如何测试流体和页岩之间的相容性

评估流体与页岩的兼容性在钻井作业中至关重要，旨在预防井筒失稳以及其他操作问题，例如岩屑分散、卡钻和钻头泥包，这些问题通常由钻井液与富含粘土的页岩地层相互作用引起 。不兼容性可能导致石油 行业巨大的经济损失。从历史上看，流体-页岩兼容性测试一直是钻井液行业的一个基本方面，并且随着钻井延伸到更复杂的地质构造，其相关性持续增长。

评估流体-页岩兼容性的综合方法涉及多种实验室测试，这些测试旨在评估流体与页岩之间的物理、化学和机械相互作用 2。这些测试旨在模拟井下条件，并量化钻井液对页岩性质的影响。

关键测试方法及其机理

1. 抑制膨胀测试

页岩地层，特别是富含粘土矿物的地层，在接触水基钻井液时往往会吸水膨胀。这种膨胀可能导致井筒失稳。因此，评估流体抑制页岩膨胀的能力是兼容性评估的首要关注点。

• 线性膨胀仪测试

• ：这些测试被广泛用于研究页岩-流体兼容性以及筛选新的钻井液配方 。它们测量页岩样品浸入流体后的线性膨胀。然而，大气线性膨胀仪测试由于测试误差有时会产生错误结果。

• 围压膨胀测试

• ：为了克服大气测试的局限性，开发了新的围压膨胀测试。这些测试使用保存完好、未改变的页岩样品，并在三轴岩石力学测试设备中进行，从而在模拟井下应力条件下进行更真实的评估 。

• 动态线性膨胀测试

• ：这种方法在动态条件下检查页岩或膨润土的膨胀行为，通过模拟真实世界中流体流动和机械应力，提供比静态测试更真实的数据 。

• 膨润土膨胀抑制测试

• ：膨润土是页岩中常见的粘土矿物 。该测试专门评估页岩抑制剂防止膨润土膨胀的能力，从而有助于维持井筒稳定性 。

• 等温吸水测试

1. 机械强度和稳定性测试

钻井液与页岩之间的相互作用会显著改变岩石的机械性质，影响井筒稳定性。

• 直接强度测量

• ：虽然监测膨胀等间接方法很常见，但流体暴露后页岩强度变化的直接测量提供了更明确的数据。页岩的机械强度、弹性模量和其他性质对孔隙流体含量和化学成分的变化高度敏感。

• 流变学方法

• ：已经开发了一种用于聚合物介质中页岩稳定性的定量评估技术，即流变学方法。浸泡在钻井液中的页岩颗粒的储能模量可以预测流体的页岩抑制性能。聚合物浓度、分子量、羧基取代度和氯化钾（KCl）浓度等参数对页岩稳定性至关重要。

• 页岩岩屑回收测试

• ：该测试测量钻井液保持页岩岩屑完整性的有效性，这表明流体防止地层分散和崩解的能力。页岩样品回收率越高，表明钻井液的兼容性越好。例如，在一项研究中，含有2 wt%十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）的完整钻井液显示，2毫米颗粒的回收率为89.5%，0.5毫米颗粒的回收率为10.5%，证明了其有效性。

• 倾斜直剪试验装置

• ：该装置可用于机械表征经流体暴露的小页岩样品。即使页岩具有固有的低渗透性，它也允许定量评估流体-岩石相互作用引起的机械性质变化。

1. 化学相互作用和传输测试

页岩-流体相互作用涉及复杂的化学和电化学过程，包括离子/水传输、渗透效应和化学势差。

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• 压力传输测试

• ：该技术用于测量页岩膜效率，其描述了页岩作为半透膜的能力，控制钻井液与页岩地层之间的离子和水传输 6。已推导出瞬态压力传输测试的解析解，这些解析解考虑了化学离子流效应，为化学诱导的孔隙压力变化提供了见解。

