孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)納米材料封堵頁巖效果

張偉，李文波，項(xiàng)濤　(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065201)

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孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)納米材料封堵頁巖效果

張偉，李文波，項(xiàng)濤(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北 廊坊 065201)

[摘要]常規(guī)評(píng)價(jià)方法不能評(píng)價(jià)納米粒子在頁巖中的封堵效果，而孔隙壓力傳遞試驗(yàn)裝置可以評(píng)價(jià)在真實(shí)頁巖中壓力的傳遞速度，準(zhǔn)確地測定納米粒子封堵頁巖效果。取美國TerraTek公司的PIERREⅡ頁巖巖心，進(jìn)行巖心礦物含量和SEM分析，可知PIERREⅡ頁巖巖心孔喉尺寸屬微米及納米級(jí)別。利用孔隙壓力傳遞試驗(yàn)裝置，通過測定頁巖滲透率變化，評(píng)價(jià)納米材料封堵頁巖效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，在鹽水與基漿中加入納米材料都能明顯降低頁巖中孔隙壓力傳遞速率，使頁巖滲透率降低，說明納米材料封堵頁巖中微米及納米級(jí)孔喉效果明顯。該研究對(duì)頁巖封堵具有很好的指導(dǎo)作用，能夠幫助解決頁巖段鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的井壁穩(wěn)定等難題。

[關(guān)鍵詞]孔隙壓力傳遞；頁巖滲透率；納米材料；封堵

通常頁巖地層有著孔隙小、滲透率極低等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的封堵劑顆粒大，不能進(jìn)入泥頁巖的微孔隙[1]。近幾年來石油行業(yè)開始引入納米粒子封堵頁巖中的微孔隙，以減少壓力在頁巖中傳遞，降低頁巖滲透率[2～4]。常規(guī)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，如滲透封堵、人造泥餅封堵等試驗(yàn)所用介質(zhì)并非頁巖，因而不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)納米粒子在頁巖中的封堵效果，也不能評(píng)價(jià)壓力在頁巖中的傳遞效果。而孔隙壓力傳遞試驗(yàn)裝置可以評(píng)價(jià)在真實(shí)頁巖中壓力的傳遞速度，并能計(jì)算出頁巖滲透率，直觀準(zhǔn)確地測定納米粒子封堵頁巖效果。

1孔隙壓力傳遞試驗(yàn)裝置

孔隙壓力傳遞試驗(yàn)裝置可進(jìn)行泥頁巖水力壓差傳遞試驗(yàn)(HPT試驗(yàn))，測定極低泥頁巖滲透率；還可進(jìn)行化學(xué)位差誘導(dǎo)的滲透壓力傳遞試驗(yàn)(OPT試驗(yàn))，測定泥頁巖膜效率。

由于水的體積彈性模量很大(約為2100MPa)，幾乎不可壓縮，所以在裝滿水的密閉容腔內(nèi)，只要改變?nèi)萸坏纳僭S幾何體積，即可迅速建立起壓力。結(jié)合半滲透膜原理，在頁巖巖心初始兩端壓差不為零時(shí)，可以模擬實(shí)鉆過程中鉆井流體、井壁(半透膜)和地層流體之間的作用關(guān)系。根據(jù)孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)裝置實(shí)時(shí)采集的壓力關(guān)系(實(shí)際壓差)，直接反映出半滲透膜兩側(cè)壓力變化的關(guān)系，可分析判斷半滲透膜(井壁)兩側(cè)流體運(yùn)移情況，為處理劑評(píng)價(jià)直觀評(píng)分，為鉆井液性能設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)。進(jìn)一步結(jié)合理論計(jì)算的滲透壓和泥頁巖膜效率的計(jì)算公式計(jì)算出對(duì)井壁膜效率的改善情況[5]。

2試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)介質(zhì)為美國TerraTek公司的PIERREⅡ頁巖巖心，該巖心開采自洛基山脈白堊紀(jì)晚期地層，為國際石油公司評(píng)價(jià)常用標(biāo)準(zhǔn)頁巖巖心。

