钻井过程中油气层保护暂堵方案优选新方法及配套软件研制

1钻井过程中油气层保护暂堵方案优选新方法钻井过程中油气层保护暂堵方案优选新方法 及配套软件研制及配套软件研制摘要：摘要：在前人研究工作基础上，应用连续尺寸颗粒堆积理论阐述了优选钻井液中暂堵 剂颗粒尺寸的“理想充填理论”和D90规则在此基础上，提出了一种特别有利于对中、 高渗储层实施有效暂堵和保护的暂堵方案优选新方法依据该方法研制、开发的配套软件 能够根据相关地层参数，快速、准确地对具有不同粒径的暂堵剂产品按一定比例进行合理 的复配组合实验结果表明，优选出的复配暂堵方案能有效地形成致密泥饼，与传统方法 相比，岩心的渗透率恢复值明显提高，从而能有效阻止钻井液中固相颗粒和滤液侵入油气 层经现场试验，证实应用该项技术可取得了十分理想的保护储层的效果关键词关键词：理想充填理论； D90规则；保护油气层；钻井液；暂堵剂；颗粒尺寸分布 暂堵剂的合理使用是钻井过程中保护油气层的关键技术之一1977年，Abrams[1]首次 提出了对钻井液中所使用的暂堵剂颗粒尺寸进行优选的准则，即 “三分之一”架桥规则 在20世纪90年代初期，在此基础上，国内[2, 3]进一步提出了屏蔽暂堵技术，即在一定正压差条件下，当架桥颗粒粒径为储层平均孔径的1/2~2/3时，在储层孔喉处的架桥最为稳定。

随着保护油气层技术的进一步发展，近年来国外学者指出在某些情况下，使用“三分之一” 架桥规则并不能达到一种最佳的保护效果，并提出新的架桥原理和方法取而代之[4, 5]例如，国外M-I钻井液公司和BP Amoco公司应用“理想充填理论” ，建立和发展了 ____________________________________________ ______________________________一整套新的暂堵方法和技术，并已广泛应用于生产现场在上述研究工作基础上，本项研 究应用连续尺寸颗粒堆积理论并依据大量实验的结果，较系统地提出了对暂堵剂颗粒尺寸 进行优选的新理论和新方法，并且在现场实际应用中取得了理想的暂堵和保护储层的效果保护储层暂堵技术的着眼点是在储层井壁上快速形成致密的泥饼，并且在油井投产前 泥饼易于清除影响泥饼形成过程的因素除压差和环空流速外，还与钻井液中各种颗粒的 尺寸和堆积情况密切相关优选暂堵剂颗粒尺寸的理想充填理论正是在研究连续尺寸颗粒 堆积效率的基础上提出的1 1 连续尺寸颗粒的堆积连续尺寸颗粒的堆积1.11.1 连续尺寸颗粒的分布连续尺寸颗粒的分布就颗粒尺寸来说，人们实际接触的颗粒体系多属连续分布的体系，因此有必要建立相 应的数学模型来描述连续分布颗粒体系的堆积特性。

目前最常用的粒度分布模型有： Rosin-Rammler 模型、Gaudin-Schuhmann 模型及 Alfred 模型[6]Rosin-Rammler 粒度分布模型的数学表述式为（1）       neddRexp式中d为任意粒径；R为大于粒径d的粒级含量；de为特征粒径，等于R=0.368 相对应的 粒径；n为模型参数Gaudin-Schuhmann 粒度分布模型的数学表达式为（2）nLddy   式中y为小于粒径d的粒级含量；dL为颗粒体系中的最大粒径Alfred 粒度分布模型是对 Gaudin-Schuhmann 模型的改进因为在式（2）中，当d=02时无定义，故改为（3）n sn Ln snddddy式中dS为颗粒体系中的最小粒径1.21.2 连续尺寸颗粒的堆积方程连续尺寸颗粒的堆积方程1）Andreasen 方程经典的连续堆积理论的主要倡导者是 AndreasenAndreasen[7]试图把颗粒分布描述为 分布形式总是相同的，即“统计类似” ，即使加入越来越粗的颗粒也是如此所加入的大颗 粒的体积总是细粉总量的恒定分数。

