一種適用于欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定方法及實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種油田鉆井方法，特別涉及一種適用于欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定方法 及實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 欠平衡鉆井是指鉆井過程中鉆井液的循環(huán)壓力（包括液柱壓力和循環(huán)回壓)，低于 地層的孔隙壓力，使地層的流體有控制的進(jìn)入井筒并將其循環(huán)到地面的鉆井技術(shù)。采用欠 平衡鉆井技術(shù)即可W提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭壽命，減少或消除漏失及壓差卡鉆，提高鉆井 效率、降低鉆井直接成本；也可W發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)層，減少油氣層浸泡時間，減輕或消除鉆井液對 地層的侵入傷害，從而有效保護(hù)油氣層，提高儲層的累計產(chǎn)量。
[0003] 因此，欠平衡鉆井技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。從2007年開始，美國每年完 成欠平衡鉆井?dāng)?shù)都在12000 口 W上，約占每年鉆井總數(shù)的26%，已成為打開儲層的首選技 術(shù)；國內(nèi)近年來大力推廣欠平衡鉆井技術(shù)，截至到2012年，中國已完成欠平衡井1017 口，應(yīng) 用效果顯著；但欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定性問題一直沒有得到有效的解決，已經(jīng)成為制約欠 平衡鉆井技術(shù)發(fā)展的主要障礙。
[0004] 欠平衡鉆井的井壁失穩(wěn)多發(fā)生在泥頁巖層段。泥頁巖地層打開后，鉆井液同地層 接觸后會發(fā)生壓力傳遞和物質(zhì)交換，造成地層壓力變化和巖石強(qiáng)度降低，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。地 層壓力傳遞和物質(zhì)交換主要受兩種因素控制；（1)鉆井液液柱壓力和地層孔隙壓力之間的 水力勢差；（2)鉆井液濾液同地層流體之間的化學(xué)勢差。目前，欠平衡鉆井的鉆井液密度是 根據(jù)地層巧塌壓力、地層孔隙壓力和設(shè)備的承壓能力來設(shè)計的，只考慮了水力勢差對地層 壓力傳遞和物質(zhì)交換的影響，即保持液柱壓力小于地層孔隙壓力，而未考慮化學(xué)勢對地層 壓力傳遞和物質(zhì)交換的影響，從而導(dǎo)致在化學(xué)勢的作用下鉆井濾液侵入地層，造成井壁巧 塌，卡鉆等井下復(fù)雜情況。因此，只有保持鉆井液和地層流體之間的水力勢差和化學(xué)勢差同 時平衡，即總勢能平衡，才能防止鉆井液濾液侵入地層，降低地層強(qiáng)度，造成復(fù)雜事故和污 染地層。
[0005] 綜上所述，傳統(tǒng)的欠平衡鉆井液密度設(shè)計方法無法適用，W總勢能平衡理論為基 礎(chǔ)發(fā)明一種簡單、實用的欠平衡鉆井井壁穩(wěn)定設(shè)計方法對欠平衡鉆井井壁穩(wěn)定至關(guān)重要。
[0006] 中國專利申請?zhí)枮?00720187488. 9的實用新型專利公布的半透膜膜效率測試儀 及200420089356. 9的實用新型專利公布的頁巖膜效率測定儀均采用了將平衡狀態(tài)的半透 膜液的電導(dǎo)率同已知電導(dǎo)率比較，換算成半透膜膜效率的間接測量方法，只考慮了平衡狀 態(tài)下半透膜液性質(zhì)的變化，忽略了泥頁巖性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)對滲透壓和膜效率的影響；中國 專利申請?zhí)枮?00620034702. 2的實用新型專利公布的鉆井液半透膜測定裝置只能進(jìn)行常 溫條件下測試，無法測量實際地層溫度下膜效率，同時只考慮了鉆井過程中鉆井液對巖也 的浸泡，忽略了鉆井液在井筒中的流動；泥頁巖膜效率測定儀的研制，石油鉆采工藝，2010 年11期，作者，張巖，向興金，鄙捷年，吳彬，趙磊；通過測量巖也兩端溶液電阻率的變化，對 比評價了不同鉆井液體系的成膜效率，只能定性的分析，無法定量的給出泥頁巖膜效率測 量結(jié)果。泥頁巖水化-力學(xué)禪合模擬實驗裝置與壓力傳遞實驗新技術(shù)W及石油學(xué)報2005 年11月第26卷第6期徐加放，邱正松，呂開河泥頁巖膜效率測試裝置及測試技術(shù)研究石 油機(jī)械2006年第34卷第8期呂開河，邱正松，徐加放雖然直接測量了滲透壓和膜效率， 但是只能利用規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)巖也開展實驗，無法利用不規(guī)則的巖也和掉塊開展實驗，且實驗 裝置復(fù)雜，不便現(xiàn)場操作使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種適用于欠平衡鉆井的 井壁穩(wěn)定方法及實驗裝置，該方法能夠W簡單的設(shè)備和操作程序保持井壁穩(wěn)定，提高欠平 衡技術(shù)的應(yīng)用推廣。
