[科普中国]-钻井过程中的油层保护技术

发展历程

我国在20 世纪50 年代也开始认识到储层损害问题。60 年代大庆会战时, 对钻开油层的钻井液密度和滤失量提出了严格的要求; 70 年代长庆油田进行了少量的工作; 80 年代,特别是通过“ 七五” 国家重点科技攻关和“ 八五”、“ 九五” 的推广应用及完善提高, 我国已形成了一系列比较完善配套的保护油气层的钻井技术。

通过攻关取得了以下主要成果: 建立了一整套常温下储层损害室内评价装置、方法和标准, 研究确定了这些油气藏的主要损害机理; 完善和发展了储层损害矿场评价技术, 开发出了相应的计算机软件; 研制出了新型钻井完井液处理剂, 针对各类油气藏的潜在损害特点, 研制了新型钻井完井液; 建立了地层压力测试新方法, 完善和发展了近平衡钻井技术, 并开展了欠平衡压力钻井的实践; 研究出了适用于保护油气层的井身结构、套管程序及油层套管设计和选择新方法; 研制出了防止储层损害的固井水泥浆外加剂、低密度水泥浆及配套工具与固井工艺; 研制出了保护油气层的完井方法和相应的系列工具设备。

总体来说, 除因受试验仪器和装备限制的有些技术( 比如, 模拟地层条件和实际工况的储层损害评价技术、随钻实时监测技术、测试联作技术等) 与国外相比有一定的差距外, 对于受设备影响小的项目, 如常规储层损害评价和损害机理研究技术、保护油气层添加剂和钻井完井液体系、受装备影响小的保护油气层钻井完井技术等, 我国的技术水平与国外的差距已经很小, 有些还达到了国际领先水平( 如储层敏感性快速预测技术)。

油层损害机理及防护措施研究评价技术近几年, 国内外学者对储层损害的机理进行了广泛深入的研究, 已经取得了一些公认的结论:

①钻井液与完井液等外来流体中的固相颗粒和储层中原有的疏松颗粒经外力作用下产生运移, 将岩石的孔隙和孔喉直接堵塞;

②外来流体中的水分引起储层的粘土矿物水化膨胀, 使孔隙、孔喉变小, 油气流动受阻;

③ 外来流体与储层中流体发生物理化学作用, 生成难溶的无机盐类以及有机物沉淀或形成高粘度的乳状液, 堵塞油藏岩石孔隙, 增加油气流动阻力;

④外来流体中的滤液侵入储层, 引起储层润湿性反转, 降低油气的相对渗透率, 并影响原油采收率。

对储层损害的类型及原因见右表。1

油层保护钻井液系列及其配套技术钻井与完井的最终目的在于钻开储层并形成油气流动的通道，建立油气井的良好的生产关系。油气层损害将极大地影响油气井的产能。主要表现为油气层渗透率的降低。在钻完井过程中通过在钻完井液方面来减少对油气层的伤害，提高油气井的产量。渤海油田已开发多年，随着开发的不断深入，油田各主力区块的储层物性及温度压力系统发生了变化，因此针对储层特性，进行钻井液油层保护现场实施性能优化研究，制定适合各区块开发井储层特性的钻井液油层保护现场实施技术措施。

针对国内外钻完井液技术特点，开发了CBF成膜封堵钻井液技术，CBF成膜封堵钻井液技术是将超低渗透钻井液技术与广谱型屏蔽暂堵保护油气层技术进行有机融合，是根据储层孔喉分布特点，选择适当粒径的油气层保护添加剂，调整钻井液的固相粒度分布，使之与油气层孔喉直径分布相符，实现有效暂堵。同时利用成膜剂的膜结构特性，即参与油层孔喉的封堵，又堵塞刚性颗粒间的微孔隙，从而提高了封堵效果。提高地层承压能力，扩大安全密度窗口，实现近零滤失保护油气层。

