無粘土油層保護鉆井液研制工作報告

1、無粘土油層保護鉆井液研制工作報告 編寫人：韓文峰 濱州市榮利達石油技術(shù)有限公司 目 錄一、研究目的 1二、無粘土油層保護鉆井液的研究思路. 3三、室內(nèi)研究結(jié)果 8四、現(xiàn)場使用時應(yīng)注意的幾個問題.13五、經(jīng)濟效益分析 14六、結(jié)論與建議14 一、研究目的鉆開油氣層的鉆井液，必須具有保護油氣層的功能，并且保證井下安全和鉆井工作順利進行。因此，它實際是鉆井液技術(shù)與油氣層保護技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)，即保護油氣層的鉆井完井液技術(shù)。不同類型的油氣層遇到不同類型的鉆井完井液都有不同的傷害。因此，根據(jù)不同的油藏，認清其傷害機理，找出其傷害原因，篩選與之相適應(yīng)的鉆井完井液體系和確定相應(yīng)的應(yīng)用工藝，是保護油氣層鉆井完

2、井液技術(shù)的核心內(nèi)容。鉆開油氣層，破壞了油氣層原有的平衡狀態(tài)，使油氣層開始與外來工作液（鉆井液、水泥漿等）接觸，這必然會給油氣層帶來傷害。因此，鉆開油氣層時，防止油氣層傷害的問題是保護油氣層技術(shù)的系統(tǒng)工程中的第一環(huán)節(jié)。鉆開油氣層的過程一般都要維持一段時間，它對油氣層的傷害包括從鉆開油氣層起一直到固井完成為止的全過程中多個環(huán)節(jié)，其中鉆井液浸泡時間、壓差以及環(huán)空返速等均有影響。鉆井液對油氣層的傷害規(guī)律一般有如下幾點：（1）鉆井液中固相粒子進入油氣層造成傷害：鉆開油氣層時，使用的鉆井液必然對油氣層造成一定程度的固相粒子堵塞，鉆井液中固相含量愈高，對油氣層傷害愈大。固相對油氣層傷害的大小決定于固相粒子的

3、形狀、大小及性質(zhì)和級配。在鉆井過程中，大于油層孔喉直徑的粒子不會侵入油氣層造成傷害，而比油層孔喉直徑小的粒子進入油層則會造成傷害。鉆井液中的固相粒子有重晶石粉、水化分散的粘土顆粒，超細碳酸鈣等，重晶石粉幾乎什么酸都不能溶，會對油氣層造成永久性的傷害，所以完井液中重晶石粉應(yīng)逐步淘汰掉，有好多高產(chǎn)能的井就是被重晶石壓死了，粘土顆粒部分可溶于土酸，但往往破壞近井地帶的骨架結(jié)構(gòu)，甚至引起出砂，如果不解除會造成永久性的傷害，所以也應(yīng)避免，超細碳酸鈣可溶于稀鹽酸，如果粒度選擇合理，只在近井地帶形成幾公分厚的暫堵，用稀鹽酸解開既開恢復(fù)產(chǎn)能。因此，搞好固相粒子控制，減少鉆井液中固相含量，特別是細及超細粒子含量

4、，并使它們保持一個合理的級配，是減少鉆井液固相對油層傷害的重要措施。同樣若鉆進中井壁不穩(wěn)定，頁巖坍塌，井徑擴大，泥頁巖造漿等因素造成鉆井液的固相含量增加，都將加劇固相對油氣層的傷害。（2）鉆井液引起粘土水化造成傷害：油層中粘土的水化膨脹、分散、運移是油層水敏傷害的根本原因，鉆井液對粘土水化的抑制性愈強，則地層水敏傷害愈小。因此，針對油層中的粘土類型和性質(zhì)，提高鉆井液的抑制性是保護油層技術(shù)的另一主要內(nèi)容。（3）鉆井液處理劑對油層的傷害：由于處理劑是鉆井液的必要成分，因此，針對油藏特性，選擇適當(dāng)?shù)奶幚韯┦倾@井過程中保護油層技術(shù)的又一重要內(nèi)容。鉆井液除具有保護油氣層的作用，還應(yīng)滿足鉆井工作的需要。（

