钻井液完井液屏蔽环重复形成的实验模拟.doc

钻井液完井液屏蔽环重复形成的实验模拟刘大伟作者简介：刘大伟，男，1980年生，吉林磐石人，硕士研究生，主要从事开发地质及储层损害与保护理论技术的研究工作。地址：(610500)四川成都市新都区西南石油学院油井完井技术中心。E-mail：.电话 康毅力 刘 静 何 健 张 浩（油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油学院；中国石油天然气集团公司油井完井技术中心）摘要：深探井及多目的层油气探井，经常需要进行中途测试及完井测试、频繁测井和起下钻作业，不可避免地造成钻井完井液滤饼遭受多次形成与破坏，此时滤饼的性能将发生较大变化并对测试结果产生重要影响 。本文选取四川盆地川东北区长兴组和飞仙关组碳酸盐岩储层不同渗透率级别岩样及改性钻井完井液，利用HTHP动态损害评价仪进行钻井完井液屏蔽环重复形成与返排的实验模拟。实验结果表明，多次形成于基块和裂缝岩样中的钻井完井液屏蔽环的暂堵率和强度都得到了提高。重复作业时滤饼不断的向裂缝深部推进并因应力敏感损害而难返排，致使裂缝岩样渗透率恢复率降低明显，相反基块岩样一般仍可得到满意的渗透率恢复率。适当增大返排压差可以提高岩样渗透率的恢复率。 关键词：储层损害 钻井完井液 屏蔽暂堵 屏蔽环 返排 1. 引言钻井完井作业中，完井液能否形成优质的滤饼是储层保护的关键。因此，人们不断通过理论和实验研究改进滤饼性能,优化钻井完井液配方，提高储层保护的效果。焦棣（1995）提出的数学模型可以计算出泥浆动滤失平衡后泥浆的滤失速率1。Z. M. Zain和M. M. Sharma (2000)综述了滤饼返排清除机理2。何健等（2004）研究了返排过程中的压力变化规律，以及返排压差与渗透率恢复值之间的关系3。罗平亚和康毅力等（2005）指出暂堵性堵漏研究是屏蔽暂堵技术发展的重要方向4。文献报道的研究一般仅模拟了屏蔽环一次形成过程，尚未考虑钻井完井液滤饼重复形成时的屏蔽环特性与返排规律5-8。然而对于深探井及多目的层油气探井，经常需要进行中途测试及完井测试、频繁测井和起下钻作业，造成钻井完井液屏蔽环遭受多次形成与破坏，多次形成后的屏蔽环强度以及渗透率恢复率无疑会发生较大变化，对测试结果也将产生重要影响。本文采用四川盆地川东北区飞仙关组、长兴组碳酸盐岩岩样及改性钻井完井液，实验模拟并分析了屏蔽环重复形成的暂堵以及自然返排清除泥饼机理。2. 实验材料与方法2.1实验材料实验采用加入了一定颗粒尺寸暂堵剂改造的聚合物体系钻井完井液。配方为原浆+34%裂缝复合暂堵剂(150200目)+12%细目碳酸钙(1250目)+12%细目碳酸钙(4000目)+3%变形粒子(EP-2,90120)，平均粒径为D（v，0.1）=0.42mm，D（v，0.5）=13.98mm，D（v，0.9）=65.05mm。经过飞仙关组基块岩样（2块）以及长兴组裂缝岩样（2块）进行的的屏蔽暂堵实验测试，表明该钻井完井液体系具有良好的保护油层作用（暂堵漏Zd99.98%,渗透率恢复率Kf85%）。井浆性能见表1。选用长兴组（5块）和飞仙关组（6块）不同渗透率级别碳酸盐岩岩样，其中裂缝岩样在30MPa围压下压实20min后备用。滤饼重复形成实验用岩样物性参数见表2。表1实验用井浆性能R(g/cm3)T/spHB/mlK/mmQ600Q300Q310/Q310（Pa）AV/MPasPV/MPasYP/MPas1.5855101.80.3114642/5.557507岩样号层 位长度（cm）直径（cm）孔隙度（%）液测渗透率（md）备注1飞仙关组4.9222.52621.7327.041基块2飞仙关组4.6202.5213.6041.679基块3长 兴 组3.8942.5105.3011.398裂缝4飞仙关组4.0202.55012.281.599裂缝5飞仙关组4.6322.52821.9221.874基块6长 兴 组4.5002.5000.9014.644裂缝7长 兴 组3.6742.5124.907.384裂缝表2 实验岩样物性参数2.2 实验仪器主要实验仪器为中国石油天然气集团公司油井完井技术中心自制设备高温高压动态损害评价仪。原理是模拟钻完井作业时钻井完井液固相和液相对岩样进行动态综合损害情况。