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水平井钻井液及储层保护

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水平 钻井 保护
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第 27 卷第 4 期2010 年 12 月 25 日油 田 化 学27 425 2010文章编号 : 10002010) 04收稿日期 : 2010修改日期 : 2010者简介 : 甄剑武 ( 1973 - ) , 男 , 高级工程师 , 1995 年毕业于河南大学化学工程专业 , 从事钻井液技术研究与应用工作 , 通讯地址 :457001 河南省濮阳市中原路 59 号中原石油勘探局钻井工程技术研究院油气层保护研究所 ; 电话 : 0393 - 4896705, 26. 平井钻井液及储层保护*甄剑武1, 王中华1, 雷祖猛1, 杨建军1, 赵 虎1, 杨 勇2( 1. 中原石油勘探局钻井工程技术研究院 , 河南 濮阳 457001; 2. 中原石油勘探局生产管理处 , 河南 濮阳 , 457001)摘要 : 综述了水平井段常用的几种钻井液体系 。较详尽地介绍了新型聚合物 、仿油基 、可循环泡沫 、弱凝胶 、无固相等钻井液以及储层保护技术应用现状 、研究发展方向 。简介了用于煤层气 、稠油藏 、裂缝性等特殊储层方面水平井的钻井液和储层保护技术 。总结了水平井完井后清除钻井液泥饼 、恢复储层产能的技术发展 。最后提出了水平井钻井液及储层保护新的发展方向 。参 52关键词 : 水平井 ; 钻井液 ; 储层保护 ; 综述中图分类号 : 3: 6: 3 文献标识码 : 水平井钻井技术最早于 20 世纪 20 年代被提出 , 40 年代得到初步应用 , 到 80 年代在美国 、加拿大 、法国等国家得到相继推广 。随着地面条件 、地下油层状况与勘探开发的深入 , 以及地质导向技术的应用 , 国际水平井钻井技术已日臻成熟和完善 。我国于 20 世纪 60 年代开始探索 , 到 90年代开始大规模的研究和应用 。随着水平井钻井工艺 、钻井完井液及完井方式的不断研究 , 水平井已作为常规钻井技术应用于多种地层 , 有效开发包括枯竭油藏 、致密气藏 、稠油藏在内的所有类型油气藏 。目前在国内外水平井钻井施工中 , 普遍使用的钻井液体系有水基钻井液 、油基钻井液 、泡沫和充气钻井液等 , 主要解决井眼净化 、井壁稳定 、润滑 、防漏堵漏 、储层保护等问题 。根据水平段储层特点采用合适的钻井液 , 如水平井段用钻井液多为常规水基钻井液 , 通过适当调整钻井液性能以满足水平段的钻井要求 ; 水敏性极强的地层使用油基钻井液或合成基钻井液 ; 低压易漏地层使用泡沫或充气钻井液 。近年来 , 甲基葡萄糖甙钻井液 、低固相或无固相 /无黏土钻井液等新体系也在水平井钻井中得到应用 ,保证了水平井段的优质高效钻井 , 且保护储层作用较好 , 并利于环境保护 。1 水平井钻井液体系1. 1 聚合物钻井液在聚合物钻井液中 , 聚硅氟钻井液具有抑制性强 , 润滑性好 , 携岩能力强 , 可稳定井眼等特点 。现场使用硅氟类处理剂的加量约 1. 0%, 配合其他处理剂用于水平段钻井的特性较好 , 满足了一些储层的水平井钻井要求 , 充分发挥了聚合物钻井液的优势[ 1 ~3]。俄罗斯斯拉夫 研发出新型生物聚合物钻井液 “бурвис”, 在不使用无机盐时可有效延缓黏土膨胀 。20 多口水平井应用后 , 实际产能从设计的 30% 提高到 93%,产量显著提高[ 4]。聚合物混油钻井液用于埋深较浅的稀油藏和稠油藏水平井钻井 , 可较好满足地层松散 、造浆严重 、水平段中靶精度高 、地层易漏失等要求[ 5, 6]。同时该类钻井液体系在辽河油田 、胜利油田等 “反勾 ”型 、上阶梯式等复杂井身结构的水平井也得到成功应用[ 7, 8]。