2.1PIERREⅡ頁巖巖心礦物含量分析

利用X射線衍射對(duì)PIERREⅡ頁巖巖心進(jìn)行全巖礦物和黏土礦物分析，如表1、2所示，PIERREⅡ頁巖巖心黏土含量較高，黏土中伊-蒙混層比例較高，易水化膨脹。

表1　PIERREⅡ頁巖巖心全巖礦物分析

表2　PIERREⅡ頁巖巖心黏土礦物分析

2.2電鏡掃描分析

對(duì)PIERREⅡ頁巖巖心進(jìn)行電鏡掃描，分析其孔喉大小，結(jié)果如圖1、2所示?？梢钥闯觯琍IERREⅡ頁巖巖心孔喉大小為微米級(jí)與納米級(jí)，孔喉尺寸較小。

圖1　PIERREⅡ頁巖巖心5×103倍電鏡掃描　　　　圖2　PIERREⅡ頁巖巖心15×103倍電鏡掃描

3封堵試驗(yàn)評(píng)價(jià)

試驗(yàn)之前首先測量PIERREⅡ頁巖巖心的直徑及長度，然后用4%NaCl鹽水(4%為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。下同)對(duì)PIERREⅡ頁巖巖心進(jìn)行飽和，使巖心活度與4%NaCl鹽水活度相同。試驗(yàn)過程記錄下端壓力變化，利用下式對(duì)滲透率進(jìn)行計(jì)算：

式中：k為滲透率，mD；μ為鉆井液流體黏度，MPa·s；β為流體靜態(tài)壓縮率，1；V為下游封閉體積，cm3；A為巖樣橫截面積，cm2；L為巖樣長度，cm；pm、p0分別為試液壓力(巖心上端壓力)和孔隙壓力(巖心下端壓力)，psi；p(L，t)為巖樣下端t時(shí)刻的壓力，psi。

3.1鹽水中評(píng)價(jià)納米材料封堵頁巖效果

試驗(yàn)共分為3步，試驗(yàn)過程中保持下端液體為4%NaCl鹽水不變，只改變上端液體[6]。具體試驗(yàn)步驟：第1步，上端液體為4%NaCl鹽水，保持上端壓力為600psi，記錄下端壓力變化，待壓力變化較為穩(wěn)定后計(jì)算出頁巖滲透率；第2步，上端液體變?yōu)?%NaCl鹽水+3%納米材料，保持上端壓力為600psi(1psi=6.895kPa)，記錄下端壓力變化，待壓力變化較為穩(wěn)定后計(jì)算出頁巖滲透率；第3步，上端液體再次改變?yōu)?%NaCl鹽水，保持上端壓力為600psi，記錄下端壓力變化，待壓力變化較為穩(wěn)定后計(jì)算出頁巖滲透率。

圖3　鹽水中納米材料封堵頁巖效果評(píng)價(jià)

圖4　基漿中納米材料封堵頁巖效果評(píng)價(jià)

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，第1步鹽水中滲透率為0.3183mD，第2步加入納米材料后滲透率為0.0563mD，第3步再次為鹽水時(shí)滲透率為0.0004003mD。可以看出，加入納米材料以后能明顯降低頁巖滲透率，孔隙壓力增加速度明顯降低。

3.2基漿中評(píng)價(jià)納米材料封堵頁巖效果

基漿配方：20kg/m3膨潤土+3kg/m3PAC-LV+1.5kg/m3XC。試驗(yàn)分3步，試驗(yàn)過程中保持下端液體為4%NaCl鹽水不變，只改變上端液體，具體試驗(yàn)步驟：第1步，上端液體為4%NaCl鹽水，保持上端壓力為600psi，記錄下端壓力變化，待壓力變化較為穩(wěn)定后計(jì)算出頁巖滲透率；第2步，上端液體變?yōu)榛鶟{，保持上端壓力為600psi，記錄下端壓力變化，待壓力變化較為穩(wěn)定后計(jì)算出頁巖滲透率；第3步，上端液體改變?yōu)榛鶟{+3%納米材料，保持上端壓力為600psi，記錄下端壓力變化，待壓力變化較為穩(wěn)定后計(jì)算出頁巖滲透率。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，第1步鹽水中滲透率為0.1747mD，第2步加入納米材料后滲透率為0.0925mD，第3步再次為鹽水時(shí)滲透率為0.0002766mD。可以看出，在基漿中加入納米材料以后，頁巖滲透率同樣明顯降低，下游孔隙壓力增加速度明顯降低。