钻井液方面1、正电胶钻井液的研究应用

MMH 是多层金属氢氧化物的英文缩写, 主要由铝镁氢氧化物组成。在20 世纪90 年代初国外开始使用MMH, 我国在1993 年以后逐步采用。MMH 正电胶钻井液自1994 年起便在胜利油区推广应用, 形成了年均应用600～800 口井左右的规模。1996 年至1998 年三年间应用该项技术累计钻井2000 口以上, 增油效果明显, 新增产值数亿元。MMH 钻井液的潜在价值主要在以下几个方面: 良好的流变性和悬浮性能; 对水敏性地层水化的明显抑制能力; 减少钻井液中小粒径颗粒的数量。

MMH 体系的独特性质对油层保护特别有利: 这种钻井液在近井壁附近保持其固态形式, 因而在井壁附近的机械作用很小, 有利于钻出规则的井眼, 保持较小的动态失水。现场实测证明, 在井眼中有一层3/ 4 英寸的流体静止层, 流体通道在钻杆附近。MMH 体系还具有很强的抑制能力, 随着MMH 浓度的增加页岩回收率增加, 随着基浆的稀释, 页岩回收率的变化范围很小, 但相对而言, 在高MMH 粘土比的情况下, 页岩回收率较高, 说明MMH 本身在抑制水化过程中起作用。

以前进行油气层保护, 主要是考虑产层的物性及钻井液性能, 而没有考虑产层的电性对油气层保护工作的影响。1997 年, 研制出一种稳定井壁能力强、润滑防卡性好、保护油层效果好、具有优良配伍性的新型泥浆处理剂———高正电黑胶BPS。黑胶BPS 的特点是具有很强的正电性, 能被水润湿, 具有油溶性, 可减少油流出时的流动阻力, 故BPS 将会在保护油气层方面发挥更卓越的贡献。由于它是采用油溶性溶质及非极性溶剂来进行合成, 其正电性比MMH 正电胶高出一倍, 我们室内合成的BPS 电位可达60 mv。这意味着吸附同样数量带电荷的蒙脱土, 可用更少量的黑胶BPS。合成BPS 所用的油溶性材料是一种力学封堵剂, 所以BPS 还具有一定的防塌作用。将该处理剂与基浆作用, 可得到抑制性很强的钻井液, 这种钻井液可稳定井壁, 携带钻屑, 并抑制其分散, 可望降低钻井液的费用。2

2、油基泥浆在水敏储层中的应用

常规油基泥浆, 以柴油作基液, 高软化点配浆材料、有机土、烧碱水等作为处理剂。室内配制时, 需要加热到70～80 ℃。成品油浆粘度高, 冬季无法施工。针对常规油基泥浆的缺点, 提出了以下几项改进意见: 粘度低, 流动性好, 受温度影响较小, 冬季可以施工; 所采用的材料易分散溶解于柴油中, 不需加热即可配制, 便于现场施工; API 滤失和HTHP 滤失要低, 滤饼薄, 固相侵入油层量少, 最大限度地保护油气层; 具有合适的性能参数, 保证钻井施工顺利。

为了达到上述要求, 在室内开展了大量实验工作, 最后研制出的油基泥浆性能稳定,流变参数合适, 满足携岩洗井及其他要求, 滤失量低, 滤饼薄, 可以很好地保护油气层。改进完善后的油基泥浆在40 ℃时测定性能参数如下:

密度: ≤1 . 80 g/ cm3 ; 漏斗粘度: 50～80 mPa·s; 塑性粘度: 20～40 mPa·s; API 滤失: 1～2 mL;静切力: 5～8 Pa/ 10～20 Pa; HTHP 滤失: 5～7 mL。

新型油基泥浆配方在以下几个方面有所创新:

①采用油基泥浆配浆剂A, 代替油基泥浆配浆剂B, 常温下即可溶解于柴油, 为实现现场配浆创造了条件。

②新研制的油溶悬浮剂、流型调节剂、降滤失剂、SN—1 固体乳化剂等处理剂, 合理配伍获得了性能优良的成品浆。

③该配方API 滤失及HTHP 滤失低, 滤饼薄, 固相侵入油层量少, 可以最大程度地保护油气层。

④该配方漏斗粘度受温度影响较小, 冬季( 零下20℃ ) 可以正常施工。

3、可循环泡沫钻井完井液技术

可循环泡沫钻井液完井液的特点为:

