钻井液泥饼形成及评价研究综述

段云星， 杨 浩

(中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083)

钻井工程中，为防止地层流体侵入井筒、稳定井壁，需要调节钻井液性质和工作方式，以使井筒压力维持在地层坍塌压力和破裂压力之间。这样的压差导致钻井液滤液和固相颗粒侵入地层，同时在井壁堆积形成泥饼。泥饼形成后可以有效减少钻井液与地层流体的相互侵扰，保证钻进的顺利进行；但也会改变近井地带的地层性质，影响后期的固井与生产。系统总结目前泥饼形成和评价的研究现状，提出未来工作建议，对优化钻井液体系设计、保护储层产能、提高固井质量等工作有重要的意义。

1 泥饼形成过程

钻井过程中形成低渗透性泥饼，是随时间变化的过程[1-2]，如图1所示[3]。

图1 钻井液侵入和泥饼演化[3]Fig.1 Drilling fluid invasion and mud cake evolution[3]

钻井液侵入地层、过滤和泥饼演化如下。

(1)瞬间滤失：钻井过程中，当钻井液接触新暴露井壁时，会在很短时间内发生瞬间滤失，这是过滤的第一阶段[4]。

(2)形成内泥饼：瞬间侵入后，井筒过压使钻井液中固体颗粒以高浓度沉积在近井地带孔隙内，形成内泥饼[5]。该区域形成的低渗透率内泥饼有助于降低近地层渗透率和随后的滤液侵入，减少泥饼后面的孔隙压力，并隔离储层或非储层井段的地层流体。此外，低渗透内泥饼将改变井壁有效应力，使井壁得到加固[6]。

(3)形成外泥饼：稳定的内泥饼形成后，只允许钻井液滤液侵入地层，为井壁上外泥饼的进一步演化奠定基础。流体曳力效应使较大尺寸的颗粒形成外泥饼的底部，而使较小的颗粒更深地穿过外泥饼进入内泥饼[7-8]。

(4)达到过滤平衡：颗粒不断堆积形成的外泥饼，渗透率逐渐降低并且被压实。当过滤速率与地层压力平衡时，泥饼停止生长，仅允许小颗粒进入地层。各种尺寸的颗粒组成不均匀的泥饼。

钻井液过滤可在两种条件下发生，滤失状态有较大的差异。

(1)静态过滤，发生在钻柱出井时。井内没有钻井液循环，钻井液颗粒向外泥饼的输送没有中断。外泥饼的压实程度和厚度逐渐增加，滤液侵入率逐渐降低、侵入半径逐渐稳定，这防止了地层的进一步损害。

(2)动态过滤，发生在钻井液循环过程中。这种条件下，静态过滤中钻井液颗粒的流体动力条件被井壁处的钻井液剪切作用所取代。较大尺寸颗粒在外泥饼表面的积聚受到阻碍，使外泥饼的厚度小于静态条件。最终，颗粒沉积速率和颗粒侵蚀速率达到平衡，外泥饼厚度不再变化[9]。

2 泥饼结构特征

钻井液泥饼结构如图2所示，分为外泥饼和内泥饼。外泥饼根据密实程度不同，自钻井液接触面到井壁岩石表面分为虚浮层、可压缩层、密实层、致密层[10-12]。

图2 泥饼结构物理模型Fig.2 Physical model of mud cake structure

(1)虚浮泥饼层。刚刚制备的新鲜泥饼，表面上一般附着一层疏松的呈胶凝状态的钻井液，其强度接近于0。在井下该表层被流动的钻井液冲蚀，当钻井液静止时才能在井壁上形成，通常称为浮泥饼。浮泥饼在很短的时间内形成[13]。

(2)可压缩泥饼层。在浮泥饼的下部开始接触真正的实泥饼，此部分实泥饼虽已具有一定的强度，但强度增加很缓慢且强度值不大，其致密程度也开始增加；而且外力越大，其厚度越小，表现出一定的可压缩性，因此这一层称为欠压实层。

