理想充填理论.

保护油气层暂堵技术新进展石油大学（北京）鄢捷年2003年8月保护储层钻井液暂堵粒子的优选（提出理想充填理论）•SPE58793OptimizingtheSelectionofBridgingParticlesforReservoirDrillingFluidsM.A.Dick,T.J.HeinzandC.F.Svoboda,M-IL.L.C.,andM.Aston,BPAmocoThispaperwaspreparedforpresentationatthe2000SPEInternationalSymposiumonFormationDamageheldinLafayette,Louisiana,23–24February2000.理想充填理论(IdealPackingTheory)当暂堵剂颗粒累计体积百分数与d1/2成正比时，可实现颗粒的理想充填。（d1/2是颗粒粒径的平方根）该理论依据涂料工业的前期研究成果。使用CaCO3作为暂堵剂的钻井液的常规颗粒粒度分布曲线几种CaCO3产品的颗粒粒度分布曲线能减轻损害、提高产能的钻进液（提出D90规则）Drilling-inFluidReducesFormationDamage,IncreaseproductionRatesN.Hands,etal.Oil&GasJournal,July13,1998.d90规则及目标线的绘制•d90规则：当储层最大孔喉尺寸与暂堵剂颗粒的D90相匹配时，可形成致密的泥饼。•目标线（targetline)：根据储层最大孔喉尺寸确定d90，在暂堵剂粒径分布曲线上，以(d90)1/2与坐标原点的连线作为目标线。例：已知某砂岩储层最大孔喉为133mm，则(d90)1/2=11.53mm，其目标线如下图所示。最大孔喉尺寸133mm储层的理想暂堵剂粒径分布（与几种CaCO3暂堵剂产品粒度分布曲线的比较）d90(133)1/2=11.53mm目标线的确定方法•绘制“累计体积%”~“d1/2”坐标图。•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)1/2与坐标原点的连线即为对该储层实施暂堵的目标线。•若无法得到最大孔喉直径，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)1/2d50。然后将(d50)1/2与坐标原点的连线延长，可外推出d90。如何实施有效暂堵？•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。•将几种不同粒径的暂堵剂复配使用，比较容易得到给定储层的理想暂堵方案。•复配暂堵剂的颗粒粒度分布曲线应与储层目标线的斜率相接近。•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）。•在储层钻进过程中，应适量补充一些粗颗粒以保持粒度分布曲线的位置和斜率。•参见下图。对最大孔喉直径＝133mm储层实施封堵的CaCO3粒径最佳组合d*(1/7)d泥浆整体侵入d*(1/3)d滤液侵入(1/7)dd*(1/3)d固相颗粒滤液油相d*:颗粒平均直径d:平均孔径“Abrams”提出的1/3架桥规则形成暂堵带新、旧架桥规则示意图颗粒粒度分布的选取Abrams架桥规则d1/2理想充填架桥规则各种CaCO3暂堵剂颗粒的粒度分布曲线HistogramCaCO30.00%1.00%2.00%3.00%4.00%5.00%6.00%7.00%0.010.1110100100010000ParticleSizeMicronsCaCO3(VF)CaCO3(F)CaCO3(M)CaCO3(C)InvasionControlShortcomingsofOlderTheory(“Abrams”):1.Implicit“distribution”assumedaroundmediansize2.Mayfailincriticalsituations3.DesignedtopreventmudlossesBetterMethod:MatchD90ofFluidPSDtolargestporesizeUseIdealPackingTheorytominimizefluidloss未加重钻井液的颗粒粒度分布难以实现有效封堵在有大颗粒存在条件下，含重晶石的加重钻井液容易实现有效封堵通过计算优选的粒径分布用于封堵的CaCO3颗粒粒度分布对暂堵机理的研究钻井液中的暂堵剂应同时满足以下两条要求：（1）其颗粒必须足够大，使其不能侵入储层；（2）其颗粒又必须足够小，使形成的泥饼能有效地将滤液中的聚合物和钻屑滤除，以防止它们侵入储层。即暂堵剂颗粒尺寸必须在一个适合的范围。对暂堵机理的研究自1977年Abrams[3]提出了“三分之一”架桥规则之后，近年来Hands等人[4]又提出一种新的规则，即暂堵剂颗粒的d90（90%的颗粒均小于该尺寸）约等于储层最大孔径时，可获得较理想的暂堵效果。d90的值在测得的暂堵剂累积粒度分布曲线上即可读出。对于一般砂岩储层，其孔隙尺寸常在泥质范围内，即5～74mm。因此，暂堵剂的颗粒尺寸，也一般在此范围内选取。