段云星， 楊 浩

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

鉆井工程中，為防止地層流體侵入井筒、穩(wěn)定井壁，需要調(diào)節(jié)鉆井液性質(zhì)和工作方式，以使井筒壓力維持在地層坍塌壓力和破裂壓力之間。這樣的壓差導(dǎo)致鉆井液濾液和固相顆粒侵入地層，同時(shí)在井壁堆積形成泥餅。泥餅形成后可以有效減少鉆井液與地層流體的相互侵?jǐn)_，保證鉆進(jìn)的順利進(jìn)行；但也會(huì)改變近井地帶的地層性質(zhì)，影響后期的固井與生產(chǎn)。系統(tǒng)總結(jié)目前泥餅形成和評(píng)價(jià)的研究現(xiàn)狀，提出未來工作建議，對(duì)優(yōu)化鉆井液體系設(shè)計(jì)、保護(hù)儲(chǔ)層產(chǎn)能、提高固井質(zhì)量等工作有重要的意義。

1 泥餅形成過程

鉆井過程中形成低滲透性泥餅，是隨時(shí)間變化的過程[1-2]，如圖1所示[3]。

圖1 鉆井液侵入和泥餅演化[3]Fig.1 Drilling fluid invasion and mud cake evolution[3]

鉆井液侵入地層、過濾和泥餅演化如下。

(1)瞬間濾失：鉆井過程中，當(dāng)鉆井液接觸新暴露井壁時(shí)，會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生瞬間濾失，這是過濾的第一階段[4]。

(2)形成內(nèi)泥餅：瞬間侵入后，井筒過壓使鉆井液中固體顆粒以高濃度沉積在近井地帶孔隙內(nèi)，形成內(nèi)泥餅[5]。該區(qū)域形成的低滲透率內(nèi)泥餅有助于降低近地層滲透率和隨后的濾液侵入，減少泥餅后面的孔隙壓力，并隔離儲(chǔ)層或非儲(chǔ)層井段的地層流體。此外，低滲透內(nèi)泥餅將改變井壁有效應(yīng)力，使井壁得到加固[6]。

(3)形成外泥餅：穩(wěn)定的內(nèi)泥餅形成后，只允許鉆井液濾液侵入地層，為井壁上外泥餅的進(jìn)一步演化奠定基礎(chǔ)。流體曳力效應(yīng)使較大尺寸的顆粒形成外泥餅的底部，而使較小的顆粒更深地穿過外泥餅進(jìn)入內(nèi)泥餅[7-8]。

(4)達(dá)到過濾平衡：顆粒不斷堆積形成的外泥餅，滲透率逐漸降低并且被壓實(shí)。當(dāng)過濾速率與地層壓力平衡時(shí)，泥餅停止生長(zhǎng)，僅允許小顆粒進(jìn)入地層。各種尺寸的顆粒組成不均勻的泥餅。

鉆井液過濾可在兩種條件下發(fā)生，濾失狀態(tài)有較大的差異。

(1)靜態(tài)過濾，發(fā)生在鉆柱出井時(shí)。井內(nèi)沒有鉆井液循環(huán)，鉆井液顆粒向外泥餅的輸送沒有中斷。外泥餅的壓實(shí)程度和厚度逐漸增加，濾液侵入率逐漸降低、侵入半徑逐漸穩(wěn)定，這防止了地層的進(jìn)一步損害。

(2)動(dòng)態(tài)過濾，發(fā)生在鉆井液循環(huán)過程中。這種條件下，靜態(tài)過濾中鉆井液顆粒的流體動(dòng)力條件被井壁處的鉆井液剪切作用所取代。較大尺寸顆粒在外泥餅表面的積聚受到阻礙，使外泥餅的厚度小于靜態(tài)條件。最終，顆粒沉積速率和顆粒侵蝕速率達(dá)到平衡，外泥餅厚度不再變化[9]。

