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Jan 07, 2024

Die Rolle des Überdrucks auf die schlamminduzierte Veränderung des Porensystems des Sandsteingesteins

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 8367 (2022) Diesen Artikel zitieren 1319 Zugriffe 1 Zitate Metrikdetails Überdruck ist ein sehr kritischer Parameter bei Bohrarbeiten. Es hat ein

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8367 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der Überdruck ist ein sehr kritischer Parameter bei Bohrarbeiten. Abhängig von anderen Bohrlochparametern wie Temperatur, Zeit, Art und Zusammensetzung des Schlamms sowie dem mineralogischen Gehalt des Gesteins hat es einen großen Einfluss auf Formationsschäden. Das Ziel dieser Studie besteht darin, das Ausmaß des Einflusses von Überdruck auf die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung und die daraus resultierenden Auswirkungen auf das Gesteinsporensystem zu bestimmen. Diese Forschung präsentiert eine experimentelle Studie zur Wechselwirkung von Berea Buff-Sandstein und Baryt auf Wasserbasis unter unterschiedlichem Überdruck (300, 700 und 1000 psi) bei gleicher Temperatur und Wechselwirkungszeit. Die Experimente umfassten den Einsatz des Rasterelektronenmikroskops und Kernspinresonanz-Relaxationsmessungen, um Veränderungen im Porensystem der Gesteinsproben zu überwachen. Eine modifizierte Filterzelle wurde verwendet, um die Gesteinsproben und den Schlamm bei unterschiedlichen Überdruckdrücken aufzunehmen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Filtrationseigenschaften und Gesteinsflusseigenschaften (Gesteinsdurchlässigkeit, Porenhalsradius und Art der Porensystemskala) alle durch die Erhöhung des Übergleichdrucks beeinflusst werden. Die Filtrationseigenschaften verbesserten sich hinsichtlich der Schlammkuchendicke und des Filtratvolumens um 111 % bzw. 36 %, wenn der Überdruck von 300 auf 1000 psi erhöht wurde. Die Gesamtporosität des Gesteins zeigte einen Rückgang von 21,6 % (Wechselwirkung vor dem Schlamm) auf 17,6, 15,2 und 14,2 % unter 300, 700 bzw. 1000 psi. Die Gesteinsdurchlässigkeit nahm unter einem Überdruck von 1000 psi um 75 % ab, während der Porenhalsradius um 45 % abnahm. Der Gesteinsporentyp bleibt jedoch nach der Wechselwirkung mit dem Schlamm im gleichen Maßstab (Makro). Die statistische Analyse zeigte, dass die Porosität und Permeabilität des Gesteins mit zunehmendem Überdruck durch eine Polynombeziehung mit einem hohen Bestimmungskoeffizienten von 0,99 abnahm. Die Analyse des inneren Porensystems mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigte, dass der Formationsschaden hauptsächlich auf die Ausfällung von Schlammfeststoffen bei zunehmendem Überdruck zurückzuführen ist.

Der Bohrvorgang ist eine sehr kritische und teure Phase bei der Feldentwicklung für die Erdölproduktion. Die Gestaltung der Bohrspülung und der Bohrbetriebsprogramme erfordert eine gründliche Untersuchung der Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung, um eine sichere und effiziente Bohrleistung zu erreichen. Die Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein hat großen Einfluss auf die Stabilität des Bohrlochs. Infolgedessen könnten viele Bohrprobleme aufgrund einer ungeeigneten Gestaltung des Spülschlamms auftreten, was zu wirtschaftlichen Verlusten hinsichtlich der Kosten für die Bohrlochausrüstung, der unproduktiven Zeit für den Bohrvorgang und der Abhilfemaßnahmen für solche Probleme führen würde1,2 .

