鉆井液泥餅形成及評價研究綜述

段云星， 楊 浩

(中國地質大學(北京)工程技術學院， 北京 100083)

鉆井工程中，為防止地層流體侵入井筒、穩定井壁，需要調節鉆井液性質和工作方式，以使井筒壓力維持在地層坍塌壓力和破裂壓力之間。這樣的壓差導致鉆井液濾液和固相顆粒侵入地層，同時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擾，保證鉆進的順利進行；但也會改變近井地帶的地層性質，影響后期的固井與生產。系統總結目前泥餅形成和評價的研究現狀，提出未來工作建議，對優化鉆井液體系設計、保護儲層產能、提高固井質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，當鉆井液接觸新暴露井壁時，會在很短時間內發生瞬間濾失，這是過濾的第一階段[4]。

(2)形成內泥餅：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，形成內泥餅[5]。該區域形成的低滲透率內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，并隔離儲層或非儲層井段的地層流體。此外，低滲透內泥餅將改變井壁有效應力，使井壁得到加固[6]。

(3)形成外泥餅：穩定的內泥餅形成后，只允許鉆井液濾液侵入地層，為井壁上外泥餅的進一步演化奠定基礎。流體曳力效應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入內泥餅[7-8]。

(4)達到過濾平衡：顆粒不斷堆積形成的外泥餅，滲透率逐漸降低并且被壓實。當過濾速率與地層壓力平衡時，泥餅停止生長，僅允許小顆粒進入地層。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生，濾失狀態有較大的差異。

(1)靜態過濾，發生在鉆柱出井時。井內沒有鉆井液循環，鉆井液顆粒向外泥餅的輸送沒有中斷。外泥餅的壓實程度和厚度逐漸增加，濾液侵入率逐漸降低、侵入半徑逐漸穩定，這防止了地層的進一步損害。

(2)動態過濾，發生在鉆井液循環過程中。這種條件下，靜態過濾中鉆井液顆粒的流體動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條件。最終，顆粒沉積速率和顆粒侵蝕速率達到平衡，外泥餅厚度不再變化[9]。

2 泥餅結構特征

鉆井液泥餅結構如圖2所示，分為外泥餅和內泥餅。外泥餅根據密實程度不同，自鉆井液接觸面到井壁巖石表面分為虛浮層、可壓縮層、密實層、致密層[10-12]。

圖2 泥餅結構物理模型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的鉆井液，其強度接近于0。在井下該表層被流動的鉆井液沖蝕，當鉆井液靜止時才能在井壁上形成，通常稱為浮泥餅。浮泥餅在很短的時間內形成[13]。

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

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

(4)致密泥餅層。密實泥餅層以下是泥餅強度最高的部位，是在鉆井液動態濾失時最先形成的一層泥餅，經歷了沖刷和壓力的連續作用，密實程度異常高，強度增加極快，類似于“固體層”，且厚度非常小，是構成泥餅強度的主要因素，稱為致密泥餅層。

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

泥餅的結構受多種因素影響，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。可控因素主要是鉆井液屬性，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構特征，如表1所示。

表1 泥餅形成影響因素及泥餅參數

3 泥餅形成研究

3.1 數值研究

在鉆井作業過程中，估計鉆井液濾液侵入的程度和在近井地層中的分布對于準確的測井解釋至關重要。鉆井液泥餅的形成及其通過減少濾液體積和細顆粒向多孔地層的遷移對侵入的影響使該過程變得復雜。同時，由于儲層流體與鉆井液濾液和細顆粒的混合和相互作用，多孔介質中流體相的性質(如密度和黏度)會發生變化。調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層的數學模型，研究了鉆井液濾液侵入儲層的分布情況、泥餅的形成及其對濾液侵入地層的影響，并且研究了由此產生的地層損害效應。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情況；考慮了泥餅啟動早期的外部顆粒侵入及其通過顆粒遷移和滯留對地層損害的影響；推導了有和沒有顆粒侵入的可壓縮和不可壓縮泥餅模型。該模型研究了靜態鉆井液過濾的泥餅形成，沒有考慮動態情況。