(3)密实泥饼层。在压力作用下，泥饼被压缩至一定程度后强度逐渐增大，而增大速度也快速增加，泥饼表现为弹性与强度均佳的综合体。随压力的增加，泥饼本身产生强的抵抗外力的能力，表现出很高的致密程度，因此称这一层泥饼为密实泥饼层。

(4)致密泥饼层。密实泥饼层以下是泥饼强度最高的部位，是在钻井液动态滤失时最先形成的一层泥饼，经历了冲刷和压力的连续作用，密实程度异常高，强度增加极快，类似于“固体层”，且厚度非常小，是构成泥饼强度的主要因素，称为致密泥饼层。

(5)内泥饼。钻井液接触新暴露地层瞬间，固体颗粒随滤液进入地层孔隙，逐渐堆积架桥，形成内泥饼。内泥饼有效减少钻井液侵入地层，也阻止地层流体侵入井筒。内泥饼和渗入的滤液对近井带渗透性造成影响，进而影响后续完井、测井等工作。

泥饼的结构受多种因素影响，这些因素分为不可控因素和可控因素。不可控因素主要是地层属性，包括岩石类型、渗透率、孔隙度等。可控因素主要是钻井液属性，包括钻井液类型、固相颗粒类型和浓度等。这些因素单一作用或相互耦合作用，塑造了泥饼的不同结构特征，如表1所示。

表1 泥饼形成影响因素及泥饼参数

3 泥饼形成研究

3.1 数值研究

在钻井作业过程中，估计钻井液滤液侵入的程度和在近井地层中的分布对于准确的测井解释至关重要。钻井液泥饼的形成及其通过减少滤液体积和细颗粒向多孔地层的迁移对侵入的影响使该过程变得复杂。同时，由于储层流体与钻井液滤液和细颗粒的混合和相互作用，多孔介质中流体相的性质(如密度和黏度)会发生变化。调研的钻井液侵入和泥饼形成的模型如表2所示。

表2 泥饼形成模型Table 2 Mud cake formation model

Civan[14-15]提出了多相钻井液侵入井筒储层的数学模型，研究了钻井液滤液侵入储层的分布情况、泥饼的形成及其对滤液侵入地层的影响，并且研究了由此产生的地层损害效应。该模型可以模拟水基或油基钻井液情况下地层中的单相和两相流动情况；考虑了泥饼启动早期的外部颗粒侵入及其通过颗粒迁移和滞留对地层损害的影响；推导了有和没有颗粒侵入的可压缩和不可压缩泥饼模型。该模型研究了静态钻井液过滤的泥饼形成，没有考虑动态情况。

Windarto等[16]建立了井筒线性单相钻井液侵入模型，用来刻画井壁泥饼厚度和地层侵入带钻井液滤液浓度，示意图如图3所示。模型由泥饼形成模型(一阶微分方程的柯西问题)和钻井液滤液侵入多孔介质模型(对流扩散方程的混合问题)组成。该模型考虑钻井液的动态侵入，但是忽略了泥饼密度、孔隙度和渗透率的变化；假设地层侵入带的渗透率恒定，忽略内泥饼和滤液对地层的损害。Tudor等[17]改进了该模型，考虑地层侵入带泥饼影响导致的渗透率变化，提出“破坏渗透率”，但该模型没有考虑滤液侵入的影响。

图3 井筒钻井液过滤模型[17]Fig.3 Drilling fluid filtration model of wellbore[17]

Ezeakacha等[18]基于均质砂岩的钻井液动态侵入实验，计算了泥饼表面的钻井液剪切力，提出了考虑内泥饼的钻井液动态侵入模型，如图4所示。该模型假设动态条件仅由钻杆/轴旋转(一维径向流动)产生；流体、颗粒、泥饼不可压缩；只有超细颗粒(远小于平均孔喉直径)和滤液侵入多孔介质；忽略岩石非均质性和矿物学效应。

图4 砂岩中泥饼演化前后动态径向钻井液过滤[18]Fig.4 Dynamic radial filtration of drilling fluid before and after mud cake evolution in sandstone[18]

