西南石油大学储层保护技术第5章

第五章

保护油气层钻井完井液技术石油工程学院提纲1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽暂堵技术1、工作液概述钻井液完井液发展历程钻井完井液新进展完井液简介钻井完井液体系1.1钻井液完井液发展历程公元前256，中国盐井用清水作钻井液公元1859，美国第一口油井用清水作钻井液1914～1916，正式有泥浆(钻井液)定义1921～1926，澎润土、加重剂、初级化学剂30年代～50年代，钙处理钻井液及较高级化学剂产生。同时发展油基钻井液，1950年开始油包水钻井液1.1钻井液完井液发展历程70～80年代—低毒、低胶性油包水钻井流体—木质素磺酸盐钻井液、三磺深井钻井液，生物聚合物钻井液，KCl盐聚合物钻井液，聚丙烯酰胺类钻井液—保护油气层钻井完井液，暂堵性(三类)钻井完井液，无粘土相聚合物钻井完井液1.1钻井液完井液发展历程90年代—环境保护，大位移水平井和深井为推动力，以增效增产为目标—阳离子聚合物、合成基、甘油聚合物钻井液—硅酸盐、MMH阳离子、聚乙烯醇(PVA)钻井液—磷酸氢二铵(DAP)、共聚物/聚丙烯乙二醇Amps(COP/PPG)钻井液—甲酸盐盐水(小井眼)、两性聚合物钻井液—低密度气体型流体(欠平衡钻井)—全油钻井液1.2钻井完井液新进展钻井液技术围绕“安全、健康、高效”，从单一技术向综合技术方向发展，体现低成本、增储上产，适合环保、深井、深水、高温、井壁稳定保护油气层技术向实用综合方向发展，机理方面有创新，技术取得新进展深井钻井液技术又有新突破1.2钻井完井液新进展聚合醇新型钻井液广泛应用合成基钻井液进入实用阶段钻井液环保技术得到应用井壁稳定基础理论取得突破固控设备与技术进入新阶段废弃钻井液处理技术计算机应用1.3完井液简介概念—完井液从钻开油气层到正式投产前用于井眼流体。一般把井上作业期间任何接触生产层的流体都叫完井液种类—钻井液、水泥浆、射孔液、隔离液、封隔液、套管封隔液，砾石充填液、修井液、压裂液、酸液1.3完井液简介对钻井完井液的要求——控制储层流体压力，保持正常钻进——满足工程要求的流变性——稳定井壁，改善滤饼，防止各种复杂问题——具有保护油层性质——其它性质包括在对完井液要求的范围内1.4钻井完井液体系水基钻井完井液(WBM)—连续相为水的钻井液为水基钻井完井液；清洁无固相盐水，无粘土相钻井液，暂堵性完井液油基钻井完井液(OBM)—连续相为油的钻井液为油基钻井完井液气体型钻井完井流体(GBM)—气体、雾、泡沫及充气钻井完井流体合成基钻井完井液(SBM)—合成人工有机体为连续相的钻井完井液提纲1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术2、水基钻井完井液控制钻井液损害的因素钻井完井液发展新方向几种水基钻井完井液2.1控制钻井液损害的因素油气藏地质—储层物性、孔隙结构、润湿性、裂缝发育状况—储层敏感性矿物特征、储层敏感性—油气藏流体组成及性质—油气藏温度、压力及剖面压力分布—地层剖面的岩性及对钻井液组分和性能的影响2.1控制钻井液损害的因素钻井液组分及性能—固相颗粒含量、尺寸及分布—钻井液与储层流体化学配伍性—钻井液与储层流体粘度对比值—钻井液滤液特性—钻井液本身质量2.1控制钻井液损害的因素工程因素—钻井液密度及超平衡压力值（压差）—钻井液与储层接触时间（浸泡时间）—钻井液循环速度—钻井液温度剖面—井壁稳定、事故安全、设备工具2.2钻井完井液发展新方向滤饼屈服值—泥饼屈服值(切力)是去泥饼的关键性能—初始流动压力被证明与屈服值成线性关系，加重剂的性质、颗粒分布、浓度直接影响屈服值—减小屈服值方法：采用近平衡钻井，井下安全，减少泥饼屈服值；减少固相浓度，使用匹配的固相粒度分布，减少滤失量，减少固相微粒侵入储层；钻井液类型，泥浆类型不同对滤饼有很大的影响—利用润滑剂及分散剂可改善滤饼屈服值，但往往造成储层损害，宜小心2.2钻井完井液发展新方向滤饼的形成—形成机理：带渗透性固相表面渗滤，固相颗粒沉积—滤饼具有渗透性、润滑性、强度、压缩性、封堵性—通过化学成分的改变可控制滤失量及滤饼性质—内因：固相颗粒分布（粘土、钻屑、石灰粉、盐粒、树脂）化学剂、水化作用、颗粒间作用力—外因：压力、温度、密度、流体流变性、储层结构性质、储层固相与滤饼间作用力2.2钻井完井液发展新方向优质滤饼的作用—滤饼的双重性：稳定井壁作用