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模型(對流擴散方程的混合問題)組成。該模型考慮鉆井液的動態侵入，但是忽略了泥餅密度、孔隙度和滲透率的變化；假設地層侵入帶的滲透率恒定，忽略內泥餅和濾液對地層的損害。Tudor等[17]改進了該模型，考慮地層侵入帶泥餅影響導致的滲透率變化，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]基于均質砂巖的鉆井液動態侵入實驗，計算了泥餅表面的鉆井液剪切力，提出了考慮內泥餅的鉆井液動態侵入模型，如圖4所示。該模型假設動態條件僅由鉆桿/軸旋轉(一維徑向流動)產生；流體、顆粒、泥餅不可壓縮；只有超細顆粒(遠小于平均孔喉直徑)和濾液侵入多孔介質；忽略巖石非均質性和礦物學效應。

圖4 砂巖中泥餅演化前后動態徑向鉆井液過濾[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、厚度等參數的不同，如圖5所示。該模型編制為操作軟件，輸入由單一標準試驗確定的地層參數和鉆井液參數，可預測不同壓差、過濾介質滲透率、鉆井液的過濾特征和泥餅性質(厚度、孔隙度和滲透率剖面)。該模型將過濾介質描述為均質線性過濾材料，忽略了內泥餅的堆積；假設鉆井液濾液為清水。

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

郭東亞[20]應用多孔介質兩相滲流理論建立了鉆井液濾液侵入砂巖儲層的數學模型，對該數學模型進行相關網格劃分和半隱式差分計算，并用阿爾奇公式轉換得到不同時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儲層的影響，外泥餅滲透率使用范翔宇[21]的經驗公式，沒有考慮外泥餅。

孫玉學等[22]利用數值軟件，模擬了鉆井過程中濾失時間、濾液黏度、壓差、內泥餅滲透率、外泥餅滲透率等參數對動態濾失的影響。該模型建立了均質的地層過濾模型和泥餅模型，進行了規律性的定性分析。

目前，研究建立的泥餅形成模型，為了簡化過濾過程，通常假設地層侵入帶性質恒定，忽略濾液侵入和內泥餅堆積；或者假設外泥餅性質恒定，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每個性質具有單一值的均勻泥餅[24]。然而，這些假設可能會導致模型沒有捕捉實際的泥餅性質，并產生顯著的誤差。

3.2 實驗研究

目前針對鉆井液侵入和泥餅形成的實驗如表3所示。

表3 泥餅形成實驗研究Table 3 Experimental study on mud cake formation

范宜仁等[25]、吳飛[26]設計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。該裝置可以實現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態監測等功能，得到鉆井液侵入過程中砂巖模塊的電阻率、壓力和泥餅參數的變化規律。該模型使用大尺度巖心得到定性規律，沒有分析巖心內部的顆粒堆積情況。

Ezeakacha等[18,27-30]在實驗室裝置中模擬了真實現場條件的動態井筒條件，實驗模型如圖6所示。使用方差分析研究了水基鉆井液轉速、溫度、固體顆粒類型和濃度、壓差；環空偏心率；地層滲透性和裂縫寬度等因素對鉆井液濾失和泥餅形成的影響。結果表明，溫度、巖石滲透率、裂縫寬度、固體顆粒類型和濃度是控制動態流體侵入剖面的最重要因素。該模型使用均質砂巖作為地層模型，沒有研究內泥餅的堆積過程。

圖6 鉆井液動態濾失實驗模型[28]Fig.6 Experimental model of dynamic filtration of drilling fluid[28]

Schroeder等[31]使用CT(computed tomography)掃描技術研究了水基鉆井液侵入均質砂巖過程中，濾液空間分布、泥餅形成與巖石非均質性的關系。實驗模型為中心鉆孔的圓柱形巖心柱，加壓鉆井液通過中心孔徑向侵入砂巖，如圖7(a)所示。在實驗

過程中，使用高分辨CT儀對巖心樣品進行快速重復掃描，從而實現鉆井液濾液和泥餅厚度時空分布的可視化和量化，CT掃描成果如圖7(b)。該實驗為及時捕捉濾失進程，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展，無法展現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 泥餅評價研究

4.1 實驗研究

調研的泥餅評價的實驗如表4所示。

表4 泥餅評價實驗Table 4 Mud cake evaluation experiment

4.1.1 標準實驗

GB/T 16783.1—2014《石油天然氣工業·鉆井液現場測試 第1部分：水基鉆井液》[32]、GB/T 29170—2012《石油天然氣工業 鉆井液實驗室測試》[33]對泥餅的評價方法為：測量和記錄泥餅的厚度，精確至1.0 mm(l/32 in,1 in=254 mm)。盡管對泥餅的描述帶有主觀性，但諸如硬、軟、堅韌、柔韌、彈性、堅硬等描述，對于了解泥餅質量仍是十分重要的信息。