5、1）控制地層流體壓力，保證正常鉆井，因此鉆井液的密度應(yīng)能根據(jù)井下實際情況和鉆井工藝要求方便及時的予以調(diào)整。（2）具有滿足鉆井工程必須的流變性：為滿足噴射鉆井的要求，鉆井完井液的流變參數(shù)應(yīng)按最大限度發(fā)揮水功率的要求進行優(yōu)選；為保證有效的清潔井底攜帶巖屑，鉆井完井液必須具有相應(yīng)的流變特性。（3）穩(wěn)定井壁：要求鉆井完井液的密度，抑制性能，濾失造壁性能和封堵能力等能滿足所鉆地層要求，保持井壁穩(wěn)定。（4）改善造壁性能：改善造壁性能是鉆井完井液的重要要求，它不僅是穩(wěn)定井壁的需要，而且對于在鉆開滲透率較高的儲層時是防止壓差卡鉆的關(guān)鍵，同時又是保護油氣層必須的，因而是鉆井完井技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國的鉆

6、井完井液技術(shù)與國外相比還有一定差距，對低壓低滲透油氣層傷害問題還比較突出，與渤海石油相比，差距也很大，渤海石油對油層保護比較好，他們一般在一個平臺上同時打數(shù)口井，先一開，再二開，用的是比較價廉的鉆井液，但進入油層時就換上了價格昂貴的具有優(yōu)秀保護油氣層性能的鉆井完井液，但由于這一批鉆井液同時打數(shù)口井，成本就下來了。所以對陸地鉆井鉆井液的回收再利用是值得研究的課題。綜上所述，研究具有良好保護油氣層性能，滿足鉆井工作需要，能重復(fù)利用，降低成本的鉆井完井液是我們的研究目標(biāo)。二、無粘土低固相鉆井液的研究思路大港油田的油井一般在25004000m之間，鉆井完井液密度在1.051.35之間，據(jù)有關(guān)資料分析，

7、鉆井液對油氣層的傷害主要是固相顆粒堵塞和粘土水化膨脹造成傷害。因此降低鉆井液的固相含量，特別是粘土的含量，提高鉆井液的抑制性及降低失水是研究的主要方向。1無粘土低固相鉆井液的提出甲酸鹽鉆井液體系是國外應(yīng)用比較好的低固相鉆井液體系。王44區(qū)塊是大港油田公司油層保護的重點實驗區(qū)塊，實驗人員對王44區(qū)塊幾種鉆井液體系特別是甲酸鹽體系（西南石油學(xué)院配方，華孚公司提供材料）進行了分析，發(fā)現(xiàn)般土含量普遍偏高，MBT值一般在75-100g/L之間，個別達到140g/L，這說明鉆井液的抑制性和絮凝除般土的能力不足，這么高的般土含量很難起到保護油氣層的目的。從江漢石油學(xué)院化工系編大港油田王44區(qū)塊鉆井，完井過程

8、儲層保護技術(shù)研究和大港油田鉆采院編王44區(qū)塊油氣層保護工藝方案中可以看到無固相聚合醇鉆井液與甲酸鹽鉆井液在室內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，列表如下： 表1項目體系A(chǔ)VPVYPYP/PVnAPIpHGelMBT膨脹降低率備注mPasmPasPamLg/cm3Pa/Pa聚合醇體系（室內(nèi)）56.52729.51.090.396.01.10聚合醇體系（現(xiàn)場）1720118038501249125/44157官84-14甲酸鹽體系（室內(nèi)）3924150.6250.536.01.129.51.5/268%甲酸鹽體系（現(xiàn)場）9151670370118711/18104官86-14現(xiàn)場合理性能5-152-5100-1/1-3

