第五章

保護油氣層鉆井完井液技術石油工程學院提綱1、工作液概述2、水基鉆井完井液3、氣體型鉆井完井液4、合成基鉆井完井液5、油基鉆井完井液6、屏蔽暫堵技術1、工作液概述鉆井液完井液發展歷程鉆井完井液新進展完井液簡介鉆井完井液體系1.1鉆井液完井液發展歷程公元前256，中國鹽井用清水作鉆井液公元1859，美國第一口油井用清水作鉆井液1914～1916，正式有泥漿(鉆井液)定義1921～1926，澎潤土、加重劑、初級化學劑30年代～50年代，鈣處理鉆井液及較高級化學劑產生。同時發展油基鉆井液，1950年開始油包水鉆井液1.1鉆井液完井液發展歷程70～80年代—低毒、低膠性油包水鉆井流體—木質素磺酸鹽鉆井液、三磺深井鉆井液，生物聚合物鉆井液，KCl鹽聚合物鉆井液，聚丙烯酰胺類鉆井液—保護油氣層鉆井完井液，暫堵性(三類)鉆井完井液，無粘土相聚合物鉆井完井液1.1鉆井液完井液發展歷程90年代—環境保護，大位移水平井和深井為推動力，以增效增產為目標—陽離子聚合物、合成基、甘油聚合物鉆井液—硅酸鹽、MMH陽離子、聚乙烯醇(PVA)鉆井液—磷酸氫二銨(DAP)、共聚物/聚丙烯乙二醇Amps(COP/PPG)鉆井液—甲酸鹽鹽水(小井眼)、兩性聚合物鉆井液—低密度氣體型流體(欠平衡鉆井)—全油鉆井液1.2鉆井完井液新進展鉆井液技術圍繞“安全、健康、高效”，從單一技術向綜合技術方向發展，體現低成本、增儲上產，適合環保、深井、深水、高溫、井壁穩定保護油氣層技術向實用綜合方向發展，機理方面有創新，技術取得新進展深井鉆井液技術又有新突破1.2鉆井完井液新進展聚合醇新型鉆井液廣泛應用合成基鉆井液進入實用階段鉆井液環保技術得到應用井壁穩定基礎理論取得突破固控設備與技術進入新階段廢棄鉆井液處理技術計算機應用1.3完井液簡介概念—完井液從鉆開油氣層到正式投產前用于井眼流體。一般把井上作業期間任何接觸生產層的流體都叫完井液種類—鉆井液、水泥漿、射孔液、隔離液、封隔液、套管封隔液，礫石充填液、修井液、壓裂液、酸液1.3完井液簡介對鉆井完井液的要求——控制儲層流體壓力，保持正常鉆進——滿足工程要求的流變性——穩定井壁，改善濾餅，防止各種復雜問題——具有保護油層性質——其它性質包括在對完井液要求的范圍內1.4鉆井完井液體系水基鉆井完井液(WBM)—連續相為水的鉆井液為水基鉆井完井液；清潔無固相鹽水，無粘土相鉆井液，暫堵性完井液油基鉆井完井液(OBM)—連續相為油的鉆井液為油基鉆井完井液氣體型鉆井完井流體(GBM)—氣體、霧、泡沫及充氣鉆井完井流體合成基鉆井完井液(SBM)—合成人工有機體為連續相的鉆井完井液提綱1、工作液概述2、水基鉆井完井液3、氣體型鉆井完井液4、合成基鉆井完井液5、油基鉆井完井液6、屏蔽式暫堵技術2、水基鉆井完井液控制鉆井液損害的因素鉆井完井液發展新方向幾種水基鉆井完井液2.1控制鉆井液損害的因素油氣藏地質—儲層物性、孔隙結構、潤濕性、裂縫發育狀況—儲層敏感性礦物特征、儲層敏感性—油氣藏流體組成及性質—油氣藏溫度、壓力及剖面壓力分布—地層剖面的巖性及對鉆井液組分和性能的影響2.1控制鉆井液損害的因素鉆井液組分及性能—固相顆粒含量、尺寸及分布—鉆井液與儲層流體化學配伍性—鉆井液與儲層流體粘度對比值—鉆井液濾液特性—鉆井液本身質量2.1控