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第二章钻井液与油气层保护技术第一节 钻井液性能对钻井的影响 一、钻井液的稳定性 钻井液是一种分散体系，即粘土分散在水中。钻井液中的粘土颗粒多数在悬浮体范围(O1O2um)内，少数在溶胶范围(O1um1nm)内，所以钻井液是溶胶与悬浮体的混合物。 钻井液中胶体颗粒含量的大小，对钻井液的稳定性影响很大。胶体含量的大小主要取决于粘土在钻井液中的分散状态分散、絮凝和聚结。 粘土的造浆率高，颗粒分散得细，钻井液相对来讲就稳定；若粘土造浆率低，颗粒分散得粗，钻井液相对来讲就不稳定，易呈絮凝或聚结状态。因此，钻井液稳定的首要条件是钻井液中粘土颗粒要细，即从粘土在水中的稳定角度来看，分散得越细越好(胶体含量越高越好)。这种稳定性称为沉降稳定性。然而，即使很细的颗粒，因它具有极大的表面积和很高的表面能，根据表面能自发减小的原理，其发展趋势必然是小颗粒自行聚结变大，最后下沉。由于某种原因分散相颗粒具有对抗小颗粒自行粘结变大所具有的性质称为聚结稳定性。 沉降稳定性和聚结稳定性是互相联系的。只有保持聚结稳定性，使小颗粒不聚结为大颗粒，钻井液才能有沉降稳定性，才不至于因聚结而下沉。所以，聚结稳定性是矛盾的主要方面。 二、钻井液几个重要的流变参数 (1)动切应力(屈服值)。动切应力(rn)反映钻井液在层流流态时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力(形成空间网架结构之力)。影响动切应力的因素有钻井液的固相含量、固体分散度、粘土的水化程度、粘土吸附处理剂的情况及聚合物的使用等。 (2)表观粘度。又称有效粘度或视粘度。它的定义是在某一速度梯度下，用流速梯度去除相应的切应力所得的商。表观粘度不仅与流体本身性质有关，还受测定仪器的几何形状和尺寸、速度梯度的变化及测量方法的影响。 (3)塑性粘度。塑性粘度是指钻井液在层流时，钻井液中的固体颗粒与固体颗粒之间，固体颗粒与液体分子之间，液体分子与液体分子之间三种内摩擦力的总和。 (4)触变性。钻井液的触变性是指搅拌后变稀(切力降低)，静置后变稠(切力升高)的特性。或者说，钻井液的切力是随搅拌后静置时间的增长而增大的特性。 由于钻井液有触变性，静止时间不同，则切力不同。通常测两个静止时间的切力值。高速搅拌的钻井液静止1 min后测得的切力为初切力，静止10 min后测得的切力为终切力；初切力与终切力的差值，即表示触变性的大小。差值越大，则触变性越大。 (5)剪切稀释特性。表观粘度随速度梯度的增大而降低的特性，称为剪切稀释特性。即当钻井液从钻头水眼喷出时有较低的粘度，有利于钻头破碎岩石、清洗井底，而在环形空间又具有较高粘度，有利于携带岩屑，该特性对于提高钻速有利。 第二节 油气层损害与保护 油气层损害是指在油井完井及生产阶段，在储层中造成的减少油气层产能或降低注气、注液效果的各种阻碍。根据多孔介质中流体渗透理论，油气从地层流向井底，进而形成产能。在控制油井产能的众多因素中，岩石渗透性属于油层的自身特性。当油层受到损害时，宏观上表现为油层渗透率下降。因此，保护油层的核心问题就是保护油层的渗透率。 一、油气层损害机理 油气层损害机理是指在油气井作业过程中导致储集层渗流阻力增加和渗透率降低的原因，以及所经历的物理、化学变化过程。对于不同的油气层，由于储集特征和导致损害的外部环境不同，其损害机理也不尽相同。 1油气层损害机理的研究概况 1)国外研究概况 国外自20世纪50年代开始油气层损害机理的研究。