保护储层钻井液综述

1、国内外大量的研究发现 ,储层具有高应力敏感性、高毛细管压力、高含水饱 和度和高水敏性的特点。 低渗透气藏还具有低孔隙度、 低渗透率和高含水饱和度 的特征。储层敏感性评价，以便找出导致储层损害的主要因素；钻井液对岩样污染程 度的评价 ,以便针对具体地层选择合适的钻井液或对使用的钻井液进行评价1. 鄂尔多斯盆地东部延长区储层特征鄂尔多斯盆地东部延长区，上古生界储层以低孔、低渗、低压，高毛管压和 有效应力为主要特征， 裂缝和徼裂缝发育， 储层的粘土矿物类型丰富， 外来工作 液进入储层容易导致酸敏、碱敏、盐敏等损害，属典型低压致密砂岩气藏，从我 区周边勘探实践来看， 常规完井液对储层伤害严重， 单井产

2、量较低， 屏蔽暂堵钻 井液能很好地保护储层 在研究储层损害机理的基础上， 总结借鉴周边气田经验， 探讨适合延长区天然气勘探的钻井完井液技术。从 2003 年开始，在登记面积 10752平方公里的范围内，开展天然气井的钻 探工作，目前己完成探井 3 口，主要含气层分布在上古生界下行盒子组、 山西组。 储层岩石孔隙度平均孔隙度7. 6%,平均渗透平均为0. 178X10 3卩m2,属典 型低压致密砂岩气藏， 储层的粘土矿物类型丰富， 微裂缝较发育， 钻井过程中工 作流体进入气层对将对气井产能带来严重影响。 油气储层损害与保护技术被引起 高度重视。延长区气层压力小于IMPa / km,属于典型的低压

3、、低孔、低渗的（致密）砂 岩,研究表明,地层损害机理主要为速敏、水敏、盐敏、酸敏、碱敏和储层裂缝 和微裂缝损害。延长区主要气层与鄂北塔巴庙及大牛地气田储层特性较为类似, 粘土矿物类 型丰富,微裂缝较发育,属致密性砂岩储层,具有地层孔隙压力低、低孔、低渗 和毛孔压力高、 有效应力高的特点。 从理论上, 在延长区实施屏蔽暂堵钻井液体 系,同样可以有效地保护储层。 但延长区储层非均质性强, 钻井液配方还要根据 不同的储层特性进行必要的调整,提高保护效果。2. 气层的主要伤害机理气层与油层相比 ,有很多不同之处。自然界中存在的气藏大多数是低渗气藏 , 储层普遍具有低孔、低渗、强亲水、大比表面积、高含束

4、缚水饱和度、高毛细管 力和低储层压力特点。这些特点决定了气层易受到损害 ,并且一旦损害 ,解除比较 困难。近几年来 ,D.Bennion 等人对气层损害机理进行了比较系统的概括性总结 , 对钻井过程中的气层损害机理总结为 :储层本身质量问题；水锁效应；欠平衡钻井中的反向自吸；钻井液固 相侵入 ； 钻具在孔壁磨光和压碎现象 ； 岩石一流体间相互作用 ； 流体一流体 间相互作用。并给出一个预测水锁效应发生与否的公式 ,但没有有关试验性的研 究资料,也没有分别定量分析各因素对储层的损害程度。鄂尔多斯北部塔巴庙地区的气藏是典型的低压低渗裂缝性砂岩气藏。 该区储 层具有孔隙度低、渗透率低或致密、储层压力

5、低、毛细管压力高、有效应力高以 及储层不均质性强、裂缝和微裂缝发育等特征 ,简称“三低两高一强”。储层损害 机理以储层液锁损害、应力敏感损害以及水敏、盐敏损害等为主。鄂北塔巴庙储层特征：1. 气藏压力偏低根据大牛地气田大1井区山1段DST测试资料、静压资料以及压力恢复测 试资料，塔巴庙盒1段、山1段气藏实测静压梯度为0.170.19 MPa/100 m,山1段 气藏压力系数为0.97盒 1段气藏压力系数为0.89,略低于正常压力。2. 气藏属于低孔低渗储层塔巴庙储层孔隙度统计结果表明，该区储层孔隙度主要分布在 4%10%范围 内所测样品最小孔隙度为0.5%,最大14.1%平均孔隙度7.66%,