Die Bohrflüssigkeit stellt das Herzstück des Bohrvorgangs dar, da sie viele Funktionen für den Bohrvorgang erfüllt, z. B. den Formationsdruck ausgleichen, um das Bohrloch unter Kontrolle zu halten, das Bohrklein an die Oberfläche spülen, um das Bohrloch sauber zu halten, und schmiert Kühlung des Bohrstrangs während des Bohrvorgangs und Verbesserung der Bohrlochstabilität durch Bildung von Filterkuchen an der Wand der gebohrten Formationen3,4,5. Die Zusammensetzung der Bohrflüssigkeiten ist sorgfältig darauf ausgelegt, effiziente rheologische Eigenschaften bereitzustellen, um die erforderlichen Funktionen während des Bohrvorgangs zu erfüllen und gleichzeitig die gebohrte Formation vor Schäden zu schützen. Daher wurden viele Forschungsstudien durchgeführt, um neue Materialien als Zusatzstoffe für den Schlamm bereitzustellen, um diesen Zweck zu erfüllen4,6. Formationsschäden sind ein kritisches Problem in der Erdölindustrie und es wurden viele Studien durchgeführt, um eine tiefgreifende Analyse und technische Lösungen für das Problem bereitzustellen7.

Die gebohrten Formationen sind während des Bohrvorgangs dem Bohrschlammsystem ausgesetzt, was zu schwerwiegenden Veränderungen der Gesteinseigenschaften in Bezug auf Porosität, Durchlässigkeit, Flüssigkeitsfließeigenschaften, interne Gesteinstopographie, Porensystem, elastische Eigenschaften und Gesteinsfestigkeit führen kann8,9 ,10. Experimentelle Arbeiten haben gezeigt, dass alle diese Veränderungen auf die mineralogische Zusammensetzung des Gesteins und die chemische Aktivität des Schlamms zurückzuführen sind, insbesondere auf die Filtratflüssigkeit, die während des Bohrvorgangs in das gebohrte Gestein eindringt11,12,13.

Die überbalancierte Bohrtechnik ist eine der gebräuchlichsten Techniken zum Bohren von Öl- und Gasquellen. Die Technik erzeugt einen Druck am Bohrlochboden, der höher ist als der Porendruck der gebohrten Formation, wodurch der Zufluss von Formationsflüssigkeit unterdrückt wird14,15. Der Überdruck wird allgemein als Differenzdruck bezeichnet. Bei einem statischen Bohrlochzustand ohne Schlammzirkulation wird der Überdruck hauptsächlich durch das Schlammgewicht erreicht. Im dynamischen Bohrlochzustand wird der Übergleichdruck sowohl durch den Schlammpumpdruck als auch durch das Schlammgewicht bereitgestellt16. Wie in Abb. 1 dargestellt, stellt der Übergewichtsdruck die Differenz zwischen dem Bohrlochsohlendruck und dem Bohrformationsdruck dar. Dieser Parameter wird vom Bohringenieur entworfen, der viele technische Aspekte wie den Bohrformationsdruck, den Druck in erschöpften Zonen und die Formationsintegrität berücksichtigt17. Der Überdruck wirkt sich auf die Leistung des Bohrvorgangs aus, z. B. auf die Eindringgeschwindigkeit, das unterschiedliche Festsitzen des Rohrs und andere Probleme. Daher sollte es mit eingehenden Untersuchungen und Analysen entworfen werden18.

Gut schematisch zur Darstellung des Überdrucks beim Bohren.