• 润湿性测试

• ：该测试确定页岩稳定剂如何影响页岩表面的润湿性。润湿性的变化会显著影响流体-固体相互作用，例如流体流动和吸附行为，这对于理解储层性能和防止地层损害至关重要。可以通过监测流体-页岩接触角的变化来评估钻井液活性对表面润湿性的影响。

• Zeta电位测试

• ：Zeta电位测量胶体颗粒滑动平面处的电位差。在页岩稳定剂的背景下，它有助于理解稳定剂分子与页岩颗粒之间的静电相互作用，这是页岩-稳定剂系统稳定性的关键。

• 毛细管吸水时间（CST）

• ：该测试测量流体从页岩-流体混合物中被过滤介质吸收的速率，提供流体损失以及与页岩相互作用的指示。

• 分子建模技术

• ：这些技术在分子层面提供了对页岩-流体相互作用的深入了解，有助于理解水基钻井液与粘土矿物反应引起的页岩崩解、膨胀和垮塌等机理。

1. 渗透率和孔隙度测量

   渗透率和孔隙度是评估页岩储层性能的关键参数。

• 稳态法和脉冲衰减法

• ：这是测量页岩渗透率的两种常用技术。虽然稳态法耗时，但脉冲衰减法可能高估渗透率。流体-岩石相互作用会显著影响页岩渗透率。

• 核磁共振（NMR）方法

• ：核磁共振方法可用于表征页岩孔隙度，特别是基于T1-T2测量的初级孔隙度测量法。该方法可以表征密封页岩样品中的孔隙度，考虑到其他方法中常见的清洗过程中对孔隙结构造成的潜在损害。

• 气体孔隙度测定法和饱和流体孔隙度测定法

• ：这些技术用于测量页岩样品的孔隙度，提供孔径分布和流体储存能力的见解。

1. 材料表征技术

   了解页岩的矿物组成和微观结构是预测其与流体相互作用的基础。

• X射线衍射（XRD）

• ：XRD用于确定页岩的矿物组成，特别是粘土矿物的类型和含量，这些矿物与钻井液具有高度反应性。

• 扫描电子显微镜（SEM）

• ：SEM提供页岩微观结构的详细图像，可以观察孔隙、裂缝以及矿物的分布，这些都可能在流体暴露后发生变化。

• 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

• ：FTIR用于表征页岩和钻井液添加剂中的化学官能团，有助于理解化学相互作用以及页岩抑制剂的作用机理。

• 热重分析（TGA）

• ：TGA测量样品随温度变化的重量变化，可用于分析页岩稳定剂系统的热行为、识别分解温度和量化水等挥发性组分。

• 膨润土沉降测试

• ：该测试通过观察稳定剂是否阻止膨润土颗粒快速沉降或分散，评估页岩稳定剂对膨润土（页岩中常见的粘土矿物）沉降行为的影响。

综合研究方法

通常采用综合方法，结合各种测试，以全面了解页岩-流体相互作用。例如，研究新型页岩稳定剂的方法可能涉及性能评估实验（如膨润土沉降、膨胀抑制、兼容性、页岩样品回收、动态线性膨胀测试）和机理确定实验（如润湿性、Zeta电位、等温吸水、热重分析）。

Flowchart detailing the invest

挑战与未来方向

尽管取得了进展，但在准确预测和缓解页岩-流体不兼容性方面仍存在挑战。井筒失稳，主要由页岩地层引起，仍然是石油 行业的一个常见问题。深层页岩地层的高压和复杂地质特征，特别是在水平钻井过程中，加剧了这些问题。纳米二氧化硅接枝超支化聚乙烯亚胺等新材料以及其他纳米颗粒正在被探索，以改善水基钻井液中的页岩稳定性。此外，机器学习技术也被用来评估水基钻井液防止膨胀的能力，从而减少对昂贵且耗时的实验室实验的依赖 1。这些综合方法，结合测试方法和流体配方的不断进步，对于提高井筒稳定性以及优化页岩地层钻井作业至关重要。