（油气井工程专业论文）大港油田新型保护油气层钻井完井液体系研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n da p p l i c a t i 。n 。f n e wf 。r m a t i 。np r o t e c t i 。nd r i l l i n ga n d c 。m p l e t i o n f l u i ds y s t e mi nd a g a n go i l 刚d x uh o u 姐n g ( p i l & g a s w d le n 酉n e e r i n 曲 d c t e db yp r o f j i a n gg 啪c h e n g 掣置o n 竺：竺! = ：鼍彻撕。np 也c 6 。n 把d m 。g i e sh 吖em a a ea 铲e a t 呻融s s ，z ? m e1 ：竺y ：麓三三篓三篡= 1 ：篡：= 二三二，t 二三叫 霉、7 ：l i 如黧黧：= = ：篡慧芝1 二兰三葚鼍；芝= ：i n g = s 二 山曼翼冀慕二罴竺。= = 嚣：= 三：= 毒盖一d 砌 s y ? 。，：m ? ：n d ：烹= 芝；竺。= 詈譬慧默= 三。：忑1 - 曲巧 e 啦c i 8 1 1 y 龇三竺等：。意s ：竺= 1 鬈：= 淼蒜g a t ，a e ? 一，一竺= = 墨= 盖：箸1 鬣篙茹础a t e s b 疵 。p 竺p 翼。竺三、三i = = ：兰s ：葚：唧a t m n 姆m p 叩e 譬：s 芋= ：芝。= 三= ：篙= 。= 三蓄二三= 蒜r e 盘缸 攀洲s 。二竺：黑，篆：1 ：s ：n 篙1 苫：篓二。a ta 印p e r 协o r 竺主冲絮黑、竺w h 篡j ，：= s 嚣? 二= 篙芸：) n m u a f 二d 掣叩呼咖黑三筹：鼍= 之麓：恶：耋1 ：薹1 ：= 二$ s t e m 鼢 ! d 篡幽曼竺然曼三= = ：= 三署茹i = 。 m 冀胁竺芝：等= = = 嚣：i 淼觚a n e d m 竺k ：等篡= 三= = 箍盖：葛：e sw 一 三! 三撕芝：絮m 1 兰：x = 三= ：葛苫；= n e n t s w e r ec a 删 斌竺黑。墨黑黑= 怒= ：= 茹= ：淼n g 伊甜 o u t r e s u n ss h o w 也a t t 1 1 i sp r i n c i p l ei sh o p e f u l t oa c m e v e 1 e 残r uu m n 蜡。 k e yw 。r d s ：。a g a l l g 。i lf i e l d ，f o m a ：t i o np r o t e c t i 。n ，d r i l l i n g a n dc o m p l e t i 。nn u i d ， c o o p e 姐垃o ns y n e r 西s m ，f i e l da p p l i c a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学雠文作者签名： 徐建英 日期- 硼年分月牙日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：蝴年扩月2 莎日 日期：彩年5 月刀日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 随着经济的发展，人们对石油和天然气的需求越来越大。2 0 0 5 年，全国石油消费量 达到3 2 亿吨，其中国内产油1 8 亿吨，对外依存度4 3 7 ，预计到2 0 2 0 年对外依存度 将达到6 0 。近几年来，尽管我国发现了一些大型石油资源，但仍不能改变石油的供需 缺口状况。 科学研究和生产实践表明，在油气勘探开发的各个环节，都有可能不同程度地造成 油气层损害，严重影响新油田的发现和油井产量。油气层保护一直是国际石油工程界最 为关注的重大技术攻关方向之一。 在钻井过程中，由于钻井液所产生的正压差的存在很难避免对所钻油气层造成伤 害，为了降低油气层损害的程度，最终实现零伤害钻井，所以开展了油气层保护钻井完 井液体系的研究。目前国内外正在研究与应用的体系主要有：无侵入、正电胶( m m h ) 、 硅酸盐、甲基葡萄糖( m e g ) 、甲酸盐、全油基、合成基钻井完井液体系等。 保护油气层钻井液技术中最常用也是很重要的一项就是屏蔽暂堵技术【l 】。 常规屏蔽暂堵技术，即在钻井液中加入一定种类和数量的架桥粒子、填充粒子和可 变形胶体粒子，通过这三种粒子在井壁表面形成屏蔽暂堵环而达到暂堵目的。所用暂堵 剂的种类有水溶性暂堵剂( 如具有一定粒径的盐粒) 、油溶性暂堵剂( 如油溶性树脂) 和酸 溶性暂堵剂( 如具有一定粒径分布的超细碳酸钙) 等。屏蔽暂堵技术在一定程度上对油气 层起到了较好的保护作用，但所用的暂堵剂必须与油气层的孔喉直径严格匹配，以达到 架桥的目的，从而形成高质量的屏蔽暂堵环。然而，在实际应用过程中，很难做到“严 格匹配”，一方面由于准确且完整的油气层孔径资料不易获得，选择粒径就带有盲目性； 另一方面由于油气层的非均质性较强，油气层的孔喉直径分布范围较宽，往往导致所选 暂堵剂只能对某一井段达到较好的暂堵效果，而不能有效保护整个油气层。 