但前20多年，工作进展缓慢。自20世纪70年代中期，由于能源危机，西方一些国家开始重视防止油气层损害、最大限度地提高油气井产能，油气层损害机理的研究工作开始向深度和广度发展。80年代，随着新的测试技术的发展以及对油气层损害机理认识的不断加深，开始了系统化的研究。特别是80年代末到90年代初，又开始了应用数学模拟方法进行机理研究，从而对油气层损害机理的认识更为深入。国外对油气层损害机理的研究大致可概括为三个阶段。 (1)定性分析阶段。根据岩类学分析、化学分析、基础物性分析结果及一些油井资料可初步定性分析油井可能发生或已经发生了什么损害。 (2)应用统计分析对损害因素排列次序阶段。随着损害机理研究的不断深入，人们逐渐能够对不同条件下损害因素的主次进行排序。 (3)物理模型与数学模型研究阶段。研究多偏重于微粒运移对储层的损害方面。应用数学模型研究油气层损害机理的优点是不必花费大量的时间和经费进行各种试验，便可以把各种因素对油气层的损害程度进行定量的预测，这种方法使机理研究工作进入了一个新的阶段。 总之，国外经过40余年的研究，已在机理研究的许多方面取得了重要的进展，从而为我国研究工作的开展提供了许多可借鉴的资料。 2)国内研究概况 我国的油气层损害机理研究工作始于20世纪80年代初期，通过多年的研究工作已取得可喜的进展，1986年被正式列于“七五国家重点科技攻关项目“保护油层钻井完井技术中。从1986年到1990年，有关科技工作者建立了多种研究方法，对不同油气层损害机理进行了广泛的研究。这期间，选择了华北、辽河、中原、四川和长庆等5个油田共7种类型储层进行了机理研究。研究中广泛使用了岩石学分析、岩心流动实验和动态模拟等项技术，对实验区块的损害机理进行了系统的剖析及定量研究，抓住了主要损害因素，并为后继一系列保护技术提供了依据。 我国的机理研究在以下几方面更为深入、全面和具有特色： (1)在钻井液动、静滤失规律的研究中，对内外滤饼的形成与油层损害的关系、滤饼的结构、动静滤失的差别，以及在钻开油层过程中影响固相颗粒侵人的主要因素等都进行了深入研究，并提出了将影响固相颗粒侵入的不利因素转变为有利因素的辩证思路。 (2)在采用数学模型研究储层中微粒运移的机理时，针对Celda研究工作的局限性，对37us以下的地层微粒所受的力进行了全面分析，在此基础上，对微粒水化膨胀造成分散的临界盐浓度、微粒起动的临界速度及其影响因素进行了全面、系统的研究。 (3)在酸敏及水锁损害研究方面，将理化分析与扫描电镜、微模型等微观测试技术紧密结合，进行了深入细致的分析研究。 此外，使用微模型可见技术对水锁效应、微粒运移与固相颗粒堵塞等都进行了比较系统的实验研究。这项技术的应用为我国油气层损害机理研究工作的深入开展带来了广阔的前景。 现结合国外的最新研究进展，对各生产环节中造成损害的问题进行归纳和分类，并从理论上分析这些损害的机理，包括损害的内因、外因及影响因素。 2油气层的损害 在钻开油气层、注水泥、射孔试油、酸化与压裂、采油、注水、修井等施工过程中都会不同程度地破坏油气层原有的物理、化学平衡状态，都可能给油气层带来损害。 1)钻井过程中的损害 (1)钻井液固相的损害。钻井液中所含各种悬浮物质(粘土、岩屑、加重材料和堵漏剂等)都有可能对储层造成损害。当它们进入储层时，便可能逐步充填油气藏岩石孔隙。在随后进行生产或注入时，这些物质很可能桥堵在孔隙喉道的进口处，严重地降低井眼附近地带的渗透率。一般情况下，此类损害仅限于井眼周围76cm内，但最终的渗透率降低值却可高达90。 (2)钻井液滤液的损害。钻井液是最先接触油气层的外来流体。在一定的压差下，钻井液滤液会渗入地层，特别是在滤饼形成之前，滤液的渗入是不可避免的。如果钻井液的滤失量太大，将会携带大量的固相颗粒进入储层，产生堵塞而造成损害；同时，进入储层的滤液若与储层不配伍，则会引起粘土水化膨胀、水锁，形成化学沉淀和胶体乳化等，而导致油气层的损害。 (3)影响钻井液损害程度的因素。 压差。压差是指井筒内液柱压力与地层孔隙压力之差。压差越大，钻井液滤液及固相颗粒越易进入地层，影响越大。 浸泡时间。钻井液浸泡地层的时间越长，滤液的侵入量越多，损害程度也越大。 钻井液循环时的剪切速率。钻井液在环空循环时剪切速率过大，会严重地冲蚀井壁，破坏滤饼，从而使滤液及固相颗粒易于进入储层。此外，剪切速率过大还会造成井径扩大，影响固井质量。 起下钻速度。快速起钻的抽吸作用会降低钻井液液柱压力，破坏滤饼及已形成的桥堵；而快速下钻的锤击效应则使钻井液液柱压力增大，从而增大压差，促使钻井液侵入地层，加重对储层的损害。 钻具对井壁的刮削作用。井眼不规则或钻具弯曲，钻具就可能对井壁产生刮削作用，破坏井壁上已形成的滤饼或桥堵物，使钻井液易于侵入地层。此外，钻具对井壁的涂抹作用，则会使滤饼中的固相颗粒嵌入地层孔隙或裂缝中，造成渗透率下降。 总之，钻井过程中的油气层损害主要是由于钻井液滤液及固相侵入引起的。只有尽可能地减少两者的侵入量，并使钻井液滤液在物理、化学性质上与地层矿物及流体相配伍，才能将损害减小到最低限度。 2)注水泥过程中造成的损害 (1)水泥浆的损害。注水泥过程中水泥浆对油气层的损害往往来自两个方面：一方面是水泥浆滤液侵入地层；另一方面是水泥固体颗粒侵入地层。 在正常情况下，由于井壁泥饼对地层的保护作用及水泥中的固相颗粒直径较大，所以水泥中固相颗粒侵入地层不是损害的重要因素。但水泥浆一般滤失量较大，注水泥时的压差又很大，其滤液能透过滤饼，进入储层一定的深度。进入储层的滤液可能由以下几方面原因造成损害。 滤液与地层矿物不配伍，造成粘土膨胀分散。 水泥的水化作用使氢氧化物过饱和而重结晶，沉淀在孔隙中。 滤液中的氢氧化物与地层中的硅起反应，生成硅质熟石灰成为粘结性化合物。 滤液与富含钙的原生水相接触，易生成碳酸钙或硅酸钙水合物的沉淀。 水泥浆滤液有相对高的pH值，它进一步促进地层中的粘土矿物发生水化膨胀。 固井过程中水泥浆对储层的损害一般小于钻井液对储层的损害。这一方面是由于在水泥浆进入地层之前，钻井液滤液已进去了一部分，从而使水泥浆滤液不像钻井液滤液那样容易进入；另一方面是由于水泥浆凝固前在井下的时间短，故与储层的接触时间也是有限的。 (2)清洗液与隔离液的损害。在固井注水泥前，需使用清洗液和隔离液将环空中的钻井液全部排除，在此过程中滤饼可能部分地被破坏。在紊流注入的高压差作用下，清洗液和隔离液的滤液对地层的侵入量会显著增加。此外，如果水泥浆与隔离液之间的交界面发生破坏，会增加对储层的损害。 (3)挤水泥过程中造成的损害。采用高压挤水泥被认为是使水泥浆侵入地层的重要原因之一。若使用的压力过高，特别容易对非胶结的高渗透性砂岩造成较严重的损害。 (4)固井质量的影响。如果固井质量不好，则后继工作液会沿水泥环渗漏入地层，造成十分严重的地层损害。因此，固井质量的好坏是影响储层损害程度的一个很重要的因素。 为保护油气层，要尽可能使用低密度水泥浆，降低水泥浆以及隔离液、清洗液的滤失量，并保证固井质量。 3)射孔试油过程中的损害 一般说来，在钻井、固井过程中油气井周围所形成的损害带，通过射孔施工可将损害部分解除。