①密度低, 可在0 . 6～0 . 99 g/ cm3 范围内根据需要调节和循环使用, 利用井队原有设备即可满足施工;

②经室内评价, 岩心渗透率恢复值高达96 . 68% , 因而该体系保护油气层效果好;

③ 可提高机械钻速;

④对岩心污染小, 荧光显示灵敏, 有利于发现新的油气藏。可循环泡沫钻井液完井液1995 年研究成功, 并在现场试验2 口井; 1996 年应用5 口井; 1997 年应用1 口井; 1998 年应用12 口井。井数呈逐年增加的趋势。

4、聚合醇钻井液室内试验和现场应用研究

随着钻井技术的发展和对勘探开发效益的追求, 定向井、水平井、多底井分支井以及丛式井等复杂井的钻井技术成为钻井发展的方向, 与之配套的油基钻井液应用相应地增加, 因为油基钻井液能够对付复杂地层, 减少卡钻次数, 从而能够节省钻井总成本, 并能减少油层损害。但是以前使用柴油为基础油的油基钻井液不能满足环保部门提出的毒性指标, 尤其是海洋钻探作业数量的日益增长, 各国政府对海洋环境保护更加重视, 相应对海上钻井作业时的排放物毒性限制更加严格。20 世纪80 年代以来, 国外发展了无毒(或低毒) 的油基钻井液, 以满足生态环境方面的要求。这种无毒钻井液最大的问题就是成本高, 据称在国际市场上其价格是柴油的3～6 倍, 再加上其粘度低, 需要的增粘剂多, 又使其成本增加了许多, 所以也没有得到推广。

在水基钻井液中加入一种或几种添加剂使其具有油基钻井液的特性, 具有广阔的前景, 配方中加入非离子烷氧基的表面活性剂, 从20 世纪50 年代中期就作为页岩抑制钻井液使用, 并被人们所接受; 水基钻井液中含有较低的( 1%～5%) 聚合醇, 能够提高井壁稳定质量, 作为抑制性页岩钻井液在60 年代得到应用, 现场试验证明这种体系在许多方面能够提高钻井液特性。

随着对油气层保护重要性的认识日益加深, 油气层保护添加剂的研究与应用也越来越受到重视。聚合醇在钻井液中具有抑制泥页岩水化膨胀, 提高钻井液润滑性, 清洁钻具,降低滤失量和保护油气层等作用, 并具有成本低, 对环境无污染等特点。国外从20 世纪80 年代末开始, 将聚合醇做为最具潜力的油气层保护添加剂进行研究, 并在墨西哥湾等地区进行了现场应用, 取得了良好的效果。国内从90 年代中期开始研究聚合醇在钻井液中的作用, 并在塔里木油田和胜利油区的十多口井现场实验, 取得了令人满意的结果。在钻井过程中全井使用聚合醇泥浆成本太高, 因此把工作的重点放在油层保护方面。在钻进油层前对泥浆进行改性, 使其转变成为聚合醇泥浆, 达到安全快速穿过油层、减少油层损害的目的。

聚合醇泥浆是把常规的水基泥浆改性, 通过添加聚合醇优选而成。这种聚合醇在温度的影响下有一个急剧的相变过程, 地面温度下可溶解于水, 井底温度下会从水中析出形成乳状液, 在井壁周围形成凝胶, 起到保护油层和稳定井壁的作用, 其稳定性、润滑性及抗温性能较好, 且毒性低、不污染环境。室内实验证明, 该泥浆对油层保护能够起到积极作用。

聚合醇在油层保护中的作用机理, 有以下几个方面:

①抑制机理。聚合醇抑制地层中粘土的水化膨胀, 降低了粘土矿物对储层的损害。

②浊点行为。聚合醇水溶液出现浑浊时珠”, 能堵塞地层孔隙, 减少泥浆滤液的侵入从而保护油气层。

③疏水作用。聚合醇吸附在泥饼和地层孔隙中形成一层疏水的油膜, 阻碍了泥浆滤液对地层的损害。

④ 形成复合物。吸附在粘土表面上的聚合醇与交换到粘土表面上的钾离子相互作用形成复合物, 可阻止粘土和水的直接接触, 从而防止了粘土的水化膨胀, 保护了油气层。

聚合醇种类繁多, 分子结构变化较大, 不同的聚合醇在油气层保护中的作用机理有很大的差别。目前对聚合醇在油气层保护中作用机理的研究已落后于实际应用, 势必影响应用效果和进一步推广。其目的就在于深入研究不同种类的聚合醇在油气层保护中作用机理, 为该技术的进一步发展和推广应用提供理论依据, 并将具有不同作用机理的聚合醇进行优化组合, 使其在油气层保护中发挥出最佳效果, 从而为增储上产做出贡献。使用本项技术, 可以替代目前使用的油层保护材料, 对于屏蔽暂堵技术效果不太理想的孔喉大小及分布不均值油藏等其他特殊储层有很好的暂堵作用, 而且对环境无污染, 同时是与合成基泥浆很好配合的油层保护材料, 有较好的经济、社会、环境效益。

5、屏蔽暂堵技术的应用

(1) 基本原理。在钻井完井液中加入一定量级配的粒子, 利用粒子侵入油层孔喉造成堵塞, 使油层渗透率下降, 在裸露地层表面附近形成一个浅层即内泥饼, 在打开油层的几分钟内于油层近井壁处形成一个渗透率几乎为零的污染带。污染带进入油层的深度为1～10cm, 污染带的渗透率为(0～1) ×10-3μm2 。该屏蔽层随着正压差的升高, 其致密性增强, 它将阻止钻井液对油层的继续污染, 从而消除因浸泡时间增长对油层的损害, 也阻止了固井水泥浆对油层的污染。完井后, 解除屏蔽环, 恢复储层渗透率, 因而也称暂时性的堵塞, 达到有效的保护储层的目的。

(2) 技术原则。钻井液柱与储层孔隙的压差是形成屏蔽环的动力条件, 依孔隙喉道尺寸调整钻井液固相颗粒的粒级与之匹配, 在孔喉入口1～5 cm 范围内架桥, 填充形成堵塞孔喉的屏蔽环, 使其渗透率下降到(0～1) ×10-3μm2 ， 即可有效地阻止液相向油层深部继续侵入。有效屏蔽环的形成时间只与完井液中固相粒子的级配程度、桥塞固相颗粒的浓度、填充粒子的浓度及压差有关, 不需考虑储层类型, 粘土含量、钻井液性能及体系影响。该项技术成本低, 简单易行。

(3) 屏蔽暂堵技术关键———桥塞粒子的选择及粒子浓度的确定。保护油层的钻井液中的固相粒子有三种: 数量足够的、能在油层孔喉上稳定架桥的桥塞粒子; 比架桥粒子小的填充粒子; 高度分散的、能在压差和高温下变形的微粒, 即变性粒子。三种粒子同时作用, 形成上述的污染带。屏蔽暂堵技术中应用三种粒子才能形成致密的屏蔽环。在实际应用中, 桥塞粒子一般选用轻质超细碳酸钙, 填充粒子就是钻井液中的小颗粒, 变性粒子选用具有在地层温度下软化的材料, 陆地上一般使用磺化沥青, 如果对钻井液材料的荧光有限制, 则可选用油溶性树脂。

屏蔽暂堵技术的特点是:

①仅对储层的裂缝、孔喉半径及其分布在钻井液中的固相粒子级配之间的关系进行研究, 与钻井液的类型, 储层的其他特性无关;

②压差的增加有利于暂堵技术的进行, 压差越大效果越好;