近年来水平井技术也开始应用于煤层气的开发 。与油气藏地质地层相比 , 煤层的可钻性更差 , 极不稳定 , 更易因煤层坍塌 、缩径 、漏失而导致卡钻事故 。因此采用强抑制性聚合物钻井液 , 硅钾基防塌油 田 化 学 2010 年剂大于 2%, 通过合理控制密度来平衡地层压力 , 稳定煤层井壁压力系统 ; 维持小滤失量和较好的泥饼质量 , 减少滤液对煤层胶结物 、矿物颗粒的溶解和溶胀 , 进一步稳定井壁和保护煤层 ; 保证润滑剂含量为3%, 提高钻井液的润滑性等措施 , 有利于煤层井段的施工[ 9]。1.2 聚合醇钻井液由美国贝克休斯公司研制的聚合醇钻井液[ 10 ~12], 利用聚合醇的浊点效应 , 当钻井液循环至井底 , 在正压差作用下游离的聚合醇液滴封堵钻井液泥饼和泥页岩的孔喉 , 阻止钻井液滤液进入地层 ,保护井壁 。同时聚合醇在泥页岩表面形成吸附层 ,抑制泥页岩水化 、膨胀与分散 。现场应用结果表明 ,该钻井液体系的流变性 、滤失性和润滑性良好 。在普通聚合物钻井液基础上 , 采用强抑制性聚合醇 , 配合使用除砂器和离心机 , 降低钻井液的固相含量 , 合理调整钻井液密度及其他性能参数 , 以满足不同地质特点及井身结构的水平井段钻井施工要求 。采用该钻井液后 , 在吉尔吉斯马平 528 井成功实现了水平段井眼轨迹呈多台阶开发多个薄油层[ 13]; 胜利油田水平预探井水平 3 井日产油量44. 19 t、日产气量 2760 14]; 永 12 平 4 井钻具与井壁间摩擦阻力由 280 至 90 ~110 无垮塌掉块现象 , 井径扩大率仅 6. 68%, 该井投产后的产量是邻近直井的 9 倍[ 15]。将聚合醇与聚磺或钾聚磺处理剂结合 , 使钻井液既具有强抑制性 、井壁防塌稳定性 , 又具有高温稳定性 , 流变性和润滑性好 、井径规则 、携岩能力强等特点 , 有效地满足了抗温 120℃、密度 1. 40 g/塌水平段的钻井施工要求[ 16, 17]。聚合醇可与甲酸盐 、正电胶 、硅氟等强抑制性处理剂很好的配合使用 。在青海油田采用聚合醇 配合屏蔽暂堵技术进行水平井钻井 , 投产后产量均有大幅提高[ 18]; 中原油田采用聚合醇 先后钻成了多台阶变方位水平井云 2 井 、易漏的濮 2 井 、超薄油藏深层水平井文 92 井等一批高难度水平井[ 19]; 胜利油田在桩 1 井采用聚合醇 生物毒性小 , 生物半数致死浓度 0800g/利于环境保护[ 20]。在大港油田的水平 5 井水平段使用聚硅氟钻井液 , 利用聚合醇和硅氟的双重抑制性 , 可有效解决水平段含碳质 、煤质泥岩地层的垮塌问题[ 21]。1.3 正电胶钻井液在混合金属层状氢氧化物 ( 钻井液体系中 , 由于 黏土相互作用形成正电胶 /黏土胶粒复合体 , 束缚自由水能力较强 , 表现出快速凝胶的结构特征 , 稍经搅动即可解体 , 且对黏土矿物的抑制作用强于 0 倍 。因此 , 正电胶钻井液的流变性独特 , 抑制能力强 , 防塌效果好 , 配伍性能优良 , 保护油气层的能力较好 , 可显著提高机械钻速 。其缺点是滤失量较大 , 在强造浆地层中使用时增稠严重[ 22]。井液可保持动塑比 、静切力 , 提高携岩能力 , 配合使用固控设备 , 及时清除有害固相 ; 加入润滑剂 , 可大幅降低摩阻 , 提高机械钻速 。聚合物混油钻井液中表现更为突出 , 已在塔河油田[ 23]、胜利油田[ 24, 25]、江苏油田[ 26]浅层储层应用 。在对钻井液抗温要求较高的地层 , 配合使用磺化类处理剂 , 使钻井液性能更加稳定 , 可进行多种井身结构的水平井施工[ 27, 28]。将有机正电胶与聚合物类处理剂形成钻井液体系 , 提高钻井液的润滑和防塌 ,保持井径规则 , 有效防止水平段岩屑床的形成 , 同时通过暂堵剂的粒径级配提高泥饼质量 , 减轻钻井液对储层的损害[ 29]。