Der Übergleichdruck ist der Hauptantriebsdruck, der das Eindringen von Schlamm in die gebohrte Formation verursacht, die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung in Gang setzt und die anschließenden Veränderungen in der inneren Porenstruktur des gebohrten Gesteins bewirkt. Die Höhe des Übergleichdrucks ist einer der Parameter, die den Grad der Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gesteinsmatrix beeinflussen. Es wurden viele Studien durchgeführt, um Schlamm-Gesteins-Wechselwirkungen mit wasserbasiertem Schlamm (WBM) mit Schwerspatgewicht und Sandstein-Gesteinstyp unter verschiedenen Szenarien zu untersuchen: Expositionszeit, Tontyp und -gehalt sowie unterschiedliche Beschwerungsmaterialien. Die Expositionszeit wurde als Schlüsselfaktor für die Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein untersucht und die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass es einen klaren Trend zur Verringerung der Porosität und Festigkeit mit zunehmender Expositionszeit gibt8,19. Eine andere Studie untersuchte den Einfluss der Belichtungszeit auf verschiedene Sandsteinformationen wie Berea Buff und Spider, Bandera Brown und Parker. Die verschiedenen Gesteinsproben wurden über eine lange Einwirkungszeit Schlammfiltrat unter derselben Druck- und Temperaturumgebung ausgesetzt, und die Ergebnisse zeigten, dass sich das Gesteinsporensystem, die Durchlässigkeit und die Fließeigenschaften (Gesteinsdurchlässigkeit, Porenhalsradius und Art der Porensystemskala) ändern in unterschiedlichem Ausmaß, basierend auf dem Grad der Wechselwirkung des Schlammfiltrats mit der im Gestein vorhandenen Tonart und dem Tongehalt, indem die vorherrschenden Auflösungs- und Porenverstopfungsphänomene für die Gesteinsproben angegangen werden20. Darüber hinaus wurde bei den verschiedenen Sandsteinproben aufgrund der unterschiedlichen Tonarten, des Tongehalts und des Quarz-Ton-Matrixrahmens eine allgemeine Festigkeitsreduzierung im Bereich von 6–23 % beobachtet11,21. Die Beschwerungsmaterialien wurden auf ihren Einfluss auf das Porensystem der gebohrten Formationen für Sandstein- und Karbonatgestein untersucht und es wurde festgestellt, dass die Partikelgrößenverteilung des Beschwerungsmaterials ein steuernder Faktor für den Porenverstopfungsmechanismus und die Filterkucheneigenschaften während des Bohrvorgangs ist22. 23,24,25.

Das Übergleichgewicht als Bohrparameter beeinflusst erheblich den Formationsschaden, der in der gebohrten Formation selbst für kurze Zeit beim Bohren mit Übergleichdruck auftreten kann26. In der Fachliteratur wurde festgestellt, dass die Eindringtiefe der Bohrflüssigkeiten in das gebohrte Gestein mit zunehmendem Überdruck bis zu einem bestimmten Wert zunimmt und sich dann mit einem weiteren Anstieg des Überdrucks verlangsamt14. Folglich ist der Überdruck ein entscheidender Faktor für die Exposition und Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein, da er die Hauptursache für Schäden an der Bohrformation ist. Daher muss dieser Faktor eingehend untersucht werden, um seine Auswirkungen auf die Porosität, Durchlässigkeit und Strömung des Gesteins zu zeigen Eigenschaften und innere Porentopographie. Ähnliche experimentelle Analysen wurden in verschiedenen Studien durchgeführt, um das gebohrte Gesteinsporensystem und geomechanische Veränderungen durch den Einfluss verschiedener Faktoren auf die Gestein-Schlamm-Wechselwirkung für den Bohrvorgang im Bohrloch zu bewerten, wie längere Expositionszeit8,19, unterschiedliche Tongehalte und -typen 11, 20 und unterschiedliche Beschwerungsmittel für die Bohrspülungen 22,24. Die aktuelle Studie präsentiert jedoch umfangreiche Forschungsarbeiten zur Bewertung der Rolle des Übergleichdrucks auf die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung von Sandsteingestein. Zu den neuartigen Beiträgen der aktuellen Forschung gehört die Bereitstellung eines integrierten experimentellen Arbeitsablaufs zur Bewertung der Veränderungen im Porensystem von Gesteinen unter Verwendung von Röntgenbeugungen (XRD) und Rasterelektronenmikroskopen (REM) zur Untersuchung der Gesteins- und Porensystemveränderungen. Kernspinresonanztechnik (NMR) zur Beurteilung der Porengrößenverteilung von Gesteinen. In der Studie wurde eine modifizierte Alterungszelle für das Filterpressensystem verwendet, um die Gesteinsprobe für die Schlamm-Gestein-Wechselwirkung unter der Druck-, Temperatur- und Zeitumgebung unterzubringen und die Bohrlochbedingungen für die Schlamm-Gestein-Wechselwirkung während des Bohrvorgangs zu simulieren.