制鉆井液損害的因素工程因素—鉆井液密度及超平衡壓力值（壓差）—鉆井液與儲層接觸時間（浸泡時間）—鉆井液循環速度—鉆井液溫度剖面—井壁穩定、事故安全、設備工具2.2鉆井完井液發展新方向濾餅屈服值—泥餅屈服值(切力)是去泥餅的關鍵性能—初始流動壓力被證明與屈服值成線性關系，加重劑的性質、顆粒分布、濃度直接影響屈服值—減小屈服值方法：采用近平衡鉆井，井下安全，減少泥餅屈服值；減少固相濃度，使用匹配的固相粒度分布，減少濾失量，減少固相微粒侵入儲層；鉆井液類型，泥漿類型不同對濾餅有很大的影響—利用潤滑劑及分散劑可改善濾餅屈服值，但往往造成儲層損害，宜小心2.2鉆井完井液發展新方向濾餅的形成—形成機理：帶滲透性固相表面滲濾，固相顆粒沉積—濾餅具有滲透性、潤滑性、強度、壓縮性、封堵性—通過化學成分的改變可控制濾失量及濾餅性質—內因：固相顆粒分布（粘土、鉆屑、石灰粉、鹽粒、樹脂）化學劑、水化作用、顆粒間作用力—外因：壓力、溫度、密度、流體流變性、儲層結構性質、儲層固相與濾餅間作用力2.2鉆井完井液發展新方向優質濾餅的作用—濾餅的雙重性：穩定井壁作用和防止固相侵入及減少濾失量—濾餅易解除，用酸、油、水易溶解，還可用微生物或酶等方法消除—目標：消除對礫石充填、井下篩管、封隔器堵塞，對于水平井的保護尤為重要2.3幾種水基鉆井完井液PEM漿（聚合醇）甲酸鹽完井液MMH鉆井完井液陽離子聚合物鉆井完井液2.3.1PEM漿（聚合醇）選用PF-JLX低分子量范圍：500～2000之間PF-JLX在濁點溫度以上，JLX分子從水中分離，吸附在鉆具、套管、巖石和濾餅表面，增加其潤滑性，它還可以進入泥頁巖裂縫，起到封堵裂縫的作用小分子JLX與粘土、鉆屑表面吸附，粘土、巖屑粒子晶層吸附，鉆井液中液相呈氫鍵吸附作用：削弱粘土、巖屑的水化、鉆井液的水化能力，防塌抑制性、穩定井壁2.3.1PEM漿PEM漿組成—主要由PF-JLX(水基潤滑劑)，PF-WLD(防塌劑)組成—PF-JLX是聚乙二醇低聚物，分子量保持在500～2000左右相宜，是良好的潤滑防塌劑—PF-WLD多元醇聚合物是類硅酸鹽結構的化學劑，具有很好的抑制性，對井壁穩定有利2.3.1PEM漿PEM漿特性—有雙保作用(保護井壁，保護油氣層)；PF-JLX，PF-WLD，具有良好的兼容配伍性，它對常用的化學劑Drispac,Antisol，Polydrill,SPNH,Desco,XC,PAM,DFD等均具有很好的配伍性，能很好發揮各自作用—無熒光，生物毒性達到環保要求的鉆井完井液—具有高溫穩定性—抗粘土侵和鈣鎂離子的污染，在淡水、海水中均可配制—可代替目前泥漿體系中潤滑劑，磺化瀝青，白油和KCl四種處理劑2.3.2甲酸鹽完井液優點—密度可達1.34g/cm3和1.6g/cm3，甲酸銫可達2.3g/cm3。