1.4 油基和合成基钻井液油基和合成基钻井液对储层损害程度低 , 页岩抑制能力良好 , 防止井塌 、稳定井壁 , 特别是润滑性能好 。许多泥浆公司已开发出各种低毒油基钻井液体系 , 如 系和 系等[ 30]。合成基钻井液是作为油基钻井液的替代体系在 20 世纪 90年代发展起来的 。它以人工合成或改性有机物作为连续相 , 盐水为分散相 , 加入乳化剂 、降滤失剂 、流型调节剂等以调节性能 、稳定体系 。针对渤海油田稠油藏地层胶结疏松 , 进行了水平分支井油基钻井液研究 。油水体积比 80∶ 20, 水相为氯化钙溶液 , 油层渗透率恢复值达 95% 以上 。在完成每个分支和主井眼作业后 , 用新配的无固相合成基钻井液替浆 , 解决固相污染问题[ 31]。四川石油管理局以柴油为油相 , 开发出可回收重复使用的超低密度硬胶极压型油包水乳化钻井液 , 降低了单井钻井液成本 , 实现了欠平衡水平井的施工[ 32]。由葡萄糖的半缩醛羟基和脂肪醇羟基在催化剂的作用下失去一分子水得到的烷基糖苷 ( 是854第 27 卷第 4 期 甄剑武, 王中华 , 雷祖猛等 : 水平井钻井液及储层保护一类新型的表面活性剂 。其中由甲基葡萄糖甙( 配制成的仿油基钻井液体系 , 其抑制性 、润滑性优于聚合醇类钻井液 , 并且降滤失性良好 , 油水界面张力很低 , 配合超细碳酸钙和油溶性树脂可快速形成低渗且薄的滤饼 , 防止和控制储层损害 , 尤其是减轻水锁损害 。同时由于甲基葡萄糖甙属于葡萄糖衍生物 , 大大降低了钻井液对环境的污染[ 33]。还可对烷基糖苷改性 , 合成出磺化乙基糖苷 , 保留了烷基糖苷的优点 , 进一步提高了抑制性和抗高温能力[ 34]。1.5 泡沫和充气钻井液泡沫和充气钻井液主要适用于低压油气层 、易漏失地层以及某些稠油地层 , 具有密度低 、钻速快 、有效防止井漏 、克服水敏矿物造成的井壁失稳等特点 。美国 司研制的 “微泡 ”( 型钻井液 , 又称 井完井液 , 在滤失过程中可形成多层泡沫墙 , 产生界面张力 , 建立具有桥堵能力的网络并形成泥饼 。当水力压力释放后微泡消失 , 滤饼强度降低更易于清除[ 35]。国内对充气钻井液的井底压力控制等关键技术进行了理论研究 , 得出注气量 、钻井液排量 、井斜角以及钻井液黏度是充气钻井液井底压力变化的主要控制因素 , 对稳定井壁 、预防漏失 、保护储层等方面的研究和生产起指导性作用[ 36]。在胜利油田用水平井技术开发裂缝性 、低压易漏的草桥油田古潜山储层 , 钻井液为 4% 膨润土浆 + 0. 2 % 0. 15% 3% 多元醇润滑剂 , 充氮量控制在 500~1200 m3/h 范围内 。机械钻速大幅提高 , 有效减少了钻井液漏失 , 保护了油气层[ 37]。可循环泡沫钻井液性能稳定 , 携岩能力强 , 润滑性能好 , 机械钻速高 , 可在特殊油气藏开发的水平井使用 。胜利石油管理局在郑王油田古潜山水平井使用了该钻井液 , 有效净化了井眼 , 储层保护效果较好[ 38]。中国石油研究院等在煤层水平井段进行了探索性应用 , 根据煤层的地质特征 , 优化钻井工艺参数 ,通过直井的油管向另一水平井环空注气实现了欠平衡钻井工艺 , 保护了煤层 、维持了井壁稳定 。与常规的直井套管注气工艺相比 , 油管注气压力 、排量更稳定 , 气体到达井底的时间更快 , 欠平衡效果更好[ 39]。1.6 无固相 /无土相钻井液无固相 /无土相钻井液是根据地层压力 、储层矿物组成特性及地层流体种类有针对性的确定钻井液类型 , 包括各类水溶液和聚合物溶液 、酸溶性材料组成的钻井液 , 常与聚合物 、聚合醇等配合使用 。该类钻井液具有低密度 、低黏度 , 利于携带岩屑 、除砂除气 , 改善井眼净化条件 , 钻速较快等特点 , 加入颗粒状或其他类型的储层保护剂在井壁岩石表面形成致密低渗透泥饼 , 可从根本上实现对油气层的保护 。目前 , 国内外使用较多的无固相 /无土相钻井液有甲酸盐钻井液 、盐水聚合物钻井液 、聚合物氯化钾钻井液 、正电性钻井液和有机盐钻井液 , 庞代静等描述较为全面[ 40]。