（油气井工程专业论文）广谱“油膜”暂堵钻井完井液体系研究与应用.pdf

s t u d yo ns y s t e mo fb r o a d s p e c t r u mo i l - f d m t e m p o r a r ys h i e l d i n gd r i l l i n ga n dc o m p l e t i o nf l u i d j i ny o n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rj i a n gg u a n - e h e n g a b s t r a e t i ti so b v i o u st h a tt h e r ei sf o r m a t i o nd a m a g ed u r i n gd r i l l i n g h o wt o n l i n i m i 2 bt h ed a m a g ei sm a n yr e s e a r c h e r sw o r k i n go nf o ral o n gp e r i o d t h em a i nc a u s eo ff o r m a t i o nd a m a g ei st h a tt h es o l i dp a r t i c l e si nd r i u i n g f l u i ds t o p su pt h ef o r m a t i o np o r et h r o a td u r i n gd r i l l i n g s o ，t h ek e yt o p r o t e c tf o r m a t i o nd u r i n gd r i l l i n gi st oc o n t r o lt h es o l i dp a r t i c l e so u to f f o r m a t i o np o r et h r o a t an e wb r o a d r s p e c t r u mo i l f i l mt e m p o r a r ys h i e l d i n g m e t h o dw a su s e dt o p r o t e c t f o r m a t i o nd u r i n gd r i l l i n g t h i sn e w b r o a d - s p e c t r u mo i l - f i l mt e m p o r a r ys h i e l d i n ga g e n th a sf e wl i m i t sw h e n u s i n gi nt h ep r o c e s so fd r i l l i n gw h i l et h ee x i s t i n go n e sh a sm a n y l i m i t si n p a r t i c l e sd i a m e t e ra n dt e m p e r a t u r e i tc a nb eu s e dd u r i n gaf o r m a t i o n t e m p e r a t u r ef r o m4 0 ct o1 2 0 ca n dap o r et h r o a td i a m e t e rf r o m3 p mt o 3 3 p a n m a n yl a be x p e r i m e n t sa n dt e s t si nd r i l l i n gs p o tp r o v et h a tt h e e f f e c tt op r o t e c tf o r m a t i o no fd r i l l i n gf l u i di sr e m a r k a b l ew h e n3 5 n e wb r o a d - s p e c t r u mo i l - f i l mt e m p o r a r ys h i e l d i n ga g e n tw a sm i x e di n t o t h ed r i l l i n gf l u i d k e yw o r d s ： f o r m m i o nd a m a g e ，b r o a d s p e c t r u mo i l f i l mt e m p o r a r y s h i e l d i n ga g e n t , t e m p o r a r ys