后来又出现了种新型暂堵技术广谱“油膜”暂堵技术，该暂堵技术对油气层 的保护作用仍基于屏蔽暂堵技术。但与常规屏蔽暂堵技术相比，该技术最大的优点就是 其暂堵效果对地层孔径的依赖性小，它可同时封堵较宽直径范围的孔喉。其作用原理有 两个方面：一方面在一定温度和压差作用下，油溶性材料通过软化、变形，如楔子状楔 入地层岩石颗粒间封堵地层孔喉，另一方面油溶性材料通过其本身所带有的正电荷与地 层岩石颗粒产生静电吸附，从而快速地在近井壁处形成一层韧性强、渗透性低的“油膜” 暂堵屏障，最大限度地阻止钻井液中的固相和液相侵入油气层。此广谱“油膜 暂堵剂 第1 章前言 g p j 的油溶性好，且对地层的暂堵深度浅，因此既可以通过后期原油生产的冲击和溶解 作用直接解除暂堵屏障，也可以通过射孔解除，恢复近井壁处的渗透i 生，从而达到较好 的封堵和解堵效果。 本文通过大量室内实验，在广谱“油膜”暂堵剂g p j 基础上开发了一种新型保护油 气层钻井液处理剂f p a 。它的使用效果更优于暂堵剂g p j 。它不仅与油气层孔喉间存在 物理充填作用，同时还与油气层岩石间存在静电吸附作用，能在井壁形成一层油溶性薄 膜。钻井液侵入地层段更浅且有利于返排解堵，并且克服了广谱“油膜”暂堵剂g p j 在油田使用过程中配伍性不够稳定的缺点，通过在大港油田和胜利油田大量的现场试验 研究，表明它与油田现有的多种钻井液配伍性良好。此处理剂使用方便，将它以3 5 的比例加入普通钻井液中，便得到了一种新型钻井液体系，它具有良好的保护油气层 效果，会给油田的实际生产带来巨大经济效益。 针对大孔隙和裂缝性地层或多压力共存地层，在文献调研的基础上提出了“堆积一 成膜屏障”协同增效原理。即在钻进中遭遇此类地层时，常规屏蔽暂堵技术和新型保护 油气层钻井液处理剂f p a 配合使用。利用常规屏蔽暂堵技术中的架桥粒子如碳酸钙大颗 粒或纤维类暂堵剂首先在大孔隙或裂缝处架桥，然后处理剂f p a 在架桥的表面再形成一 层超低渗透的油膜。架桥颗粒的存在提高了所成油膜的膜强度，可以支持更大的压差存 在。另一方面新型保护油气层钻井液处理剂f p a 的存在降低了钻井液向地层的滤失，增 强了钻井液体系的油气层保护效果。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章文献综述及主要研究内容 2 1 国内外油气层保护技术的发展和应用 石油天然气工业一诞生，客观上就存在地层损害这个问题，早在3 0 年代就提出了 地层损害这个名词。国外保护油气层钻井液技术在7 0 年代有较快的发展。7 0 年代石油 技术最重要的成就之一就是在防治油层污染方面。近年来，保护油气层在国际上已经发 展成为勘探、开发各个生产作业全过程的一项重要技术。 国外在认识、研究和防止油气层损害的过程中，随着问题的深入、技术的进步，在 保护油气层上大致经历了三个阶段。 表2 1国外油气层保护技术的发展历程1 2 1 搜小反 存在的问题年代发展原因技术发展水平 展阶段 认识阶石油价格低、基本忽有些学者开始提出油井投产 重视降低原油成本，忽略提 5 0 年代 段略油气层损害问题时存在油气层损害问题 高油井产量 西方国家出现能源危运用实验室研究分析手段，研 主要体现在实验室工作上， 6 0 7 0 年 初级阶机，油价上涨，开始究油气层损害机理，开始研究 各研究成果对现场有一定 代中期段重视防止油气层损无损害工作液和添加剂，以及 应用，但未形成大面积使用 害，提高油井产量 有关配套工艺 每两年召开一次油气层损害 仍有一定程度的工作量停 认识到油气层损害严会议，继续加强实验室分析研 留在实验室里，研究成果在 7 0 年代中发展阶重，轻者使油气井产究工作，将研制和发展的无损 现场得到不同程度的应用， 期目前段能下降，重者油气井害工作液、添加剂，以及有关 在应用中尚有不足之处，有 不出油气配套工艺技术运用到现场，并 待进一步研制和发展 得到良好技术经济效果 近几年，国外比过去更加注重通过油气层保护的手段来降低生产成本，提高勘探、 开发的效果。如美国能源部( d o e ) 和美国国家石油能源研究所( n i p e r ) 曾在塔尔萨( 1 s a ) 举行了“油气层损害及其控制 的研讨会，会上对损害类型和治理损害的方法展开了热 烈的讨论。同时，5 位国外著名专家一致认为，由于损害后实施补救措施不仅难度大， 而且费用高，因此，保护油气层必须立足于以预防为主。 此外，国外非常强调钻井液完井液优化设计，认为关键技术在于减小固相微粒侵入 深部油气层、钻井液滤液与地层流体和岩石的配伍问题以及正确实施暂堵技术【2 】。同时 认为建立油气层损害的室内、现场评价方法和损害机理的诊断方法是开展保护工作的前 提条件，并且强调建立损害程度( 用表皮系数表示) 与油井产能之间的关系是十分重要的， 因为这样才便于进行经济效益的分析，并对采取何种保护措施作出决策。然而，由于针 对探井的保护油气层研究工作难度较大，目前国外对解决此问题尚未形成完整的思路。 