Sandsteingesteinsproben vom Typ Berea Buff wurden verwendet, um den Gesteinstyp darzustellen, der der Bohrflüssigkeit von mit Baryt gewichtetem WBM unter den gleichen Temperaturbedingungen (200 °F), Zeit (30 Minuten Filtration gemäß den Standardverfahren27) ausgesetzt wurde Der Übergleich-/Differenzdruck lag zwischen 300, 700 und 1000 psi, um die Rolle des Übergleichdrucks als Faktor für den Schlamm-Gestein-Wechselwirkungsprozess zu untersuchen.

Abbildung 2 zeigt den experimentellen Entwurfsaufbau für die aktuelle Studie, um das vorgeschlagene Ziel zu erreichen, die Rolle des Übergleichdrucks auf die Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein in der Bohrlochumgebung während des Bohrvorgangs zu untersuchen. Die Gesteinsproben (Berea Buff) wurden vorbereitet und in zylindrische Formen (2 Zoll Länge x 1,5 Zoll Durchmesser) geschnitten und mit 3 Gew.-% Kaliumchlorid (KCl) gesättigt, um Tonstabilität zu gewährleisten und das Quellen des Tons zu verhindern28. Für die Gesteinsproben wurde eine integrierte Gesteinscharakterisierung als mineralogische Zusammensetzung mittels XRD-Analyse, SEM und NMR-Spektrometrie durchgeführt. Auf diese Phase folgte der Filtrationstest, bei dem die Schlamm- und Gesteinsproben in der modifizierten Zelle für den Filtrationstest untergebracht wurden, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung wurde unter der vorgesehenen Temperaturumgebung (200 °F) durchgeführt. , Zeit (30 Minuten) und verschiedene Szenarien mit Überdruck (300, 700 und 1000 psi). Während des Filtrationstests beginnt die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung und die Filtrationseigenschaften für den Test wurden als filtriertes Volumen und die Filterkuchendicke nach dem Filtrationstest aufgezeichnet. Die Eigenschaften der Gesteinsproben wurden nach der Schlamm-Gesteins-Exposition bewertet, um sie mit dem Ausgangszustand (gesättigte Proben) zu vergleichen.

Experimentelles Design-Layout.

Schematische Darstellung der modifizierten Zelle für den Filtrationstest.

Die mineralogische Zusammensetzung der Sandsteingesteinsproben wurde mithilfe von XRD bestimmt, was zeigte, dass Quarz 91 Gew.-% ausmachte, Mikroklin 4 Gew.-% ausmachte und der Tongehalt 5 Gew.-% betrug (einschließlich Kaolinit, Smektit und Muskovit mit 3, 1, bzw. 1 Gew.-%). Das Quarztongerüst ist neben dem Tongehalt und der Tonart von entscheidender Bedeutung für die Schlammwechselwirkung29,30.

Die in dieser Studie verwendete Bohrflüssigkeit ist WBM und wurde gemäß der Schlammformulierung in Tabelle 1 hergestellt. Die Formulierung enthält Wasser als Basisflüssigkeit für die WBM-Bohrflüssigkeit, Polymer (XC) und Bentonit als Schlammviskositätskontrolle sowie Stärke Zur Kontrolle des Flüssigkeitsverlustes wurden Calciumcarbonate mit einer Größe von 50 Mikrometern (D50) als Überbrückungsmittel und Baryt zur Kontrolle des Schlammgewichts zugesetzt. Die rheologischen Eigenschaften des Schlamms für die Formulierung wurden bei einer Temperatur von 80 °F gemessen, wie es auf der Bohrinsel üblich ist. Die aufgezeichneten Werte wurden in Tabelle 2 aufgeführt, da das Schlammgewicht 12,25 ppg und der pH-Wert 9,5 beträgt, was als guter Bereich gilt der pH-Wert des Schlamms, der die Filtereigenschaften des Schlamms erheblich verbessert31. Die Schlammviskosität betrug 13 cP, während Fließgrenze, Anfangs- und 10-Minuten-Gelstärke 63, 11, 21 lb/100 ft2 zeigten.

Das Gesteinsporensystem wurde durch die Verwendung der Spektrometrieanalyse für das Rasterelektronenmikroskop (verbunden mit der Funktion der energiedispersiven Röntgenstrahlung) charakterisiert, und die Kernspinresonanz wurde als Gesteinscharakterisierungsinstrument in der Erdölindustrie eingeführt und lieferte erfolgreiche Forschungsstudien32,33 ,34.