和防止固相侵入及减少滤失量—滤饼易解除，用酸、油、水易溶解，还可用微生物或酶等方法消除—目标：消除对砾石充填、井下筛管、封隔器堵塞，对于水平井的保护尤为重要2.3几种水基钻井完井液PEM浆（聚合醇）甲酸盐完井液MMH钻井完井液阳离子聚合物钻井完井液2.3.1PEM浆（聚合醇）选用PF-JLX低分子量范围：500～2000之间PF-JLX在浊点温度以上，JLX分子从水中分离，吸附在钻具、套管、岩石和滤饼表面，增加其润滑性，它还可以进入泥页岩裂缝，起到封堵裂缝的作用小分子JLX与粘土、钻屑表面吸附，粘土、岩屑粒子晶层吸附，钻井液中液相呈氢键吸附作用：削弱粘土、岩屑的水化、钻井液的水化能力，防塌抑制性、稳定井壁2.3.1PEM浆PEM浆组成—主要由PF-JLX(水基润滑剂)，PF-WLD(防塌剂)组成—PF-JLX是聚乙二醇低聚物，分子量保持在500～2000左右相宜，是良好的润滑防塌剂—PF-WLD多元醇聚合物是类硅酸盐结构的化学剂，具有很好的抑制性，对井壁稳定有利2.3.1PEM浆PEM浆特性—有双保作用(保护井壁，保护油气层)；PF-JLX，PF-WLD，具有良好的兼容配伍性，它对常用的化学剂Drispac,Antisol，Polydrill,SPNH,Desco,XC,PAM,DFD等均具有很好的配伍性，能很好发挥各自作用—无荧光，生物毒性达到环保要求的钻井完井液—具有高温稳定性—抗粘土侵和钙镁离子的污染，在淡水、海水中均可配制—可代替目前泥浆体系中润滑剂，磺化沥青，白油和KCl四种处理剂2.3.2甲酸盐完井液优点—密度可达1.34g/cm3和1.6g/cm3，甲酸铯可达2.3g/cm3。无固相液，有利提高钻速及保护油气层—抗高温，性能稳定，与处理剂配伍性好—有强抑制性，与储层岩石、流体配伍，抗盐、抗钙、抗污染—腐蚀性弱—毒性极低并可生物降解，易为环境接受应用范围—小井眼钻井，侧钻水平井，连续软管钻井等2.3.3MMH钻井完井液优点—具有一定的抗温性，在高温下具很好的流变性—对低孔低渗储层，液相损害是主要的，应加强钻井液滤液的抑制性、表面张力和侵入量的控制—普遍用来改善流型和保护井壁—正电胶MMH具有很好的保护油层效果2.3.3MMH钻井完井液应用范围—适合钻开油气层，表现出保护油气层的优越性—钻开油层前使用阳离子型改性泥浆，或整个地层配浆液均可—对各种渗透率范围储层均适用，适用性广—对淡水及盐水(海水)配制均可得到良好的钻井完井液—钻井完井液、压井液、修井液均适用2.4.4阳离子聚合物钻井完井液体系特征：含有分子量为几十万到几百万的大阳离子聚合物和分子量为几百到上千的小阳离子季铵盐组成：大阳离子、小阳离子、膨润土、降滤失剂、增粘剂等组成特点：抑制性强应用范围：主要用于稳定井壁和保护储层2.4.5改性钻井完井液组成原钻井液+增粘剂+降失水剂+粘土稳定剂+暂堵剂+其它（防卡剂、缓蚀剂）改性内容与目的添加粘土稳定剂，抑制储层水敏损害添加增粘剂和降失水剂，调节原浆流变性能，降低体系失水量添加暂堵剂，调节颗粒级配，控制固相颗粒与滤液侵入适当调节原浆密度，尽量降低体系密度提高体系携砂能力，保证钻井完井作业安全进行2.4.5改性钻井完井液特点保护油气层效果较好配制改性简单，成本低，维护方便应用范围广体系保护油气层效果难以把握。提纲1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术3、气体型钻井完井液低密度流体发展简史低密度入井流体类型五种低密度流体低密度流体应用泡沫和微泡沫3.1低密度流体发展简史发展过程：水→油→气→雾→充气→泡沫发展历史—顿钻开始就是清水钻井开始。—天然气钻井1940年(30年代已开始)—雾钻井1952～1958年—空气钻井1954年—泡沫钻井1975年(50年代已开始)3.2低密度入井流体类型3.3五种低密度流体3.4低密度流体应用新疆小拐油田欠平衡钻井实例3.4低密度流体应用3.5泡沫和微泡沫—密度可调（0.5—1）—分散相为微泡沫（10—100μm）—无需特殊设备，不影响泵上水，不影响MWD测试—反复使用，固控装置及钻头水眼冲刺不破坏微泡结构—结构为多层膜包裹的气核，液膜是维持气泡强度的关键，需加适合的表面活性剂—需要高屈服应力与剪切稀化特性的稳泡剂，XC为有效化学剂之一—产生均匀气核是形成微泡的重要因素，要考虑水动力学及喷嘴气蚀状况性能泡沫密度低(0.032~0.064g/cm3)，井底压力低；携屑能量强

