一種油基鉆井液參數(shù)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于油氣鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及鉆井液體系的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種 油基鉆井液參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，井壁穩(wěn)定問題一直是制約我國石油鉆探的關(guān)鍵技術(shù)難題。為保持井壁穩(wěn) 定，對(duì)于鉆井過程中鉆遇率達(dá)到90%的富含粘土礦物的地層，多采用油基鉆井液鉆進(jìn)，但是 對(duì)于裂縫發(fā)育的裂縫性地層，油基鉆井液依然會(huì)漏失進(jìn)入地層。特別是對(duì)于發(fā)育大量微裂 隙的混合潤濕性地層，比如頁巖地層、泥巖地層、砂巖地層，在毛管力的作用下油基鉆井液 濾液更容易進(jìn)入地層，從而增大裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，使裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致井壁不穩(wěn) 定。從微觀角度分析，油基鉆井液與地層巖石之間的邊界層的界面特性，尤其是潤濕特性是 控制油基鉆井液進(jìn)入地層巖石，以及油基鉆井液與地層巖石之間一切物理作用和化學(xué)作用 的關(guān)鍵。
[0003] 由于地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)潤濕性的改變會(huì)影響裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子， 基于斷裂力學(xué)理論，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過地層巖石的斷裂韌性時(shí)，裂縫發(fā)生擴(kuò)展，井壁失 穩(wěn)，因此地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)的潤濕性需要有一個(gè)安全窗口。油基鉆井液體系特征 在很大程度上直接影響著地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)的潤濕性，進(jìn)而影響井壁的穩(wěn)定性， 因此依據(jù)地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)的潤濕性設(shè)計(jì)油基鉆井液參數(shù)，對(duì)于保持井壁穩(wěn)定具 有重要意義。
[0004] 申請(qǐng)公布號(hào)為CN103045198A的發(fā)明專利公開了一種天然氣井使用的防漏失鉆井 液體系，其配方為膨潤土 1-5,銨鹽0. 1-1，包被劑0. 1-1，降濾失劑0. 1-1，碳酸鈣1-5,氯化 鉀1-5,余量為水，以上比例均以重量計(jì)算，單位為千克，按照上述配方配制鉆井液并用于鉆 井。
[0005] 申請(qǐng)公布號(hào)為CN103045194A的發(fā)明專利公開了一種天然氣井使用的儲(chǔ)層保護(hù)鉆 井液體系，其配方為膨潤土 1-5,銨鹽0. 1-1，包被劑0. 1-1，磺化瀝青1-5,磺化褐煤1-5,成 膜劑0. 5-5,碳酸鈣1-5,氯化鉀1-5,余量為水，以上比例均以重量計(jì)算，單位為千克，按照 上述配方配制鉆井液并用于鉆井過程。
[0006] 上述兩個(gè)專利的鉆井液體系均具有失水小、流變性能好、能夠保持井壁穩(wěn)定等優(yōu) 點(diǎn)，但是該鉆井液體系的配方是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來優(yōu)化的，通過提高鉆井液性能來定性評(píng)價(jià)其實(shí) 際應(yīng)用效果，另外鉆井液的性能可能會(huì)過高，從而導(dǎo)致成本提高。因此，急需開發(fā)一種鉆井 液參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，通過控制鉆井液參數(shù)保持井壁穩(wěn)定，這對(duì)于我國石油鉆探行業(yè)的發(fā)展 具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種油基鉆井液參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，其 按照先后順序包括以下步驟：
[0008] 步驟一：通過試驗(yàn)測(cè)試地層巖石的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)；
[0009] 步驟二：根據(jù)地層巖石的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，建立典型礦物、地層巖石的孔隙結(jié) 構(gòu)、油基鉆井液參數(shù)對(duì)地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)潤濕性的綜合表征模型，并繪制油基鉆 井液參數(shù)與潤濕性之間的關(guān)系圖；
[0010] 步驟三：建立地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)在潤濕性條件下的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型， 并繪制油基鉆井液參數(shù)與井壁穩(wěn)定之間的關(guān)系圖；
[0011] 步驟四：根據(jù)油基鉆井液參數(shù)與井壁穩(wěn)定之間的關(guān)系圖，確定油基鉆井液參數(shù)。
[0012] 本發(fā)明的油基鉆井液參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，是基于地層特性和地層與流體界面特性來 設(shè)計(jì)油基鉆井液的參數(shù)，使油基鉆井液參數(shù)的設(shè)計(jì)更具科學(xué)與理論依據(jù)，以有效防止井壁 失穩(wěn)，防止井下復(fù)雜情況的發(fā)生，同時(shí)避免了油基鉆井液的性能過高，合理控制油基鉆井液 的成本。
[0013] 優(yōu)選的是，步驟一中，至少取十塊地層巖石，分別測(cè)試其物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)。