Jaffal等[19]开发了考虑外泥饼压缩特性和非均匀性的钻井液过滤模型，称为“wider windows filtration model(WWFM)”。该模型将泥饼分为多层，考虑每层压降、孔隙度、渗透率、固体体积、厚度等参数的不同，如图5所示。该模型编制为操作软件，输入由单一标准试验确定的地层参数和钻井液参数，可预测不同压差、过滤介质渗透率、钻井液的过滤特征和泥饼性质(厚度、孔隙度和渗透率剖面)。该模型将过滤介质描述为均质线性过滤材料，忽略了内泥饼的堆积；假设钻井液滤液为清水。

图5 泥饼压缩性和非均质性模型[19]Fig.5 Compressibility and heterogeneity model of mud cake[19]

郭东亚[20]应用多孔介质两相渗流理论建立了钻井液滤液侵入砂岩储层的数学模型，对该数学模型进行相关网格划分和半隐式差分计算，并用阿尔奇公式转换得到不同时刻不同侵入半径的电阻率。通过电阻率的变化值间接表示钻井液滤液侵入深度。该模型主要考虑了滤液侵入对储层的影响，外泥饼渗透率使用范翔宇[21]的经验公式，没有考虑外泥饼。

孙玉学等[22]利用数值软件，模拟了钻井过程中滤失时间、滤液黏度、压差、内泥饼渗透率、外泥饼渗透率等参数对动态滤失的影响。该模型建立了均质的地层过滤模型和泥饼模型，进行了规律性的定性分析。

目前，研究建立的泥饼形成模型，为了简化过滤过程，通常假设地层侵入带性质恒定，忽略滤液侵入和内泥饼堆积；或者假设外泥饼性质恒定，忽略渗透率和孔隙随堆积的不断变化过程[23]；或者在给定压力下假设每个性质具有单一值的均匀泥饼[24]。然而，这些假设可能会导致模型没有捕捉实际的泥饼性质，并产生显著的误差。

3.2 实验研究

目前针对钻井液侵入和泥饼形成的实验如表3所示。

表3 泥饼形成实验研究Table 3 Experimental study on mud cake formation

范宜仁等[25]、吴飞[26]设计制造了地层模块尺度下的钻井液侵入多功能物理模拟系统。该装置可以实现大尺寸样品模块饱和加压、钻井液侵入装置密封保压、钻井液侵入全过程动态监测等功能，得到钻井液侵入过程中砂岩模块的电阻率、压力和泥饼参数的变化规律。该模型使用大尺度岩心得到定性规律，没有分析岩心内部的颗粒堆积情况。

Ezeakacha等[18,27-30]在实验室装置中模拟了真实现场条件的动态井筒条件，实验模型如图6所示。使用方差分析研究了水基钻井液转速、温度、固体颗粒类型和浓度、压差；环空偏心率；地层渗透性和裂缝宽度等因素对钻井液滤失和泥饼形成的影响。结果表明，温度、岩石渗透率、裂缝宽度、固体颗粒类型和浓度是控制动态流体侵入剖面的最重要因素。该模型使用均质砂岩作为地层模型，没有研究内泥饼的堆积过程。

图6 钻井液动态滤失实验模型[28]Fig.6 Experimental model of dynamic filtration of drilling fluid[28]

Schroeder等[31]使用CT(computed tomography)扫描技术研究了水基钻井液侵入均质砂岩过程中，滤液空间分布、泥饼形成与岩石非均质性的关系。实验模型为中心钻孔的圆柱形岩心柱，加压钻井液通过中心孔径向侵入砂岩，如图7(a)所示。在实验

过程中，使用高分辨CT仪对岩心样品进行快速重复扫描，从而实现钻井液滤液和泥饼厚度时空分布的可视化和量化，CT扫描成果如图7(b)。该实验为及时捕捉滤失进程，5 min扫描一次，因而分辨率不高，只显示出滤液在和外泥饼在岩心的扩展，无法展现泥饼颗粒的堆积情况。