h i e l d i n gm e t h o d ，d r i l l i n gf l u i d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盟嘶月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 御辞月2 - e t 汐 年6 只 e t 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 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，为了避免各伤害原因的诱发，目前国内外通常采 用常规屏蔽暂堵技术，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。 本文通过大量室内实验，开发了一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。 但是，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 对油层孔径的依赖性小，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，如楔子状楔入油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油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。本文所 研制的广谱“油膜”暂堵剂g p j 的油溶性好，且对油层的暂堵深度浅， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 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性，从而达到较好的封堵 和解堵效果。广谱“油膜”暂堵剂g p j 代替了常规屏蔽暂堵技术中所 使用的三种粒子，且粒径不需与油层孔喉严格匹配：并可对较宽分布 的油气层孔径范围具有很好的暂堵效果。该暂堵剂不仅与油气层孔喉 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，从 而使广谱“油膜”暂堵剂g p j 优于目前的其它暂堵剂。 广谱“油膜”暂堵剂g p j 与油田使用的多种钻井液配伍性良好， 经过大量试验研究，将它以3 5 的比例加入普通钻井液中，便得 到了不但能起到良好的暂堵效果，又具有较好的润滑性、降滤失性和 抑制性的广谱“油膜”暂堵钻井完井液体系。现场试验研究表明此钻 井液体系确实具有良好的保护油气层效果，它会给油田的实际生产带 来巨大经济效益。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 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” 技术发 年代发展原因技术发展水平存在的问题 展阶段 认识阶 石油价格低、基有些学者开始提出油井重视降低原油成 5 0 年代本忽略油气层损投产时存在油气层损害本，忽略提高油井 段 害问题问题产量 西方国家出现能运用实验室研究分析手主要体现在实验室 6 0 7 0源危机，油价上段，研究油气层损害机工作上，各研究成 年代中 初级阶 段 涨，开始重视防理，开始研究无损害工作果对现场有一定应 期 止油气层损害，液和添加剂，以及有关配用，但未形成大面 提高油井产量套工艺积使用 每两年召开一次油气层仍有一定程度的工 认识到油气层损损害会议，继续加强实验作量停留在实验室 7 0 年代 发展阶 害严重，轻者使室分析研究工作。将研制里，研究成果在现 中期 段 油气井产能下和发展的无损害工作液、场得到不同程度的 目前降，重者油气井添加剂，以及有关配套工应用，在应用中尚 不出油气艺技术运用到现场，并得有不足之处，有待 到良好技术经济效果进一步研制和发展 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 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 能源研究所( n i p e r ) 在塔尔萨( t u l 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【”。