4結(jié)論

1)通過X射線衍射對(duì)PIERREⅡ頁巖巖心進(jìn)行礦物含量分析可以看出，PIERREⅡ頁巖黏土含量較高，易水化膨脹，因此在鉆井過程中要注意封堵濾液進(jìn)入，以維持井壁穩(wěn)定。

2)通過電鏡掃描實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PIERREⅡ頁巖巖心孔喉大小為微米級(jí)與納米級(jí)，孔喉尺寸較小。

3)鹽水和基漿中加入納米材料以后能明顯降低頁巖滲透率，使下游孔隙壓力增加速度明顯降低，說明該納米材料能夠很好地封堵頁巖，能夠達(dá)到維持頁巖井壁穩(wěn)定的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]付艷，黃進(jìn)軍，武元鵬，等.鉆井液用納米粒子封堵性能的評(píng)價(jià)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，15(3)：30～32.

[2]孫迎勝，陳淵，溫棟良，等.納米封堵劑性能評(píng)價(jià)及現(xiàn)場應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展，2010，11(11):10～12.

[3]陳福明，田峰，李伯芬，等.納米級(jí)封堵劑及其應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2014，31(4)：71～74.

[4]陳二丁，周輝.成膜強(qiáng)抑制納米封堵鉆井液的研究[J].鉆井液與完井液，2011，28(3)：39～41.

[5]胡進(jìn)軍，孫強(qiáng)，夏小春，等.泥頁巖動(dòng)態(tài)孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)裝置的研制[A].全國鉆井液完井液技術(shù)交流研討會(huì)(2013)論文集[C].北京：石油工業(yè)出版社，2013：827～832.

[6]Riley M,Stamatakis E,Young S,et al.Novel water based mud for shale gas，part II：mud formulations and performance[J]. SPE152945,2012.

[編輯]帥群

Application of Pore Pressure Transfer Equipment in Evaluating the Effect of Shale Plugging of Nano-materials

Zhang Wei，Li Wenbo，Xiang Tao

(FirstAuthor’sAddress：OilfieldChemicalsR&DInstitute，COSL，Langfang065201，Hebei，China)

Abstract:The conventional method could not evaluate the shale plugging effect of nano particles, while a pressure transmission tester could evaluate the pressure transmission velocity in actual shale and accurately measure the shale plugging effect of the nano particles. The mineral content and SEM were analyzed by using PIERREⅡ Shale Core from TerraTek Company,USA, it was presented that the shale core throat size was macro-nano and nano-grades. The effectiveness nano-materials was demonstrated by measuring the change of shale permeability and evaluating the its plugging effect. The experimental results show that pore pressure transmission velocity is reduced by adding nano-materials in both brine and mud, thus shale permeability is reduced, which indicates that pore-throats at micrometer scale and nanometer scale are effectively plugged by nano-materials. The study can direct shale plugging，also it is beneficial for solving the problem of borehole stability in drilling the shale section.

Key words:pore pressure transmission；shale permeability；nano-material；plugging

[中圖分類號(hào)]TE254.4

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)8-0050-03

[作者簡介]張偉(1982-)，男，碩士，工程師，從事鉆完井液研究工作，zhangwei61@cosl.com.cn。

[收稿日期]2015-12-01

[引著格式]張偉，李文波，項(xiàng)濤.孔隙壓力傳遞評(píng)價(jià)納米材料封堵頁巖效果[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2016,13(8):50～52.