻井成本增大，已成为深层油气钻井、非常规油气水平井钻井长期存在缺一直未得到有效解决的重大难题。
泥页岩地层的井壁稳定性不仅受控于地层岩石力学强度、原地应力等地质力学特征，还取决于钻井液的抑制、封堵等稳定性能。因此，钻井前需要对钻井液优化、优选，进而最大程度保持泥页岩地层井壁稳定。
长期以来，对钻井液性能的评价主要集中于一致性、封堵性、失水性能以及造壁性能等。井液与泥页岩地层的“力学-化学”效应对井壁稳定性的弱化作用尽管长期被关注并开展了大量研究，但钻井液对泥页岩地层井壁稳定性影响则主要通过钻井后井眼的实际工程表现进行评价，即钻后现场评价，不能较好地在钻井前对钻井液优化、优选及稳定井壁措施提供有效指导。而在钻井前，对将使用的钻井液，对其稳定泥页岩地层井壁能力的评价研究相对较少，而基于岩心科学、有效、便捷的室内定量评价方法更是鲜见报告。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，解决了现有钻井液性能评价方法对泥页岩地层井壁稳定性能评价适应性差，无法客观、真实反映钻井液稳定井壁的能力，评价结果不够准确、可靠的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，其特征在于，该方法包含：
S1、对待钻泥页岩地层钻井取心，根据钻井取心方向，确定岩心样方向，获得n个柱塞岩心试样，并将柱塞岩心试样恒温烘干；其中，n≥3；
S2、测定柱塞岩心试样的长度、直径和质量，计算密度Dp0，并测试钻井液浸泡后的柱塞岩心试样的纵波波速Ap0、电阻率Rp0；
S3、将经过烘干且外观完整、无明显裂缝的岩心柱塞试样置于老化罐或高温高压失水仪，加入待评价钻井液，使钻井液应完全浸没柱塞岩心试样，并施加压力至浸泡压力；施加压力后，使老化罐或高温高压失水仪处于浸泡温度，进行浸泡；其中，浸泡条件为：浸泡温度≥实际地层温度，若没有地层温度测试数据，按地温梯度3℃/100m计算地层温度；浸泡压力根据井筒液柱压力与地层孔隙流体压力差值计算，或采用3.5MPa；浸泡时间为48h；
S4、待浸泡结束后，进行冷却，释放压力，取出浸泡后的柱塞岩心试样；
S5、测定钻井液浸泡后的柱塞岩心试样的长度、直径和质量，计算密度Dp，并测试钻井液浸泡后的柱塞岩心试样的纵波波速Ap、电阻率Rp；
S6、按式(1)～(3)计算钻井液对岩心试样密度、声波、电阻率的影响，利用式(4)计算声电扰动综合指数。
Figure BDA0002610116560000021
Figure BDA0002610116560000022
Figure BDA0002610116560000023
Figure BDA0002610116560000024
式中，Dp0、Dp分别为岩心试样在钻井液作用前、后的密度；Rp0、Rp分别为岩心试样在钻井液作用前、后的电阻率；Ap0、Ap分别为岩心试样在钻井液作用前、后的纵波波速；
Figure BDA0002610116560000025
分别为钻井液浸泡后第i个岩心试样的密度变化幅度、纵波波速变化幅度和电阻率变化幅度，i＝1,...,n；FS为声电扰动综合指数。
根据声电扰动综合指数判断钻井液稳定泥页岩地层井壁能力：根据声电扰动综合指数判断钻井液稳定泥页岩地层井壁能力：声电扰动综合指数FS数值为0～50，当FS＝0时，表明钻井液浸泡对岩心内部结构无影响，岩心试样经钻井液浸泡后力学强度没有变化，钻井液稳定泥页岩地层井壁的能力最强；当FS＝50时，表明钻井液浸泡对岩心内部结构影响最大，岩心试样经钻井液浸泡后力学强度最差，钻井液稳定泥页岩地层井壁的能力最弱。
优选地，所述纵波波速测定：端部施加3.0MPa，钻井液浸泡前后分别基于透射法测定柱塞岩心试样纵波波速；所述电阻率测定：端部施加3.0MPa，钻井液浸泡前后分别沿轴向测定柱塞岩心试样的电阻率。
优选地，所述柱塞岩心试样应为待钻泥页岩地层钻井取心，试样两端需要打磨，使得两端面平行且垂直于轴线，然后进行烘干。
优选地，所述烘干的温度为60℃，时间为24h以上。
本发明的钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的评价方法，解决了现有钻井液稳定泥页岩地层井壁的性能评价结果不准确的问题，具有以下优点及效果：