(10倍于水、4～5于泥浆)－泡沫强度高、粘度大液量低－含水量低于25％，水被束缚液膜中流体中无固相具有较好的封堵能力3.5泡沫和微泡沫泡沫钻井的特点：3.5微泡沫应用—微气泡堵塞滤饼造成滤失量降低，亦可堵塞裂缝、溶洞，可作为防漏堵漏的化学剂—已在美国进行几口井现场试验提纲1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术4、合成基钻井完井液合成基钻井流体发展简史合成基体系特性配方及性能比较4.1合成基钻井流体发展简史90年代列为三大类流体——水基(WBM)、油基(OBM)、合成基(SBM)合成基：流体二代产品——第一代：酯基、醚基、聚α—烯烃(PAO)——第二代：线型α—烯烃(LAO)

线型α—烯烃同分异构体(IO)

线型石蜡(LP)两代差异：第二代流体成本低、环境配伍略差，但还符合标准，粘度略低，其他技术指标与第一代相似4.2合成基体系特性体系外相为有机合成物，不含芳香烃，对环境无损害闪点较矿物油高，发生火灾和爆炸的可能性小凝固点比矿物油低，可在寒冷地区使用液相粘度比矿物油高较高热稳定性，在200℃以下是稳定的，在升温时满足携带岩屑的需要，低温时仍具有可泵性易分散于海水中，钻屑清除容易4.2合成基体系特性较强抑制性、井眼稳定性，较好的润滑性，适用于水平井、大斜度井和多底井较易调控和稳定的常规钻井液性能节省了用油基钻井液要处理钻屑和环境污染的费用，也消除了因使用水基钻井液达不到性能要求而损失的钻机时间，钻井费用有时比水基钻井液还要低良好的保护油层效果4.3配方及性能比较提纲1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术5、油基钻井完井液发展史低毒矿物油浆特征全油钻井液体系5.1发展史5.2低毒矿物油浆特征由低芳香烃含量矿物油配浆，毒性低，在海洋可排放添加剂均为低毒性或无毒性化学剂矿物油浆与柴油浆性能比较—润滑性相似—矿物泥浆有剪切稀化特性—常温条件下，矿物油浆粘度大于柴油油浆—高温条件下，矿物油浆与柴油油浆性能相似5.2低毒矿物油浆特征毒性：矿物油浆基本无毒—矿物油LC50＞100000，无毒—柴油LC50为100～580，有毒性—岩屑滞留量，矿物油浆5%～6%，柴油油浆15%～17%成本：矿物油浆比柴油油浆高20%～30%，但矿物油可回收，节省清洁费用，矿物油比柴油节省6%以上费用具有耐高温、抗各种盐类污染、保持井壁稳定等优点突出优点：有利快速钻井5.3全油钻井液体系体系优越性提高井眼净化能力提高流变性控制能力容易维护改善后勤供应降低成本低毒环保接受不会形成乳状液，不会使储层润湿反转提纲1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术6、屏蔽式暂堵技术地层损害控制的意义问题的提出及创新思路技术思路论证屏蔽式暂堵技术原理技术应用效果屏蔽式暂堵技术思想的指导作用地层损害（FormationDamage)概念地层损害的影响—妨碍油气层及时发现、准确评价、高效开发地层损害控制技术：系统工程、跨越多学科钻井完井过程中的损害控制最为关键6.1地层损害控制的意义6.1.1钻井完井过程中的损害损害因素：正压差、固相、液相、浸泡时间90％以上的井——用正压差打开油气层泥浆固相损害程度10~90％泥浆、水泥浆滤液产生的损害可达10~100％侵入带深度：固相可达1米，液相>1米6.1.2损害的严重后果产层渗透率下降10～100％，产能下降10～100％中低渗透油气田特别突出——我国70％以上的储量先天不足，敏感性强，极易被损害，损害难于消除不能及时发现——隐蔽型油气藏类型之一不能准确评价——边际油气田，SZ36—1增加作业费用——酸化、压裂措施几—几十万元/井6.1.3钻井完井过程油层保护技术“七五”攻关达80年代末国际先进水平——岩性分析及测定技术——敏感性及损害评价技术——损害机理诊断技术——损害矿场评价技术——保护油层钻井工艺技术——保护油层钻井完井液技术——保护油层优化射孔技术——保护油层酸化、压裂技术6.1.4保护储层钻井完井液技术气体类钻井完井液油基类钻井完井液水基类钻井完井液—清洁盐水体系—有固相无粘土钻井液体系—水基类改性钻井完井液体系6.2问题的提出及创新思路6.2.1技术背景“七五”技术无法完全解决钻井完井损害问题90％以上的井仍不得不在正压差被打开固井水泥浆的损害无法避免多套产层、多压力系统的保护无法实现储层保护与钻井工艺、泥浆工艺的矛盾无法调和6.2.2技术思路的演变及局限性产生损害后如何消除——解堵技术预防为主，解堵为辅——配伍性、活度平衡损害只能尽量减小——暂堵技术局限性：单因素、“头疼医头，脚疼医脚”欲真正解决技术难题，必须就现有的技术思路作出根本性改变6.2.3屏蔽暂堵创新技术思路前提条件:把井打成的基本要求——泥浆中固相粒子不可消除——对地层正压差不可避免——对地层的损害堵塞客观存在必须接受前提条件，必须从现实出发，保护技术才能与钻井、泥浆工艺相容，才可能有推广价值和应用前景如何变害为利呢