我国5 0 年代开始注意到保护油气层这个概念的意义，8 0 年代从理论和实践上全面 3 第2 章文献综述及主要研究内容 研究这个问题的必要性和重要性，并开展了保护油气层的钻井、完井技术的研究。在“七 五”、“八五”、“九五”期间，总公司组织了对油气层保护技术的科技攻关，并推广了研 究成果，取得了明显的经济效益。到目前为止，形成了水基、油基和气基钻井完井液三 大类配方，推广应用了各种类型的暂堵剂和暂堵技术，近年来得到了比较广泛的应用。 2 2 保护油气层对钻井液的要求 钻开油气层钻井液不仅要满足安全、快速、优质、高效的钻井工程需要，而且要满 足保护油气层的技术要求。通过多年的研究，可将这些要求归纳为以下几个方面【3 】。 ( 1 ) 钻井液密度可调，满足不同压力油气层近平衡压力钻井的需要 我国油气层压力系数从0 4 到2 8 7 ，部分低压、低渗、岩石坚固的油气层，需要用 负压差钻井来减少对油气层的损害，因而必须研究出从空气到密度为3 o g c m 3 的不同类 型钻井液才能满足各种需要。 ( 2 ) 钻井液中固相颗粒与油气层渗流通道匹配 钻井液中除保护必须的膨润土、加重剂、暂堵剂等外，应尽可能降低钻井液中膨润 土和无用固相的含量。依据所钻油气层的孔喉直径，选择匹配的固相颗粒尺寸大小、级 配和数量，用于控制固相侵入油气层的数量与深度。此外，还可以根据油气层特性选用 暂堵剂；在油井投产时再进行解堵。对于固相颗粒堵塞会造成油气层严重损害且不易解 堵的井，钻开油气层时，应尽可能采用无膨润土相钻井液。 ( 3 ) 钻井液必须与油气层岩石相配伍 对于中、强水敏性油气层应采用不引起粘土水化膨胀的强抑制性钻井液，例如氯化 钾钻井液、钾铵基聚合物钻井液、甲酸盐钻井液、两性离子聚合物钻井液、阳离子聚合 物钻井液、正电胶钻井液、油基钻井液和油包水钻井液等。对于盐敏性油气层，钻井液 的矿化度应控制在两个临界矿化度之间。对于碱敏性油气层，钻井液的p h 值应尽可能 控制在7 8 ；如需调控p h 值，最好不用烧碱作为碱度控制剂，可用其它种类的、对油 气层损害程度低的碱度控制剂，对于非酸敏油气层，可选用酸溶处理剂或暂堵剂。对于 速敏性油气层，应尽量降低压差和严防井漏。采用油基或油包水钻井液、水包油钻井液 时，最好选用非离子型乳化剂，以免发生润湿反转等。 ( 4 ) 钻井液滤液组分必须与油气层流体相配伍 确定钻井液配方时，应考虑以下因素：滤液中所含的无机离子和处理剂不与地层中 流体发生沉淀。 ( 5 ) 钻井液的组分与性能都能满足保护油气层的需要。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 保护油气层的钻井液类型及新进展 为了达到减少对油气层的损害的目的，我国已经形成三类十一种用于钻开油气层的 钻井液【4 1 。 2 3 1 水基钻井液 ( 1 ) 无固相清洁盐水钻井液 其密度靠加入不同数量和种类的盐进行调节，其密度范围为1 o 2 3 9 c m - 3 。 它仅适用于套管下至油气层顶部，油气层为单一压力体系的裂缝性油层或强水敏油 = ， 力写。 但该种类由于种种原因，在我国很少用作钻井液，只在解孔液与压井液中较为广泛 使用。 ( 2 ) 水气油钻井液 组分 油、水、水相增粘剂、交辅乳化剂等。 用途 特别适用于技术套管下至油气层顶部的低压、裂缝发育、易发生漏失的油气层。 ( 3 ) 无膨润土暂堵型聚合物钻井液 组分 水相、聚合物、暂堵剂固相粒子。 采用不同种类和加量的盐( 可溶性) 来调节p ；流度性通过加入低损害聚合物和高价金 属离子来调节；滤失量通过加入各种与油气层孔喉直径相匹配的暂堵剂来控制。 种类 a 酸溶性暂堵型类 用c a c 0 3 f e c 0 3 作为暂堵剂。 不适用于酸敏油气层。 b 水溶性暂堵剂型 用n a c l 、硼酸盐作为暂堵剂。 仅适用加有盐抑制剂与缓蚀剂的饱和盐水体系。 此类暂堵剂可在油井投产时，用低矿比度水溶解各种盐粒解堵。 c 油溶性暂堵剂型 常用的为油溶性树脂，按其作用可分为两类：一类是脆性油溶性树脂，它主要用作 s 第2 章文献综述及主要研究内容 架桥粒子。这类树脂有油溶性聚苯乙烯、在邻位或对位上有烷基取代的酚醛树脂、二聚 松香酸等。另一类塑性油溶性树脂，它的微粒在压差下可变形，在使用中作为填充粒子。 这类油溶性树脂有：乙烯醋酸乙烯树脂、乙烯丙烯酸脂。 该暂堵剂可由地层中产出的原油或凝析油而解堵，也可注入柴油或亲油的物质加以 溶解而解堵。 d 单向压力暂堵剂类型 常用改性纤维素或各种粉碎为极细的改性果壳、改性木屑等。 用途 只宜使用在技术套管下至油气层顶部，而且油气层为单压力系统的井。 此类钻井液尽管有许多优点，但成本高，使用条件较苛刻，故在实际钻井过程中使 用不多。 ( 4 ) 低膨润土聚合物钻井液 尽可能降低使用中膨润土的含量，使其既能使钻井液获得安全钻进所必须的性能， 又能不对油气层产生较大的损害。 ( 5 ) 改性钻井液 其改性的途径为： 降低钻井液中膨润土和无用固相含量，调节固相颗粒级配。 按照所钻油气层特性调整钻井液配方，尽可能提高钻井液与油气层岩石和流体的 配伍性。 选用合适类型的暂堵剂及加量 降低静、动、h t h p 滤失量，改善流变性与泥饼质量。 ( 6 ) 屏蔽暂堵钻井液 解决多压力层系问题效果较好。 