[0014] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，采用X射線衍射試驗(yàn)測(cè)試地層巖石的礦物組分。X射 線衍射方法具有不損壞地層巖石樣品、無污染、快捷、對(duì)礦物組分的測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0015] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，采用熱解試驗(yàn)和鏡質(zhì)體反射率試驗(yàn)測(cè)試地層巖石的 總有機(jī)碳含量（TOC)、干酪根類型、成熟度。在熱解試驗(yàn)中，所使用的地層巖石樣品的用量 少，操作簡(jiǎn)捷，速度快，分析成本低，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，可評(píng)價(jià)地層巖石的總有機(jī)碳含量、干酪 根類型。采用鏡質(zhì)體反射率試驗(yàn)測(cè)試地層巖石的成熟度。有機(jī)質(zhì)的熱演化過程與鏡質(zhì)體的 演化過程密切相關(guān)，因此鏡質(zhì)體反射率是良好的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)熱變質(zhì)作用越 深，鏡質(zhì)體反射率越大。
[0016] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，米用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電子計(jì)算機(jī) X射線斷層掃描試驗(yàn)測(cè)試地層巖石的孔隙分布。借助掃描電子顯微鏡（SEM)和透射電子顯 微鏡（TEM)，可定性觀察地層巖石中的二維孔隙分布特征；借助電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描 (CT)，可定性觀察地層巖石中的三維孔隙分布特征。
[0017] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，采用聚焦離子束試驗(yàn)、氮?dú)馕皆囼?yàn)測(cè)試地層巖石 的孔隙度。借助聚焦離子束（FIB)試驗(yàn)和氮?dú)馕皆囼?yàn)，可定量表征地層巖石的孔隙度。
[0018] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，采用巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)試地層巖石的斷裂韌性。
[0019] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，步驟二中，典型礦物、地層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)、油基鉆 井液參數(shù)對(duì)地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)潤濕性的綜合表征模型的建立，其按照先后順序包 括以下步驟：
[0020] 步驟一：將地層巖石按照硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、粘土礦物三類典型礦物的重量 百分比作出三元相圖，分析已測(cè)地層巖石的礦物組分，并依據(jù)礦物組分在三元相圖中的落 點(diǎn)進(jìn)行分類；
[0021] 步驟二：分別制備典型礦物地層巖石的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量表面；
[0022] 步驟三：分別測(cè)量典型礦物地層巖石的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量表面在油基鉆井液作用下的接觸 角，并分別結(jié)合所對(duì)應(yīng)地層巖石的總有機(jī)碳含量、干酪根類型、孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析 典型礦物、總有機(jī)碳含量、孔隙度對(duì)地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)潤濕性的影響；
[0023] 步驟四：通過調(diào)整油水比和乳化劑添加量，配制不同性能的油基鉆井液，并測(cè)量其 破乳電壓、粘度、PH值、API濾矢量（室溫0. 7MPa下的濾矢量）、HTHP濾矢量（高溫高壓濾 矢量）；
[0024] 步驟五：分別測(cè)量典型礦物地層巖石的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量表面在不同性能的油基鉆井液作 用下的接觸角，分析油基鉆井液參數(shù)對(duì)地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)潤濕性的影響；
[0025] 步驟六：根據(jù)典型礦物的重量百分比、總有機(jī)碳含量、孔隙度、油基鉆井液參數(shù)、接 觸角的測(cè)試數(shù)據(jù)，建立地層巖石與油基鉆井液系統(tǒng)潤濕性的綜合表征模型。
[0026] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，分析已測(cè)地層巖石的礦物組分，至少為一類典型礦 物。
[0027] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，分析已測(cè)地層巖石的礦物組分，為三類典型礦物。
[0028] 取至少十塊地層巖石，分別測(cè)試其礦物組分，并依據(jù)礦物組分在三元相圖中的落 點(diǎn)進(jìn)行分類，礦物組分以重量百分比計(jì)算。三類典型礦物為硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、粘土 礦物。若地層巖石中哪類礦物組分占主導(dǎo)，則該地層巖石為哪類礦物地層巖石。石英、鉀長(zhǎng) 石、斜長(zhǎng)石為硅酸鹽礦物；方解石、白云石為碳酸鹽礦物。
[0029] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述典型礦物地層巖石的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量樣品的形狀為圓 柱形。
[0030] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述圓柱形的上、下端面平行。
[0031] 在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述圓柱形的上、下端面進(jìn)行機(jī)械拋光處理。