但在射孔、试油过程中造成的损害，则难以补救。 (1)压实带的形成。在孔眼周围形成压实致密区，原始渗透性能被破坏，其渗透率仅为原始值的720。 (2)固相堵塞。固相颗粒和射孔产生的碎片在正压差作用下压人地层，导致孔眼的导流能力降低。 (3)射孔液或压井液与储层不配伍。如施工中使用清水，造成地层中的粘土水化膨胀，导致储层损害。 (4)高压差、大排量试油。 引起储层内的微粒运移，导致渗流通道堵塞。 在井眼周围形成压力亏损带，当进行二次压井时，易引起渗漏，造成储层损害。 井眼周围压力迅速下降，使得原油很易脱气、结蜡而堵塞渗流通道。 产生压实作用，造成损害。 在射孑L试油过程中保护油气层要注意： 所用液体要与储层配伍。 尽可能采用负压射孔。 射孔深度要足够。控制适当的试油压差。 尽可能缩短压井液的浸泡时间。 4)酸化作业中的损害 酸化作业是目前用于油层解堵或增产的常用措施。但是，如果酸化作业不当会给地层带来新的损害，酸化可能引起的储层损害有： (1)酸液与地层矿物反应产生沉淀。当地层中含有一些酸敏性矿物时，用不配伍的酸液处理地层可产生絮状或胶状沉淀物质而堵塞孔喉，导致渗透率降低。 (2)外来固相堵塞。若作业管线不清洁，则酸液可将铁锈、污泥等物溶解带人地层，引起堵塞。 (3)增加地层微粒。酸液溶解掉部分岩石骨架及其胶结物(如碳酸盐类)后，会释放出许多不溶于酸的固体颗粒。这些颗粒的增加，使地层中微粒运移现象加剧。 (4)与原油中的沥青质形成胶状沉淀。当酸液与富含沥青质的原油相接触时，酸与沥青质容易发生反应生成胶状残渣。当有表面活性剂或Pe3存在时，残渣更易生成。 5)压裂过程中的损害 压裂是低渗油气藏增产的有效措施之一，但若不注意对油气层的保护，仍然可造成对油气层的损害，使增产作业的效果不理想，甚至还可能降低原有的生产能力。 (1)压裂液引起损害。压裂液与储层不配伍，引起地层中的粘土膨胀、原油的乳化等损害。对于低渗透油气藏，还可能产生水锁现象，损害油气层。 (2)压裂液残渣造成损害。 6)采油过程中的损害 (1)采油速度过高。造成原来松散地依附在孔壁上的一些矿物微粒发生运移，从而对孔隙喉道产生堵塞，降低渗透率。 (2)结垢与结蜡。生产过程中，由于储层的孔隙压力降低以及有时气体膨胀引起的冷却作用，均使某些无机盐溶解度降低而生成无机垢沉淀。通常的盐垢为碳酸钙和硫酸钙，有时还有单体硫以及氯化钠的沉积，如果油气井从正常生产层窜槽或从套管泄漏处出水，则沉积的盐垢将堵塞井筒、射孔孑Lg艮与地层孔隙。 对于富含沥青质或蜡质的原油，在其流动过程中由于温度、压力降低，也会引起这些物质在地层中形成蜡垢和有机垢。虽然孔隙壁上的沥青质沉积一般不会明显降低地层孔隙度和绝对渗透率，但在经过这一过程后，岩石将趋向亲油，并降低油的相对渗透率，在定条下若同时产水，还会有助于乳状液堵塞的形成。 (3)除蜡、除沥青质过程的影响。当井内油管内结蜡或有积垢时，常用机械(如使用刮蜡片)或热油洗井等方法将其清除。但如果在该项处理中，使用方法不当也会造成对油层的损害。比如在采油过程中，从油管上刮下的石蜡或沥青有一部分会泵入射孔孔眼和井筒附近的地层孔隙、孔洞或裂缝中去。用热油洗井时，一部分蜡垢也可能堵塞地层孔隙和射孔孔眼而影响产能。 (4)化学处理剂的影响。如果所使用的缓蚀剂、防垢剂或防蜡剂与产层接触并且与之不配伍，也可能导致油相渗透率降低。 7)注水过程中的损害 在注水过程中不注意对油气层的保护，将会直接影响到注水效果，降低油气井产量和采收率。