上部井段存在高孔隙压力或处于强地应力作用下的易坍塌泥岩层或易发生塑性 变形的盐膏层和含盐膏泥岩层，下部为低压油气层； 多套低压油气层之间互高孔隙压力的坍塌泥岩互层。 老油区因采油或流水而形成的多压力层系地层等，采用以上阐述过的各类钻井液 均解决钻井液与油气层间形成的过高压差而引起的油气层损害。 2 3 2 油基钻井液 能避免油层的水敏作用，对油气层损害程度低。油基钻井液仅可发生的下几方面的 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 损害： 油层润湿反转、降低油相渗透率； 与地层水形成孔状液堵塞油层； 油气层中亲油固相颗粒运移和油基钻井液中固相颗粒侵入等。 2 3 3 气体类流体 ( 1 ) 空气 组分：空气或天然气、防腐剂、干燥剂等。 用途：常用来钻已下过技术套管的下部漏失地层，强敏感性油气层和低压油气层。 特点：机械钻速高，能有效地防止井漏等问题。 ( 2 ) 雾 由空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成的流体。 ( 3 ) 泡系流体 由空气( 或n 2 、天然气等) 、淡水或咸水、发泡剂和稳泡剂等组成的密集细小气泡。 ( 4 ) 充气钻井液 以气体为分散相、液相为连续相，并加入稳定剂使之成为气液混合均匀而稳定的体 系，用来进行充气钻井。其密度最低可达o 6 9 c m 一，携砂能力好，可用来钻进低压易发 鼍生漏失的油气层。 2 4 国内外保护油气层钻井液新进展 这里重点介绍非侵入钻井液体系，即n i f ( n o n i i a s i o nn u i d ) 。又称非渗透钻井液 体系( 所用的“非侵入流体”术语是为了区分常规流体体系，但不能理解成没有任何程 度的侵入，非侵入流体应该理解为超低侵入的流体) 。非侵入流体体系的实质就是由一 系列水溶和油溶聚合物组成的一种混合物( 聚合物包含很宽范围的h l b 值) 【5 1 。 2 4 1 国外非侵入钻井液体系n i f 体系 美国e d t i 公司的无渗透钻井液体系【6 】忉 非侵入钻井液系统是一种新型超低固相钻井液( 低于1 0 p p l ) 。它的封堵是利用独特 的表面化学机理在地层表面形成一层薄的非渗透的膜。相对于传统的桥堵地层的方法， 非侵入钻井液系统是靠流体内颗粒的引力封堵地层，在过平衡压力下，随着流体的侵入 地层颗粒在岩石表面集中。这个特性使同一个钻井液组成可以封堵不同孔隙尺寸分布的 地层。下面介绍超低渗透钻井液组成及主要处理剂的特点及机理特点和应用。 7 第2 章文献综述及主要研究内容 2 4 1 1 超低渗透钻井液组成 超低渗透钻井液主要有三个主要产品：滤失控制井眼稳定剂f l c 2 0 0 0 、井眼稳定剂 l c p 2 0 0 0 和多种组分组成的混合物d w c 2 0 0 0 。在水基、油基钻井液中加入4 6 p p b 滤失 控制井眼稳定剂f l c 2 0 0 0 或井眼稳定剂l c p 2 0 0 0 转化为超低渗透钻井液体系。 2 4 1 2 主要处理剂的特点 ( 1 ) d w c 2 0 0 0 称为一袋化产品，可以直接加入到水、油中配合加重材料配制超低渗 透水基、油基钻井液。它是由可溶解的、部分溶解的和不溶解的聚合物组成的。其突出 特点是d w c 2 0 0 0 对岩心无污染。 ( 2 ) f l c 2 0 0 0 产品是一种滤失控制井眼稳定剂。它是由植物衍生物形成的混合物、可 完全水溶解和部分水溶解的合成有机聚合物、不溶金属氧化物等组成，具有温度稳定性。 加入钆6 p p b 可将任何泥浆体系( 如水基、油基等) 转化为超低渗透体系。f l c 2 0 0 0 产 品虽不是一种堵漏材料。加入2 p p b 可控制动滤失，加入3 p p b 可使页岩稳定，加入4 p p b 可防止卡钻，加入5 p p b 可用于钻压力衰竭层及稳定松散的砂岩。f l c 2 0 0 0 产品在配制 水油基泥浆中用3 4 p p b 可替代其他许多滤失控制添加剂如部分水解的聚丙烯酰胺、 s p a 、沥青质、乙二醇及聚合物絮凝剂。使用f l c 2 0 0 0 产品可以消除压差卡钻、能减少 滤失、抗盐类污染、可以提高衰竭砂岩层的压裂梯度、消除页岩崩落及钻较弱地层时地 层的破裂、能改善定向井的偏移、清除低密度固相且不需要利用超细振动筛来清洗亚微 米及钻屑、简化固控设备、减少软泥岩的水化分散、有利于渗透率的恢复。 ( 3 ) l c p 2 0 0 0 产品是非架桥材料，是数种混合聚合物、处理的薄片、纤维和颗粒材料 薄片5 到1 0 0 目，纤维o 2 到1 3 毫米，颗粒材料细度范围低至5 0 0 目。水油基通用。 l c p 2 0 0 0 可防止钻井液渗透漏失，在松散地层、裂缝破裂未密封的断层带和孔洞孔穴 的地层其渗透流失达1 2 0 b b l s h o u r 、部分漏失达2 0 5 0 b b l s m o l l r 、严重漏失大于5 0 桶 小时且在停泵后仍有液面及完全漏失时防漏堵漏。在钻进显著漏失地层前，加入2 4 p p b 就具有动态封堵作用并可阻止漏失；较低浓度( 1 2 p p b ) 即可封堵渗漏地层和部分漏失 地层；当发生全漏失时，可通过形成膨胀钻井液来封堵地层。