6、孔隙度小于10% 的岩样占82.6%。储层孔隙度偏低。塔巴庙储层样品渗透率最大值为 40.25X 10-3 卩m2(该样品为含裂缝的灰色中砂岩),最小为0.0013X 10-3卩m2,平均0.38X 10-3 卩m2,渗透率主要分布在0.01X10-31X10-3卩m2,占总样品数的94.5%;大于1X 10-3卩m2的样品频率仅为1.5%。总体而言，塔巴庙储层属于低孔低渗或低孔特低 渗气藏储层。3. 储层裂缝和微裂缝发育观察岩心发现，塔巴庙地区及苏里格地区裂缝发育以垂直裂缝及高角度缝为 主，亦可见平行层理缝，多数裂缝无充填物，少量被方解石充填。在塔巴庙大 2、大 &大8等取心井中均见

7、到812条裂缝。苏里格庙石盒子组底部裂缝较发育，裂 缝密度为0.22条/m0.3条/m。经研究证实，裂缝发育的层段往往也是天然气的富 集区.4. 储层孔喉半径小、毛细管压力大(1) 喉道半径。储层砂岩最大连通孔喉半径在0.796.3卩m之间，平均孔喉半径在 0.0880.82卩m 之间，属于微细喉道(见表 1)。表1最大连通孔喉半径与平均孔喉半径分布最大孔喉区间所占比例(%)平均孔喉半径所占比例(%)< 1 Urn12< (1 161 3 Mm590.卜 0. 3 Um246 Um24() 3 0. 6 Urn53> 6 Um60. 60. 9 Um18(2) 排驱压力。排驱

8、压力0.120.92 MPa为典型的低渗透率储层分布区间。排 驱压力小于0.7MPa的岩样占88%0(3) 饱和度中值压力。储层砂岩饱和度中值压力在 22.90.9 MPa之间,变化范 围大。小于1.5MPa的岩样占18%,大于5.0 MPa的占53%。表明大部分样品产能 较低。所测区内储层岩样孔隙特征总体体现为孔喉半径小、 排驱压力低、饱和度 中值压力高，储层产能较低。3. 鄂北地区工程地质特点鄂北钻井液工作的重点是防止井径扩大和低压、 低渗储层保护。 优选三套适 合鄂北地区钻井需要的钻井液体系即 :钾铵基聚合物钻井液体系 ;两性离子钻井液 体系 ;正电胶钻井液体系并制定技术管理措施。井下复

9、杂情况、井径扩大率减小,各体系均具有良好的防塌性 , 能有效抑制地层水化膨胀和剥蚀掉块 , 并能提高机 械钻速 , 现场应用表明效果良好。鄂北地区表层的第四系风积砂层和志丹群砂砾层胶结差 , 可钻性好 , 易漏易 垮塌。侏罗系的安定组 ,直罗组和延安组砂岩段埋藏浅 , 欠压实。地层渗漏严重 , 易形成厚泥饼造成压差卡钻。三叠系的延长组、二马营组、和尚沟组、刘家沟组 地层层理裂隙发育 , 遇水极易剥落掉块。 二叠系及石碳系地层受构造应力的影响 , 泥页岩性脆 , 微裂缝发育 , 钻进过程中受到外力的作用容易发生掉块 , 并呈周期 性垮塌, 轻则影响进尺 ,重则可导致 掉块卡钻, 护壁防塌是该段的

10、关键。综上所述 , 鄂北地区钻井液工作的重点 : 一是防止井径扩大 , 以免井径超标 准。二是目的层具有低压、低渗等特点 , 极易受到外来流体的污染 , 所以储层保 护也是一个重要的课题。1） 优选的三套钻井液体系均适合鄂北地区钻井的需要。 2） 钾铵基聚合物钻 井液适合钻进层理裂隙不发育的易膨胀强分散或不易膨胀强分散软的砂岩与泥 岩。3） 两性离子钻井液 , 抑制性强 , 剪切稀释性好 , 利于提高机械钻速 , 处理剂 品种少 , 与其它处理剂相容性好 4） 正电胶钻井液体系对固控设备要求高 , 滤失 量较难控制 , 导致降滤失剂的用量较大 , 但井壁稳定。因此在钻井液的抑制性很 强的情况下