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圆 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 ( 1 ) 钻井液密度可调，满足不同压力油层近平衡压力钻井的需要 我国油气层压力系数从o 4 到2 8 7 ，部分低压、低渗、岩石坚固 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 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 0 9 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。 2 3 钻开油气层的钻井液类型啪 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 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。 2 3 1 水基钻井液 ( 1 ) 无固相清洁盐水钻井液 其p 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 伽一 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 性油层或强水敏油层 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： 乱酸溶性暂堵型类： 用c a c 0 3 、f e c 0 3 作为暂堵剂。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 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 油溶性暂堵剂可分为以下三类： i 脆性油溶性树脂，用作架桥粒子。 油溶性树脂 可塑性油溶性树脂，它的粒子在压差 i 作用下可变形，使用中作为充填粒子。 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 尽可能降低使用中时间土的含量，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： 降低钻井液中时间土和无用固相含量，调节固相颗粒级配。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内查 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。 上部并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： 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 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i q 2 、天然气等) 、淡水或成水、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 e g c m 3 ，携砂能力好，可用来钻进低压易发生 漏失的油气层。 2 4 屏蔽暂堵保护油气层技术 屏蔽暂堵技术是我国西南石油大学的罗平亚院士首次提出的。此 项技术主要用来解决裸眼并段多压力层系地层保护油气层技术难题。 即利用钻进油气层过程中对油气层发生损害的两个不利因素( 压差和 钻井液中固相颗粒) ，将其转化为保护油气层的有利因素，达到减少 钻井液、水泥浆、压差和浸泡时间对油气层损害的目的h 。随后，此 项技术在国内外都得到了快速的发展，目前已发展为国内外各大油田 在钻井完井中使用的一项最主要的油气层损害预防措施。 2 4 1 暂堵技术国内外研究现状 “广谱暂堵技术”在国外称为“广谱封堵技术”。据报道，2 0 世 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 纪9 0 年代末，在美国、英国就有人进行了该技术的研究，并在现场 应用于钻井完井液体系中，取得了良好的效果【5 1 。同时，近几年，国 外将最新研究的“成膜技术”与“广谱封堵技术”相结合，在钻井液 中的应用取得了成功，大大推动了钻井液新技术的发展 6 1 。 