2 泥餅結(jié)構(gòu)特征

鉆井液泥餅結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為外泥餅和內(nèi)泥餅。外泥餅根據(jù)密實(shí)程度不同，自鉆井液接觸面到井壁巖石表面分為虛浮層、可壓縮層、密實(shí)層、致密層[10-12]。

圖2 泥餅結(jié)構(gòu)物理模型Fig.2 Physical model of mud cake structure

(1)虛浮泥餅層。剛剛制備的新鮮泥餅，表面上一般附著一層疏松的呈膠凝狀態(tài)的鉆井液，其強(qiáng)度接近于0。在井下該表層被流動(dòng)的鉆井液沖蝕，當(dāng)鉆井液靜止時(shí)才能在井壁上形成，通常稱為浮泥餅。浮泥餅在很短的時(shí)間內(nèi)形成[13]。

(2)可壓縮泥餅層。在浮泥餅的下部開始接觸真正的實(shí)泥餅，此部分實(shí)泥餅雖已具有一定的強(qiáng)度，但強(qiáng)度增加很緩慢且強(qiáng)度值不大，其致密程度也開始增加；而且外力越大，其厚度越小，表現(xiàn)出一定的可壓縮性，因此這一層稱為欠壓實(shí)層。

(3)密實(shí)泥餅層。在壓力作用下，泥餅被壓縮至一定程度后強(qiáng)度逐漸增大，而增大速度也快速增加，泥餅表現(xiàn)為彈性與強(qiáng)度均佳的綜合體。隨壓力的增加，泥餅本身產(chǎn)生強(qiáng)的抵抗外力的能力，表現(xiàn)出很高的致密程度，因此稱這一層泥餅為密實(shí)泥餅層。

(4)致密泥餅層。密實(shí)泥餅層以下是泥餅強(qiáng)度最高的部位，是在鉆井液動(dòng)態(tài)濾失時(shí)最先形成的一層泥餅，經(jīng)歷了沖刷和壓力的連續(xù)作用，密實(shí)程度異常高，強(qiáng)度增加極快，類似于“固體層”，且厚度非常小，是構(gòu)成泥餅強(qiáng)度的主要因素，稱為致密泥餅層。

(5)內(nèi)泥餅。鉆井液接觸新暴露地層瞬間，固體顆粒隨濾液進(jìn)入地層孔隙，逐漸堆積架橋，形成內(nèi)泥餅。內(nèi)泥餅有效減少鉆井液侵入地層，也阻止地層流體侵入井筒。內(nèi)泥餅和滲入的濾液對(duì)近井帶滲透性造成影響，進(jìn)而影響后續(xù)完井、測(cè)井等工作。

泥餅的結(jié)構(gòu)受多種因素影響，這些因素分為不可控因素和可控因素。不可控因素主要是地層屬性，包括巖石類型、滲透率、孔隙度等?？煽匾蛩刂饕倾@井液屬性，包括鉆井液類型、固相顆粒類型和濃度等。這些因素單一作用或相互耦合作用，塑造了泥餅的不同結(jié)構(gòu)特征，如表1所示。

表1 泥餅形成影響因素及泥餅參數(shù)

3 泥餅形成研究

3.1 數(shù)值研究

在鉆井作業(yè)過程中，估計(jì)鉆井液濾液侵入的程度和在近井地層中的分布對(duì)于準(zhǔn)確的測(cè)井解釋至關(guān)重要。鉆井液泥餅的形成及其通過減少濾液體積和細(xì)顆粒向多孔地層的遷移對(duì)侵入的影響使該過程變得復(fù)雜。同時(shí)，由于儲(chǔ)層流體與鉆井液濾液和細(xì)顆粒的混合和相互作用，多孔介質(zhì)中流體相的性質(zhì)(如密度和黏度)會(huì)發(fā)生變化。調(diào)研的鉆井液侵入和泥餅形成的模型如表2所示。