11、 , 钻井液的滤失量是否可以适当放宽需进一步讨论。 5） 从施工的 7 口井来看 , 保护井壁稳定 , 防止井径扩大 , 两性离子钻井液体系和正电胶钻井液 体系优于钾铵基聚合物钻井液体系 , 从现场配制维护处理的难易程度来看 , 钾铵 基聚合物钻井液体系和两性离子聚合物钻井液体系优于正电胶钻井液体系。 从成 本上来看 , 钾铵基聚合物钻井液体系优于两性离子聚合物钻井液体系和正电胶 钻井液体系。4. 鄂北低压低渗气藏地层损害机理1. 储层液锁 （水锁）损害由于毛细管力与毛细管孔道的半径成反比 ,因此 ,小孔道的低渗储层所产生的 毛细管力较大 ,更容易引起液锁损害。液锁 （水锁 ）效应引起的地层损

12、害在低渗 （致 密 ）气层中表现得较在一般储层中更为严重。研究表明 ,在低孔低渗油气层尤其是 低孔低渗气层中 ,液锁效应尤其是水锁效应常常使储层的有效相对渗透率下降到 原来的 1%10%以下。2. 储层应力敏感性损害塔巴庙储层应力敏感性实验研究采用了两种岩心 :无裂缝储层岩心 ; 人造 裂缝的储层岩心。前者评价储层基块渗透率随地层有效应力变化程度,后者评价储层裂缝或微裂缝在有效应力增大的情况下裂缝渗透率损害程度。 实验结果表明 : 鄂北塔巴庙地区应力敏感性极为显著。3. 储层水敏、盐敏损害 实验分析表明塔巴庙储层水敏损害程度中等偏弱 ,盐敏损害程度中等。由于 储层基础渗透率低 ,在气田勘探开发

13、过程中同样应注意防止储层水敏、盐敏引起 的地层损害。4. 储层裂缝和微裂缝损害 鄂北塔巴庙储层是存在裂缝和微裂缝的低压致密气藏储层。 分析认为工程作 业工作液造成裂缝性储层损害的机理主要有 :固相颗粒对储层裂缝或微裂缝的 堵塞;固相颗粒和滤液对储层缝孔界面的双重损害；滤液对储层基块渗透率的 损害,主要表现在作业液滤液造成的储层敏感性损害、毛细管附加阻力造成的低 渗气藏储层的伤害；滤液中处理剂对储层微裂缝或基质的损害等。5 化学沉淀引起的储层损害该地区储层地层水矿化度一般在 50000mg/L,属于CaCI2型，当使用高矿化 度重金属盐类的钻井液时， 在地层温度和压力作用下， 钻井液滤液中的一些

14、可溶 性的离子与地层水中的离子发生化学反应生成沉淀， 堵塞储层流通喉道， 导致储 层渗透率降低。6 钻井施工对储层的损害在钻井施工过程中， 压差偏大， 超过地层破裂压力时， 会造成钻井液大量漏 失，损害油气储层 ;浸泡时间过长，增加钻井液滤液进人储层的数量，增大储层 污染半径 ;钻井液流速梯度过大，冲蚀井壁，破坏滤饼，易造成井眼扩大，影响 固井质量 ;快速起下钻破坏了滤饼，增大井眼压差 ; 钻具刮削井壁，一方面可破坏 滤饼，使钻井液易于进人储层， 另一方面泥抹作用使固相嵌人渗流通道。 这些都 会损害储层的渗透率，影响储层的正确评价。5. 疏松砂岩储层保护的钻井液技术疏松砂岩储层孔隙度、渗透率分

15、布范围大 ,非均质性较严重。钻井过程中易 发生固相损害。另外，储层岩石粘土矿物的含量较高 ,储层一般呈现强水敏、强 盐敏。因此 ,在钻进该类储层时 ,应采用具有以下特性的钻井液以保护储层：(1) 减少粘土颗粒的侵入污染。粘土颗粒和钻井液固相颗粒靠水分子链构成 了空间网架结构 ,使得体系内没有独立的粘土颗粒存在。制约了粘土颗粒向油气 层孔喉内的侵入。(2) 抑制油气层中的粘土水化膨胀。钻井液固相颗粒进入油气层孔隙后被吸 附在粘土胶结物的表面 ,把粘土表面的吸附阳离子排挤出去。使粘土表面阳离子 活度降低 ,从而削弱了粘土的渗透水化作用 ;同时,固相颗粒吸附于粘土矿物表面 形成一层固态膜 ,阻缓了水