Die REM-Analyse liefert Informationen über die innere Topographie von Gesteinsproben im Hinblick auf die Verstopfung der Poren aufgrund von Schwellungen oder Rutschungsniederschlägen sowie die Öffnung von Poren, die durch die Auflösung des Gesteins nach der Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein verursacht wird35. Daher kann die Integrität des Gesteinsporensystems mithilfe von REM untersucht werden um einen Hinweis auf Veränderungen im Porensystem nach der Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung bei verschiedenen Überdruckniveaus zu geben36.

NMR liefert eine Messung der transversalen Relaxationszeit (\({T}_{2})\) einer mit Wasserstoff beladenen Flüssigkeit, die die Poren von Gesteinsproben sättigt, wobei der \({T}_{2}\)-Wert proportional zu ist Radius des Gesteinsporenhalses37. Daher kann die Porengrößenverteilung von Gesteinsproben aufgezeichnet, analysiert und zwischen Phasen vor und nach der Schlammwechselwirkung verglichen werden, um Veränderungen im Porensystem bei unterschiedlichen Übergewichtsdrücken zu bewerten38,39. NMR-Ergebnisse können durchgeführt werden, um die Fließeigenschaften des porösen Gesteinssystems (Gesteinsdurchlässigkeit, Porenhalsradius und Skalentyp des Porensystems)40,41,42 wie folgt zu ermitteln:

Dabei ist k die Durchlässigkeit der Gesteinsprobe in mD, T2 in Millisekunden und \(\Phi\) die Porosität der Gesteinsproben (Fraktion). C ist ein statistischer Parameter aus den experimentellen Daten. r35 ist der Porenhalsradius, der einer Quecksilbersättigung von 35 % in µm entspricht.

In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der experimentellen Arbeit veranschaulicht, analysiert und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen die Veränderungen, die im Porensystem der Gesteinsproben aufgrund der Rolle des Übergewichtsdrucks bei der Wechselwirkung zwischen den Gesteinsproben und dem Schlamm aufgetreten sind.

Der Filtrationstest wurde bei drei Überdruckniveaus (300, 700 und 1000 psi) durchgeführt, wobei alle anderen Testparameter festgelegt wurden, um die Rolle des Übergleichdrucks zu untersuchen und zu bewerten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt und zeigen, dass das Gesamtfiltratvolumen (aufgezeichnet im 30-minütigen Filtrationstest) mit dem Überdruckwert zunimmt, wobei die gesamten Schlammfiltrate unter 300, 700 und 1000 5,5 cm3, 6,6 cm3 und 7,5 cm3 betrugen psi-Übergewichtsdruck bzw. Die Ergebnisse zeigen, dass nach der Erhöhung des Übergleichdrucks von 300 auf 700 psi ein Anstieg des gesamten erfassten Filtratvolumens um 18 % zu verzeichnen ist, während dieser Prozentsatz einem Anstieg des gesamten Filtratvolumens um 36 % entspricht, nachdem der Übergleichdruck von 300 auf 1000 psi erhöht wurde . Andererseits erhöhte sich auch die aufgezeichnete Dicke des Schlammkuchens mit dem angelegten Übergewichtsdruck: 1,51 mm bei 300 psi, 2,29 mm (52 ​​% Anstieg) bei 700 psi und 3,18 mm (111 % Anstieg) bei 1000 psi psi-Übergewichtsdruckniveau. Die gemessenen Filtrationstestergebnisse belegen die Rolle des Übergleichdrucks als Parameter im Bohrloch für die Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein, da die Filtrationseigenschaften (in Bezug auf Schlammfiltrat und Filterkuchendicke) mit zunehmendem Übergleichdruck zunehmen.