图7 砂岩岩心几何形状与CT扫描图像[31]Fig.7 Sandstone core geometry and CT scan image[31]

4 泥饼评价研究

4.1 实验研究

调研的泥饼评价的实验如表4所示。

表4 泥饼评价实验Table 4 Mud cake evaluation experiment

4.1.1 标准实验

GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业·钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》[32]、GB/T 29170—2012《石油天然气工业 钻井液实验室测试》[33]对泥饼的评价方法为：测量和记录泥饼的厚度，精确至1.0 mm(l/32 in,1 in=254 mm)。尽管对泥饼的描述带有主观性，但诸如硬、软、坚韧、柔韧、弹性、坚硬等描述，对于了解泥饼质量仍是十分重要的信息。

GB/T 16783.2—2012《石油天然气工业·钻井液现场测试 第2部分：油基钻井液》[34]评价泥饼方法为：“在泥饼中心处测量其厚度，并记录，精确至0.5 mm”“在试验过程中可能会发生固相沉降。观察是否有这种迹象，如泥饼异常厚或质地疏松。记录泥饼的这些特性。为减少沉降，试验中加热和冷却的时间应尽可能短，且应及时取下泥饼进行检测”。

实验室常用钻井液过滤装置如图8所示。使用压静态滤失仪、高温高压静态滤失仪，使用滤纸和金属滤网作为过滤介质，可以获得钻井液静态滤失后的外泥饼；使用砂床为过滤介质，得到钻井液静态过滤后的外泥饼和内泥饼；高温高压动态滤失仪使用地层岩心为过滤介质，得到钻井液动态滤失后的外泥饼和内泥饼。

图8 常用钻井液滤失装置Fig.8 Common drilling fluid filtration devices

4.1.2 特制仪器

Amanullah[35]开发了测试泥饼抗侵蚀性的装置，如图9所示。该装置由透明塑料材料组成，可以模拟常温常压条件下井眼环空水动力条件对泥饼侵蚀性。结果表明，泥饼侵蚀的早期阶段受软凝胶状顶层的影响，最后阶段受泥饼和滤纸之间黏合力的影响；中间泥饼层的侵蚀取决于颗粒间的黏结强度；盐的存在使改变了泥饼颗粒结构从分散型变为蜂窝状，孔隙特性发生变化；泥饼的抗侵蚀性取决于形成泥饼的钻井液添加剂的物理、化学和电性能；泥饼中惰性重晶石削弱了颗粒间黏结强度，使泥饼抗侵蚀性降低。该实验没有研究内泥饼的性能。

图9 泥饼侵蚀装置示意图[35]Fig.9 Schematic diagram of mud cake erosion device[35]

Elkatatny[9]使用CT扫描技术测量了水基钻井液的泥饼厚度和渗透率，如图10所示。高温高压装置在225 ℉、300 psi(1 psi=0.006 896 MPa)完成钻井液过滤，使用CT扫描泥饼的厚度和孔隙度，并用扫描电子显微镜观察滤泥饼微观形态。结果表明，泥饼是不均匀的，静态和动态条件下形成的泥饼可以明显地分为两层；与静态条件相比，动态条件下的泥饼更薄且具有更低的渗透性；泥饼靠近钻井液的层比靠近过滤介质的层厚；静态和动态条件下，靠近钻井液的层孔隙度为零，而靠近过滤介质的层为10%～20%；两层均含有大小颗粒，但层内分选极差。

图10 CT和SEM扫描泥饼形态[9]Fig.10 Morphology of mud cake scanned by CT and SEM[9]

王松等[37]、张建伟[38]利用泥饼强度测试仪测定了单位厚度泥饼被水流冲破的时间来评价泥饼强度，如图11所示。水流以恒定速度冲击泥饼，泥饼所需冲破时间越长，则强度越高。实验所用泥饼为钻井液在美国石油协会(American Petroleum Institute，API)标准滤失仪中(常温、0.7 MPa、30 min)过滤得到。该仪器操作简单，能定量评价泥饼强度；聚合物钻井液的泥饼强度高于细分散钻井液；泥饼的渗透率越大，泥饼强度越低。