表2 泥餅形成模型Table 2 Mud cake formation model

Civan[14-15]提出了多相鉆井液侵入井筒儲(chǔ)層的數(shù)學(xué)模型，研究了鉆井液濾液侵入儲(chǔ)層的分布情況、泥餅的形成及其對(duì)濾液侵入地層的影響，并且研究了由此產(chǎn)生的地層損害效應(yīng)。該模型可以模擬水基或油基鉆井液情況下地層中的單相和兩相流動(dòng)情況；考慮了泥餅啟動(dòng)早期的外部顆粒侵入及其通過顆粒遷移和滯留對(duì)地層損害的影響；推導(dǎo)了有和沒有顆粒侵入的可壓縮和不可壓縮泥餅?zāi)Ｐ?。該模型研究了靜態(tài)鉆井液過濾的泥餅形成，沒有考慮動(dòng)態(tài)情況。

Windarto等[16]建立了井筒線性單相鉆井液侵入模型，用來刻畫井壁泥餅厚度和地層侵入帶鉆井液濾液濃度，示意圖如圖3所示。模型由泥餅形成模型(一階微分方程的柯西問題)和鉆井液濾液侵入多孔介質(zhì)模型(對(duì)流擴(kuò)散方程的混合問題)組成。該模型考慮鉆井液的動(dòng)態(tài)侵入，但是忽略了泥餅密度、孔隙度和滲透率的變化；假設(shè)地層侵入帶的滲透率恒定，忽略內(nèi)泥餅和濾液對(duì)地層的損害。Tudor等[17]改進(jìn)了該模型，考慮地層侵入帶泥餅影響導(dǎo)致的滲透率變化，提出“破壞滲透率”，但該模型沒有考慮濾液侵入的影響。

圖3 井筒鉆井液過濾模型[17]Fig.3 Drilling fluid filtration model of wellbore[17]

Ezeakacha等[18]基于均質(zhì)砂巖的鉆井液動(dòng)態(tài)侵入實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了泥餅表面的鉆井液剪切力，提出了考慮內(nèi)泥餅的鉆井液動(dòng)態(tài)侵入模型，如圖4所示。該模型假設(shè)動(dòng)態(tài)條件僅由鉆桿/軸旋轉(zhuǎn)(一維徑向流動(dòng))產(chǎn)生；流體、顆粒、泥餅不可壓縮；只有超細(xì)顆粒(遠(yuǎn)小于平均孔喉直徑)和濾液侵入多孔介質(zhì)；忽略巖石非均質(zhì)性和礦物學(xué)效應(yīng)。

圖4 砂巖中泥餅演化前后動(dòng)態(tài)徑向鉆井液過濾[18]Fig.4 Dynamic radial filtration of drilling fluid before and after mud cake evolution in sandstone[18]

Jaffal等[19]開發(fā)了考慮外泥餅壓縮特性和非均勻性的鉆井液過濾模型，稱為“wider windows filtration model(WWFM)”。該模型將泥餅分為多層，考慮每層壓降、孔隙度、滲透率、固體體積、厚度等參數(shù)的不同，如圖5所示。該模型編制為操作軟件，輸入由單一標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)確定的地層參數(shù)和鉆井液參數(shù)，可預(yù)測(cè)不同壓差、過濾介質(zhì)滲透率、鉆井液的過濾特征和泥餅性質(zhì)(厚度、孔隙度和滲透率剖面)。該模型將過濾介質(zhì)描述為均質(zhì)線性過濾材料，忽略了內(nèi)泥餅的堆積；假設(shè)鉆井液濾液為清水。

圖5 泥餅壓縮性和非均質(zhì)性模型[19]Fig.5 Compressibility and heterogeneity model of mud cake[19]