近年来 , 室内研究了一种利用聚合物之间的协同效应快速形成的新型无固相 凝胶聚合物钻井液体系[ 41]。以 0. 5% ~ 0. 7% 弱凝胶剂 1% 聚胺 抑制剂 , 与 滑剂和暂堵剂协同作用后 , 达到水平井钻井和储层保护的作用 。该体系和国外的 T 钻井完井液的岩心流动渗透率恢复值分别达到 94. 0% 和 95. 1%,两者基本相当 。在大港油田水平井的应用效果表明 , 井完井液性能稳定 , 抑制能力强 , 操作维护简单 , 密度控制较好 , 低剪切速率黏度高 , 可有效控制污染带的深度 , 阻止固相 、液相侵入地层 , 有效减小了钻井液对储层的伤害 。2 水平井储层保护技术2.1 保护储层理论发展自 20 世纪 70 年代以来 , 国内外石油界均高度重视以防止或减轻损害为目的的保护储层技术的研究和应用 , 将其作为石油工程领域的重大科技课题进行攻关和研究 。[ 42]提出 “1/3 架桥规则 ”, 罗平亚等[ 43]发展了 “2/3 架桥规则 ”和 “1/3 ~1/4 充填规则 ”等 。[ 44]依据 “理想充填 ”理论 , 进一步提出了便于现场实施的 90% 的颗粒粒径小于该值 ) 规则 , 即当暂堵剂颗粒在其粒径累积分布曲线上的 可取得理想的暂堵效果 。超低渗透的处理剂可实现无固相 、液相侵入地层 。超低渗成膜钻井液技术的关键产品是成膜剂 。成膜剂是由植物衍生物 、有机聚合物 、金属氧化物等组成的混合物 , 抗温达 204℃, 具有较宽的 ,在水基钻井液中聚集成膜 , 在液柱压力作用下迅速封堵孔道 , 且随着压力增加 , 封堵膜变形 , 封堵效果954油 田 化 学 2010 年提高[ 45]。成膜钻井液完井液适应于高密度 、高温高压苛刻条件下的水基 、油基和合成基钻井液体系 , 且使用维护简单 , 对环境友好 。随着上述理论的不断发展 , 国内开展了一系列的研究 , 形成了新的储层保护理念 , 提出针对不同类型的储层 , 应建立不同的储层保护技术 。对于高渗透率储层 , 初始渗透率越大 , 受到固相颗粒损害的程度越大 , 污染深度也越深 , 因此应以防止固相损害为主 , 进行储层保护的研究和应用 ; 对于低孔低渗储层 , 水锁效应是储层损害的主要因素 , 降低钻井液的表面张力是解决这个问题的有效途径[ 46]。2.2 水平井保护储层钻井液设计与滤饼清除技术在设计钻井液时需考虑钻井过程中的储层保护 。吴诗平等[ 47]指出针对水平井设计的 11 种钻井液 , 其中 8 种是水基钻井液 , 大部分用 生物聚合物 ) 、聚阴离子纤维素 ) 和改性淀粉作为增黏剂和降滤失剂 , 但极少使用膨润土 , 以减轻黏土颗粒对储层的损害 。鄢捷年等[ 48]分析了影响水平井产量的各种因素 , 发现储层伤害是影响产量的重要因素 。水平井钻井液设计要围绕安全钻井 、环境保护 、储层保护等 , 同时还要考虑滤饼的清除技术 , 完井后钻井液滤饼能否有效清除直接关系到储层渗流能力的恢复 。樊世忠等[ 49]总结国外学者的研究后认为 , 在水平井水平段使用无损害或损害较轻的完井液及使滤饼溶蚀极其重要 。钻井完井液的设计应充分考虑其可快速形成滤饼 , 且完井后内外滤饼易除 、易溶 、易剥落 ;完井液必须与储层流体及各种入井液配伍 , 且具有一定的胶体稳定性 ( 抗温 、耐盐 、耐剪切等 ) 。他们比较了盐粒暂堵完井液 、合物钻井液和 10% 除滤饼后渗透率恢复最高的是 井液 ; 次氯酸钠清除盐粒暂堵完井液 、合物钻井液的滤饼效果最好 ; 次氯酸钠及 有效破除 井液滤饼 ; 10%酶清除 合物 /碳酸盐滤饼的效果与钻屑浓度有关 。王富华等[ 50]通过类似研究表明 , 采用盐酸酸化和强氧化剂氧化相结合的二元复合解堵方法 , 酸化可以消除酸溶性桥堵粒子 , 而强氧化剂使聚合物分子变小 , 失去桥连和附着作用 , 从而将致密 、坚韧的滤饼变为松散 、破碎结构 , 易于返排 。