设计钻井液与完井液颗粒尺寸的策略（提出多组分滤失模型）•SPE68964StrategiesforSizingParticlesinDrillingandCompletionFluidsA.SuriandM.M.Sharma，UniversityofTexasatAustinThispaperwaspreparedforpresentationatthe2001SPEEuropeanFormationDamageConferenceheldinHague,Netherlands,21-22May2001.固相颗粒多组分滤失模型（ModelforMulti-ComponentFiltration）0iiiiuctccu式中，u—达西速率；ic—悬浮在钻井液中的某种颗粒的体积分数；—储层孔隙度；i—钻井液中某种颗粒的滤失相关系数。固相颗粒多组分滤失模型（ModelforMulti-ComponentFiltration）•该模型的计算过程可利用微机Excel软件实现。输入的主要参数有：（1）钻井液性能；（2）滤失性能；（3）储层特性；（4）流动的几何特征；（5）泥浆侵入时的流动条件；（6）反排液的性能；（7）反排时的流动条件；（8）渗滤时间。•输出结果包括：（1）滤液的侵入深度；（2）有效损害深度；（3）泥浆侵入后渗透率的损害比；（4）渗透率恢复值；（5）泥浆侵入后的表皮系数；（6）反排后的表皮系数。图3为考虑孔喉的径向尺寸时，对某一实例的模拟结果。从图中可以看出，暂堵剂颗粒直径（dp）过大或过小，均会导致较大的损害深度（h）和较小的渗透率恢复值（kd/ko）。只有选择一种合适的粒径（25mm），才能有效地保护储层。固相颗粒多组分滤失模型（ModelforMulti-ComponentFiltration）固相颗粒多组分滤失模型（ModelforMulti-ComponentFiltration）00.20.40.60.810306090120150180210离入口距离，mmKd/Ko实测模型预测固相颗粒多组分滤失模型（ModelforMulti-ComponentFiltration）•Suri和Sharma[2]还指出，为了保护储层，必须对钻井液和完井液体系的粒度分布进行准确的测定。由于体系中固相含量高，且颗粒尺寸大，因此不宜使用Coulter微粒粒度分析仪进行测定。目前有以下3种方法可用于测定钻井液、完井液体系的粒度分布：（1）静态光散射法；（2）动态光散射法；（3）声谱法。其中，动态光散射法只适用于测定粒径5mm以下颗粒的粒度分布，因此有较大的局限性。作者和主要的油公司都使用静态光散射法测定各种体系的固相颗粒粒度分布。声谱法是目前唯一的一种能在很高固相浓度（固相体积百分数可高达30%而不必稀释）条件下测定颗粒粒度分布的方法，但其测定结果与其它方法的测定结果吻合性较差。因此，作者推荐用静态光散射法测定钻井液和完井液体系的固相颗粒粒度分布。保护高渗砂岩储层的钻井液设计•SPE36430DrillingFluidDesigntoPreventFormationDamageinHighPermeabilityQuartzAreniteSandstonesP.S.Smith,etal.Thispaperwaspreparedforpresentationatthe1996SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibitionheldinDenver,Colorado,5-9October1996.高渗储层暂堵技术高渗储层孔隙尺寸分布与渗透率贡献值的关系1101001000110100100010000渗透率（×10-3mm2）孔隙尺寸，mmd50d95高渗储层暂堵技术储层的孔隙尺寸累计分布与渗透率累计分布曲线01020304050607080901000.010.11101001000孔隙尺寸，mm累计百分数，％孔隙尺寸分布渗透率分布高渗储层暂堵技术00.20.40.60.81110100100010000渗透率（×10-3mm2）kd/ko细目盐粒泥浆细目CaCO3泥浆渗透压＝0.6895MPa温度＝76.7℃返排流速＝5ml/min经钻井液污染后渗透率恢复值与初始渗透率的关系结论：•由于大孔隙对渗透率的贡献是主要的，本例中30%的大孔隙对渗透率的贡献大约为85%。因此，尤其应对大孔隙进行保护以尽可能减轻损害。•加入较大尺寸的架桥颗粒是对大孔隙进行保护的主要措施。高渗储层暂堵技术•所谓“d1/2关系”，是指一种理想的架桥粒子，其累积体积百分比应与粒径尺寸的平方根成正比。•作为高渗储层的暂堵剂，对CaCO3的要求是，维持较大的粒径、较大的粒度中值（d50）以及较窄的颗粒尺寸分布。实验表明，如果增大钻井液中固相的平均粒径，可以减少通过砂滤面的固相的量，但过高的滤失量是不能接受的。相反，当颗粒平均粒径降低后，滤失量减少了，但在滤液中的固相含量却有所增加。最理想的结果是微粒的粒度分布应接近“d1/2关系”，并且大颗粒的量应足够大。实验中还发现，大颗粒应至少维持在200mm左右，才能确保d90的值足够大，从而能有效地起到架桥的作用。高渗储层暂堵技术