在漏失区通过剪切增稠性 堵漏，进入漏失区足够深度后，流变磨擦阻力大于地层压力，停止向前继续移动。可以 流经钻头和随钻测井工具，封堵不是永久的，故可用于生产层。l c p 2 0 0 0 可作为一种水 泥隔离液用于预期漏失区和地层破裂区，l c p 已成功地作为封井器使用来防止井喷。 l c p 2 0 0 0 产品能降低压差卡钻风险、防止浅气层井喷、有利于深海钻井、有利于提 高产能、优于使用碳酸钙、有利于渗透率的恢复。 8 中国石油大学( 华东) 碰士学位论立 2 4l3 测试滤失量实验新方法唧 新的测试滤失量的方法不同以前的a p i 滤失量的实验方法。其主要特点是用砂床替 代滤纸( 如图2 1 ) ，滤失量随砂粒的粒度成正比关系，即砂粒粒度越小，滤失量值越小。 每次试验一般选用砂粒06 m o 9 m m ，砂粒量为2 0 0 克钻井液用量为2 0 0 m l 。利用 低压低温a p i 设备进行钻井液滤失测试实验，观测其滤失情况。通常泥饼的滤失量是时 间平方根的函数，而渗透率则不是时间平方根的函数。这为对井下情况的判断提出了一 个新的概念。其试验装置及试验过程如下： 5 镕井穗 日面积1 日_ 圈2 - 1 测试钻井液滤失量的示意图 f 啦一1 咖no f d 曲g n 枷胁h 叫t 瞄血g 用砂床代替滤纸进行滤失试验也称为b r 试验，其测试过程为聊： ( 1 ) 组装一个无滤纸的标准的低温低压a p i 滤失仪； ( 2 ) 将2 0 0 克06 m m _ 09 衄的砂子放入滤失室： ( 3 ) 手摇震荡使滤失室中的砂子平整； ( 4 ) 在滤压器上放置碰撞减震器； 9 第2 章文献综述及主要研究内容 ( 5 ) 通过碰撞减震器上的中部的管道倒入2 0 0 m l 要测试的钻井液： ( 6 ) 移去碰撞减震器； ( 7 ) 将滤失室放在承座上并扣紧： ( 8 ) 在滤失室下放一容量最少为5 0 i n l 的量筒； ( 9 ) 打开压力阀，在钻井液上加上1 0 0 p s i 的压力； ( 1 0 ) 当第一滴滤液滤出开始计时，3 0 分钟结束； ( 1 1 ) 3 0 分钟后，关闭压力阀，打开滤失室的减压阀； ( 1 2 ) 记录3 0 m i n 量筒里的液体体积或滤液进入砂床的深度 2 4 1 4 超低渗透钻井液的作用机理【9 】 ( 1 ) 超低渗透钻井液降滤失、减小储层损害机理 当用超低渗透钻井液钻井时，由于钻井液含有的聚合物聚集成可变形的胶束，钻井 液从可透过的页岩渗透进去，这些胶束在页岩上迅速的铺展开来并在孔喉处形成低渗透 性的封闭，由此阻止了钻井液的进一步的渗透。当钻井引起页岩产生裂缝时，超低渗透 钻井液便能填塞这些裂缝，并且钻井液在这些裂缝的空隙中或碎片的表面上产生表面张 力，空隙或碎片越小，张力越大。由此可阻止钻井液滤失。在井壁表面形成致密无渗透 封堵薄层( 膜) ，有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层，在井壁的外围形成保 护层，钻井液及其滤液完全隔离，不会渗透到地层中，可以实现接近零滤失钻井，防止 地层内粘土颗粒的运移，减小钻井液对储层的损害，保护油气层。 ( 2 ) 提高地层的承压能力的机理 在钻井旌工过程中，由于井壁对钻具会产生各种摩擦力，这些摩擦力通过钻杆而形 成过平衡压力，过平衡压力又通过钻杆施加于井壁上。如果无法减弱和消除对地层过平 衡压力，势必会造成井壁坍塌和钻井液严重滤失。超低渗透钻井液具有完美的封堵性能， 它可将过平衡压力消除到零，压力不被传送到地层，通过有效的封堵地层，则钻杆不会 由于过平衡压力而冲击井壁。在这种情况下，由过平衡产生的摩擦力被削减到零，故而 不会造成井壁坍塌和钻井液严重滤失。 ( 3 ) 消除压差卡钻机理 压差是钻井液柱压力与地层孔隙之差值大小，是作用于钻铤而压紧在泥饼上的侧压 力值。压差愈大，愈容易发生卡钻。见图2 2 。一旦钻杆与易渗透地层接触，钻井液产 生的过平衡压力就会作用到钻杆上，钻杆顶靠井壁引起卡钻。在差压卡钻的情形中，一 个重要的影响因素是钻井液滤饼的性能，如果滤饼厚，钻杆上的泥饼会越来越多，则较 1 0 中田石油大学( 华东) 硕士学位论文 之于薄滤饼易于卡钻。在超低渗漏钻井液中低渗漏屏障迅速生成，密闭封堵膜的形成， 钻井液的漏失非常低，滤饼厚度不象大多数传统钻井液那样迅速增厚，压差投有传递到 地层，见图2 _ 3 。因此使用超低渗漏钻井液可大大降低卡钻的风险。 _ 泥饼 a p = p w - p p 圈2 0 压差越大易发生卡钻 f i 醇- 2恤e g r 曲k r t h e p 嗍u 僧m 盯姐 t h 髑m 盯s 6 c n 罟h a 即蛐 ( 4 ) l c p 2 0 0 0 堵漏机理 j f 嘶 麓潦影一： p d p = 0 圈”没有压差没有卡钻 研垂。肿p 瑚眦d i m r e e e 0 s k i n g 一超低渗透钻井液胶柬在弱地层原生的裂缝处形成一个屏障，膨胀变大限制渗透，在 磨擦系数大于井眼压力处的深度时，薄片吸入液体后膨胀，在漏失处锁住堵漏材，压 力从颗粒中挤出滤液，由于堵漏材料的去承化，所以在漏失处，封堵更好。配制不同胀 。