在国内，近年来关于暂堵剂的研究很多杨同玉等人1 9 9 6 年在 断块油气藏上发表了“屏蔽暂堵技术中皙堵剂粒径的优化选择”， 文中指出暂堵剂粒径与地层平均孔喉直径最合理的匹配关系是2 ：3 l ：l 【7 1 薛新生等1 9 9 9 年在石油钻采工艺上发表了“油溶性暂堵 剂0 s r l 的研究0 论述了油溶性暂堵剂o s r 一1 在酸化作业中的 使用原理和性能嘲蒋官澄，鄢捷年等1 9 9 9 年在石油钻探技术 上发表了“新型屏蔽暂堵技术在大宛齐地区的应用”论文，文章中提 到的“新型屏蔽暂堵技术”是将油溶性树脂、超细c a c 0 3 等材料复配 而进行暂堵，其现场应用效果非常理想，该复配材料即是“广谱暂堵 剂”的初型1 9 】。2 0 0 0 年华中科技大学的罗觉生等人在江汉石油学院 学报发表了“广谱暂堵剂m b a 的研制与评价”，该m b a 是由刚性 粒子和柔性溶胀粒子复合而成【l 。l 。胡景荣2 0 0 0 年在石油钻探技术 中发表了“屏蔽暂堵技术设计实施的科学化规范化探讨”，指出了 暂堵技术在设计和实施中存在的认识观念上的误区，提出了科学化、 规范化的设计和实施意见【l “。2 0 0 2 年王浩、赵燕在特种油气藏 上发表了“g s 一高温暂堵剂的研制与应用”【1 2 1 ，任占春、张光焰等 人在油田化学上发表了“h t 一1 0 高温屏蔽暂堵剂的研制与应用” 1 1 3 ，将屏蔽暂堵技术应用的温度范围进一步拓宽了。2 0 0 3 年鄢捷年 和蒋官澄在天然气工业上又进一步介绍了复配技术的室内研究和 现场应用情况。至今未见报道真正意义上的“广谱暂堵技术”。 2 4 2 传统屏蔽暂堵技术o ” 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 在钻井完井液设计中采取的保护油气层的主要技术措施是在钻 井液体系中尽可能地保持低固相、低滤失量和实施暂堵技术。暂堵技 术是人为地在裸露地层表面附近使钻井完井液中的固相颗粒形成一 个浅层“内泥饼”作为屏蔽环，对油气层造成暂堵，从而阻止固相和 滤液继续侵入油层。完井后，利用射孔方法和依靠生产压差解除屏蔽 环，恢复渗透率，达到有效地保护油层的目的。 根据研究结果，当架桥颗粒粒径为孔喉平均直径的1 2 2 3 ，加 量大于3 时暂堵效果较好对于孔隙型孔喉，填充颗粒粒径以孔喉 平均直径的1 4 ，加量大于1 5 为好。可变形胶体粒子的加量为1 2 ，粒径与充填粒子相当，一般采用磺化沥青作为可变形胶体粒子 【瑚。 目前常用的暂堵剂有水溶性暂堵剂、油溶性暂堵剂和酸溶性暂堵 剂( 细目钙) 。 2 4 3 理想充填屏蔽暂堵技术“” 理想充填屏蔽暂堵技术是一种改进了的屏蔽暂堵保护油气层技 术，是对传统屏蔽暂堵保护油气层技术理论的继承与发展。s m i t h 等 人的研究结果表明【1 7 1 ，储层中的较大孔喉对渗透率的贡献值相当大。 而一些较小孔喉对渗透率几乎没有贡献，因此此技术引入了d 蝴5 0 和 d g o 等概念。该技术是依据储层的d 翻5 0 和最大流动孔喉直径来确定 不同渗透率段下的暂堵粒子的直径。弥补了传统屏蔽暂堵技术中的缺 陷，使得屏蔽暂堵理论更具科学性【1 8 1 。 依据储层的d * * 5 0 和最大流动孔喉直径来确定不同渗透率段下的 暂堵粒子的直径。按1 2 2 3 储层的d 5 0 来选择架桥粒子的d 5 0 ， 按照目的油层渗透率分布规律，来确定各种粒径架桥粒子的比例，并 使其在钻井液中的含量大于4 ；按1 4 储层的d 蹦5 0 来选择填充粒 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 子d 5 0 ，其加量大于1 5 。在选择架桥粒子时，还必须考虑架桥粒子 的d 9 0 等于1 2 2 3 储层最大孔喉直径。用沥青等类产品作为可变形 粒子，加量为2 ，但其软化点应高于油层井下温度1 0 5 0 c ；如地 质录井要求使用低荧光钻井液，则可使用乳化石蜡等类产品。 2 5 广谱“油膜”暂堵技术的提出 传统屏蔽暂堵技术和理想充填屏蔽暂堵技术都属常规屏蔽暂堵 技术，都是采用架桥原理，利用的是颗粒在井壁孔喉处的机械堵塞作 用。该堵塞作用的强度、深度等与架桥颗粒粒径之间存在较大的联系， 虽然理想充填屏蔽暂堵技术的架桥粒子粒径的选择更为科学，但也只 有在储层有关物性资料准确预知的前提下才能达到较好的油气层保 护效果针对已有屏蔽暂堵技术的局限性，本文开发了一种新型的广 谱“油膜”暂堵技术，其中的暂堵颗粒为可变形材料，在一定温度和 压力下可以通过变形来封堵地层孔喉，因此不用考虑与地层孔喉的严 格匹配，封堵孔径范围也相对较宽；并且在暂堵剂颗粒上引入了大量 的阳离子基团，增加了暂堵剂颗粒与井壁岩石之间的静电作用，从而 增强了暂堵效果，并减小了暂堵深度，起到了更好的油层保护效果。 广谱“油膜”暂堵技术中的“油膜”是指在钻井过程中，广谱“油 膜”暂堵剂中的油溶性暂堵颗粒可通过自身的软化、变形、吸附作用， 在井壁上快速形成一层韧性强、渗透性极低的“油膜”，从而防止钻 井液中的固相颗粒侵入地层深部。 