9、由上表可以看出，聚合醇和甲酸鹽鉆井液體系在室內(nèi)研究時與現(xiàn)場使用的鉆井液流變性相差較多，表現(xiàn)在粘度，切力太高，動塑比大，n值小，而現(xiàn)場應(yīng)用時，鉆井隊必然按常規(guī)最佳鉆井液流變性進行調(diào)控，結(jié)果使得抑制性差，般土高度分散進入鉆井液，使無固相鉆井液變成了自造漿鉆井液，隨著粘土相的進入，使動塑比變得更高，n值變小，最后使鉆井液變得粘稠很難流動，現(xiàn)場好多鉆井隊都反映這個問題。甲酸鹽鉆井液體系作為無固相體系，是用甲酸鹽做為加重劑 ，比重1.15的鉆井液，甲酸鹽的加量應(yīng)為20%左右，而現(xiàn)場取來的鉆井液經(jīng)檢測甲酸鹽含量在37%之間，而般土含量MBT值一般在80100g/l之間（用亞甲基蘭法測定，實際般土含量還要高

10、），因此與一般的泥漿已經(jīng)沒有什么差別，很難起到保護油氣層的作用，甚至引起井壁坍塌，這促使我們下決心研制一種般土含量低、抑制性強，具有保護油層作用的無粘土低固相鉆井液。國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的是水基鉆井完井液體系，主要的有兩大類：無固相清潔鹽水和有固相無粘土相鉆井完井液。（1）無固相清潔鹽水：是由清水和一種或幾種無機鹽配成的一定密度的鹽水溶液，用聚合物處理劑調(diào)整鉆井液的流變性。無固相清潔鹽水有如下優(yōu)缺點，優(yōu)點是工作液中完全不含固相，可消除固相對油層的污染，用體系的高礦化度和各種離子的組合實現(xiàn)體系對水敏礦物的強抑制性，以控制油層的水敏傷害，缺點是清潔鹽水不含固相，在井壁上不形成泥餅，沒有控制失水的造壁能

11、力，因而失水較高。在高滲透層易造成漏失，大量失水進入油層容易形成“水鎖”，尤其不適用于鹽敏地層。綜上所述，清潔鹽水鉆井完井液體系的優(yōu)點和缺點，在很大程度上都是由于體系中無固相所致，因此后來發(fā)展出一種有固相，而此固相的傷害在后期可以解除的鉆井完井液體系，即暫堵型鉆井完井液體系。（2）有固相無粘土相鉆井完井液鉆井液中高分散的粘土粒子，侵入油層后會造成無法消除的永久性傷害，所以鉆井完井液中都應(yīng)盡量消除它，而無固相的清潔鹽水不含任何固相，雖然能消除固相的傷害，但失水大而帶來一系列復(fù)雜問題。倘若在鹽水中加入一些有利于形成“泥餅”而控制失水的固體粒子，雖然這些固體粒子在鉆井過程中必然堵塞油層，但是這種堵塞

12、可以在后期用特殊辦法消除，從而達到不傷害油層的目的，而又控制住了失水，由此形成的鉆井完井液體系就是無粘土有固相鉆井完井液體系，又稱暫堵型鉆井完井液體系。暫堵粒子有酸溶性、油溶性、水溶性三大類，從經(jīng)濟和控制鉆井液流變性方面考慮，選用酸溶性的細目碳酸鈣或鐵礦粉最為適宜。根據(jù)以上分析，為最大限度地保護油氣層，選用鹽水鉆井液加細目碳酸鈣和高聚物暫堵最為合理。2、無粘土低固相鉆井完井液的技術(shù)關(guān)鍵鉆井完井液既要保護好油氣層，又須具有快速安全鉆井的流變性，因此有幾個技術(shù)關(guān)鍵須解決：最大限度的消除無用固相；鉆井液具有強抑制性，抑制油層粘土水敏傷害；選擇、研制合適的處理劑，滿足現(xiàn)場鉆井液流變性的要求；保護井壁、