16、分子向粘土矿物的渗透。(3) 减少处理剂对油气层的污染。具有多种功能 (如强抑制性、润滑防塌特性 等,并具有一定的消泡能力 ),其体系只需加入数量较少的处理剂就能满足钻井工 艺技术所要求的各项性能 ,而且具有良好的稳定性。抗盐侵能力强。大大减少了 处理剂对油气层的污染。(4) 有利于返排和渗透率恢复。 形成的粘土复合体在油气层孔喉处形成的 “软 堵”是可变形的 ,在返排压力作用下可以顺利返排出来 ;另外,固相颗粒具有良好的 油溶性和酸溶性。可以通过储层原油的返排和酸化处理进一步恢复油气层渗透率。(5) 瞬间镶嵌封堵作用。钻井液中直径与储层孔喉直径相等的一次性封堵粒 子,在接触储层的瞬间迅速镶嵌

17、封堵大孔喉。(6) 架桥充填封堵作用。刚性粒子按照 2/3 架桥原则 ,在孔喉处形成桥堵 ,粒径 较小的充填粒子进一步充填桥堵形成的小孔隙 ,可变形粒子在压差作用下在已发 生桥堵的孔喉表面发生塑性变形 ,进一步降低孔喉处的渗透率。(7) 纤维材料搭桥封堵作用。纤维材料存在多个活性吸附点 ,可在孔喉处搭桥 , 使大尺寸孔喉变为数个较小尺寸的小孔喉 ,便于颗粒状材料进行架桥封堵 ,从而确 保了钻井液的广谱屏蔽暂堵功能。如有机正电胶钻井液体系、合成基钻井液 就具有此类性能钻进以保护储层。6. 大牛地气田气层损害因素分析通过实验研究和分析 ,认为大牛地气田主要存在以下的储层伤害 : 固相污染 ; 水相

18、圈闭伤害 ;地层流体与钻井液滤液不配伍造成的乳化和结垢 ;钻井液滤液与储 层岩石矿物不配伍造成的敏感性损害。鄂北塔巴庙低压气藏是典型的低孔低渗 (致密)砂岩,研究表明 ,大牛地气田地 层损害机理主要为 :(1)储层液锁 (水锁 )损害;(2)储层应力敏感性损害 ;(3)储层裂缝 和微裂缝损害 ;(4)储层水敏盐敏损害等。从入井流体上分主要为不适当的钻井液 完井液、射孔液与压井液等造成的地层损害。从损害敏感性分析 ,实验表明鄂北工区储层敏感性总体上为中等 ,其中应力敏 感性、碱敏性和 HF 酸敏性较强 ,而储层速敏性、水敏性、盐敏性和 HCl 酸敏性 为中等偏弱。7. 保护储层钻井完井液技术为解

19、决大牛地气田存在的严重的固相污染、水相圈闭等气层损害问题 ,DF2、 DP4、DP5、DP6和DP11井均采用了无固相钻井液和生物酶完井液。无固相钻 井液固相污染轻、水相圈闭伤害小 ,能有效提高机械钻速。生物酶完井液可有效 清除钻井过程中形成的滤饼 ,并能减轻水相圈闭的伤害。1) 无固相钻井液由于大牛地储层属于低孔低渗气藏。钻井液固相侵入较浅 ,但是堵塞程度非 常严重 ,而且一旦侵入就难以返排 ,加上水平井采用裸眼完井 ,固相污染带难以通 过射孔解除，造成储层渗透率很难恢复。利用 FDS800-6000储层伤害评价装置，分 别使用油基钻井液、无固相钻井液和常规黏土钻井液对岩心进行污染 ,然后使