该广谱“油膜”暂堵剂g p j 同时代替了过去所建立的屏蔽暂堵技 术中所使用的架桥颗粒、填充粒子和可变形粒子这三种粒子，且粒径 不需要与地层孔径严格匹配，并可对较宽分布的油层孔径范围具有很 好的暂堵效果。同时它的软化点范围较宽，适应温度范围广。该暂堵 剂不仅与油层孔喉间存在物理充填作用，还与油层岩石间存在静电作 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章文献综述及主要研究内容 用。另外，该广谱“油膜”暂堵剂g p j 还兼具降滤失性、抑制性和润 滑性。 2 6 本文主要研究内容 ( 1 ) 通过室内实验，对广谱“油膜”暂堵剂g p j 的理化性能和实 用性能进行评价，从而了解其暂堵效果，找出与其他暂堵剂相比其优 点和不足，掌握其封堵和解堵机理。 ( 2 ) 通过室内实验，研究广谱“油膜”暂堵剂g p j 和多种钻井液 体系的配伍性，并进一步通过油层保护效果的评价来确定广谱“油膜” 暂堵钻井完井液体系配方，掌握体系的作用机理，提出合理的现场应 用技术要求。 ( 3 ) 通过现场试验、完井测试和产量对比，掌握广谱“油膜”暂 堵钻井完井液体系现场应用技术要点，找出与其它暂堵体系相比其油 层保护效果的优越性，从现场施工和经济效益两方面验证其现场应用 价值。 本文的总体研究思路如图2 1 所示： 图2 - l总体研究思路框图 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 3 1 广谱“油膜”暂堵剂g p j 的研制 针对目前屏蔽暂堵技术的局限性，取大港油田共2 3 个区块油田 的有关地质参数( 油层损害情况、油层孔喉直径大小、油层段的井温 等) 作为参考，确定了要研制的广谱“油膜”暂堵剂g p j 需要达到的 性能指标，即对油层孔径封堵范围为3 3 3 t a n ，适应的油层温度范围 为4 0 1 2 0 c 。根据这两个性能指标，按照图3 - 1 所示的研制流程图， 研制出了系列广谱“油膜”暂堵剂g p j ，其成分包括油溶性材料、水、 各种表面活性剂等。 图3 - 1 广谱。油膜”暂堵剂g p j 研制流程图 制备出的广谱“油膜”暂堵剂g p j 系列是否达到预期的油溶性好、 变形程度大、正电性强的基本要求以及是否具有广谱暂堵效果等性 能，要通过对其进行性能评价来验证本文通过下文3 1 和3 2 中的 大量实验，测定了所研制的广谱“油膜”暂堵剂g p j 系列的性能，并 根据测定结果对广谱“油膜”暂堵剂g p j 系列的配方多次做出相应的 调整，使其性能达到最优。最后制备出优化后的广谱“油膜”暂堵剂 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 g p j 系列，其适用的温度范围如表3 - 1 所示，对其进行性能评价实验 如下文所示。 表3 - 1 广谱“油膜”暂堵剂g p j 系列 适用的体系g p j 系列适用温度范围( ) g p j i4 0 6 0 g p j i i6 0 8 0 水基钻井液体系 g p j m8 0 1 0 0 g p j 1 0 0 1 2 0 3 。2 广谱“油膜”暂堵剂g p j 的基本性能评价 3 2 1 在水和水基钻井液中的分散性评价“” 广谱“油膜”暂堵剂g p j 作为一种钻井液用处理剂，加入水或钻 井液中应易于分散。评价结果见表3 - 2 。其水溶分散性较好，因此可 用于水基钻井完井液体系，作为暂堵剂使用。 3 2 2 稳定性评价 广谱“油膜”暂堵剂g p j 是一种乳状液，也是一种热力学不稳定 体系。但作为油田化学剂产品，应具有相对较高的稳定性，从而保证 其性能的稳定。取一个大量筒倒入广谱“油膜”暂堵剂g p j 至最大刻 度，封口静置3 0 天，然后读出析出清液后剩下的体积，它与总体积 的比值即是广谱“油膜”暂堵荆g p j 的稳定性大小，用百分数表示。 其实验数据如表3 - 2 所示，可见其稳定性较好。 3 2 3 电动电位啪1 广谱“油膜”暂堵剂g p j 中的暂堵颗粒带有一定的正电性，可以 通过静电作用与油层岩石颗粒发生吸附，增强暂堵效果。用蒸馏水将 广谱“油膜”暂堵剂g p j 稀释上百倍，直到其中的深色粒子均匀分散 为止，然后用电视显微电泳仪测定其电动电位。试验结果显示，其电 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 动电位均在+ 5 4 m v 以上。