13、防止坍塌；可溶鹽的選擇，使現(xiàn)場鉆井液密度容易調(diào)整。（1）無用固相的清除：以上分析，分散的粘土是造成油氣層傷害的重要因素之一，根據(jù)國內(nèi)外的研究資料證明，分散粘土含量13%的鉆井液對油層的傷害就可達5099.9%，而固井作業(yè)的傷害一般在鉆井傷害的基礎(chǔ)上增加20% 以上，因此要有效地保護油氣層，必須最大限度地清除鉆井液中的分散粘土，力爭使分散粘土的含量降到1%以下。清除無用固相，主要有三個途徑，一是加入抑制劑，防止粘土水化分散，二是加入包被絮凝劑，即使用高聚物將巖屑包被起來，絮凝除掉。所以好的油氣層保護鉆井完井液，消除無用固相的能力是重要指標(biāo)，既般土含量MBT值要低，最好在10g/L以下。這也是鉆井

14、液可以重復(fù)利用的關(guān)鍵。三，固控設(shè)備的配套和使用效果要好。（2）油層粘土水敏傷害的抑制：鉆開儲層直至下套管固井前，鉆井液的浸泡時間在幾天至十幾天，這期間鉆井液不可避免地會漏失入地層，為防止鉆井液對地層的傷害，一是用高聚物配合細目碳酸鈣進行暫堵，減少鉆井液的漏失量，二是增強鉆井液的抑制性，防止粘土的水化、分散、運移而造成孔喉的堵塞。（3）滿足鉆井液流變性的要求：鉆井液除應(yīng)具有保護油氣層的性能，還應(yīng)滿足鉆井液流變性的要求，以利于快速安全的鉆井。為滿足噴射鉆井的水力要求，保證有效的清洗井底攜帶巖屑，及使用固控設(shè)備將無用固相清除等，鉆井液須具有合適的流變特性。如果塑性粘度、切力太高，會影響噴射鉆井水功率

15、的發(fā)揮，當(dāng)停鉆再次開泵時會引起壓力激動，引起井漏、井塌，并且粘度太高時在振動篩處會造成泥漿外溢，但粘度、切力低時會影響巖屑攜帶。為使鉆井液具有一定的剪切稀釋性能，和攜帶巖屑時保持平板流層，動塑比、n值也要保持在一定范圍內(nèi)。根據(jù)國內(nèi)外資料，現(xiàn)場鉆井液最合理的流變性能應(yīng)滿足：塑性粘度515mPas，動切力25Pa，靜切力10s/10min為01.0/1.03.0，動塑比0.360.48，n值0.40.7，中壓失水10ml，高溫高壓失水15ml?？紤]到現(xiàn)場使用時會有少量粘土分散進入鉆井液，會使動塑比增加，n值下降，又考慮該體系為低固相無粘土體系，必須有一定的懸浮能力，所以實驗室配制的指標(biāo)定為：塑性粘

16、度815mpas，動切力25pa，靜切力10s/10min為01.0/1.03.0，動塑比0.350.40，n值0.60.7，中壓失水10ml，高溫高壓失水50%。（4）保護井壁，防止坍塌：該鉆井液為無粘土體系，為保護井壁，一是增強體系的抑制性，抑制粘土的水化膨脹，二是研制易于在井壁吸附的高聚物，與細目碳酸鈣結(jié)合形成“泥餅”，減弱鉆井液對井壁的沖刷，保護井壁。（5）鉆井液密度容易調(diào)整：選擇合適的可溶鹽，使鉆井液的密度容易調(diào)整。首選當(dāng)然是甲酸鉀，但目前甲酸鉀資源少，價格昂貴，每噸在萬元以上，如配制比重1.15的鉆井液200m3，加上維護約需甲酸鉀40噸，僅這一項支出就需40余萬元，因此我們對甲酸

17、鈉和硫酸鉀（或氯化鉀）進行了實驗，實驗證明，用這兩種原料復(fù)配，即有了鉀離子，又有了甲酸根，完全可以滿足鉆井液的使用要求，而這兩種原料40噸，只需十幾萬元。三、室內(nèi)研究結(jié)果1、處理劑的篩選根據(jù)目前現(xiàn)場使用甲酸鹽、聚合醇、硫酸鉀等鉆井液體系存在的不足，以及現(xiàn)場使用出現(xiàn)的問題，我們在考慮無粘土低固相保護油層鉆井液體系時，除了保證鉆井液的合理流變性能外，有目的地突出了該鉆井液體系的強抑制性和有效絮凝去除侵入鉆井液中粘土的功能，而且使該體系成本低于或接近同類體系。因此，在鉆井液處理劑的選擇和合成中，做了大量的實驗工作。經(jīng)過對數(shù)十種處理劑的實驗，又有目的合成了數(shù)種處理劑，經(jīng)配方優(yōu)化組合。選定甲酸鈉、硫酸鉀