流性钻井液其添加剂的量也不同，水基钻井液中的浓度为5 0 p p b ，油基或合成基钻井液 中的浓度为7 0 p p b 。 钻井液的胀流性使其粘在一起，当胀流性钻井液进入滤失区时，随流速增加，其粘 度进一步增大。通过在滤失区韵增稠，渗漏进地层的小部分钻井液停留在原地。其结 果是架桥的固体可抗1 0 0 0 p s i 的压差。 ( 5 ) 形成泡抹桥塞机理 超低渗透钻井液含有气泡和泡沫，这些气泡和泡竦可使过平衡压力降到最低，并且 气泡和泡沫可桥塞各种口径的孔道，阻止了钻井液的渗漏，防止了地层层理裂隙。 2415 超低渗透钻井液的典型应用实例哪 ( 1 ) 在2 0 0 1 年前，美国在远东地区两个井区，使用传统钻井液完井液，在两年期间 钻井渡的损失分别达到09 】和0 ，4 1 h 纡b 比2 0 0 】年底，使用超低渗透钻井液完井液后， 钻井液的损失仅为00 6 和0 2 1 b ，触i ，由此节省的钻井液的损失量和产能是可观的。 ( 2 ) 2 0 0 2 年底，在远东地区的一口油井中，钻井渣渗进储层页岩的裂缝中，泵入含 蚴0 0 0 为6 m 洲的钻井液4 0 b b l ，一小时后，滤失停止，三小时后，井压达到1 0 0 0 p s i 第2 章文献综述及主要研究内容 且没有发生滤失。 ( 3 ) 对于天然的碳酸盐裂隙储层和弱砂储层，在美国本土使用超低渗透钻井液处理大 规模滤失事故已经5 年了，在钻天然的碳酸盐裂隙储层时，使用油基钻井液，加入 4 0 6 0 b b l 使含l c p 2 0 0 0 为5 0 7 5 l b 怕b l 即可。在遇到严重的滤失事故时，加入l c p 2 0 0 0 便可使滤失降下8 0 9 0 。 ( 4 ) 在南美沿安第斯山脉，阿根廷北部以北一直到哥伦比亚地区的地质构造强度 ( t e c t o i l i cs 仃e s s e s ) 非常大，在这地区钻井使用油基泥浆钻井液，此地区的页岩非常硬，页 岩层间包裹砂石，常常发生渗漏。有时使用了十五种防滤失剂，效果甚微，卡钻事故经 常发生。使用超低渗透钻井液完井液，确保了井壁的稳定性。 ( 5 ) 在墨西哥湾强粘土页岩上钻井时，对超低渗透钻井液与传统钻井液进行比较，发 现在超低渗透钻井液添加3 k c l 可防止钻井液渗漏。 ( 6 ) 在美国的俄克拉何马州的南部的a t o k a 盆地，用传统钻井液打一口井通常需要 1 8 个月的时间，而用超低渗透钻井液打一口井通常只需要4 个月的时间。 ( 7 ) 在巴西的一个海洋油井区，1 0 年前，人们认为须靠化学反应来处理的页岩油区， 企望通过化学反应来解决井壁不稳定的问题。在用保存的并下样品进行实验后发现，用 超低渗透钻井液可消除井壁不稳定的问题。 ( 8 ) 图4 是在泰国试验井用超低渗透钻井液与传统钻井液的滤液进入地层对比图，超 低渗透钻井液对储层损害远远小于传统钻井液。 图2 4 两钻井液体系进入地层对比图 f i 9 2 - 4c o m p a r i s o nd i a g r a mo ft w od r i i n gn u i di n t ot h ef o r m a t i o n ( 9 ) 在孟买深海的实例，碳酸盐段有断层，在七口井中大量的泥浆漏失，与d o b c 平均2 7 小时堵住漏失相比，l c p 钻井液只用了6 小时。油井比预期的产能高出5 8 。 2 4 1 6 超低渗透钻井液独特技术 ( 1 ) 表面作用。是一种利用独特界面化学无渗透逐步封堵机理，当钻井液渗入表面微 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 裂缝或孔喉形成很薄的滤饼，能增加地层裂开压力，破裂梯度升至4 0 0 0 p s i ，可形成有 效的套管膜。 ( 2 ) 很低的动滤失。限制渗入岩石的深度，不是依赖钻井液的固相滤饼，依靠地层的 裂缝和渗透来封堵。超低渗透钻井液不仅具有传统钻井液的优良性能，还拥有传统钻井 液所不具备的优异性能：a 具有很低的动滤失性能，超低渗透钻井液可防止钻井液进入 页岩。b 超低渗透钻井液可封闭页岩裂隙，因而可防止钻井液的渗透性。c 钻井液的滤 失量不是时间的平方根的函数。 ( 3 ) 有封堵膜。通过捕获钻井液中的小颗粒，在渗透性或微裂缝地层形成封闭膜并通 过压差附着于井壁上。 ( 4 ) 渗透率恢复值高。通过酸溶测试，超低渗透钻井液滤饼9 8 9 9 可清除，压力反 转可自动脱落，渗透率恢复值大于9 5 ，有利于提高产能。 ( 5 ) 对环境友好。所有产品都通过了美国环保署的l c 5 0 测试。在北海也通过了环保 鉴定。在环保敏感地区可以代替油基钻井液。 2 ：4 2 国内超低渗透钻井液体系 主要介绍由中国石油勘探开发研究院的孙金声教授提出的零滤失井眼稳定剂及超 低渗透钻井液完井液体系【1 0 1 。 2 4 2 1 产品特点 超低渗透钻井液主要有两个主要产品：零滤失控制井眼稳定剂j y w 二1 、j y w 2 。零 滤失控制井眼稳定剂腓l 与国外井眼稳定剂l c p 2 0 0 0 相当，零滤失控制井眼稳定剂 j y w 2 与国外井眼稳定剂l c p 2 0 0 0 相当。