Die Sandsteingesteinsproben wurden hinsichtlich der Gesteinsporosität, der Verteilung der Porengrößenpermeabilität, des Porenhalsradius und des Porensystemtyps bewertet. Die Untersuchung dieser Parameter liefert wichtige Informationen über das Schadensniveau der Gesteinsproben bei einem Anstieg des Übergleichdrucks für die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung. Abbildung 4 zeigt die inkrementelle NMR-Porosität der Gesteinsproben im anfänglich gesättigten Fall (Wechselwirkung vor dem Schlamm) und nach der Wechselwirkung mit dem Schlamm (Wechselwirkung nach dem Schlamm) zusammen mit dem T2-Bereich, der den äquivalenten Porenradius für die Sandsteinproben darstellt. Die Ergebnisse zeigten eine offensichtliche Verringerung des inkrementellen Porositätsprofils unter einem Überdruck von 300 psi (Abb. 4a) und eine weitere Verringerung mit zunehmendem Überdruck (700 und 1000 psi) für die Proben 2 und 3 (Abb. 4b, c) und alle Proben Profil sind in Abb. 4d dargestellt. Die Diagramme zeigen, dass die Porenverstopfung auf die Ausfällung von Schlammfeststoffen nach der Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung zurückzuführen ist.

Die inkrementelle Porosität wird mit dem Übergewichtsdruck aufgetragen. (a) Unter 300 psi Übergewicht. (b) Unter 700 psi Übergewicht. (c) Unter 1000 psi Übergewicht. (d) alle Proben.

Darüber hinaus veranschaulicht die Darstellung der Profile der kumulativen Porosität für die Sandsteinproben über die verschiedenen Bereiche des Übergleichdrucks die Gesamtporositätsreduzierung für die drei Proben (Abb. 5). Die Diagramme zeigen, dass die Gesamtporosität bei einem Übergleichdruck von 300 psi von 21,6 % auf den Rekordwert von 17,6 % abnahm (Abb. 5a), bei einem Übergleichdruck von 700 psi auf 15,2 % sank (Abb. 5b) und bei einem Übergleichdruck von 1000 psi eine Gesamtporosität von 14,2 % erreichte (Abb. 5c), das die Reduzierung der Gesamtporosität des Gesteins (von 21,6 auf 14,2 %) mit der Erhöhung des Übergleichdrucks von 300 auf 1000 psi abschließt. Eine weitere wichtige Beobachtung über das Ausmaß der Formationsschädigung des inneren Porensystems besteht darin, dass die kleinen Poren durch die Erhöhung des Übergleichdrucks beeinträchtigt werden; Denn wenn nur ein Übergewicht von 300 psi angewendet wird, wird das großporige System beeinträchtigt (T2 größer oder gleich 200 ms), wie in Abb. 5a deutlich gezeigt. Eine Erhöhung des Übergleichdrucks auf 700 psi führte zu Formationsschäden am Porensystem, deren T2 größer oder gleich 8 ms war (Abb. 5b), und dieser Einfluss verstärkte sich und wirkte sich durch die Verlängerung des Übergleichdrucks auf die Porengröße aus, wenn T2 größer oder gleich 2 ms war auf 1000 psi, wie aus Abb. 5c hervorgeht. Die Vergleichsdiagramme für die drei Proben sind in Abb. 5d dargestellt, die deutlich das abnehmende Verhalten der kumulativen Porosität mit zunehmendem Überdruckniveau zeigt.

Die kumulative Porosität wird mit dem Übergewichtsdruck aufgetragen. (a) Unter 300 psi Übergewicht. (b) Unter 700 psi Übergewicht. (c) Unter 1000 psi Übergewicht. (d) alle Proben.

Die Gesteinsdurchlässigkeit wurde für die Wechselwirkung vor und nach dem Schlamm unter verschiedenen Übergleichsdrücken bestimmt und die Ergebnisse zeigten, dass die Durchlässigkeit mit zunehmendem Übergleichsdruck abnahm. Die Permeabilität verringerte sich von ihrem Anfangswert von 170 mD auf 105 mD unter 300 psi Übergleichgewicht, was einer Permeabilitätsreduzierung von 38 % entspricht. Dieser Einfluss nahm zu, während der Übergleichdruck auf 700 bzw. 1000 psi anstieg, was zu einer Permeabilitätsreduzierung auf 56 bzw. 43 mD führte.