郭東亞[20]應(yīng)用多孔介質(zhì)兩相滲流理論建立了鉆井液濾液侵入砂巖儲(chǔ)層的數(shù)學(xué)模型，對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)網(wǎng)格劃分和半隱式差分計(jì)算，并用阿爾奇公式轉(zhuǎn)換得到不同時(shí)刻不同侵入半徑的電阻率。通過電阻率的變化值間接表示鉆井液濾液侵入深度。該模型主要考慮了濾液侵入對(duì)儲(chǔ)層的影響，外泥餅滲透率使用范翔宇[21]的經(jīng)驗(yàn)公式，沒有考慮外泥餅。

孫玉學(xué)等[22]利用數(shù)值軟件，模擬了鉆井過程中濾失時(shí)間、濾液黏度、壓差、內(nèi)泥餅滲透率、外泥餅滲透率等參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)濾失的影響。該模型建立了均質(zhì)的地層過濾模型和泥餅?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了規(guī)律性的定性分析。

目前，研究建立的泥餅形成模型，為了簡(jiǎn)化過濾過程，通常假設(shè)地層侵入帶性質(zhì)恒定，忽略濾液侵入和內(nèi)泥餅堆積；或者假設(shè)外泥餅性質(zhì)恒定，忽略滲透率和孔隙隨堆積的不斷變化過程[23]；或者在給定壓力下假設(shè)每個(gè)性質(zhì)具有單一值的均勻泥餅[24]。然而，這些假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致模型沒有捕捉實(shí)際的泥餅性質(zhì)，并產(chǎn)生顯著的誤差。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

目前針對(duì)鉆井液侵入和泥餅形成的實(shí)驗(yàn)如表3所示。

表3 泥餅形成實(shí)驗(yàn)研究Table 3 Experimental study on mud cake formation

范宜仁等[25]、吳飛[26]設(shè)計(jì)制造了地層模塊尺度下的鉆井液侵入多功能物理模擬系統(tǒng)。該裝置可以實(shí)現(xiàn)大尺寸樣品模塊飽和加壓、鉆井液侵入裝置密封保壓、鉆井液侵入全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，得到鉆井液侵入過程中砂巖模塊的電阻率、壓力和泥餅參數(shù)的變化規(guī)律。該模型使用大尺度巖心得到定性規(guī)律，沒有分析巖心內(nèi)部的顆粒堆積情況。

Ezeakacha等[18,27-30]在實(shí)驗(yàn)室裝置中模擬了真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件的動(dòng)態(tài)井筒條件，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6所示。使用方差分析研究了水基鉆井液轉(zhuǎn)速、溫度、固體顆粒類型和濃度、壓差；環(huán)空偏心率；地層滲透性和裂縫寬度等因素對(duì)鉆井液濾失和泥餅形成的影響。結(jié)果表明，溫度、巖石滲透率、裂縫寬度、固體顆粒類型和濃度是控制動(dòng)態(tài)流體侵入剖面的最重要因素。該模型使用均質(zhì)砂巖作為地層模型，沒有研究?jī)?nèi)泥餅的堆積過程。

圖6 鉆井液動(dòng)態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚28]Fig.6 Experimental model of dynamic filtration of drilling fluid[28]

Schroeder等[31]使用CT(computed tomography)掃描技術(shù)研究了水基鉆井液侵入均質(zhì)砂巖過程中，濾液空間分布、泥餅形成與巖石非均質(zhì)性的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹行你@孔的圓柱形巖心柱，加壓鉆井液通過中心孔徑向侵入砂巖，如圖7(a)所示。在實(shí)驗(yàn)

過程中，使用高分辨CT儀對(duì)巖心樣品進(jìn)行快速重復(fù)掃描，從而實(shí)現(xiàn)鉆井液濾液和泥餅厚度時(shí)空分布的可視化和量化，CT掃描成果如圖7(b)。該實(shí)驗(yàn)為及時(shí)捕捉濾失進(jìn)程，5 min掃描一次，因而分辨率不高，只顯示出濾液在和外泥餅在巖心的擴(kuò)展，無法展現(xiàn)泥餅顆粒的堆積情況。