表述这种尺寸关系的方程为：（4）nLDDCPFT    100这一指数方程描述了含有无限小尺寸的颗粒，显然这在实际系统中是不可能的Andreasen 也知道这一点，但他断定，如果最小颗粒的尺寸是有限小的或是某个无限小的尺寸，其结 果并无显著区别Andreasen 的另一结论是，各种分布的空隙率随其方程中的指数n（分布模数）的减 小而下降各种分布的空隙率随其方程中的指数n（分布模数）的减小而下降根据其实 验结果，为使实际分布的空隙率最小，n的最佳值应在 0.33-0.50 的范围内，这一点也为 国内许多教科书所引用他的实验表明，当小于 0.5 时空隙率并无明显降低因此，他断 定取n远小于 0.5 是没有实际价值的图 1 示出了DL=500µm 时不同分布模数n的 Andreasen 分布图 1 Andreasen 颗粒粒径分布图2）Dinger-Funk 方程 20 世纪 70 年代，Dinger 和 Funk[7]通过在分布中引入有限小最小颗粒尺寸对Andreasen 方程进行了修正假设当D=DS时，；当D=DL时，；则有：0100CPFT1100CPFT（5）n Sn Ln SnnLSnLLnLSnL DDDDDD DDDD DDCPFT            1003上式即为 Dinger-Funk 方程，也称作 Alfred 方程。

不难看出，当DS愈小时，两种分 布愈接近这是因为 Dinger-Funk 分布本质上就是 Andreasen 分布，只是增加了一项—— 有限小最小颗粒当这种最小颗粒尺寸趋于无限小时，二者是统一的图 2 Dinger-Funk 与 Andreasen 颗粒粒径分布图1.31.3 连续尺寸颗粒紧密堆积理论连续尺寸颗粒紧密堆积理论Fuller 和 Thompson[8]通过试验得到连续粒度体系最紧密堆积的经验曲线，简称 Fuller 曲线其特点是大颗粒在累积曲线上应呈直线，细颗粒分布则近似椭圆的一部分， 累计筛下 7%处与纵坐标相切，在最大粒径的 1/10 处，直线与椭圆相切，相应的累计筛下 量为 37.3%见图 37%37%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91 粒径比 D/Dmax累计筛下/ %图 3 Fuller 曲线 通过简化，Fuller 提出了适合细粉部分的颗粒分布规律，其数学式为：（6）5 . 0max100   DdAi式中： A——直径小于等于di的所有颗粒的累计体积（或质量）分数； di——为任意粒径，µm；Dmax——颗粒体系中的最大直径，µm。

42 2 理想充填理论和理想充填理论和 d90d90 规则规则2.12.1 理想充填理论的提出理想充填理论的提出“理想充填”的含义是：对于保护储层的钻井液，需要根据孔喉尺寸加入具有连续粒 径序列分布的暂堵剂颗粒来有效地封堵储层中大小不等的各种孔喉，以及暂堵颗粒之 间形成的孔隙只有形成这种合理的粒径序列分布，才能确保形成滤失量极低的致密 泥饼一般情况下，钻井液中暂堵剂颗粒的粒径大小与颗粒累积体积分数之间的关系曲线在 半对数坐标上呈现一“S”形（见图 4） 这种曲线只表明颗粒的粒径分布范围，并不能说 明颗粒桥堵形成泥饼的充填效率 从图 4 可以看出，钻井液中的 CaCO3颗粒分布中dmax>>dmin，其分布模型符合 Andreasen 方程根据以上颗粒堆积理论的分析可知，满足 Andreasen 方程连续粒度分布 的颗粒体系为使实际分布的空隙率最小，n的最佳值应在 0.33~0.50 的范围内 同样，根据 Fuller 经验曲线，对于这种连续分布的颗粒体系，当其分布模数n=0.5 时， 达到最佳紧密堆积状态，此时，暂堵剂的充填效率最高也就是说，当暂堵剂颗粒累积体 积分数与粒径的平方根（即d1/2）成正比时，可实现颗粒的紧密堆积。