20、用 相同的完井液进行处理 ,测定岩心气层渗透率恢复情况 ,结果见表 1。表1不同钻井液的岩心渗透率恢复值钻井液类型Aoi()UAd10'? Urn21()7 Un?恢复值%油棊L 120 360. 5145.53常规水基L260. 67().6853.97无固相水基1. 080* 81().9285* 19注:K（I为完扌液处理后的渗透率。由表1可以看出,由于避免了固相对地层的污染，无固相钻井液对该气田地层 岩心的伤害最小，用完井液处理后的渗透率恢复值达到85%以上;而油基钻井液，可能是由于发生了乳化，造成了更加严重的气层伤害。2）生物酶完井液生物酶是生物体产生的具有催化作用的蛋白质，

21、是一种生化催化剂，能够快速 将碳氢化合物从固体粒子表面剥离，降解碳氢化合物，最终将其转化为二氧化碳和 水。生物酶具有如下的特点和性质：本身可生物降解,对环境无污染;催化反应的范 围很宽，酶的活力是非酶催化剂的1 X 107倍;pH值为中性，对套管、钻具无腐蚀性； 完全水溶。因此，生物酶完井液既能满足储层保护的要求，又能满足环保的要求。生物酶完井液可以快速分解无固相钻井液泥饼，使储层渗透率快速恢复 85% 以上，完全满足了大牛地气田低压低渗储层水平井裸眼完井施工的需要。3）钻井完井液防水锁技术大牛地气田储层具有高基块毛管压力和低孔隙度、低渗透率、低正常压力系统,强水相圈闭损害是大牛地储层的主要潜

22、在损因素，因此要选择合适的钻井液 基液;,尽量减少钻井液侵入量，并要降低界面张力，加快工作液的返排速度，尽量采 用欠平衡作业。对防水锁剂进行了优选，结果见表3。由表3可以看出，防水锁剂5具有较高 的渗透率恢复值，能有效地防止水相圈闭损害，但防水锁剂在黏土含量高的地层中 会被吸附而失去作用，因此现场需要加大防水锁剂的加量。表3防水锁剂优选实验结果岩心 号防水锁剂10_ 3 Um 2心10 3 Um3恢复值%1防水锁剂】1.230. 6653.662防水锁剂2L 190. 7058.823防水锁剂30.550. 3054,554防水锁剂43. 120. 882& 205防水锁剂5L021.

23、0098.046防水锁剂60.030. 0266.678. 屏蔽暂堵技术目前鄂尔多斯北部地区大牛地气田即将进入气田开发阶段，但单井产量偏低 为了减轻钻井过程中对气层造成的伤害，2002年开始进行屏蔽暂堵保护气层的技 术试验。在研究鄂北塔巴庙气藏储层低压低渗砂岩气层损害机理的基础上，对该区块储层岩心进行了钻井液损害实验评价，然后开展屏蔽暂堵技术实验研究，总结 各井的试验效果，进一步优化配方，形成保护低压低渗砂岩气层的屏蔽暂堵钻井完 井液技术方案。通过实施屏蔽暂堵技术，减轻了钻井作业期间对储层的伤害。同 时井眼稳定，目的层井径规则，总结了一套实施屏蔽暂堵技术的方法和经验。1）屏蔽暂堵技术机理屏蔽暂

24、堵技术的机理是，在钻井液中加入一些与油气层孔喉相匹配的架桥粒 子、填充粒子和可变形的封堵粒子，利用钻井液压力与储层压力之间的正压差，使 这些粒子快速地进入储层，堵塞储层孔隙喉道，在井壁周围5 cm以内形成有效的、 渗透率极低的屏蔽环，阻止钻井液中的固相和液相进一步侵入储层，从而消除或减 少钻井液和固井时水泥浆对油气层的伤害。2) 屏蔽暂堵技术特点屏蔽暂堵技术要求钻井液中有足够多的与储集层孔喉尺寸分布相匹配的各 种架桥粒子及填充粒子 ,若储层存在裂缝或宽度较大的微裂缝 ,则架桥材料中还应 加入纤维状暂堵材料 ,用以封堵裂缝 ,纤维长度应根据裂缝宽度而定。现场施工要 确定合理的井底正压差和环空上返