Darüber hinaus wurde der Porenhalsradius bestimmt, der einer Quecksilbersättigung von 35 % entspricht, um den Einfluss der Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung auf den Porensystemtyp zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung des Übergleichdrucks von 300 auf 1000 psi zu einem Reduktionsverhalten führte für den R35 von 9 bis 5 µm, während die Größe des Porensystems auch nach der Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung immer noch im Makromaßstab liegt. Dies wird auf die guten Speicher- und Fließeigenschaften der Sandsteinproben zurückgeführt, wodurch der Einfluss des Übergleichdrucks auf die Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein minimal ist und nicht ausreicht, um den Porensystemtyp auf die Meso- oder Mikroskala zu reduzieren. Tabelle 4 fasst die Ergebnisse für die Porensystemeigenschaften für den Fall vor der Schlammbildung und für Szenarios mit zunehmendem Übergleichdruck zusammen.

Die Untersuchung der Topographie des internen Porensystems kann bei der Analyse der Veränderungen des Porensystems der Sandsteingesteinsproben vom Anfangszustand der Probe (Wechselwirkung vor dem Schlamm) und nach der Wechselwirkung nach dem Schlamm nach Auferlegen unterschiedlicher Überdruckniveaus hilfreich sein. Die SEM-Analyse (Abb. 6) der Sandsteinproben zeigt, dass das Porensystem aufgrund der Ausfällung der Schlammfeststoffe während des Filtrationstests eine Porenverstopfung aufwies. Dies bestätigt die Ergebnisse zur Reduzierung der Porensystemporosität. Der Ausgangszustand der Gesteinsmatrix und des Zementmaterials ist in Abb. 6a deutlich dargestellt. Abbildung 6b zeigt die Ausfällung von Schlammfeststoffen in den Poren nach einem Überdruck von 300 psi. während Abb. 6c, d Schlammausfällungen nach einem Überdruck von 700 psi bzw. 1000 psi zeigen. Die Ausfällung von Schlammfeststoffen nahm aufgrund des Anstiegs des Übergleichdrucks aufgrund der treibenden Kraft des Übergleichdrucks zu, der Feststoffe und Filtrat dazu zwingt, in das Gesteinsporensystem einzudringen.

Das innere Porensystem verändert sich mit dem Überdruck. (a) Anfänglich gesättigter Kern. (b) Unter 300 psi Übergewicht. (c) Unter 700 psi Übergewicht. (d) Unter 1000 psi Übergewicht.

Für die erhaltenen Ergebnisse wurde eine weitere statistische Analyse durchgeführt, um die Porosität und Permeabilität der beschädigten Gesteinsproben mit dem angewendeten Übergewichtsdruck in Beziehung zu setzen. Dabei zeigte sich, dass ein klarer starker Zusammenhang mit einem hohen Bestimmungsgrad (R2) besteht, der nahe bei 1 liegt aus den Abb. gezeigt. 7 und 8. Die Porositäts- und Permeabilitätswerte können aus der Polynombeziehung (Ordnung 2) wie folgt geschätzt werden:

Dabei ist \(\Phi\) die Porositätseinheit, ΔP der Überdruck in psi und K in mD.

Reduzierung der Porosität im Verhältnis zum angelegten Übergewichtsdruck.

Verringerung der Durchlässigkeit im Vergleich zum angewendeten Übergewichtsdruck.

Die erhaltenen Korrelationen weisen die Einschränkungen der experimentellen Bedingungen auf, wenn es um die allgemeine Anwendung im Hinblick auf den verwendeten Gesteinstyp (Berea Buff-Sandstein), das Schlammsystem (mit Schwerspat gewichteter Schlamm auf Wasserbasis) und die Wechselwirkungsumgebungsparameter des Übergleichdrucks geht ( 300 bis 1000 psi), Temperatur (200 °F), Zeit (30 Min.). Eine allgemeine Anwendung über die oben genannten Bedingungen hinaus muss durch experimentelles Design getestet und validiert werden.

Die entwickelten Korrelationen zeigen die statistische Beziehung sowie die physikalische Grundlage für die Beziehung der Porositäts- und Permeabilitätsverringerung zum ausgedehnten Übergleichdruck, da die erhaltenen Ergebnisse der umfangreichen experimentellen Arbeiten und Ergebnisanalysen zeigten, dass der Grad der Formationsschädigung stark davon beeinflusst wird Rolle des Übergleichdrucks bei der Wechselwirkung zwischen Schlamm und Gestein, da eine Erhöhung des Übergleichdrucks den Formationsschaden für die Sandsteingesteinsproben in Bezug auf Gesteinsporosität, Verteilung der Porengröße, Durchlässigkeit und Porenhalsradius sowie den Skalentyp des Porensystems erhöht.