GB/T 16783.2—2012《石油天然氣工業·鉆井液現場測試 第2部分：油基鉆井液》[34]評價泥餅方法為：“在泥餅中心處測量其厚度，并記錄，精確至0.5 mm”“在試驗過程中可能會發生固相沉降。觀察是否有這種跡象，如泥餅異常厚或質地疏松。記錄泥餅的這些特性。為減少沉降，試驗中加熱和冷卻的時間應盡可能短，且應及時取下泥餅進行檢測”。

實驗室常用鉆井液過濾裝置如圖8所示。使用壓靜態濾失儀、高溫高壓靜態濾失儀，使用濾紙和金屬濾網作為過濾介質，可以獲得鉆井液靜態濾失后的外泥餅；使用砂床為過濾介質，得到鉆井液靜態過濾后的外泥餅和內泥餅；高溫高壓動態濾失儀使用地層巖心為過濾介質，得到鉆井液動態濾失后的外泥餅和內泥餅。

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]開發了測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空水動力條件對泥餅侵蝕性。結果表明，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強度；鹽的存在使改變了泥餅顆粒結構從分散型變為蜂窩狀，孔隙特性發生變化；泥餅的抗侵蝕性取決于形成泥餅的鉆井液添加劑的物理、化學和電性能；泥餅中惰性重晶石削弱了顆粒間黏結強度，使泥餅抗侵蝕性降低。該實驗沒有研究內泥餅的性能。

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掃描技術測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。結果表明，泥餅是不均勻的，靜態和動態條件下形成的泥餅可以明顯地分為兩層；與靜態條件相比，動態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的層厚；靜態和動態條件下，靠近鉆井液的層孔隙度為零，而靠近過濾介質的層為10%～20%；兩層均含有大小顆粒，但層內分選極差。

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

王松等[37]、張建偉[38]利用泥餅強度測試儀測定了單位厚度泥餅被水流沖破的時間來評價泥餅強度，如圖11所示。水流以恒定速度沖擊泥餅，泥餅所需沖破時間越長，則強度越高。實驗所用泥餅為鉆井液在美國石油協會(American Petroleum Institute，API)標準濾失儀中(常溫、0.7 MPa、30 min)過濾得到。該儀器操作簡單，能定量評價泥餅強度；聚合物鉆井液的泥餅強度高于細分散鉆井液；泥餅的滲透率越大，泥餅強度越低。

圖11 泥餅強度測試儀示意圖[38]Fig.11 Schematic diagram of mud cake strength tester[38]

Calcada等[39]設計動態實驗評估了鉆井液成分對外泥餅參數的影響，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行過濾實驗，過濾介質為濾紙和濾網。該研究使用濾紙和金屬濾網作為過濾介質，沒有考慮巖石-流體相互作用和內泥餅的參數。高溫高壓動態過濾儀如圖12所示。

圖12 動態過濾裝置示意圖[39]Fig.12 Schematic diagram of dynamic filtration device[39]

測量泥餅厚度最常用的方法是使用直尺或游標卡尺的直接測量法，張建偉[38]改裝了瀝青針入度儀，測量了泥餅厚度，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]提出了激光法測試泥餅厚度的非接觸方法，測量結果的標準偏差小于0.025 mm。千分表法是一種電子測量裝置，具有柔軟的觸感，可防止明顯的泥餅損壞，測量范圍為10 mm，分辨率為0.001 mm。但是千分表測得的泥餅厚度值在很大程度上受到技術人員在正確時間讀取讀數技能的影響。Elkatatny等[8]、Calcada等[39]，使用CT掃描技術研究了泥餅厚度。以他們的掃描分辨率，發現泥餅顯示兩個層，每層都有各自的厚度和屬性。

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

Jaffal等[41]設計了均質砂盤靜態過濾實驗，評價了鉆井液固體含量和降濾失劑、過濾壓差等因素對泥餅性質的影響。實驗裝置如圖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行實驗，減少過濾時側壁的壓力泄漏。

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

Bageri等[42]使用核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)方法來評價泥餅孔隙度和滲入巖心的固相量，并將結果與重量法、X-CT法得到的泥餅孔隙度進行了比較，如表5所示。與其他兩種方法相比，NMR測得的孔隙度和滲入固體量顯示出與測量的泥餅厚度的良好相關性，而孔隙度測量值明顯較低。分析原因為重量法和X-CT法在測量過程中對樣品進行了干燥和移動，導致測量泥餅質量時引入較大誤差；NMR方法的樣品處理和移動很少，并且不需要干燥泥餅。另外，在一次NMR實驗中，可以獲得泥餅體積和孔徑分布，以及侵入固體占據巖心的孔徑范圍。