图11 泥饼强度测试仪示意图[38]Fig.11 Schematic diagram of mud cake strength tester[38]

Calcada等[39]设计动态实验评估了钻井液成分对外泥饼参数的影响，如压缩性、渗透率、孔隙度、厚度等。使用水基钻井液在高温高压过滤装置中进行过滤实验，过滤介质为滤纸和滤网。该研究使用滤纸和金属滤网作为过滤介质，没有考虑岩石-流体相互作用和内泥饼的参数。高温高压动态过滤仪如图12所示。

图12 动态过滤装置示意图[39]Fig.12 Schematic diagram of dynamic filtration device[39]

测量泥饼厚度最常用的方法是使用直尺或游标卡尺的直接测量法，张建伟[38]改装了沥青针入度仪，测量了泥饼厚度，如图13所示。这些这种方法需要与泥饼直接接触，精度为0.1 mm。Amanullah等[40]提出了激光法测试泥饼厚度的非接触方法，测量结果的标准偏差小于0.025 mm。千分表法是一种电子测量装置，具有柔软的触感，可防止明显的泥饼损坏，测量范围为10 mm，分辨率为0.001 mm。但是千分表测得的泥饼厚度值在很大程度上受到技术人员在正确时间读取读数技能的影响。Elkatatny等[8]、Calcada等[39]，使用CT扫描技术研究了泥饼厚度。以他们的扫描分辨率，发现泥饼显示两个层，每层都有各自的厚度和属性。

图13 泥饼厚度测量针入度仪[38]Fig.13 Penetration meter to measure mud cake thickness[38]

Jaffal等[41]设计了均质砂盘静态过滤实验，评价了钻井液固体含量和降滤失剂、过滤压差等因素对泥饼性质的影响。实验装置如图14所示。过滤砂盘由砂子和水泥混合后放在模具中压制。砂盘可以带着模具进行实验，减少过滤时侧壁的压力泄漏。

图14 静态过滤装置示意图[41]Fig.14 Schematic diagram of static filtering device[41]

Bageri等[42]使用核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)方法来评价泥饼孔隙度和渗入岩心的固相量，并将结果与重量法、X-CT法得到的泥饼孔隙度进行了比较，如表5所示。与其他两种方法相比，NMR测得的孔隙度和渗入固体量显示出与测量的泥饼厚度的良好相关性，而孔隙度测量值明显较低。分析原因为重量法和X-CT法在测量过程中对样品进行了干燥和移动，导致测量泥饼质量时引入较大误差；NMR方法的样品处理和移动很少，并且不需要干燥泥饼。另外，在一次NMR实验中，可以获得泥饼体积和孔径分布，以及侵入固体占据岩心的孔径范围。

表5 测试泥饼孔隙度的不同方法和阶段[42]Table 5 Different measurement methods and stagesfor testing mud cake porosity[42]

4.1.3 评价方法总结

其他泥饼评价方法如表6所示。

表6 泥饼评价方法Table 6 Evaluation Method of Mud Cake

4.2 经验公式

Dangou等[43]发现，剪切速率对泥饼粒度分布有影响，进而显著影响泥饼渗透率；在低剪切速率下形成泥饼的颗粒平均粒度大，导致较高的泥饼渗透性；在高剪切速率下形成泥饼的颗粒平均粒度小，导致较低的泥饼渗透性。针对泥饼孔隙度和渗透率提出了经验公式，如表7所示。

表7 泥饼孔隙度与渗透率经验公式Table 7 Empirical formula of mud cake porosity and permeability

5 数字泥饼研究

多孔介质微观分析的重要内容是粒度分析和孔隙结构特征分析，影响其宏观的抗压强度、渗流等特征[51-52]，对宏观物理属性的预测具有重要意义。

常规多孔介质粒度分析方法有筛析法、沉降法、激光粒度分析法、二维图像分析法等，孔隙结构分析方法主要有压汞法、核磁共振法、气体吸附法、扫描电镜分析法等。这些实验手段分析泥饼微观结构有各自的局限性：筛析法对样品有破坏；气体吸附法不能测量孤立孔隙的结构信息；扫描电镜分析法仅反映二维空间中的孔隙结构信息，不能表征岩心的孔隙空间三维展布信息。