基本设想：通过研究固相微粒对储层孔喉的堵塞规律，打开储层时，人为控制，使固相微粒在井壁上快速、浅层、有效地形成一个致密堵塞带，就可能防止储层的进一步损害快速－几分钟到十几分钟内形成浅层－堵塞深度在10厘米以内有效－堵塞带渗透率极低，甚至为零在钻井完井液中添加适当数量与大小的固相颗粒，以便在钻开油气层后能快速有效地在油气井近井壁带形成致密的桥堵带，从而防止钻井完井液固相颗粒与滤液继续侵入地层，然后通过射孔等完井方式打开屏蔽环。这种保护油气层的技术称屏蔽暂堵钻井完井液技术。6.3屏蔽暂堵技术6.3.1基本概念易塌层高压层低压层屏蔽层1/2~2/3桥架离子>3%1/4充填离子>1.5%可变形离子=1~2%6.3.2基本原理sPsPsPrarw暂堵层rwra压差、孔喉与粒径比、屏蔽层厚度间的关系快速：在5-10分钟以内有效：稳定耐压耐冲洗近井壁带：在井壁3-5cm以内致密：渗透率接近06.3.3几个关键词6.3.4创新技术思路预期结果：阻止泥浆对油层的继续损害，消除浸泡时间的影响，并消除水泥浆的损害解除措施：损害带很薄，可通过射孔解除最终目的：损害带的渗透率随温度和压力的增加而进一步减小，从而把造成地层损害的两个无法消除的因素：正压差和固相粒子，转换成实现这一技术的必要条件和有利因素，从理论上就能够解决这个国内外一直未能解决的难题6.4技术思路论证6.4.1固相颗粒堵塞孔喉的物理模型——单粒架桥后，逐级填充6.4.2固相颗粒堵塞孔喉的计算机模拟6.4.3岩心流动实验6.4.4矿场取心检验6.4.1固相颗粒堵塞孔喉的物理模型——单粒架桥后，逐级填充（1）架桥粒子的桥堵（2）填充粒子的填充（3）变形粒子的填充6.4.2固相颗粒堵塞孔喉计算机模拟6.4.3岩心流动实验验证产层孔隙结构分析粒喉径比为2/3是形成稳定架桥的匹配条件ki/kw渗流速度1/31/22/3架桥粒子的临界浓度为3％左右ki/kw粒子浓度3%QS-1超细CaCO3颗粒粒度分布6.4.4粒子架桥规律架桥粒子的堵塞深度在2～3厘米之内架桥作用在10分钟内即可完成匹配得当时，可快速、浅层地获得稳定的桥堵级配合理的填充粒子可进一步降低桥堵的渗透率填充粒子浓度应大于1％ki/kw孔隙体积倍数2/31/21/4软化变形粒子的填充规律可变形粒子的粒径应比刚性粒子更细（小于1/5孔喉尺寸可变形粒子的浓度一般为1～3％可变形粒子填充后，可使堵塞带渗透率趋于零变形粒子浓度％