因此，钻井液中暂 堵剂达到紧密堆积时的粒度分布模型为：（7）2/1max   ddCPFT式中： CPFT——直径小于等于d的所有颗粒的累计体积（或质量）分数；d ——为任意粒径； dmax——颗粒体系中的最大直径 Kaeuffer[9]首先将其推广应用于石油工业中，提出了暂堵剂颗粒的“理想充填理论” （Ideal Packing Theory） ，又称作d1/2理论该理论认为：如果在直角坐标系中暂堵剂颗 粒的累计体积分数与粒径的平方根（即d1/2）之间呈直线关系，则表明该暂堵剂满足理想 充填的必要条件，可实现暂堵剂颗粒的理想充填，达到最佳暂堵效果[10-11]01020304050607080901000.010.1110100100010000粒径/μm累计体积百分数/%图 4 使用 CaCO3作为暂堵剂的钻井液的常规颗粒粒度分布曲线 Fig.4 Conventional particle-size-distribution curve for a drilling fluid using solid bridging material such as calcium carbonate.2.22.2 d90规则和优选暂堵剂颗粒尺寸分布的新方法规则和优选暂堵剂颗粒尺寸分布的新方法Hands 等人[10][10]依据“理想充填”理论，进一步提出了便于现场实施的d90规则，即当暂堵剂颗粒在其粒径累积分布曲线上的d90值（指 90%的颗粒粒径小于该值）与储层的最大 孔喉直径或最大裂缝宽度相等时，可取得理想的暂堵效果。

5根据d90规则，本研究所建立的利用图解法对暂堵剂颗粒尺寸进行优选的方法如下：（1）选用具有代表性岩样进行铸体薄片分析或压汞实验，测出储层最大孔喉直径（即 d90） d90也可从孔喉尺寸累计分布曲线上读出2）在暂堵剂颗粒“累计体积%” ~坐标图上，将与原点之间的连线作为基线d例如，某储层最大孔喉直径为 133μm，则＝11.53μm，据此可绘制出基线，如图 590d所示若优化设计的暂堵剂颗粒粒径的累积分布曲线越接近于基线，则颗粒的堆积效率越 高，所形成泥饼的暂堵效果越好3）若无法得到最大孔喉直径（如探井） ，则可用储层渗透率上限值进行估算，即 (kmax)1/2  d90 若已知储层平均渗透率，可先确定d50，即(k平均平均)1/2  d50 然后将( d50 ) 1/2与坐标原点的连线延长，可外推出d90 从图 5 可见，具有某种粒度分布特征的单一暂堵剂很难与目标线相匹配但是，通过 将两种或两种以上不同粒度分布的暂堵颗粒按一定比例混合，就可使颗粒粒径的累计分布 曲线与基线基本重合，即得到理想的暂堵方案经验表明，考虑到暂堵剂在环空的剪切磨 损，复配暂堵剂的最优粒度分布曲线可略靠储层目标线的右侧（宁右勿左） 。

在钻井过程中， 剪切作用会造成泥浆中固相颗粒的粒度分布曲线逐渐向左漂移当发现移至基线的左侧时， 应适当添加大尺寸的暂堵剂进行调整0102030405060708090100051015202530d1/2/μm1/2颗粒累计体积百分数/％基线超细细中等粗优化图 5 对于最大孔径＝133μm 储层钻井液中暂堵剂颗粒的理想尺寸分布Fig.5 The Ideal particle size distribution of bridging agents present in drilling fluids for the formation with the maximum pore size of 133 micron3 3 配套软件的研制配套软件的研制为了使建立的新方法更具实用性，本项研究已研制、开发出一套优选暂堵剂颗粒尺寸 分布的配套软件3.13.1 暂堵剂粒径分布最优化设计方法暂堵剂粒径分布最优化设计方法假设实际生产的原料在现有粉碎。