见表3 - 2 ，表明其带有较高的正电。 3 2 4 油溶率评价 用脱色脱胶质煤油溶解、过滤法测定广谱“油膜”暂堵剂g p j 系列在相应温度下的油溶率其实验步骤是首先将暂堵剂烘干至不含 水，然后称取一定质量的烘干后的暂堵剂g p j ，放到足够量的脱色脱 胶质煤油中，加热至暂堵剂的适用温度并保持8 1 2 小时，并经常搅 拌待其充分溶解后用滤纸过滤，将过滤后的固相物质烘干并称取其 质量。溶解掉的质量与未溶解前的总质量的比值即为广谱“油膜”暂 堵剂g p j 油溶率的大小其实验结果如表3 - 2 所示。可见，其油溶率 较高，每个系列都在9 2 以上 表3 - 2 分散性，稳定性，正电性、油溶性评价表 样品 g p j - ig p j - g p j g p j 在水中的分散性均匀分散 均匀分散 均匀分散均匀分散 在水基钻井液中的分散性均匀分散均匀分散均匀分散均匀分散 胶体稳定性( ) 9 2 1 9 5 39 4 2 9 3 1 电动电位( m v ) + 5 4 + 5 4 + 5 5 + 5 6 油溶率( ) 9 2 79 49 5 9 5 3 3 2 5 可变形程度但1 1 3 2 5 1 广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 在滤饼中的变形情况 利用高温高压滤失量实验仪，将含有1 0 广谱“油膜”暂堵剂 g p j - i i 的钠膨润土浆( 3 浓度) ，分别进行常温、o 7 m p a 和7 0 、 3 5 m p a 条件的高温高压滤失量实验，然后取出滤饼，对滤饼进行观 察、拍照，如图3 2 所示。左图中广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 在室温 条件下未发生变形，呈颗粒状分散在泥饼中；右图中在7 0 下，广谱 “油膜”暂堵剂g p j - i i 变形后进入滤饼中，呈覆盖膜状与粘土有机地 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 融为一体。 常温、0 7 m p a 颗粒状7 0 1 2 、3 5 _ l p a 覆盖膜状 图3 - 2g p j - i i 不同状态下在滤饼中的变形程度对比图 3 2 5 2 广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 在岩芯孔道、孔喉处的变形情况 选取人造岩芯4 块，采用广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 作为暂堵流 体，分别在常温低压、常温高压、高温低压、高温高压条件下进行对 岩芯进行污染。其污染方法为将岩芯竖放到小滤纸中央，将岩芯侧面 的圆周部分和滤纸表面没有被岩芯压住的部分都涂满强力胶，并晾 干。将其放到高温高压失水仪的高压罐中，将滤纸端放到过滤网上， 密封固定好高压罐的一端，然后从高压罐的另外一端倒入所要测试的 流体，开始高温高压滤失实验。强力胶要涂满涂匀，以使得滤液只能 从岩芯的一端渗透进去，从另一端流出，而不会从涂过强力胶的地方 渗透。岩芯被污染后对各岩芯进行薄片分析，观察广谱“油膜”暂堵 剂g p j 颗粒在岩芯孔隙上的吸附、对孔喉的堵塞及颗粒变形情况，如 图3 3 、3 - 4 所示。 从图3 3 、3 - 4 可知，在7 0 1 2 条件下，广谱“油膜”暂堵剂g p j 颗粒都具有较大的变形发生，且压差为3 5 m p a 时的变形程度大于 o 7 m p a 时的变形程度，都对岩芯具有较好的封堵作用；在常温条件 下，广谱“油膜”暂堵剂g p j 都呈现一定的颗粒形状，对孔喉不能形 成有效效堵。见表3 3 所示。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 图3 - 3 常温时不同压力下在岩芯中的存在状态 图3 47 0 c 时不同压力下在岩芯中的存在状态 表3 - 3 各岩芯中广谱“油膜”暂堵剂g p j 颗粒的存在状态表 暂堵条件广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 颗粒在岩芯中的状态 常温、0 7 v p a颗粒呈圆球状，对孔喉不能形成有效封堵 颗粒在高压下有所变形，呈次圆球状。对孔喉不能 常温、3 5 m p a 形成有效封堵 少量颗粒呈椭圆状、长条形封堵孔喉，大部分吸附 7 0 、o 7 m p a 于孔壁处，对岩芯有一定的封堵作用 几乎无球状颗粒存在，变形后吸附于孔隙和孔喉处， 7 0 、3 5 m p i t 对岩芯起有效封堵作用 3 2 6 降滤失性 广谱“油膜”暂堵剂具有改善滤饼质量的作用，表现出降滤失性。 