j y w 1 与腓2 的作用机理是一致的，j y w 二l 主要用于中、低孔隙及微裂缝地层，腓2 主要用于大孔吼及裂缝地层。零滤失井眼稳 定剂是由植物衍生物质形成的混合物、部份水溶和全水溶的合成有机聚合物、不溶的金 属氧化物等组成。具有温度稳定性，抗温达2 0 4 。加量4 6 p p b 可转换各种不同类型钻 井液体系成为超低渗透体系( 水基、油基) 。可替代其他产品，在水油基泥浆中替代了 许多滤失控制添加剂( 部分水解聚丙烯酰胺、s p a 、沥青质、硬沥青、乙二醇和聚合物 絮凝剂) 。 在任何水基、油基钻井液中加入4 6 p p b 零滤失控制井眼稳定剂j y w 1 、j y w 2 即 可转化为超低渗透体系。 2 4 2 2 超低渗透钻井液主要工作原理 利用特殊聚合物处理剂，在井壁岩石表面浓集形成胶束，依靠聚合物胶束或胶粒界 1 3 第2 章文献综述及主要研究内容 面吸力及其可变形性，能封堵岩石表面较大范围的孔喉，在井壁岩石表面形成致密无渗 透封堵膜，有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层，在井壁的外围形成保护层， 钻井液及其滤液完全隔离，不会渗透到地层中，可以实现接近零滤失钻井。 超低渗透钻井液能较好地解决以下技术难题： ( 1 ) 超低渗透钻井液同一配方就能有效封堵不同渗透性地层，即具有广谱防漏和保护 储层效果。而传统钻井液中固体颗粒桥堵作用效果却主要取决于颗粒分布与地层孔喉大 小匹配吻合度，地层适应范围较窄。 ( 2 ) 超低渗透钻井液封堵层形成速度快且薄，位于岩石表面上，没有渗入岩石深处， 所以只要消除过平衡压力，封堵膜的作用就将消弱，一旦有反向压力，封堵膜就会被清 除。因此，在完井和生产过程中，封堵层易于清除不会产生永久堵塞损害储层。 ( 3 ) 超低渗透钻井液封堵隔层( 膜) 承压能力强，能提高漏失压力和破裂压力梯度， 相当于扩大了安全密度窗口，能较好解决以往钻长裸眼多套压力层系或压力衰竭地层时 易发生的漏失、卡钻、坍塌和油层损害技术难题。 ( 4 ) 不同于常规钻井液的泥饼，超低渗透钻井液井壁表面封堵层很薄，且阻隔压力传 递能力强，因此，能有效避免泥饼压差卡钻。 ( 5 ) 超低渗透钻井液滤饼9 8 9 9 可清除，压力反转可自动脱落，渗透率恢复值大于 9 5 ，有利于提高产能。 ( 6 ) 所有产品都满足国际环保要求。在环保敏感地区可以代替油基钻井液。 2 4 3 国内外保护油气层钻井液发展趋势 ( 1 ) 模拟地层条件下的油气层损害程度和机理研究； ( 2 ) 保护油气效果好、适用范围广、负面影响小的钻井液、完井液及相应的添加剂研 究； ( 3 ) 计算机在保护油气层技术中的应用研究； ( 4 ) 射孔、油气层改造和测试联作技术的进一步完善和提高等。 但是，无损害、绿色钻井完井液体系的研究也刚处于起步阶段。 2 5 大港油田保护油气层钻井液概述 大港油田始建于1 9 6 4 年1 月，钻井完井液的发展经历了淡水分散性体系、聚合物 体系、抑制性体系和防塌体系4 个阶段，而系统开展保护油气层钻井完井液技术研究与 应用始于1 9 8 9 年，至今取得了成绩，但也遇到了新的问题，这就需要不断寻找新的解 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 决方法。 近几年来，大港油田在保护油气层方面加大了工作力度，增加了投资。2 0 0 1 年1 0 月首次在王4 区块开展了区块整体油气层保护先导性试验，整体开发，整体投产。一方 面继续推广应用已经成熟的聚合物、有机硅钻井液和屏蔽暂堵工艺技术。另一方面欠平 衡无土相钻井完井液、硫酸钾聚合物钻井完井液、甲酸盐钻井完井液、聚合醇钻井完井 液等新技术也得到应用【1 。 2 5 1 欠平衡无土相钻井完井液 在完成室内试验后，欠平衡无土相钻井液在板深1 l 、千1 2 1 8 、千1 6 2 4 、板深 7 0 2 、板深7 0 3 、板深3 1 等6 口井的四开段进行了现场施工。6 口试验井都是大港油田 古潜山构造的重点探井，其钻探目的是发现奥陶系含油气情况。地层岩性主要为灰岩、 白云岩，地层埋藏深、温度高、裂缝发育。钻井技术难点是防喷、防漏、防卡、防腐。 通过使用无土相钻井完井液体系取得了以下几方面的效果。 ( 1 ) 满足了各井灰岩地层的现场施工要求，有利于保护油气层，室内测试岩心渗透率 损害率低于1 2 ，现场试油各井均获高产油气流。 ( 2 ) 暂堵液能够有效封堵灰岩地层裂缝，防止地层漏失，减少因漏失造成的对储层的 污染。 ；( 3 ) 所用处理剂酸溶率较高，荧光级别小于5 级，能满足油气层保护及地质录井的需 要。 ( 4 ) 井眼净化效果好，各井施工顺利，无任何与钻井液有关的复杂事故。 ( 5 ) 对环境污染小。 2 5 2k 2 s 0 4 聚合物钻井完井液 k 2 s 0 4 聚合物钻井完井液是加拿大泛华石油公司在段六拔孔南区块的4 口井采用的 一种钻井液体系，分别在三开或二开使用，取得明显成功。其体系基本配方为：膨润土 + ( 5 7 ) k 2 s 0 4 + ( o 3 o 5 ) d r j s p a c + ( o 2 0 4 ) f l o w z a n + k o h + 防腐剂+ 杀菌剂 + d e s c o + 消泡剂+ 加重剂。 