1、本发明的方法基于泥页岩柱塞试样的声波、电阻率、密度等岩石物理特性，在钻井前实现了钻井液稳定井壁能力的室内定量评价，克服了通常钻后矿场评价无法指导安全钻井工程实践的不足；
2、对于基于岩石力学特性的钻井液稳定井壁能力评价方法，由于力学实验必然导致试样破坏，因此钻井液作用前后只能基于不同的试样进行实验对比分析。本发明基于声波、电阻率、密度的钻井液稳定井壁能力评价，钻井液作用前后都是对同一试样进行实验对比，不仅可避免试样不同导致的评价误差，同时也可克服对井下岩心有限对实验评价的制约；并且相对力学测试，声波、电阻率、密度实验测试更为经济、快捷；
3、本发明为钻井前实现泥页岩地层井壁稳定性评价提供了有效参考与指导，为泥页岩地层的钻井液性能设计、性能优化、钻井液配方体系优选提供了实验方法支撑，同时也为泥页岩地层井壁稳定技术方案的制定奠定了关键基础，对防控泥页岩地层钻井井壁失稳、避免井下复杂、实现安全优快钻井具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，参见图1，该方法包含：
(1)岩心试样制备
试样钻取：对待钻泥页岩地层钻井取心，根据钻井取心方向，确定岩心样方向，钻取直径1in(英寸)、长度近似2倍直径的柱塞岩心试样，共钻取5个；
试样处理：对试样端部进行打磨，使得柱塞两端面平行且垂直于轴线，并将对柱塞试样放置于恒温箱，在60℃温度下烘干24h以上；
试样选择：对钻取的柱塞岩心试样，对试样的表观结构进行描述，并选取3个外观完整、无明显裂缝的岩心柱塞作为实验样品，编号C1、C2、C3。
(2)岩心试样尺寸、密度测定
尺寸测定：测定所选取试样的直径、高度；
密度测定：利用天平测定岩心试样的质量，同时依据试样直径、高度，计算试样的密度Dp0。
表1岩心尺寸及密度
Figure BDA0002610116560000041
(3)岩心试样的声波波速、电阻率测试
测试条件：常压常温；
声波波速测定：端部施加3.0MPa，基于透射法测定岩心试样纵波波速Ap0；
电阻率测定：端部施加3.0MPa，沿轴向测定岩心试样的电阻率Rp0。
表2电阻率与声波波速
Figure BDA0002610116560000051
(4)钻井液浸泡
利用待评价钻井液浸泡3个岩心试样，根据地层温度和压力以及钻井液作用时间，设计模拟地层条件下的钻井液浸泡实验，浸泡温度为：大于等于实际地层温度，如果没有地层温度测试数据，按地温梯度3℃/100m计算地层温度；浸泡压力为：浸泡压力根据井筒液柱压力与地层孔隙流体压力差值计算，如果没有相关参数，推荐采用3.5MPa；浸泡时间为：48h。
钻井液浸泡过程为：将岩心样品放入老化罐或高温高压失水仪，加入待评价钻井液，钻井液应完全浸没岩心试样，并预留1～3cm空间用于施加氮气压力至上述浸泡压力；施加氮气压力后，将老化罐或高温高压失水仪置于恒温箱中，调试恒温箱至上述浸泡温度；钻井液对岩心试样的浸泡时间达到上述浸泡时间时，先利用冷水冷却老化罐或高温高压失水仪罐体，然后将冷却后罐体中的气体释放，最后打开罐体，取出浸泡后的岩心样品；对钻井液浸泡后的岩心试样擦拭干净，拍照并记录浸泡后岩心试样的状态及表面结构特征；测定钻井液浸泡后岩心试样的长度、直径和质量，计算密度Dp，并测试钻井液浸泡后岩心试样的纵波波速Ap、电阻率Rp，结果如下表3。
表3钻井液作用48h后的电阻率与声波波速
Figure BDA0002610116560000052
Figure BDA0002610116560000061
按式(1)～(3)计算钻井液对岩心试样密度、声波、电阻率的影响，进而利用式(4)计算声电扰动综合指数。
Figure BDA0002610116560000062
Figure BDA0002610116560000063
Figure BDA0002610116560000064
Figure BDA0002610116560000065
式中，Dp0、Dp分别为岩心试样在钻井液作用前、后的密度，g/cm3；Rp0、Rp分别为岩心试样在钻井液作用前、后的电阻率，Ω.m；Ap0、Ap分别为岩心试样在钻井液作用前、后的纵波波速，m/s；
Figure BDA0002610116560000066
分别为钻井液浸泡24小时后，第i个岩心试样的密度变化幅度、纵波波速变化幅度以及电阻率变化幅度，i＝1,2,3；Fs为声电扰动综合指数。