滤失量大小的影响因素有温度、压差、暂堵剂加量等，下面以g p j - i i 为例，对各因素的影响规律进行研究，并将广谱“油膜”暂堵剂g p j i i 与其它常用暂堵剂的降滤失效果进行对比。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 3 2 6 1 加量对滤失量的影响 用钠膨润土配制密度为1 0 3 9 c m - 3 的基浆，并分别加入7 9 f c l s 、 评价土和不同加量的广谱“油膜”暂堵剂g p j i i ，测定8 0 c 、3 5 m p a 、 3 0 m i n 条件下的滤失量，结果如图3 5 所示。 图3 - 5 加量对滤失量的影响 从图3 5 可知，随着加量的逐渐增加滤失量也逐渐降低，加量超 过4 后降低幅度趋于平缓，说明广谱“油膜”暂堵剂g p j 具有降滤 失性。 3 2 6 2 温度对滤失量的影响 同样，在密度为1 0 3 9 c m - 3 的基浆中，分别加入7 9 f c l s 、评价 土和3 广谱“油膜”暂堵剂g p j i i ，在3 5 m p a 、3 0 m i n 条件下，测 定在4 0 1 2 0 时的滤失量，如图3 - 6 所示。 广谱“油膜”暂堵剂g p j i i 在其软化点附近的降滤失效果最好。 其原因是温度过低，广谱“油膜”暂堵剂g p j 颗粒未完全变形，无法 形成致密的滤饼，降滤失效果不好：温度过高，机械堵塞作用减弱， 其暂堵效果也发生劣变。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 图3 - 6 温度对g p j _ i i 降滤失性的影响 3 2 6 3 压差对滤失量的影响 按照与上面相类似的方法( 暂堵剂加量为3 ) ，测定在8 0 、 3 0 m m 、不同压差条件下的滤失量，实验结果如表3 - 4 所示。 表3 - 4 压差对广谱“油膜”暂堵剂g p j 降滤失性能的影响 l压差( m p a ) 1 42 12 83 5 l加g p j 的滤失量( m l ) 1 4 41 4 71 4 91 5 l 加复合暂堵剂的滤失量( m l ) 1 6 61 8 82 0 42 1 4 随着压差的逐渐增加，加广谱“油膜”暂堵剂g p j i i 和复合暂堵 剂的基浆滤失量逐渐上升，而加广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 的基浆滤 失量增量很小，这是因为一方面，压差增大，滤失量是增加的，另一 方面，对于广谱“油膜”暂堵剂g p j 来说，压差增大，变形程度加大， 滤失量降低，二者综合作用后的封堵效果优于复合暂堵剂。 3 2 6 4 广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 与其它暂堵剂的降滤失效果对比 向3 膨润土浆中分别加入3 的广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 、油 溶性树脂暂堵剂、复合暂堵剂，分别测定其在8 0 、3 5 m p a 、3 0 m i n 条件下的滤失量，结果如表3 5 所示。 膨润土浆中不加暂堵剂，滤失量较大；加入g p j - 后滤失量下降 很快；加入常规暂堵剂( 如油溶性树脂，复合暂堵剂) 时，滤失量仍有 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 下降，但不是很明显。即广谱“油膜”暂堵剂g p j i i 的降滤失效果优 于常规暂堵剂：油溶性树脂和复合暂堵剂。 表3 - 5 广谱“油膜”暂堵剂g p j i i 与其它暂堵剂间的降滤失效果对比 i暂堵剂基浆g p j i i油溶性树指复合暂堵剂 l 滤失量( m l ) 4 33 4 5 3 73 9 8 3 2 7 对油层岩石润湿性的影响嘲 广谱“油膜”暂堵剂g p j 中引入了油溶性材料和阳离子表面活性 剂，油溶性颗粒暂堵后对油层造成的负作用相对小，使所形成的屏蔽 暂堵环可直接通过后期原油生产的冲击和溶解作用解除，阳离子表面 活性剂使暂堵颗粒带上正电，能与油层岩石颗粒产生静电吸附作用， 增强封堵效果。但是，油溶性材料和阳离子表面活性剂都可能使油层 岩表面的润湿性发生变化，从而影响采收率。为了考察广谱“油膜” 暂堵剂g p j 对岩石表面润湿性的影响程度，采用a m o t t 自吸强制驱替 法评价广谱“油膜”暂堵剂g p j i i 对岩石表面润湿性的影响。 