無固相液，有利提高鉆速及保護油氣層—抗高溫，性能穩定，與處理劑配伍性好—有強抑制性，與儲層巖石、流體配伍，抗鹽、抗鈣、抗污染—腐蝕性弱—毒性極低并可生物降解，易為環境接受應用范圍—小井眼鉆井，側鉆水平井，連續軟管鉆井等2.3.3MMH鉆井完井液優點—具有一定的抗溫性，在高溫下具很好的流變性—對低孔低滲儲層，液相損害是主要的，應加強鉆井液濾液的抑制性、表面張力和侵入量的控制—普遍用來改善流型和保護井壁—正電膠MMH具有很好的保護油層效果2.3.3MMH鉆井完井液應用范圍—適合鉆開油氣層，表現出保護油氣層的優越性—鉆開油層前使用陽離子型改性泥漿，或整個地層配漿液均可—對各種滲透率范圍儲層均適用，適用性廣—對淡水及鹽水(海水)配制均可得到良好的鉆井完井液—鉆井完井液、壓井液、修井液均適用2.4.4陽離子聚合物鉆井完井液體系特征：含有分子量為幾十萬到幾百萬的大陽離子聚合物和分子量為幾百到上千的小陽離子季銨鹽組成：大陽離子、小陽離子、膨潤土、降濾失劑、增粘劑等組成特點：抑制性強應用范圍：主要用于穩定井壁和保護儲層2.4.5改性鉆井完井液組成原鉆井液+增粘劑+降失水劑+粘土穩定劑+暫堵劑+其它（防卡劑、緩蝕劑）改性內容與目的添加粘土穩定劑，抑制儲層水敏損害添加增粘劑和降失水劑，調節原漿流變性能，降低體系失水量添加暫堵劑，調節顆粒級配，控制固相顆粒與濾液侵入適當調節原漿密度，盡量降低體系密度提高體系攜砂能力，保證鉆井完井作業安全進行2.4.5改性鉆井完井液特點保護油氣層效果較好配制改性簡單，成本低，維護方便應用范圍廣體系保護油氣層效果難以把握。提綱1、工作液概述2、水基鉆井完井液3、氣體型鉆井完井液4、合成基鉆井完井液5、油基鉆井完井液6、屏蔽式暫堵技術3、氣體型鉆井完井液低密度流體發展簡史低密度入井流體類型五種低密度流體低密度流體應用泡沫和微泡沫3.1低密度流體發展簡史發展過程：水→油→氣→霧→充氣→泡沫發展歷史—頓鉆開始就是清水鉆井開始。—天然氣鉆井1940年(30年代已開始)—霧鉆井1952～1958年—空氣鉆井1954年—泡沫鉆井1975年(50年代已開始)3.2低密度入井流體類型3.3五種低密度流體3.4低密度流體應用新疆小拐油田欠平衡鉆井實例3.4低密度流體應用3.5泡沫和微泡沫—密度可調（0.5—1）—分散相為微泡沫（10—100μm）—無需特殊設備，不影響泵上水，不影響MWD測試—反復使用，固控裝置及鉆頭水眼沖刺不破壞微泡結構—結構為多層膜包裹的氣核，液膜是維持氣泡強度的關鍵，需加適合的表面活性劑—需要高屈服應力與剪切稀化特性的穩泡劑，XC為有效化學劑之一—產生均勻氣核是形成微泡的重要因素，要考慮水動力學及噴嘴氣蝕狀況性能泡沫密度低(0.032~0.064g/cm3)，井底壓力低；攜屑能量強

(10倍于水、4～5于泥漿)－泡沫強度高、粘度大液量低－含水量低于25％，水被束縛液膜中流體中無固相具有較好的封堵能力3.5泡沫和微泡沫泡沫鉆井的特點：3.5微泡沫應用—微氣泡堵塞濾餅造成濾失量降低，亦可堵塞裂縫、溶洞，可作為防漏堵漏的化學劑—已在美國進行幾口井現場試驗提綱1、工作液概述2、水基鉆井完井液3、氣體型鉆井完井液4、合成基鉆井完井液5、油基鉆井完井液6、屏蔽式暫堵技術4、合成基鉆井完井液合成基鉆井流體發展簡史合成基體系特性配方及性能比較4.1合成基鉆井流體發展簡史90年代列為三大類流體——水基(WBM)、油基(OBM)、合成基(SBM)合成基：流體二代產品——第一代：酯基、醚基、聚α—烯烴(PAO)——第二代：線型α—烯烴(LAO)

線型α—烯烴同分異構體(IO)