圖7 砂巖巖心幾何形狀與CT掃描圖像[31]Fig.7 Sandstone core geometry and CT scan image[31]

4 泥餅評(píng)價(jià)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)研究

調(diào)研的泥餅評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)如表4所示。

表4 泥餅評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)Table 4 Mud cake evaluation experiment

4.1.1 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業(yè)·鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第1部分：水基鉆井液》[32]、GB/T 29170—2012《石油天然氣工業(yè) 鉆井液實(shí)驗(yàn)室測(cè)試》[33]對(duì)泥餅的評(píng)價(jià)方法為：測(cè)量和記錄泥餅的厚度，精確至1.0 mm(l/32 in,1 in=254 mm)。盡管對(duì)泥餅的描述帶有主觀性，但諸如硬、軟、堅(jiān)韌、柔韌、彈性、堅(jiān)硬等描述，對(duì)于了解泥餅質(zhì)量仍是十分重要的信息。

GB/T 16783.2—2012《石油天然氣工業(yè)·鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第2部分：油基鉆井液》[34]評(píng)價(jià)泥餅方法為：“在泥餅中心處測(cè)量其厚度，并記錄，精確至0.5 mm”“在試驗(yàn)過程中可能會(huì)發(fā)生固相沉降。觀察是否有這種跡象，如泥餅異常厚或質(zhì)地疏松。記錄泥餅的這些特性。為減少沉降，試驗(yàn)中加熱和冷卻的時(shí)間應(yīng)盡可能短，且應(yīng)及時(shí)取下泥餅進(jìn)行檢測(cè)”。

實(shí)驗(yàn)室常用鉆井液過濾裝置如圖8所示。使用壓靜態(tài)濾失儀、高溫高壓靜態(tài)濾失儀，使用濾紙和金屬濾網(wǎng)作為過濾介質(zhì)，可以獲得鉆井液靜態(tài)濾失后的外泥餅；使用砂床為過濾介質(zhì)，得到鉆井液靜態(tài)過濾后的外泥餅和內(nèi)泥餅；高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失儀使用地層巖心為過濾介質(zhì)，得到鉆井液動(dòng)態(tài)濾失后的外泥餅和內(nèi)泥餅。

圖8 常用鉆井液濾失裝置Fig.8 Common drilling fluid filtration devices

4.1.2 特制儀器

Amanullah[35]開發(fā)了測(cè)試泥餅抗侵蝕性的裝置，如圖9所示。該裝置由透明塑料材料組成，可以模擬常溫常壓條件下井眼環(huán)空水動(dòng)力條件對(duì)泥餅侵蝕性。結(jié)果表明，泥餅侵蝕的早期階段受軟凝膠狀頂層的影響，最后階段受泥餅和濾紙之間黏合力的影響；中間泥餅層的侵蝕取決于顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度；鹽的存在使改變了泥餅顆粒結(jié)構(gòu)從分散型變?yōu)榉涓C狀，孔隙特性發(fā)生變化；泥餅的抗侵蝕性取決于形成泥餅的鉆井液添加劑的物理、化學(xué)和電性能；泥餅中惰性重晶石削弱了顆粒間黏結(jié)強(qiáng)度，使泥餅抗侵蝕性降低。該實(shí)驗(yàn)沒有研究?jī)?nèi)泥餅的性能。

圖9 泥餅侵蝕裝置示意圖[35]Fig.9 Schematic diagram of mud cake erosion device[35]