注水过程中可能造成地层损害的原因主要有注入水的水质(矿化度、化学成分、固相含量及粒度范围、细菌量、游离氧含量等)不符合要求，引起地层中粘土矿物的水化膨胀及分散运移堵塞、化学沉淀堵塞、机械杂质堵塞和细菌堵塞等损害；注入水的强度过大，引起地层中微粒运移而堵塞孔喉，导致地层渗透率下降。 8)修井过程中的损害 修井液与地层不配伍，造成地层中的粘土膨胀、地层水结垢、岩石润湿性反转及原油乳化等一系列损害。 9)提高采收率的方法对油气层的损害 在采用蒸汽驱、碱水驱、二氧化碳驱、活性剂驱和聚合物驱等提高采收率的方法时，可能引起储层的损害。 二、保护油气层 1油层损害的类型 (1)水敏性损害。水敏性是指岩石与外来水接触后，其中的粘土矿物发生水化膨胀、分散、脱落、运移，而导致地层渗透率降低的现象。水敏性损害是各种油层损害类型中最复杂、最主要的一种。产生水敏性损害的原因，一方面是由于膨胀性粘土遇水膨胀，减少了油层的孔隙通道；另一方面是一些非膨胀性粘土遇水产生分散脱落，释放微粒，并且微粒随流体运移而堵塞孔隙通道。 (2)酸敏性损害。酸敏性是指岩石与酸液接触后，发生有害反应生成沉淀或岩石解体产生地层微粒，而引起油层渗透率降低的现象。 (3)微粒运移损害。微粒运移是指由于流体流速较高或压差波动较大，使储层中固有的颗粒脱落，随流体发生移动，在孔隙通道中形成“桥堵”或“帚状”堆积而阻挡流体流动。 (4)结垢损害。地层结垢泛指在地层孔隙内形成的各种沉淀物，它包括无机垢和有机垢两大类。形成结垢是由于地层岩石和流体的内在原因与外界物理化学因素引起的。 (5)水锁损害。水锁一般指由于水进入油层后引起的液体堵塞，它是一种物理原因的损害。一方面，由于外来水的渗入，改变了油层中的油水分布，含水饱和度增大而含油饱和度降低，必然导致油相渗透率减少。另一方面，由于水的渗入，油层孔道中呈两相共流状态，不连续相则形成液珠。液珠在流动过程中将产生阻碍流动的各种毛细管力效应，这种毛细管力效应便成为不可忽视的流动阻力。 (6)润湿性改变损害。不同油层岩石表面具有不同的电性及润湿性，一般可分为亲油岩石和亲水岩石两大类。这里所说的润湿性改变损害是指由于岩石吸附化学剂改变岩石表面润湿性而造成油层油相渗透率下降的损害。这种类型的损害与岩石成分有关。 (7)固相颗粒侵入损害。固相颗粒侵入是指人井流体直接将固相颗粒带人地层，堵塞孔隙通道而损害油层渗透率。固相颗粒包括无机固相颗粒和有机固相颗粒。固相颗粒侵入油层是在滤饼形成之前发生的。 (8)出砂损害。当油层岩石属于弱胶结或未胶结型时，在高速采油的情况下，岩石结构的完整性遭到破坏，发生解体，形成松散的砂粒或微粒物质。其中较大的颗粒随油流流向井筒，造成油井出砂，堵塞生产层段，甚至引起地层滑移而损害套管，迫使油井停产。另外，在施工作业中，如工作液使用不当，造成胶结物中粘土矿物分散或其他矿物的溶解，破坏了岩石的胶结状况，也会导致或加剧油井出砂带来的油层损害。 2保护油气层的钻井液完井液 在钻井过程中，钻井液完井液是钻开油气层时首先接触的工作液，易对油气层造成损害。由于钻开油气层改变了原有的环境状态，钻井液完井液中的固相、液相侵入油气层内与油气层中的固相、液相或气相发生物理化学反应，使油气层的有效渗透率受到不同程度的损害。油气层一旦受到损害，欲恢复到原有水平是相当困难的。目前，保护油气层钻井液完井液大致可分为三大类。 (1)水基钻井液完井液。 无固相饱和盐水钻井液完井液已形成系列，近几年国外报道最多的是无固相饱和盐水钻井液完井液。这个系列的钻井液完井液有很多品种，分别含有氯化铵、氯化钠、氯化钾、氯化钙、碳酸钠、溴化钠、溴化钙、溴化锌，或者同时含有它们中的若干种，密度范围为