線型石蠟(LP)兩代差異：第二代流體成本低、環境配伍略差，但還符合標準，粘度略低，其他技術指標與第一代相似4.2合成基體系特性體系外相為有機合成物，不含芳香烴，對環境無損害閃點較礦物油高，發生火災和爆炸的可能性小凝固點比礦物油低，可在寒冷地區使用液相粘度比礦物油高較高熱穩定性，在200℃以下是穩定的，在升溫時滿足攜帶巖屑的需要，低溫時仍具有可泵性易分散于海水中，鉆屑清除容易4.2合成基體系特性較強抑制性、井眼穩定性，較好的潤滑性，適用于水平井、大斜度井和多底井較易調控和穩定的常規鉆井液性能節省了用油基鉆井液要處理鉆屑和環境污染的費用，也消除了因使用水基鉆井液達不到性能要求而損失的鉆機時間，鉆井費用有時比水基鉆井液還要低良好的保護油層效果4.3配方及性能比較提綱1、工作液概述2、水基鉆井完井液3、氣體型鉆井完井液4、合成基鉆井完井液5、油基鉆井完井液6、屏蔽式暫堵技術5、油基鉆井完井液發展史低毒礦物油漿特征全油鉆井液體系5.1發展史5.2低毒礦物油漿特征由低芳香烴含量礦物油配漿，毒性低，在海洋可排放添加劑均為低毒性或無毒性化學劑礦物油漿與柴油漿性能比較—潤滑性相似—礦物泥漿有剪切稀化特性—常溫條件下，礦物油漿粘度大于柴油油漿—高溫條件下，礦物油漿與柴油油漿性能相似5.2低毒礦物油漿特征毒性：礦物油漿基本無毒—礦物油LC50＞100000，無毒—柴油LC50為100～580，有毒性—巖屑滯留量，礦物油漿5%～6%，柴油油漿15%～17%成本：礦物油漿比柴油油漿高20%～30%，但礦物油可回收，節省清潔費用，礦物油比柴油節省6%以上費用具有耐高溫、抗各種鹽類污染、保持井壁穩定等優點突出優點：有利快速鉆井5.3全油鉆井液體系體系優越性提高井眼凈化能力提高流變性控制能力容易維護改善后勤供應降低成本低毒環保接受不會形成乳狀液，不會使儲層潤濕反轉提綱1、工作液概述2、水基鉆井完井液3、氣體型鉆井完井液4、合成基鉆井完井液5、油基鉆井完井液6、屏蔽式暫堵技術6、屏蔽式暫堵技術地層損害控制的意義問題的提出及創新思路技術思路論證屏蔽式暫堵技術原理技術應用效果屏蔽式暫堵技術思想的指導作用地層損害（FormationDamage)概念地層損害的影響—妨礙油氣層及時發現、準確評價、高效開發地層損害控制技術：系統工程、跨越多學科鉆井完井過程中的損害控制最為關鍵6.1地層損害控制的意義6.1.1鉆井完井過程中的損害損害因素：正壓差、固相、液相、浸泡時間90％以上的井——用正壓差打開油氣層泥漿固相損害程度10~90％泥漿、水泥漿濾液產生的損害可達10~100％侵入帶深度：固相可達1米，液相>1米6.1.2損害的嚴重后果產層滲透率下降10～100％，產能下降10～100％中低滲透油氣田特別突出——我國70％以上的儲量先天不足，敏感性強，極易被損害，損害難于消除不能及時發現——隱蔽型油氣藏類型之一不能準確評價——邊際油氣田，SZ36—1增加作業費用——酸化、壓裂措施幾—幾十萬元/井6.1.3鉆井完井過程油層保護技術“七五”攻關達80年代末國際先進水平——巖性分析及測定技術——敏感性及損害評價技術——損害機理診斷技術——損害礦場評價技術——保護油層鉆井工藝技術——保護油層鉆井完井液技術——保護油層優化射孔技術——保護油層酸化、壓裂技術6.1.4保護儲層鉆井完井液技術氣體類鉆井完井液油基類鉆井完井液水基類鉆井完井液—清潔鹽水體系—有固相無粘土鉆井液體系—水基類改性鉆井完井液體系6.2