根据声电扰动综合指数判断钻井液稳定泥页岩地层井壁能力：声电扰动综合指数FS数值为0～50，当FS＝0时，表明钻井液浸泡对岩心内部结构无影响，岩心试样经钻井液浸泡后力学强度没有变化，钻井液稳定泥页岩地层井壁的能力最强；当FS＝50时，表明钻井液浸泡对岩心内部结构影响最大，岩心试样经钻井液浸泡后力学强度最差，钻井液稳定泥页岩地层井壁的能力最弱。因此，声电扰动综合指数越大，则钻井液浸泡对岩心试样内部结构的影响越大，此时岩心试样力学强度弱化越显著，井壁稳定性越差，表明钻井液对泥页岩地层的井壁稳定能力越弱；相反，钻井液作用后，声电扰动综合指数越小，则钻井液对泥页岩地层的井壁稳定能力越强。如下表4为本发明钻井液作用48h后的密度、电阻率与声波波速变化幅度和声电扰动综合指数。
表4钻井液作用48h后的电阻率与声波波速变化幅度
Figure BDA0002610116560000071
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，其特征在于，该方法包含：
S1、对待钻泥页岩地层钻井取心，根据钻井取心方向，确定岩心样方向，获得n个柱塞岩心试样，并将柱塞岩心试样恒温烘干；其中，n≥3；
S2、测定柱塞岩心试样的长度、直径和质量，计算密度Dp0，并测试钻井液浸泡后的柱塞岩心试样的纵波波速Ap0、电阻率Rp0；
S3、将经过烘干且外观完整、无明显裂缝的岩心柱塞试样置于老化罐或高温高压失水仪，加入待评价钻井液，使钻井液应完全浸没柱塞岩心试样，并施加压力至浸泡压力；施加压力后，使老化罐或高温高压失水仪处于浸泡温度，进行浸泡；其中，浸泡条件为：浸泡温度≥实际地层温度，若没有地层温度测试数据，按地温梯度3℃/100m计算地层温度；浸泡压力根据井筒液柱压力与地层孔隙流体压力差值计算，或采用3.5MPa；浸泡时间为48h；
S4、待浸泡结束后，进行冷却，释放压力，取出浸泡后的柱塞岩心试样；
S5、测定钻井液浸泡后的柱塞岩心试样的长度、直径和质量，计算密度Dp，并测试钻井液浸泡后的柱塞岩心试样的纵波波速Ap、电阻率Rp；
S6、按式(1)～(3)计算钻井液对岩心试样密度、声波、电阻率的影响，利用式(4)计算声电扰动综合指数；
Figure FDA0002610116550000011
Figure FDA0002610116550000012
Figure FDA0002610116550000013
Figure FDA0002610116550000021
式中，Dp0、Dp分别为岩心试样在钻井液作用前、后的密度；Rp0、Rp分别为岩心试样在钻井液作用前、后的电阻率；Ap0、Ap分别为岩心试样在钻井液作用前、后的纵波波速；
Figure FDA0002610116550000022
分别为钻井液浸泡后第i个岩心试样的密度变化幅度、纵波波速变化幅度和电阻率变化幅度，i＝1,...,n；FS为声电扰动综合指数；
根据声电扰动综合指数判断钻井液稳定泥页岩地层井壁能力：声电扰动综合指数FS数值为0～50，当FS＝0时，表明钻井液浸泡对岩心内部结构无影响，岩心试样经钻井液浸泡后力学强度没有变化，钻井液稳定泥页岩地层井壁的能力最强；当FS＝50时，表明钻井液浸泡对岩心内部结构影响最大，岩心试样经钻井液浸泡后力学强度最差，钻井液稳定泥页岩地层井壁的能力最弱。
2.根据权利要求1所述的基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，其特征在于，所述纵波波速测定：端部施加3.0MPa，钻井液浸泡前后分别基于透射法测定柱塞岩心试样纵波波速；所述电阻率测定：端部施加3.0MPa，钻井液浸泡前后分别沿轴向测定柱塞岩心试样的电阻率。
3.根据权利要求1所述的基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，其特征在于，所述柱塞岩心试样应为待钻泥页岩地层钻井取心，试样两端需要打磨，使得两端面平行且垂直于轴线，然后进行烘干。
4.根据权利要求1所述的基于声电响应评价钻井液稳定泥页岩地层井壁能力的方法，其特征在于，所述烘干的温度为60℃，时间为24h以上。
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