表5 測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 評價方法總結

其他泥餅評價方法如表6所示。

表6 泥餅評價方法Table 6 Evaluation Method of Mud Cake

4.2 經驗公式

Dangou等[43]發現，剪切速率對泥餅粒度分布有影響，進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，導致較低的泥餅滲透性。針對泥餅孔隙度和滲透率提出了經驗公式，如表7所示。

表7 泥餅孔隙度與滲透率經驗公式Table 7 Empirical formula of mud cake porosity and permeability

5 數字泥餅研究

多孔介質微觀分析的重要內容是粒度分析和孔隙結構特征分析，影響其宏觀的抗壓強度、滲流等特征[51-52]，對宏觀物理屬性的預測具有重要意義。

常規多孔介質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，孔隙結構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。這些實驗手段分析泥餅微觀結構有各自的局限性：篩析法對樣品有破壞；氣體吸附法不能測量孤立孔隙的結構信息；掃描電鏡分析法僅反映二維空間中的孔隙結構信息，不能表征巖心的孔隙空間三維展布信息。

目前數字巖心技術已發展成為巖石物理實驗的重要部分，可以在孔隙尺度上對巖石的微觀結構進行精細表征[53-55]。CT掃描是數字巖心構建技術的典型手段，可以在不破壞樣品的條件下無損探測巖石內部三維結構，獲得巖石內部微觀結構的高分辨率圖像。對圖像進行一系列處理，可以得到巖石微觀結構的可視化、精細化表征[56-57]。數字巖心構建流程如圖15所示。

圖15 孔裂隙結構數字化重構表征[60]Fig.15 Digital reconstruction and characterization of pore fracture structure[60]

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

關于數字泥餅構建方面，未檢索到相關文獻。

6 研究展望

以目前研究為基礎，考慮從以下方面進行研究。

(1)實驗研究泥餅形成因素。綜合考慮地層因素和鉆井液因素，通過實驗定量研究影響泥餅形成的關鍵因素。地層參數和鉆井液參數很多，需要進行分類。首先制備巖心，進行SEM、CT掃描、核磁測試，掌握其礦物成分、孔隙度、滲透率、毛管壓力、滲流通道迂曲度、裂縫形態等參數；對鉆井液侵入的地層巖心以及外泥餅再次進行測試；通過巖心和泥餅孔滲結構的變化，研究泥餅形成影響因素。

(2)建立數字泥餅。使用鉆井液進行巖心進行動態濾失和靜態濾失實驗，獲取泥餅。探索合適分辨率的微米CT掃描，對泥餅和侵入顆粒的巖心進行掃描；對掃描得到二維灰度圖像進行三維重構，得到高精度數字泥餅圖像；進行微觀結構分析，定量計算顆粒分布、孔隙半徑、喉道半徑和喉道長度等參數；分析對比不同條件形成泥餅的微觀結構。

(3)數值研究泥餅形成機理和評價方法。建立鉆井液侵入地層形成泥餅的數值模型，考慮地層、鉆井液的關鍵參數對泥餅的影響規律。

通過上述工作，從微觀孔隙結構著手，揭示泥餅形成機理，并建立泥餅評價方法。

7 結論與建議

鉆井液在動態和靜態條件下，形成非均質的井壁和地層堆積形成外泥餅和內泥餅，濾失過程中兩者同時演化、相互影響。調研了目前鉆井液泥餅形成的實驗和數值模擬研究，以及泥餅質量評價研究，得到以下認識。

(1)泥餅形成的實驗多使用濾紙、均質砂盤等過濾介質，研究鉆井液參數對外泥餅的形成和影響因素；沒有同時考慮內泥餅的形成，及其對外泥餅演化的影響；沒有考慮地層因素對泥餅形成的影響。

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

(3)泥餅質量評價局限于外泥餅，內泥餅的評價方法較少；對泥餅三維孔滲分布研究較少，沒有數字泥餅等微觀孔隙結構的相關研究。

基于這些研究基礎，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構變化研究影響泥餅形成的關鍵因素；基于微米CT和圖像重構技術，研究不同泥餅的顆粒、孔隙與喉道的特征參數；建立鉆井液侵入地層形成泥餅的數值模型，研究各關鍵因素對泥餅形成的影響規律。基于此，從微觀結構揭示泥餅形成機理，并建立泥餅評價方法。