Ki/Kw

0 0.00510.86 0.00281.6 0.000912.4 0.00047EP-1颗粒粒度分布6.4.5堵塞实现的条件正压差：压差越大屏蔽效果越好一般油藏，压差应大于3.5MPa时间：10分钟内形成屏蔽环，延长时间无影响温度：温度的影响取决于变形粒子的软化点屏蔽环可防止水泥浆对产层的损害屏蔽环的反排解堵可达到70％以上6.5矿场取心检验夏子街油田：井壁取心—证明侵入深度2~3cm吐哈油田：对比井取心—L10-18试验井，屏蔽环K下降95-99%，强度7.8-20MPa，深度0.58-2.09cm,反排压力0.12-0.86MPa—L11-17井（常规泥浆）K损害率65%，侵入深度超过5cm6.6屏蔽暂堵技术要点（1）准确掌握油层孔喉和固相颗粒的尺寸及其分布（2）确定架桥、填充和变形粒子的种类、尺寸和加量（3）专用暂堵剂调整钻井液中固相颗粒尺寸及含量（4）评价屏蔽环的有效性、强度、深度和反排效果（5）选择合理的正压差和上返速度（6）必须采用优化射孔技术与之配套6.6屏蔽暂堵技术要点6.7屏蔽暂堵技术的必要性不可能用调整钻井液滤液的矿化度的办法来要避免水敏或盐敏损害；钻井液处理剂无法去掉，要满足井壁稳定的要求，保证泥浆的携屑等要求，就不可避免地要使用多种处理剂，它们对地层的损害也难以避免只要使用般土泥浆就存在固相损害，特别是对储层中物性较好的储层层更为严重；泥浆和水泥浆的滤液不可避免地会引起水锁损害；原钻井泥浆伤害实验１、利用原对油气层有害的因素---钻井液中的固相颗粒、压差。在一定的正压差作用下，在很短的时间内（＜１０分钟），在距井壁很近的距离内（＜5cm）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相进一步侵入储层，同时由于它有一定的承压能力，也能在高压差下阻止水泥浆的固相和液相进入储层。最后利用射孔方式解除屏蔽环，使储层的渗透率恢复到原始水平。

6.8特点２、根据钻井液中各种粒子的粒径及分布情况，只需加入一定量的架桥粒子，即可将一般钻井液改造成具有优良保护效果的钻井完井液，施工简单，维护方便，成本低。３、屏蔽暂堵技术只与钻井液中固相颗粒的粒径及分布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油层，易于大面积推广。6.8特点

1、储层特征尤其是储层孔喉大小分布研究通过压汞、薄片技术、扫描电镜等2、架桥粒子与填充粒子大小设计3、原浆颗粒粒度分布与大小检测4、架桥粒子与填充粒子加量设计5、具体配方设计6.9主要研究内容与研究方法6、暂堵强度实验检测屏蔽环强度7、暂堵深度实验屏蔽环深度8、返排解堵实验屏蔽环返排能力，（>70%）9、架桥粒子与充填粒子对泥浆性能影响实验架桥粒子与填充离粒子屏蔽暂堵实验（例）配方1：细粒CaCO3+超细CaCO3+FT-1+原钻井液配方2：细粒CaCO3+超细CaCO3+EP-1+原钻井液配方3：超细CaCO3+EP-2+原钻井液配方4：超细CaCO3+DYY-1+原钻井液暂堵实验结果暂堵强度实验（例）反排解堵实验结果（2）暂堵剂对泥浆流变性能的影响(2)6.10技术创新点

“变害为利，矛盾转化”的观点构思新颖、设想巧妙在新思路指导下的作用机理、物理模型及相关理论研究均有其独特之处探索出了钻井液在正压差下打开油层并