25、速度等施工参数。屏蔽暂堵技术在保护井壁稳定 ,提高一次电测成功率和解释质量 ,尤其是抑制 储层井径扩大方面效果显著。由于暂堵材料多为惰性物质,对钻井液性能影响不大 ,适合于各种钻井液体系。搞清储层物性与孔喉特征 ,是实施屏蔽暂堵技术的基 础 ,是成败的关键。鄂尔多斯盆地地层不均质性强、横向变化大,因此需根据不同区块 ,加强储层物性研究和室内评价试验 ,不断完善屏蔽暂堵技术。3) 屏蔽暂堵钻井完井液体系施工技术重点(1) 层段之前调整钻井液性能达到设计要求 ,并随钻检测地层孔隙压力 ,及时 调整屏蔽暂堵钻井完井液密度 ,确保形成屏蔽环的正压差。(2) 用粒度仪对改造前后钻井液的粒度进行检测 ,并

26、绘制相应的泥浆粒度分布 曲线 ,并依据检测结果添加暂堵材料 ,确保屏蔽环能快速致密地形成。(3) 如实施屏蔽暂堵保护的井段较长 ,钻进过程中应不断检测钻井液性能和暂 堵材料的含量。(4) 钻进过程中应不断检测钻井液性能和暂堵材料的含量 ,每钻进 3050 m 检 测一次钻井液粒度分布 ,并依据检测结果在配制好的稀胶液中补充各种暂堵粒 子。4) 低压裂缝性储层屏蔽暂堵技术基本原理及特点(1) 屏蔽暂堵技术是利用钻井液中的固相颗粒 ,在一定的正压差作用下 ,在很 短的时间内(小于10 min),在距井壁很近的距离内(小于5 cm)形成有效堵塞(渗透 率为零 )的屏蔽环。它能阻止钻井液中大量固相和液

27、相进一步侵入储层 ,同时由于 它有一定的承压能力(屏蔽环强度大于11 MPa),可以承受固井时较高水泥浆密度 对地层的作用力 ,防止固井时水泥浆对地层侵入污染。最后 ,利用一种经济合理的 解堵方式解除或穿越屏蔽环 ,使储层的渗透率恢复到原始水平。(2) 屏蔽暂堵技术的关键在于钻井液中含有足够多的能与储层孔喉尺寸分布 相匹配的各种架桥粒子及填充粒子 ,对于裂缝性储层 ,需要有相应的非规则粒子。(3) 屏蔽暂堵技术只与钻井液中固相颗粒的粒径及分布、非规则粒子的尺寸 大小及含量和储层孔喉大小及分布有关 ,而与钻井液体系和储层的矿物及各类敏 感性无关。因此 ,可以在较复杂的储层条件下保护储层 ,易于大

28、面积推广。5) 试验区屏蔽暂堵钻井完井液基本配方在塔巴庙、杭锦旗地区实施保护气层屏蔽暂堵钻井完井液体系的基本配方是 原钻井液+纤维状暂堵粒子+架桥粒子+填充粒子+变形粒子+复配处理剂。体系配 方密度控制在1.061.13 g/cm3,其中纤维状暂堵粒子、架桥粒子和填充粒子根据 各井储层孔喉特征进行设计和复配，各种粒子和复配处理剂的加量根据实际情况 调节。表5是采用屏蔽暂堵钻井完井液体系配方后，岩心渗透率的恢复率，由此可 以看出，其效果是理想的。表5屏蔽暂堵实验结果岩心号R «KqK.恢复率(%)暂堵试验条件实验 液体(10_%12)压差(M Pa)时间 (m in)滤液(ni 1 j

29、D10- 370. 19196. 5660. 4562,3.0300.8配方4DI0- 40. ()894. 784. 35911 0()3. 030< (LI配方41)10- 210. 06864.4050. 7878.853.0300.2配方7)1 - 1210. 08712.619 7076.923.030< 0. 1配方7平均值7L746) 屏蔽暂堵技术应用效果分析(1) 降低失水,减少水锁损害。将钻井液改造成屏蔽暂堵钻井完井液后，体系密 度一般增加0.020.03 g/cm3有利于快速形成滤饼。由于暂堵剂的加入，使形成的 滤饼致密坚韧且光滑细腻，从而降低体系失水，减少了储层水锁损害程度