Elkatatny[9]使用CT掃描技術(shù)測(cè)量了水基鉆井液的泥餅厚度和滲透率，如圖10所示。高溫高壓裝置在225 ℉、300 psi(1 psi=0.006 896 MPa)完成鉆井液過濾，使用CT掃描泥餅的厚度和孔隙度，并用掃描電子顯微鏡觀察濾泥餅微觀形態(tài)。結(jié)果表明，泥餅是不均勻的，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下形成的泥餅可以明顯地分為兩層；與靜態(tài)條件相比，動(dòng)態(tài)條件下的泥餅更薄且具有更低的滲透性；泥餅靠近鉆井液的層比靠近過濾介質(zhì)的層厚；靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，靠近鉆井液的層孔隙度為零，而靠近過濾介質(zhì)的層為10%～20%；兩層均含有大小顆粒，但層內(nèi)分選極差。

圖10 CT和SEM掃描泥餅形態(tài)[9]Fig.10 Morphology of mud cake scanned by CT and SEM[9]

王松等[37]、張建偉[38]利用泥餅強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定了單位厚度泥餅被水流沖破的時(shí)間來評(píng)價(jià)泥餅強(qiáng)度，如圖11所示。水流以恒定速度沖擊泥餅，泥餅所需沖破時(shí)間越長(zhǎng)，則強(qiáng)度越高。實(shí)驗(yàn)所用泥餅為鉆井液在美國石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute，API)標(biāo)準(zhǔn)濾失儀中(常溫、0.7 MPa、30 min)過濾得到。該儀器操作簡(jiǎn)單，能定量評(píng)價(jià)泥餅強(qiáng)度；聚合物鉆井液的泥餅強(qiáng)度高于細(xì)分散鉆井液；泥餅的滲透率越大，泥餅強(qiáng)度越低。

圖11 泥餅強(qiáng)度測(cè)試儀示意圖[38]Fig.11 Schematic diagram of mud cake strength tester[38]

Calcada等[39]設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了鉆井液成分對(duì)外泥餅參數(shù)的影響，如壓縮性、滲透率、孔隙度、厚度等。使用水基鉆井液在高溫高壓過濾裝置中進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，過濾介質(zhì)為濾紙和濾網(wǎng)。該研究使用濾紙和金屬濾網(wǎng)作為過濾介質(zhì)，沒有考慮巖石-流體相互作用和內(nèi)泥餅的參數(shù)。高溫高壓動(dòng)態(tài)過濾儀如圖12所示。

圖12 動(dòng)態(tài)過濾裝置示意圖[39]Fig.12 Schematic diagram of dynamic filtration device[39]

測(cè)量泥餅厚度最常用的方法是使用直尺或游標(biāo)卡尺的直接測(cè)量法，張建偉[38]改裝了瀝青針入度儀，測(cè)量了泥餅厚度，如圖13所示。這些這種方法需要與泥餅直接接觸，精度為0.1 mm。Amanullah等[40]提出了激光法測(cè)試泥餅厚度的非接觸方法，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.025 mm。千分表法是一種電子測(cè)量裝置，具有柔軟的觸感，可防止明顯的泥餅損壞，測(cè)量范圍為10 mm，分辨率為0.001 mm。但是千分表測(cè)得的泥餅厚度值在很大程度上受到技術(shù)人員在正確時(shí)間讀取讀數(shù)技能的影響。Elkatatny等[8]、Calcada等[39]，使用CT掃描技術(shù)研究了泥餅厚度。以他們的掃描分辨率，發(fā)現(xiàn)泥餅顯示兩個(gè)層，每層都有各自的厚度和屬性。

圖13 泥餅厚度測(cè)量針入度儀[38]Fig.13 Penetration meter to measure mud cake thickness[38]

Jaffal等[41]設(shè)計(jì)了均質(zhì)砂盤靜態(tài)過濾實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了鉆井液固體含量和降濾失劑、過濾壓差等因素對(duì)泥餅性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)裝置如圖14所示。過濾砂盤由砂子和水泥混合后放在模具中壓制。砂盤可以帶著模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減少過濾時(shí)側(cè)壁的壓力泄漏。

圖14 靜態(tài)過濾裝置示意圖[41]Fig.14 Schematic diagram of static filtering device[41]