a m o t t 自吸强制驱替法是定量评价储层岩石润湿性的常用方法。 其依据是润湿相流体会自动渗吸进入岩芯，驱替岩芯中的非润湿相流 体。为了减小相对渗透率、流体粘度、岩样原始含水或含油饱和度等 因素对测量结果的影响，常采用自动渗吸和强制渗吸驱替相结合，并 用a m o t t - - h a r v e y 相对驱替指数( i a h ) 来定量评价储层岩芯的润湿性 ( 该方法测定的润湿性为储层岩芯的平均润湿性) 。具体方法如下 2 3 1 ： a m o t t - - h a r v e y 指数i a 为： i a h = 1 w - i o ( 3 - 1 ) 其中，1 w 为水润湿指数，定义为水自吸驱出油的体积u 。与自吸 和强制驱替出油的总体积( v 。+ v 。) 之比，即： 1 w - - v o , t , ( v 唧+ v 。)( 3 - 2 ) 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 i o 为油润湿指数，定义为油自吸驱出水的体积v 。与自吸和强制 驱替出水的总体积( 、，。，p + v 曲之比，即： 挑p ( v ”p w 曲 ( 3 - 3 ) 式中：1 w 水润湿指数，无因次； i o 油润湿指数，无因次； v 。o 鼍水自吸驱出油的体积，m 3 ； v 。广一水自吸后再用水强制驱替出油的体积，d 1 3 ； 岍一油自吸驱出水的体积，o ； v w t - - - - 油自吸后再用油强制驱替出水的体积，m 3 。 表3 - 6 用润湿指数表示的岩石润湿性的大致范围表 名称水湿中性润湿油湿 1 w 值 00 或接近0 0 a m o t t 指数 i o 值 00 或接近0 o a m o t t - - h a r v e y 指数o 曲 0 3 i 0一o 3 o 3一1 0 一0 3 水润湿指数1 w 随储层岩芯亲水性增加而逐渐接近于1 0 ，水润湿 岩芯一般有一个正的水润湿指数1 w 和零油润湿指数k 对中性润湿岩 样，二者之差接近零。而油润湿正好与水润湿相反。用i a h 指数定量 判断储层岩石润湿性的标准见表3 - 6 所示 试验采用人造岩芯作为多孔介质，模拟原油( 煤油与原油体积比 为1 0 ：1 ) 和模拟地层水作为试验流体。自吸法使用普通自吸仪，一 个用于水自吸驱油，另一个用于油自吸排水，最小刻度为o 0 1 m l ，驱 替试验装置为常规岩芯流动试验仪。实验所用岩芯为均质的长度较长 的岩芯，实验中将岩芯切成两半，其中一半用来测定它在地层水饱和 后的润湿性，而另一半则用来测定处理液饱和后岩芯的润湿性，从而 找出处理液对岩芯润湿性的影响情况 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章广谱“油膜”暂堵剂研制及性能评价 ( 1 ) 切开岩芯，清洗其中的一半，在1 0 0 1 0 5 c 下烘干1 2 h ，抽 空饱和模拟地层水4 0 h ，放置1 2 h ，使岩样和水充分接触并达到平衡 状态； ( 2 ) 将饱和模拟地层水的岩芯取出除去表面浮水，在岩芯流动试 验仪上以确定的流速对岩芯进行油驱水至束缚水状态； ( 3 ) 将含有束缚水的岩芯放入装满模拟地层水的自吸仪内( 使岩 芯完全浸泡在模拟地层水中) ，使其自发吸水排油4 8 h ，计量累计排出 油的体积v 。，即吸入水量； ( 4 ) 将岩芯从水中取出。除去表面浮水后放入驱替试验装置，用 模拟地层水以确定的流速水驱油至残余油状态，测量驱替出油的体积 ； ( 5 ) 将岩芯从岩芯夹持器中取出，放入装满油的自吸仪内( 使岩 芯完全浸泡在模拟油中) ，使其自发吸油排水4 8 h ，计量累计排出水的 体积v 。，即吸入油量； ( 6 ) 将岩芯从油中取出，除去表面浮油，以确定的流速用油驱水 至不再出水为止，计量驱出水的体积v 。； 分别按( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 式计算水润湿指数1 w 、油润湿指数i o 和 a m o t t - - h a r v e y 指数i a h ，定量评价岩样的润湿性； ( s ) 清洗另一半岩芯，在1 0 0 1 0 5 下烘干1 2 h ，抽空饱和处理 液( 此处的处理液分别为广谱“油膜”暂堵剂g p j - i i 以及它以5 的 加量加入两种不同钻井液后得到的混和液) 4 0 h ，放置1 2 h ，使岩样和 处理液充分接触并达到平衡状态，然后重复( 2 ) 一( 7 ) 的操作，从而得 到岩芯处理后的润湿性情况。 从表3 - 7 中的实验数据可