仪器还可以用来做岩样敏感性及损害实验，测定酸化效率和优选工作液。测量参数：（1）温度，室温2002；（2）围压2MPa50MPa5%；（3）钻井完井液循环流量020l/min；（4）柱塞状岩样，直径2.54cm，长度38cm；重复测量误差5%。2.3 实验方法（1）屏蔽环的重复形成 岩样气测渗透率后抽真空，饱和地层水40小时；测岩样的正向地层水渗透率Kw；在高温高压动态损害评价仪上，用改造后钻井完井液对岩样进行反向损害作用60min（钻井完井液温度80，压差为3.5MPa，围压7.5MPa），并计量单位时间的滤液体积；在较低流压下,正向地层水驱（返排）。找出突破压力Pd，记录返排压力Pi及岩样渗透率Kwi；增大流压返排，计算其渗透率恢复率Kf=Kwi/Kw100%；重复三次。（2）屏蔽环的强度 同（1）中；用地层水反向测定岩样滤失量。分别增加流压到5、7、10、12、15、20、25MPa（围压30MPa），并计量出各流压点上10分钟的钻井完井液累积滤失体积；计算此时的岩样渗透率Ki及屏蔽环暂堵率Zd=（Kw-Ki）/Kw100%。3. 实验结果与分析 实验结果如表3、图1所示，所有岩样在钻井完井液循环的15分钟内即形成致密屏蔽环，暂堵率皆为99.80%以上，并随循环次数的增多而提高。屏蔽环形成-返排实验的各岩样初次返排时的渗透率恢复率皆超过85%。3、4裂缝岩样首次返排时渗透率恢复率分别为98.545%、85.122%,而后两次渗透率恢复率却只有20%30%。这说明了形成的屏蔽环能够很好的保证固相颗粒和液相不进入储层裂缝，但多次形成的屏蔽环返排较为困难。1、2基块岩样所有轮次的渗透率恢复率都很高（Kf85%）。5裂缝性岩样、6基块岩样强度实验后恢复率超过了100%。但7岩样则不同，其在强度实验后返排压差为2MPa时也仍只有12.067%。另外各岩样返排时随着钻井完井液循环轮次增加，返排突破压力Pd增高。表3 屏蔽环性能评价样品回次暂堵率（%/15min）突破压力（MPa）返排压差（MPa）/恢复率（%）备注11M199.9650.040.040/43.120.080/87.10流压3.5MPa，围压8MPa 时的滤饼形成与返排实验1M299.9790.0550.055/33.690.105/72.370.170/100.01M399.9750.0750.075/21.540.180/81.710.210/96.6122M199.9830.1020.102/52.800.480/72.311.010/98.792M299.9900.1080.108/48.200.510/69.211.500/97.852M399.9910.1200.120/36.140.500/60.281.520/95.7333F11000.1400.140/65.250.500/84.771.000/98.553F21000.4900.490/26.981.000/20.711.580/34.593F31000.1650.165/8.001.010/21.612.000/23.4044F199.9300.1200.120/20.131.000/40.282.500/85.124F21000.3300.330/0.931.500/17.252.600/20.844F31000.6000.600/0.532.010/10.892.490/16.3155F199.8440.2800.280/16.811.450/39.032.000/140.0围压30 MPa，流压5、7、10、12、15、20、25MPa时的滤饼形成强度与返排实验66F199.9960.0850.085/29.170.200/182.316F299.9950.1650.165/20.170.500/218.7777F199.9280.1500.150/5.341.000/29.362.020/22.807F299.9920.4100.410/4.131.000/7.662.000/12.07注：2M1代表2号基块岩样屏蔽环第1次形成；3F2代表3号裂缝岩样屏蔽环第2次形成，其它同理。3.1返排压差的确定如图2，表3所示，所有岩样在一定的返排压差范围内，渗透率恢复率都有随返排压差增大而增大的趋势。