目前数字岩心技术已发展成为岩石物理实验的重要部分，可以在孔隙尺度上对岩石的微观结构进行精细表征[53-55]。CT扫描是数字岩心构建技术的典型手段，可以在不破坏样品的条件下无损探测岩石内部三维结构，获得岩石内部微观结构的高分辨率图像。对图像进行一系列处理，可以得到岩石微观结构的可视化、精细化表征[56-57]。数字岩心构建流程如图15所示。

图15 孔裂隙结构数字化重构表征[60]Fig.15 Digital reconstruction and characterization of pore fracture structure[60]

基于数字岩心可以模拟计算岩石的物性特征，包括基本孔渗参数、地层电阻率和胶结指数、核磁共振模拟、压汞模拟和孔隙结构特征等[58-60]。

关于数字泥饼构建方面，未检索到相关文献。

6 研究展望

以目前研究为基础，考虑从以下方面进行研究。

(1)实验研究泥饼形成因素。综合考虑地层因素和钻井液因素，通过实验定量研究影响泥饼形成的关键因素。地层参数和钻井液参数很多，需要进行分类。首先制备岩心，进行SEM、CT扫描、核磁测试，掌握其矿物成分、孔隙度、渗透率、毛管压力、渗流通道迂曲度、裂缝形态等参数；对钻井液侵入的地层岩心以及外泥饼再次进行测试；通过岩心和泥饼孔渗结构的变化，研究泥饼形成影响因素。

(2)建立数字泥饼。使用钻井液进行岩心进行动态滤失和静态滤失实验，获取泥饼。探索合适分辨率的微米CT扫描，对泥饼和侵入颗粒的岩心进行扫描；对扫描得到二维灰度图像进行三维重构，得到高精度数字泥饼图像；进行微观结构分析，定量计算颗粒分布、孔隙半径、喉道半径和喉道长度等参数；分析对比不同条件形成泥饼的微观结构。

(3)数值研究泥饼形成机理和评价方法。建立钻井液侵入地层形成泥饼的数值模型，考虑地层、钻井液的关键参数对泥饼的影响规律。

通过上述工作，从微观孔隙结构着手，揭示泥饼形成机理，并建立泥饼评价方法。

7 结论与建议

钻井液在动态和静态条件下，形成非均质的井壁和地层堆积形成外泥饼和内泥饼，滤失过程中两者同时演化、相互影响。调研了目前钻井液泥饼形成的实验和数值模拟研究，以及泥饼质量评价研究，得到以下认识。

(1)泥饼形成的实验多使用滤纸、均质砂盘等过滤介质，研究钻井液参数对外泥饼的形成和影响因素；没有同时考虑内泥饼的形成，及其对外泥饼演化的影响；没有考虑地层因素对泥饼形成的影响。

(2)泥饼形成的数值模拟对泥饼厚度、孔隙度、渗透率等参数的建模，没有考虑泥饼的非均质性；通过地层渗透率变化、含水饱和度变化等方面间接考虑内泥饼对滤失的影响。

(3)泥饼质量评价局限于外泥饼，内泥饼的评价方法较少；对泥饼三维孔渗分布研究较少，没有数字泥饼等微观孔隙结构的相关研究。

基于这些研究基础，建议综合考虑地层因素和钻井液因素，通过岩心和泥饼孔渗结构变化研究影响泥饼形成的关键因素；基于微米CT和图像重构技术，研究不同泥饼的颗粒、孔隙与喉道的特征参数；建立钻井液侵入地层形成泥饼的数值模型，研究各关键因素对泥饼形成的影响规律。基于此，从微观结构揭示泥饼形成机理，并建立泥饼评价方法。