一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种油田钻井方法，特别涉及一种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法 及实验装置。
【背景技术】
[0002] 欠平衡钻井是指钻井过程中钻井液的循环压力（包括液柱压力和循环回压)，低于 地层的孔隙压力，使地层的流体有控制的进入井筒并将其循环到地面的钻井技术。采用欠 平衡钻井技术即可W提高机械钻速，延长钻头寿命，减少或消除漏失及压差卡钻，提高钻井 效率、降低钻井直接成本；也可W发现新产层，减少油气层浸泡时间，减轻或消除钻井液对 地层的侵入伤害，从而有效保护油气层，提高储层的累计产量。
[0003] 因此，欠平衡钻井技术在国内外得到了广泛的应用。从2007年开始，美国每年完 成欠平衡钻井数都在12000 口 W上，约占每年钻井总数的26%，已成为打开储层的首选技 术；国内近年来大力推广欠平衡钻井技术，截至到2012年，中国已完成欠平衡井1017 口，应 用效果显著；但欠平衡钻井的井壁稳定性问题一直没有得到有效的解决，已经成为制约欠 平衡钻井技术发展的主要障碍。
[0004] 欠平衡钻井的井壁失稳多发生在泥页岩层段。泥页岩地层打开后，钻井液同地层 接触后会发生压力传递和物质交换，造成地层压力变化和岩石强度降低，导致井壁失稳。地 层压力传递和物质交换主要受两种因素控制；（1)钻井液液柱压力和地层孔隙压力之间的 水力势差；（2)钻井液滤液同地层流体之间的化学势差。目前，欠平衡钻井的钻井液密度是 根据地层巧塌压力、地层孔隙压力和设备的承压能力来设计的，只考虑了水力势差对地层 压力传递和物质交换的影响，即保持液柱压力小于地层孔隙压力，而未考虑化学势对地层 压力传递和物质交换的影响，从而导致在化学势的作用下钻井滤液侵入地层，造成井壁巧 塌，卡钻等井下复杂情况。因此，只有保持钻井液和地层流体之间的水力势差和化学势差同 时平衡，即总势能平衡，才能防止钻井液滤液侵入地层，降低地层强度，造成复杂事故和污 染地层。
[0005] 综上所述，传统的欠平衡钻井液密度设计方法无法适用，W总势能平衡理论为基 础发明一种简单、实用的欠平衡钻井井壁稳定设计方法对欠平衡钻井井壁稳定至关重要。
[0006] 中国专利申请号为200720187488. 9的实用新型专利公布的半透膜膜效率测试仪 及200420089356. 9的实用新型专利公布的页岩膜效率测定仪均采用了将平衡状态的半透 膜液的电导率同已知电导率比较，换算成半透膜膜效率的间接测量方法，只考虑了平衡状 态下半透膜液性质的变化，忽略了泥页岩性质和孔隙结构对渗透压和膜效率的影响；中国 专利申请号为200620034702. 2的实用新型专利公布的钻井液半透膜测定装置只能进行常 温条件下测试，无法测量实际地层温度下膜效率，同时只考虑了钻井过程中钻井液对岩也 的浸泡，忽略了钻井液在井筒中的流动；泥页岩膜效率测定仪的研制，石油钻采工艺，2010 年11期，作者，张岩，向兴金，鄙捷年，吴彬，赵磊；通过测量岩也两端溶液电阻率的变化，对 比评价了不同钻井液体系的成膜效率，只能定性的分析，无法定量的给出泥页岩膜效率测 量结果。泥页岩水化-力学禪合模拟实验装置与压力传递实验新技术W及石油学报2005 年11月第26卷第6期徐加放，邱正松，吕开河泥页岩膜效率测试装置及测试技术研究石 油机械2006年第34卷第8期吕开河，邱正松，徐加放虽然直接测量了渗透压和膜效率， 但是只能利用规则的标准岩也开展实验，无法利用不规则的岩也和掉块开展实验，且实验 装置复杂，不便现场操作使用。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种适用于欠平衡钻井的 井壁稳定方法及实验装置，该方法能够W简单的设备和操作程序保持井壁稳定，提高欠平 衡技术的应用推广。