李云波等[ 51]则研究了生物酶清除聚合物类钻井液滤饼的技术 , 指出生物酶在分解聚合物时遵循 “一把钥匙配一把锁 ”的原则 , 用相应的生物酶降解不同水平井钻井液中的聚合物成分 。现场应用表明 , 使用该技术可有效破除滤饼 , 恢复产层压力 。与只用酸化措施相比 , 大大超过了预期值 , 最高达 357%。岳前升等[ 52]对解除油基钻井液形成的滤饼进行了研究 。在强渗透剂的作用下 , 用酸解除滤饼中的骨架颗粒 , 用溶剂型有机物溶解沥青类降滤失剂 ,用高效清洗渗透剂处理滤饼 , 用高效螯合剂防止高价金属离子生成沉淀 , 同时加入黏土稳定剂 , 防止滤饼解除液进入储层引起黏土水化膨胀伤害产层 。若不去除滤饼 , 用煤油返排岩心的渗透率恢复值为86.3%; 用滤饼解除液处理后 , 渗透率恢复值达102. 5%, 解除滤饼效果明显 。在中海油渤海湾水平井广泛应用 , 发现经滤饼解除液处理后的油井有不同程度的漏失现象 , 未发生滤饼堵塞地层和筛管 , 说明滤饼解除液作用效果明显 。3 结束语使用传统的水基钻井液应结合储层特性及井身结构进一步提高钻井液的抑制性 、润滑性 , 严格控制固相含量 , 提高钻井速度 , 以减少钻井液对储层的浸泡时间和井下复杂情况为目的 , 同时调整流变参数提高携岩能力以防止岩屑床的形成 。仿油基钻井液可有效降低钻井液的表面张力 , 减轻滤液对低孔低渗储层的水锁 , 有利于液相返排 , 应研发新工艺降低成本 , 以便推广使用 。欠平衡钻井和无固相钻井液技术保护储层效果良好 , 需进一步研究 , 以降低钻井成本 , 提高开发效益 。为满足水平井技术开发深层 、高压类储层发展趋势的要求 , 配套的钻井液技术应着重研发高密度 、抗高温的钻井液体系 。在设计钻井液时 , 应结合其类型采用相应的滤饼清除技术和方式 。可生物酶降解的处理剂和滤饼清除技术是新的发展方向 。参考文献 :[ 1] 李才雄 , 孔庆明 , 关键 , 等 . 聚硅氟钻井液在 的应用[ J] . 钻井液与完井液 , 2004, 21( 6) : 64 -66.[ 2] 邓增库 , 左洪国 , 夏景刚 , 等 . 冀东油田水平井钻井液技术[ J] . 钻井液与完井液 , 2005, 22( 4) : 72, 73/77.[ 3] 吴旭林 , 夏景刚 , 左洪国 , 等 . 留西地区深水平井高密度防塌钻井液技术 [ J] . 钻井液与完井液 , 2007, 24( 5) : 76, 77.[ 4] 杨晓丽 ( 编译 ) , 李发荣 ( 审校 ) . 使用聚合物钻井液钻水平井保持原油产量 [ J] . 国外油田工程 , 2008, 24( 12) : 29/55.[ 5] 张微 , 张利轩 , 白东青 , 等 . 欢 2 水平井钻井技术 [ J] . 断064第 27 卷第 4 期 甄剑武, 王中华 , 雷祖猛等 : 水平井钻井液及储层保护块油气田 , 2006, 13( 1) : 53 -55.[ 6] 李光胜 , 何振奎 , 刘魁威 , 等 . 楼平 2 特浅稠油水平井钻井液技术 [ J] . 钻井液与完井液 , 2008, 25( 2) : 29, 30/39.[ 7] 王峰 . 短位移 、浅垂深 “反勾 ”型水平井钻完井技术 [ J] . 石油钻采工艺 , 2005, 27( 3) : 5 -7.[ 8] 范兆祥 , 刘会斌 . 中 515 阶梯式调整水平井钻井技术[ J] . 断块油气田 , 2004, 11( 1) : 62 -64.[ 9] 胡晓津 , 郭明贤 , 邵广兴 , 等 . 顾桥 1117 煤层瓦斯抽采一号井钻井液技术 [ J] . 钻井液与完井液 , 2007, 24( 6) : 78 -80.[ 10] , , , et in of Z] . 8 571, 1997.[ 11] J. 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