Die aktuelle Forschung stellte einen experimentellen Arbeitsablauf vor, um die Rolle des Übergewichtsdrucks auf die Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung während Bohrarbeiten zu bewerten. Mit Baryt gewichtete WBM- und Sandsteinproben (Berea Buff) wurden verwendet, um die Formationsschäden zu bestimmen, die unter verschiedenen Überdruckniveaus (300, 700 und 1000 psi) auftraten, während alle anderen Schlamm-Gesteins-Umgebungen (Temperatur 200 °C) konstant gehalten wurden F) und Zeit (30 Min.). Aus dieser Studie lassen sich folgende Schlussfolgerungen ableiten:

Die Schlammfiltrationseigenschaften wurden mit zunehmendem Übergewichtsdruck verbessert, da die Schlammkuchendicke von 1,51 auf 3,18 mm zunahm (111 % Anstieg), während das gesamte aufgezeichnete Filtratvolumen von 5,5 auf 7,5 cm3 zunahm (36 % Anstieg).

Der Übergleichdruck wirkt sich auf die Porosität des Gesteins aus, wobei eine Erhöhung des Übergleichdrucks von 300 auf 1000 psi zu einer Verringerung der Gesamtporosität von 21,6 auf 14,2 % führt, wobei die Gesteinporosität nach der Schlamm-Gestein-Freilegung um 34 % verringert wird.

Die Gesteinsdurchlässigkeit verringerte sich von 170 mD (Ausgangszustand) unter Erhöhung des Übergleichdrucks von 300, 700 und 1000 psi auf Rekordwerte von 105, 56 bzw. 43 mD.

Die statistische Analyse ergab, dass die Porosität und Permeabilität des Gesteins mit zunehmendem Überdruck über eine Polynombeziehung mit einem hohen Bestimmungskoeffizienten von 0,99 abnahm.

Der Porenhalsradius (entspricht 35 % Quecksilbersättigung) für die Sandsteinproben zeigte einen Verringerungstrend (nach Erhöhung des Übergleichdrucks) auf 5 µm unter 1000 psi Übergleichgewicht gegenüber dem Ausgangszustand (Wechselwirkung vor dem Schlamm) von 9 µm. Das Gesteinsporensystem bleibt jedoch nach der Schlamm-Gesteins-Wechselwirkung mit zunehmendem Übergleichdruck im gleichen Porenmaßstab (Makrotyp).

Die SEM-Analyse bestätigte, dass der durch den Porenverstopfungsmechanismus verursachte Formationsschaden auf die Ausfällung von Schlammfeststoffen zurückzuführen ist, die mit zunehmendem Überdruck zunahm.

Die verwendeten Daten sind in diesem Manuskript verfügbar. In dieser Studie wurden keine weiteren Daten verwendet.

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Hany Gamal & Salaheldin Elkatatny

Zentrum für integrative Erdölforschung, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, 31261, Saudi-Arabien

Salaheldin Elkatatny & Abdulrauf Adebayo

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SE überwachte die Arbeit und Ergebnisanalyse. HG leitete den Entwurf der Methodik sowie der experimentellen Arbeit und Datenanalyse. AA beteiligte sich auch an der Methodengestaltung und Ergebnisanalyse. Das Originalmanuskript wurde von HG verfasst und alle Autoren waren an der Überarbeitung und Bearbeitung des Manuskripts beteiligt.

Korrespondenz mit Salaheldin Elkatatny.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gamal, H., Elkatatny, S. & Adebayo, A. Die Rolle des Übergewichtsdrucks auf schlamminduzierte Veränderungen des Sandsteingesteinsporensystems. Sci Rep 12, 8367 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12527-4

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Eingegangen: 08. Dezember 2021

Angenommen: 09. Mai 2022

Veröffentlicht: 19. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12527-4

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