問題的提出及創新思路6.2.1技術背景“七五”技術無法完全解決鉆井完井損害問題90％以上的井仍不得不在正壓差被打開固井水泥漿的損害無法避免多套產層、多壓力系統的保護無法實現儲層保護與鉆井工藝、泥漿工藝的矛盾無法調和6.2.2技術思路的演變及局限性產生損害后如何消除——解堵技術預防為主，解堵為輔——配伍性、活度平衡損害只能盡量減小——暫堵技術局限性：單因素、“頭疼醫頭，腳疼醫腳”欲真正解決技術難題，必須就現有的技術思路作出根本性改變6.2.3屏蔽暫堵創新技術思路前提條件:把井打成的基本要求——泥漿中固相粒子不可消除——對地層正壓差不可避免——對地層的損害堵塞客觀存在必須接受前提條件，必須從現實出發，保護技術才能與鉆井、泥漿工藝相容，才可能有推廣價值和應用前景如何變害為利呢

基本設想：通過研究固相微粒對儲層孔喉的堵塞規律，打開儲層時，人為控制，使固相微粒在井壁上快速、淺層、有效地形成一個致密堵塞帶，就可能防止儲層的進一步損害快速－幾分鐘到十幾分鐘內形成淺層－堵塞深度在10厘米以內有效－堵塞帶滲透率極低，甚至為零在鉆井完井液中添加適當數量與大小的固相顆粒，以便在鉆開油氣層后能快速有效地在油氣井近井壁帶形成致密的橋堵帶，從而防止鉆井完井液固相顆粒與濾液繼續侵入地層，然后通過射孔等完井方式打開屏蔽環。這種保護油氣層的技術稱屏蔽暫堵鉆井完井液技術。6.3屏蔽暫堵技術6.3.1基本概念易塌層高壓層低壓層屏蔽層1/2~2/3橋架離子>3%1/4充填離子>1.5%可變形離子=1~2%6.3.2基本原理sPsPsPrarw暫堵層rwra壓差、孔喉與粒徑比、屏蔽層厚度間的關系快速：在5-10分鐘以內有效：穩定耐壓耐沖洗近井壁帶：在井壁3-5cm以內致密：滲透率接近06.3.3幾個關鍵詞6.3.4創新技術思路預期結果：阻止泥漿對油層的繼續損害，消除浸泡時間的影響，并消除水泥漿的損害解除措施：損害帶很薄，可通過射孔解除最終目的：損害帶的滲透率隨溫度和壓力的增加而進一步減小，從而把造成地層損害的兩個無法消除的因素：正壓差和固相粒子，轉換成實現這一技術的必要條件和有利因素，從理論上就能夠解決這個國內外一直未能解決的難題6.4技術思路論證6.4.1固相顆粒堵塞孔喉的物理模型——單粒架橋后，逐級填充6.4.2固相顆粒堵塞孔喉的計算機模擬6.4.3巖心流動實驗6.4.4礦場取心檢驗6.4.1固相顆粒堵塞孔喉的物理模型——單粒架橋后，逐級填充（1）架橋粒子的橋堵（2）填充粒子的填充（3）變形粒子的填充6.4.2固相顆粒堵塞孔喉計算機模擬6.4.3巖心流動實驗驗證產層孔隙結構分析粒喉徑比為2/3是形成穩定架橋的匹配條件ki/kw滲流速度1/31/22/3架橋粒子的臨界濃度為3％左右ki/kw粒子濃度3%QS-1超細CaCO3顆粒粒度分布6.4.4粒子架橋規律架橋粒子的堵塞深度在2～3厘米之內架橋作用在10分鐘內即可完成匹配得當時，可快速、淺層地獲得穩定的橋堵級配合理的填充粒子可進一步降低橋堵的滲透率填充粒子濃度應大于1％ki/kw孔隙體積倍數2/31/21/4軟化變形粒子的填充規律可變形粒子的粒徑應比剛性粒子更細（小于1/5孔喉尺寸可變形粒子的濃度一般為1～3％可變形粒子填充后，可使堵塞帶滲透率趨于零變形粒子濃度％

Ki/Kw