Bageri等[42]使用核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)方法來評(píng)價(jià)泥餅孔隙度和滲入巖心的固相量，并將結(jié)果與重量法、X-CT法得到的泥餅孔隙度進(jìn)行了比較，如表5所示。與其他兩種方法相比，NMR測(cè)得的孔隙度和滲入固體量顯示出與測(cè)量的泥餅厚度的良好相關(guān)性，而孔隙度測(cè)量值明顯較低。分析原因?yàn)橹亓糠ê蚗-CT法在測(cè)量過程中對(duì)樣品進(jìn)行了干燥和移動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量泥餅質(zhì)量時(shí)引入較大誤差；NMR方法的樣品處理和移動(dòng)很少，并且不需要干燥泥餅。另外，在一次NMR實(shí)驗(yàn)中，可以獲得泥餅體積和孔徑分布，以及侵入固體占據(jù)巖心的孔徑范圍。

表5 測(cè)試泥餅孔隙度的不同方法和階段[42]Table 5 Different measurement methods and stagesfor testing mud cake porosity[42]

4.1.3 評(píng)價(jià)方法總結(jié)

其他泥餅評(píng)價(jià)方法如表6所示。

表6 泥餅評(píng)價(jià)方法Table 6 Evaluation Method of Mud Cake

4.2 經(jīng)驗(yàn)公式

Dangou等[43]發(fā)現(xiàn)，剪切速率對(duì)泥餅粒度分布有影響，進(jìn)而顯著影響泥餅滲透率；在低剪切速率下形成泥餅的顆粒平均粒度大，導(dǎo)致較高的泥餅滲透性；在高剪切速率下形成泥餅的顆粒平均粒度小，導(dǎo)致較低的泥餅滲透性。針對(duì)泥餅孔隙度和滲透率提出了經(jīng)驗(yàn)公式，如表7所示。

表7 泥餅孔隙度與滲透率經(jīng)驗(yàn)公式Table 7 Empirical formula of mud cake porosity and permeability

5 數(shù)字泥餅研究

多孔介質(zhì)微觀分析的重要內(nèi)容是粒度分析和孔隙結(jié)構(gòu)特征分析，影響其宏觀的抗壓強(qiáng)度、滲流等特征[51-52]，對(duì)宏觀物理屬性的預(yù)測(cè)具有重要意義。

常規(guī)多孔介質(zhì)粒度分析方法有篩析法、沉降法、激光粒度分析法、二維圖像分析法等，孔隙結(jié)構(gòu)分析方法主要有壓汞法、核磁共振法、氣體吸附法、掃描電鏡分析法等。這些實(shí)驗(yàn)手段分析泥餅微觀結(jié)構(gòu)有各自的局限性：篩析法對(duì)樣品有破壞；氣體吸附法不能測(cè)量孤立孔隙的結(jié)構(gòu)信息；掃描電鏡分析法僅反映二維空間中的孔隙結(jié)構(gòu)信息，不能表征巖心的孔隙空間三維展布信息。

目前數(shù)字巖心技術(shù)已發(fā)展成為巖石物理實(shí)驗(yàn)的重要部分，可以在孔隙尺度上對(duì)巖石的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)表征[53-55]。CT掃描是數(shù)字巖心構(gòu)建技術(shù)的典型手段，可以在不破壞樣品的條件下無損探測(cè)巖石內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，獲得巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像。對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理，可以得到巖石微觀結(jié)構(gòu)的可視化、精細(xì)化表征[56-57]。數(shù)字巖心構(gòu)建流程如圖15所示。

圖15 孔裂隙結(jié)構(gòu)數(shù)字化重構(gòu)表征[60]Fig.15 Digital reconstruction and characterization of pore fracture structure[60]

基于數(shù)字巖心可以模擬計(jì)算巖石的物性特征，包括基本孔滲參數(shù)、地層電阻率和膠結(jié)指數(shù)、核磁共振模擬、壓汞模擬和孔隙結(jié)構(gòu)特征等[58-60]。