其优越性主要概括为：防塌能力强，可大幅度降低钻井液比重，放宽钻井液失水控 制，保护油层效果好，对环境污染小，其水溶液可直接用于农田灌溉。不足之处是成本 较高。 第2 章文献综述及主要研究内容 2 5 3 甲酸盐钻井完井液【1 2 】 甲酸盐钻井液是国际泥浆界公认的低毒、高效型钻井液体系，国外用它已完成了很 多高难度井施工。大港油田公司于2 0 0 0 年开始开展这方面的研究工作，2 0 0 1 年初完成 了室内研究，通过现场试验，取得了较好的效果，它较好的解决了井壁稳定与油气层保 护的矛盾，并在滩海地区使用海水甲酸盐体系，先后钻成了庄海4 1 、庄海9 3 等井， 获得了良好的油气显示，成为目前海上首选钻井液体系之一。 甲酸盐体系中常用的是甲酸钠和甲酸钾，这两种盐属水溶性有机盐，外观白色晶体 状，前者分子量为6 8 0 1 ，密度1 9 2 咖m 3 ：后者分子量为8 4 1 2 ，密度1 9 1 耐。两种 盐在空气中极易吸潮，在水中的溶解速度都较快，1 1 5 9 晶体状的甲酸钠或甲酸钾在 3 4 0 m l 自来水中低速搅拌3 分钟即可溶解完全。现场应用时在密度不太高的情况下可将 固体细颗粒状的甲酸盐直接加入泥浆中溶解。甲酸盐的分解温度为1 6 0 ，超过此温度， 甲酸盐将分解失去作用，因此理论上甲酸盐钻井液体系的使用温度不能高于1 6 0 。 甲酸盐钻井液具有如下特点：良好的抑制性、抗温稳定性、润滑防塌性、水力特性、 环保等优点，特别是与油层具有良好的配伍性能。本体系是一种无土或低土相、低固相 的低毒水基钻井液体系，主要由辅助抑制剂、增粘降滤失剂、流型调节剂、油层保护剂 和甲酸盐组成；它所有组分均易溶于水，均能生物降解。 其作用机理为：根据甲酸盐的结构和特性，甲酸盐钻井液对稳定地层、保护储层的 机理主要表现在以下方面：虑液矿化度较高，与储层配伍性好，可降低低渗储层的水敏 损害和水锁损害；甲酸盐的h c o o 。离子与粘土端面的正电荷相吸引，有利于防止粘土 水化，降低水敏性矿物引起的储层损害；此外，h c o o 。离子能够和水分子形成氢键，对 自由水具有很强的“束缚”能力；虑液活度较低，在特低渗储层和泥页岩地层，可依据 活度平衡原理实现其抑制性。 与无机盐的不同性有常用的可溶无机盐在使用中存在的问题是：n a c l 和k c l 的 溶解度不高，其水溶液密度只能达到1 2 0 c m 3 ；c a c l 2 或c a b r 2 溶解度稍大，可达到 1 6 0 9 c m 3 ，但由于c a 2 + 的存在，大多数处理剂在其中不相溶，对处理剂的抗盐抗钙要求 较高，在一定条件下还会对地层产生潜在的伤害。无机盐中由于c l - 的存在，会使钻 井液对金属管材产生较强的电化学腐蚀性。甲酸盐可以溶于淡水、海水或盐水，能有 效抑制粘土水化膨胀，其效果优于相同量的氯化钾。甲酸根无毒，与粘土不发生反应， 与地层水配伍性良好，不与n a + 、c a 2 + 、m 矿等阳离子生成沉淀。甲酸盐对钻具的腐 蚀性小，k + 含量达l o o o o p p m 的甲酸盐钻井液，对管材的腐蚀速度仅为3 6 密尔年，( 而 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 相同钾离子浓度的氯化钾钻井液却达1 3 密尔年) 。 在滩海使用甲酸盐钻井液已完成了9 口井的施工【1 3 】，其中庄海1 l 井和庄海4 2 井为二开定向井，庄海4 1 井为三开定向井，现场应用表明，它具有以下优越性： 有利于发现和保护油气层。甲酸盐钻井液是采用可溶的甲酸盐加重，体系组成中 无般土，惰性固相含量低，抑制防塌能力强，可用较低的钻井液密度解决井壁稳定问题， 甲酸根的二价盐无沉淀，与油气层流体配伍性好，其滤液不会对储层造成不良伤害。庄 海4 1 井和庄海4 2 井均获得高产工业油流，庄海4 2 井日产油8 2 t ，庄海4 1 井 日产达到1 8 4 t 。 庄海9 3 、庄海4 2 等井的现场应用表明：甲酸盐钻井液体系具有性能稳定、 维护简单、抑制泥岩水化分散效果好等优点。 抑制防塌能力强。使用甲酸盐钻井液的1 9 口井所用钻井液密度都低于邻井，平 均井径扩大率仅为6 0 4 ，也远低于邻井。室内评价表明：岩屑回收率大于9 0 ，这表 明甲酸盐钻井液具有较强的抑制防塌能力。 有利于提高机械钻速。甲酸盐体系属无膨润土体系，瞬时失水较高，这对提高钻 速非常有利。它属于聚合物钻井液范畴，其惰性固相含量低，粘度低，有利于降低环空 压耗，增加水马力，提高破岩效率。钻井液密度低，减少压持效应，从而有利于提高钻 井机械钻速。 有利于提高固井质量。在已完成井中固井质量皆为优质。 甲酸盐钻井液环保性好。甲酸盐钻井液对钻具的腐蚀速度低，其腐蚀速度仅有 o 0 9 5 舢 i l a ，有利于钻具和套管的防腐。该体系使用可生物降解的聚合物做流型控制剂， 而所有甲酸盐钻井液处理剂都列在无毒或基本无毒类，所以该体系符合环保要求。 2 5 4 正电聚醇钻井完井液【1 4 】 聚合醇钻井液由于其浊点效应在保护油气层、环保、润滑、防塌等方面具有独特优 势而在国内外得到广泛应用。正电聚醇钻