[0008] -种适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法，包括W下步骤： (一） 利用等温吸附试验采集确定泥页岩的地层水活度； (二） 根据邻井测井数据和地层压力测试数据确定待钻地层孔隙压力； (H)根据随钻测井的地层温度数据确定地层温度，或者根据地区的地温梯度计算地层 温度； (四） 利用膜效率测试实验装置测量地层膜效率；所述的膜效率测试实验装置包括伺服 控制注入粟（1)、恒温箱（7)、岩也夹持器（8)、计算机数据采集系统（19)、背压调节器（21)、 储液箱（28)，岩也夹持器（8)置于恒温箱（7)内，伺服控制注入粟（1)用于实现给岩也的下 端钻井液提供压力和给岩也的上端钻井液提供循环压力，背压调节器（21)用于保持岩也加 持器（8)上端钻井液的流动压力恒定；计算机数据采集系统（19)用于实时采集和记录压力 和恒温箱（7)中的温度；所述岩也夹持器（8)包括岩也夹持器上端盖（29)、岩也夹持器下端 盖（30)、环氧树脂（9)和密封圈（31 )，岩也（10)夹在岩也夹持器上端盖（29)和岩也夹持器 下端盖（30)之间，环氧树脂（9)将岩也的四周包裹形成规则的试样； (五） 如果确定使用某种钻井液时，则利用湿度计测量待用钻井液活度，确定钻井液与 地层流体之间的化学势差，再根据总势能平衡原理，利用化学势差和地层孔隙压力确定钻 井液液柱压力，根据钻井液液柱压力和井深确定钻井液密度； (六） 如果确定钻井液密度，则确定钻井液液柱压力同地层压力之间的差值为欠压值， 根据总势能平衡原理，利用欠压值获得化学势差，再根据化学势差和地层水活度确定钻井 液活度； (走）根据确定结果调整钻井液密度或活度来保持井壁稳定。
[0009] 上述的步骤(一）中的具体方法是： (a) 称量若干个重量为（Wi)的页岩样品； (b) 将页岩样品放置在200° F的烘箱中24小时，然后测量每个干页岩样品重量(Wd); (C)则每个页岩样品的原始含水量为： 天然含水量=[/町d]本100% (1) (d) 将烘干的页岩试样放置在不同活度的干燥器中； (e) 每天测量每个试样重量，直到重量不在增加，记录重量Wf ; (f) 根据页岩的吸附量和放置页岩的干燥器湿度绘制等温吸附曲线； (g)利用原始地层含水量确定原始地层水活度ashd(；。
[0010] 上述的步骤（四）中的膜效率测试实验装置中的伺服控制注入粟（1)通过第一高压 管线（2)穿过恒温箱（7)的下端与岩也夹持器（8)的下端相连，第一高压管线（2)上设置第 一阀口（3)、第一压力传感器（5);伺服控制注入粟（1)用于实现给岩也的下端钻井液提供 压力和给岩也的上端钻井液提供循环压力；第一阀口（3)用于控制岩也加持器（8)下端钻 井液的进出；第一压力传感器（5)用于指示和记录岩也加持器（8)下端的钻井液压力；在第 一阀口（3)和第一压力传感器（5)之间外接第二阀口（4)，第二阀口（4)用于放空或调节岩 也加持器（8)下端面的钻井液压力；恒温箱（7)用于提供和保持膜效率测试时岩也加持器 (8)所需要的温度。
[0011] 本发明提到的适用于欠平衡钻井的井壁稳定方法中的实验装置，包括伺服控制注 入粟（1)、恒温箱（7)、岩也夹持器（8)、计算机数据采集系统（19)、背压调节器（21)、储液箱 (28)，岩也夹持器（8)置于恒温箱（7)内，伺服控制注入粟（1)用于实现给岩也的下端钻井 液提供压力和给岩也的上端钻井液提供循环压力，背压调节器（21)用于保持岩也加持器 (8)上端钻井液的流动压力恒定；计算机数据采集系统