關(guān)于數(shù)字泥餅構(gòu)建方面，未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。

6 研究展望

以目前研究為基礎(chǔ)，考慮從以下方面進(jìn)行研究。

(1)實(shí)驗(yàn)研究泥餅形成因素。綜合考慮地層因素和鉆井液因素，通過實(shí)驗(yàn)定量研究影響泥餅形成的關(guān)鍵因素。地層參數(shù)和鉆井液參數(shù)很多，需要進(jìn)行分類。首先制備巖心，進(jìn)行SEM、CT掃描、核磁測(cè)試，掌握其礦物成分、孔隙度、滲透率、毛管壓力、滲流通道迂曲度、裂縫形態(tài)等參數(shù)；對(duì)鉆井液侵入的地層巖心以及外泥餅再次進(jìn)行測(cè)試；通過巖心和泥餅孔滲結(jié)構(gòu)的變化，研究泥餅形成影響因素。

(2)建立數(shù)字泥餅。使用鉆井液進(jìn)行巖心進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾失和靜態(tài)濾失實(shí)驗(yàn)，獲取泥餅。探索合適分辨率的微米CT掃描，對(duì)泥餅和侵入顆粒的巖心進(jìn)行掃描；對(duì)掃描得到二維灰度圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到高精度數(shù)字泥餅圖像；進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，定量計(jì)算顆粒分布、孔隙半徑、喉道半徑和喉道長(zhǎng)度等參數(shù)；分析對(duì)比不同條件形成泥餅的微觀結(jié)構(gòu)。

(3)數(shù)值研究泥餅形成機(jī)理和評(píng)價(jià)方法。建立鉆井液侵入地層形成泥餅的數(shù)值模型，考慮地層、鉆井液的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)泥餅的影響規(guī)律。

通過上述工作，從微觀孔隙結(jié)構(gòu)著手，揭示泥餅形成機(jī)理，并建立泥餅評(píng)價(jià)方法。

7 結(jié)論與建議

鉆井液在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下，形成非均質(zhì)的井壁和地層堆積形成外泥餅和內(nèi)泥餅，濾失過程中兩者同時(shí)演化、相互影響。調(diào)研了目前鉆井液泥餅形成的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，以及泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，得到以下認(rèn)識(shí)。

(1)泥餅形成的實(shí)驗(yàn)多使用濾紙、均質(zhì)砂盤等過濾介質(zhì)，研究鉆井液參數(shù)對(duì)外泥餅的形成和影響因素；沒有同時(shí)考慮內(nèi)泥餅的形成，及其對(duì)外泥餅演化的影響；沒有考慮地層因素對(duì)泥餅形成的影響。

(2)泥餅形成的數(shù)值模擬對(duì)泥餅厚度、孔隙度、滲透率等參數(shù)的建模，沒有考慮泥餅的非均質(zhì)性；通過地層滲透率變化、含水飽和度變化等方面間接考慮內(nèi)泥餅對(duì)濾失的影響。

(3)泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)局限于外泥餅，內(nèi)泥餅的評(píng)價(jià)方法較少；對(duì)泥餅三維孔滲分布研究較少，沒有數(shù)字泥餅等微觀孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。

基于這些研究基礎(chǔ)，建議綜合考慮地層因素和鉆井液因素，通過巖心和泥餅孔滲結(jié)構(gòu)變化研究影響泥餅形成的關(guān)鍵因素；基于微米CT和圖像重構(gòu)技術(shù)，研究不同泥餅的顆粒、孔隙與喉道的特征參數(shù)；建立鉆井液侵入地層形成泥餅的數(shù)值模型，研究各關(guān)鍵因素對(duì)泥餅形成的影響規(guī)律?；诖?，從微觀結(jié)構(gòu)揭示泥餅形成機(jī)理，并建立泥餅評(píng)價(jià)方法。