[0008] -種適用于欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定方法，包括W下步驟： (一） 利用等溫吸附試驗采集確定泥頁巖的地層水活度； (二） 根據(jù)鄰井測井?dāng)?shù)據(jù)和地層壓力測試數(shù)據(jù)確定待鉆地層孔隙壓力； (H)根據(jù)隨鉆測井的地層溫度數(shù)據(jù)確定地層溫度，或者根據(jù)地區(qū)的地溫梯度計算地層 溫度； (四） 利用膜效率測試實驗裝置測量地層膜效率；所述的膜效率測試實驗裝置包括伺服 控制注入粟（1)、恒溫箱（7)、巖也夾持器（8)、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（19)、背壓調(diào)節(jié)器（21)、 儲液箱（28)，巖也夾持器（8)置于恒溫箱（7)內(nèi)，伺服控制注入粟（1)用于實現(xiàn)給巖也的下 端鉆井液提供壓力和給巖也的上端鉆井液提供循環(huán)壓力，背壓調(diào)節(jié)器（21)用于保持巖也加 持器（8)上端鉆井液的流動壓力恒定；計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（19)用于實時采集和記錄壓力 和恒溫箱（7)中的溫度；所述巖也夾持器（8)包括巖也夾持器上端蓋（29)、巖也夾持器下端 蓋（30)、環(huán)氧樹脂（9)和密封圈（31 )，巖也（10)夾在巖也夾持器上端蓋（29)和巖也夾持器 下端蓋（30)之間，環(huán)氧樹脂（9)將巖也的四周包裹形成規(guī)則的試樣； (五） 如果確定使用某種鉆井液時，則利用濕度計測量待用鉆井液活度，確定鉆井液與 地層流體之間的化學(xué)勢差，再根據(jù)總勢能平衡原理，利用化學(xué)勢差和地層孔隙壓力確定鉆 井液液柱壓力，根據(jù)鉆井液液柱壓力和井深確定鉆井液密度； (六） 如果確定鉆井液密度，則確定鉆井液液柱壓力同地層壓力之間的差值為欠壓值， 根據(jù)總勢能平衡原理，利用欠壓值獲得化學(xué)勢差，再根據(jù)化學(xué)勢差和地層水活度確定鉆井 液活度； (走）根據(jù)確定結(jié)果調(diào)整鉆井液密度或活度來保持井壁穩(wěn)定。
[0009] 上述的步驟(一）中的具體方法是： (a) 稱量若干個重量為（Wi)的頁巖樣品； (b) 將頁巖樣品放置在200° F的烘箱中24小時，然后測量每個干頁巖樣品重量(Wd); (C)則每個頁巖樣品的原始含水量為： 天然含水量=[/町d]本100% (1) (d) 將烘干的頁巖試樣放置在不同活度的干燥器中； (e) 每天測量每個試樣重量，直到重量不在增加，記錄重量Wf ; (f) 根據(jù)頁巖的吸附量和放置頁巖的干燥器濕度繪制等溫吸附曲線； (g)利用原始地層含水量確定原始地層水活度ashd(；。
[0010] 上述的步驟（四）中的膜效率測試實驗裝置中的伺服控制注入粟（1)通過第一高壓 管線（2)穿過恒溫箱（7)的下端與巖也夾持器（8)的下端相連，第一高壓管線（2)上設(shè)置第 一閥口（3)、第一壓力傳感器（5);伺服控制注入粟（1)用于實現(xiàn)給巖也的下端鉆井液提供 壓力和給巖也的上端鉆井液提供循環(huán)壓力；第一閥口（3)用于控制巖也加持器（8)下端鉆 井液的進(jìn)出；第一壓力傳感器（5)用于指示和記錄巖也加持器（8)下端的鉆井液壓力；在第 一閥口（3)和第一壓力傳感器（5)之間外接第二閥口（4)，第二閥口（4)用于放空或調(diào)節(jié)巖 也加持器（8)下端面的鉆井液壓力；恒溫箱（7)用于提供和保持膜效率測試時巖也加持器 (8)所需要的溫度。
[0011] 本發(fā)明提到的適用于欠平衡鉆井的井壁穩(wěn)定方法中的實驗裝置，包括伺服控制注 入粟（1)、恒溫箱（7)、巖也夾持器（8)、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（19)、背壓調(diào)節(jié)器（21)、儲液箱 (28)，巖也夾持器（8)置于恒溫箱（7)內(nèi)，伺服控制注入粟（1)用于實現(xiàn)給巖也的下端鉆井 液提供壓力和給巖也的上端鉆井液提供循環(huán)壓力，背壓調(diào)節(jié)器（21)用于保持巖也加持器 (8)上端鉆井液的流動壓力恒定；計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)