分析认为是实验中压差（流压）增大，使岩样端面及内部屏蔽环脱落，堵塞在孔喉（裂缝）中的固相与液相返排出岩样，更多的孔喉（裂缝）参加贡献，致使岩样渗透率恢复率升高。同时也须认识到当流压增大到一定值后，随着流体流速（返排压差）的继续增大，一方面使进入岩样中的固相、液相返排出来。另一方面，岩样原胶结的粒子受到冲力变大，原本的平衡遭到破坏，其脱落运移到孔喉或裂缝狭窄处沉积下来堵塞孔喉（裂缝）产生速敏，造成岩样渗透率重新降低。两种因素同时影响着滤饼的返排效果。因此在实际返排解堵作业中应根据速敏实验确定最大返排压差（井筒负压），以确保最好的返排解堵效率。3.2裂缝对渗透率恢复率的影响如图1，钻井完井液初次循环时，4岩样实验的瞬间滤失为0.1ml，随时间增长滤失量稍有增加，在15分钟后不再滤失。第二第三次钻井完井液循环时，钻井完井液滤失量极小，说明形成了较好滤饼。1岩样其暂堵率虽是在不断提高但滤液一直在滤失。如表3，图2所示，3、4裂缝岩样，经历了钻井完井液三次循环后其渗透率恢复率急剧降低（第二、第三次渗透率恢复率基本接近），而1，2基块岩样在经历了三次循环后其最终渗透率恢复率却一直保持在85%以上。可以看出裂缝较孔隙更加容易受到损害，返排困难。分析认为，在屏蔽环形成时岩样受到的有效应力降低，裂缝张开，钻井完井液中的固液相进入裂缝形成滤饼。返排时效应力增大裂缝受到压缩变形甚至闭合发生塑性形变，致使滤饼返排困难。另外碳酸盐岩裂缝普遍充填程度低且平直，作业次数增加时固液相更容易侵入裂缝深部形成致密滤饼。返排时侵入的粒子与液相难以从原通道返出岩样，只有部分有限连通孔隙能对渗透率恢复率做出贡献，致使岩样渗透率急剧降低。而由于基块孔隙对应力敏感的程度弱于裂缝9,10，同时暂堵粒子与流体会在岩样浅部堵塞喉道形成屏蔽环而不会在之后作业中继续深入岩样，因此，适当增加返排压差仍可以得到较理想的渗透率恢复率。3.3钻井压差对滤饼强度与渗透率恢复率的影响如表3所示，3块裂缝岩样的屏蔽环都有较好的强度，都能够承受住足够的正压差（25MPa），暂堵率始终保持在99.8%以上。5、6岩样在做完强度实验后，渗透率恢复率都超过了100%。而7岩样强度实验后最终渗透率恢复率只有12.067%。实验结束后发现5，6岩样已经破碎，7岩样仍完整无损。如表1所示，5岩样，6岩样气测孔隙度较高，分别为12.275%，21.92% ，而7岩样孔隙度只有0.9%，为超致密岩样。分析认为是5，6岩样由于较高的孔隙度致使其硬度和强度都有较大程度降低，强度实验时，一方面钻井完井液固相、液相进入岩样深部使滤饼强度增大，返排困难。另一方面强度实验时有效应力增大超过了岩样的承压范围而破碎，新形成的裂缝提高了岩样的渗透率。超致密的7岩样在强度实验时承受住了足够大的总有效应力后没有产生新的裂缝，同时钻井完井液固相、液相深入岩样，滤饼强度增大，加大了返排的困难程度。返排时只有原始裂缝参加了贡献，然而裂缝容易受损害难恢复的本质决定了其经受三次污染后渗透率恢复率偏低的特征。此实验展现了裂缝性多层位多压力系统储层漏失采取暂堵性堵漏工作的难点堵漏后返排困难。4. 结论与建议（1）多次形成于基块和裂缝岩样中的钻井完井液屏蔽环的暂堵率和强度都得到了提高，但增大了返排的困难程度。（2）油气井重复作业时，滤饼继续向裂缝深部推进并因应力敏感损害而难返排，致使裂缝岩样渗透率恢复率急剧降低，相反，基块岩样不会受到以上作用影响仍可得到满意的渗透率恢复率。（3）裂缝容易遭受损害、难恢复，建议钻探裂缝性储层时减少频繁起下钻作业，降低油气井重复测试次数，尽量避免屏蔽环重复形成。参考文献1. 焦棣动态滤失过程中泥饼形成的研究钻井液完井液， 1995；12（1）：9-122. 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With carbonate cores collected from Fei Xianguan and Changxing formation of Northeast Sichuan Basin and betterment drilling-in fluids from working site, the article experiment simulation to multi-processes of filter cake formation by d