③变形粒子的软化温度应与储层温度匹配; ④屏蔽暂堵剂不损害钻井液的原有性能, 在某些方面具有改善作用, 如能够降低滤失量。

三种粒子在钻井液中同时存在, 桥塞粒子按照储层孔径的2/ 3 原则级配。胜利油区储层平均孔喉半径一般小于20μm, 而钻井液粒度测定表明, 钻井液中小于5μm 的细颗粒占总固相的60%左右, 完全可以满足封堵的需要。变性粒子的直径大部分在0 . 5～3 μm, 一般也不需要控制粒径, 只需控制浓度, 加量不小于1%即可。

需要严格控制粒径的是桥塞粒子, 对桥塞粒子的粒径选择按下述方法操作:

(1) 桥塞粒子粒径选择的依据。统计各油区的储层孔隙分布及占总孔隙体积的含量,计算出孔隙在储层中占的百分比含量; 根据孔隙直径计算桥塞粒子的粒径; 利用激光粒度仪测定桥塞粒子的粒径分布; 将孔隙直径与其占孔隙体积含量、桥塞粒子的粒径和含量、钻井液中的粒子粒径和含量列表。

(2) 桥塞粒子浓度的确定。桥塞粒子粒径分布确定以后, 下面就其浓度的确定进行计算需要封堵的储层体积和桥塞粒子的加量。

屏蔽暂堵技术是石油科技界公认的优质、高效、低耗的油气层保护技术。通过对各种岩心、各种暂堵剂、颗粒粒径及加量进行系统研究, 确定了实施屏蔽暂堵技术的钻井液完井液配方, 并继续进行优化。根据不同油田、不同储层物性(渗透率、孔隙度孔喉半径、矿物组成、敏感性等) , 提出了保护油气层的技术措施, 该项技术施工方便, 很快大面积推广应用, 其中在海洋开发的主力油田。2

完井液方面CFR完井液主要有缓蚀、防膨、防乳化、杀菌等药剂构成。其射孔液主要由螯合酸、互溶剂、缓蚀、防膨、防乳化、杀菌等药剂构成。其作用机理主要为：

第一:缓蚀剂在金属表面上形成良好的膜层，隔离或减少酸液与金属的接触面积而抑制腐蚀；同时缓蚀剂与完井液具有良好的配伍性。

第二:铁离子螯合剂能有效防止因PH值降低而在地层生成氢氧化铁沉淀,造成地层堵塞伤害.它通过还原及螯合双重作用将地层中的Fe3+离子稳定,减少因沉淀而堵塞地层的缝洞。

第三:聚合物粘土稳定剂可与粘土间形成紧密的结合，不易在水中解离形成使粘土易膨胀的扩散双电层，从而起到有效的防止粘土膨胀的作用，降低泥页岩的水化、膨胀、分散，有利于敏感性砂岩粘土矿物的稳定。

第四:防水锁乳化剂具有低表面张力和超低油水界面张力,可以有效的增大油水两相同流区,改变低渗透油层中流体的渗流特性,增加注入水的初始压力梯度,减少原油渗流的初始压力梯度,使油水流度更加接近,减少油的“卡断”现象,降低贾敏效应。

第五:互溶剂是一类无论在油水还是在水中都有一定溶解能力的物质，能与油和水二者相混。它们进入地层后，优先吸附于砂粒和粘土表面，不但使微粒和不溶物成为水润湿，而且使地层成为水湿，改善地层的渗透性。在现场施工过程中维护原则：

1．保证前期工作循环系统干净无污染，井眼干净。

2．完井作业选择配伍性强的完井液，减少地层损害。

3．打开油层时确保以负压射孔，减少各种液体与地层接触。

4．确保与地层接触的液体的粒度，匹配好离经大小。（2微米-5微米）

5．确保浊度NTU≤30以减少物理-化学-热动力学作用所产生的有机物、无机物等沉淀和结垢现象；减少各种水、碱、酸、固相、水泥等敏感性反应。

6．控制合理的生产压差，防止地层出砂、微粒运移等污染。

7．保持完井液各项性能指标，确保作业顺利。

8．保持各种液体的反排性、解堵性，提高油层的渗透恢复率，增加产能，提高采收率。1