0 0.00510.86 0.00281.6 0.000912.4 0.00047EP-1顆粒粒度分布6.4.5堵塞實現的條件正壓差：壓差越大屏蔽效果越好一般油藏，壓差應大于3.5MPa時間：10分鐘內形成屏蔽環，延長時間無影響溫度：溫度的影響取決于變形粒子的軟化點屏蔽環可防止水泥漿對產層的損害屏蔽環的反排解堵可達到70％以上6.5礦場取心檢驗夏子街油田：井壁取心—證明侵入深度2~3cm吐哈油田：對比井取心—L10-18試驗井，屏蔽環K下降95-99%，強度7.8-20MPa，深度0.58-2.09cm,反排壓力0.12-0.86MPa—L11-17井（常規泥漿）K損害率65%，侵入深度超過5cm6.6屏蔽暫堵技術要點（1）準確掌握油層孔喉和固相顆粒的尺寸及其分布（2）確定架橋、填充和變形粒子的種類、尺寸和加量（3）專用暫堵劑調整鉆井液中固相顆粒尺寸及含量（4）評價屏蔽環的有效性、強度、深度和反排效果（5）選擇合理的正壓差和上返速度（6）必須采用優化射孔技術與之配套6.6屏蔽暫堵技術要點6.7屏蔽暫堵技術的必要性不可能用調整鉆井液濾液的礦化度的辦法來要避免水敏或鹽敏損害；鉆井液處理劑無法去掉，要滿足井壁穩定的要求，保證泥漿的攜屑等要求，就不可避免地要使用多種處理劑，它們對地層的損害也難以避免只要使用般土泥漿就存在固相損害，特別是對儲層中物性較好的儲層層更為嚴重；泥漿和水泥漿的濾液不可避免地會引起水鎖損害；原鉆井泥漿傷害實驗１、利用原對油氣層有害的因素---鉆井液中的固相顆粒、壓差。在一定的正壓差作用下，在很短的時間內（＜１０分鐘），在距井壁很近的距離內（＜5cm）形成有效堵塞（滲透率為零）的屏蔽環。它能阻止鉆井液中大量固相和液相進一步侵入儲層，同時由于它有一定的承壓能力，也能在高壓差下阻止水泥漿的固相和液相進入儲層。最后利用射孔方式解除屏蔽環，使儲層的滲透率恢復到原始水平。

6.8特點２、根據鉆井液中各種粒子的粒徑及分布情況，只需加入一定量的架橋粒子，即可將一般鉆井液改造成具有優良保護效果的鉆井完井液，施工簡單，維護方便，成本低。３、屏蔽暫堵技術只與鉆井液中固相顆粒的粒徑及分布和儲層孔喉大小及分布有關，而與鉆井液體系和儲層的礦物及各類敏感性無關。因此，可以在較復雜的儲層條件下保護油層，易于大面積推廣。6.8特點

1、儲層特征尤其是儲層孔喉大小分布研究通過壓汞、薄片技術、掃描電鏡等2、架橋粒子與填充粒子大小設計3、原漿顆粒粒度分布與大小檢測4、架橋粒子與填充粒子加量設計5、具體配方設計6.9主要研究內容與研究方法6、暫堵強度實驗檢測屏蔽環強度7、暫堵深度實驗屏蔽環深度8、返排解堵實驗屏蔽環返排能力，（>70%）9、架橋粒子與充填粒子對泥漿性能影響實驗架橋粒子與填充離粒子屏蔽暫堵實驗（例）配方1：細粒CaCO3+超細CaCO3+FT-1+原鉆井液配方2：細粒CaCO3+超細CaCO3+EP-1+原鉆井液配方3：超細CaCO3+EP-2+原鉆井液配方4：超細CaCO3+DYY-1+原鉆井液暫堵實驗結果暫堵強度實驗（例）反排解堵實驗結果（2）暫堵劑對泥漿流變性能的影響(2)6.10技術創新點

“變害為利，矛盾轉化”的觀點構思新穎、設想巧妙在新思路指導下的作用機理、物理模型及相關理論研究均有其獨特之處探索出了鉆井液在正壓差下打開油層并