18、、氯化鉀、氯化鈣、苦鹵等為可溶鹽加重劑，黃原膠為流型調(diào)節(jié)劑，合成了抑制劑、包被絮凝劑，細目碳酸鈣或鐵礦粉為暫堵加重劑，必要時配極壓潤滑劑。2、鉆井液體系的配方優(yōu)選及性能評價經(jīng)過大量的配方篩選試驗，我們確定了如下鉆井液體系基本配方：1-2%抑制劑HD-501+3-5%包被絮凝劑HD-502+0.10.3%流型調(diào)節(jié)劑HV-XC(或抗高溫流型調(diào)節(jié)劑）+（0.1-1%降濾失劑RS-2）(+極壓潤滑劑)+1-3%碳酸鈣+可溶鹽加重劑+水密度可通過可溶鹽的加量予以調(diào)整。特殊情況用鐵礦粉加重,五種密度的鉆井液見表2表2 鉆井液性能項目密度AVPVYPYP/PVn10s/10minAPI失水HTHP(130)

19、pH11.06171340.310.691/2.6821.10151140.360.681.5/2.55831.17191450.3750.6631.5/2.5417841.2118.51450.320.6861/24851.44251780.470.61.5/2.53.98從表中可以看到體系的密度、性能比較容易調(diào)整，對該體系密度1.17g/ml的鉆井液的其它重要性能進行了評價：1）抑制能力：我們分別用頁巖膨脹儀和巖屑滾動回收率法對該鉆井液進行了檢驗。a用NP-01型頁巖膨脹儀測定了鉆井液與蒸餾水8小時的膨脹高度，分別為0.21mm和4.43mm，頁巖膨脹降低率為95.3%.所用土為二級膨潤土

20、，根據(jù)大港油田鉆采院的評價報告，甲酸鹽體系（密度1.15g/ml）頁巖膨脹降低率為68%。b分別選用明化鎮(zhèn)巖屑和新港508-8井油層巖屑，6-10目巖屑在鉆井液中120流動16h,用40目篩回收，巖屑一次回收率為95%和98%。大港油田鉆采院評價報告甲酸鹽體系回收率為92%。2）粘土絮凝去除能力及容忍能力：將明化鎮(zhèn)巖芯粉碎過100目篩，在400ml鉆井液中加入40g過100目篩的明化鎮(zhèn)巖心粉，攪拌2h，測定加巖芯粉前后鉆井液的流變性能（見表3），試驗結(jié)果表明，體系具有較強的粘土容忍能力，將該鉆井液過100目篩，取濾液用亞甲基蘭法測般土含量，MBT值為2g/L，說明該鉆井液絮凝去除粘土的能力非常

21、強?，F(xiàn)場用好振動篩，除泥器，離心機， MBT值不會很高。 表3 容忍能力項目AVPVYPYP/PVn無土鉆井液191450.3570.663上液加10%巖心粉25.5196.50.4060.6343）抗鹽能力：為了考察鉆遇鹽膏層鉆井液體系的抗污染能力，做了如下試驗，因為體系中本身含有硫酸鉀，只向體系中加入8%的氯化鈣和2%的氯化鎂，攪拌1小時，測定加鹽前后流變性能見表4表4 抗鹽能力項目AVPVYPnAPI濾失量加鹽前191450.6631.175.4加鹽后25.5196.50.671.2159.0從數(shù)據(jù)看出，n值變化很小，粘度、密度略有增加，只要加水調(diào)整密度即可，說明該體系抗鹽能力強。4）抗

22、水泥污染能力，在鉆井液中加入2%的嘉華G級固井水泥，前后流變性能見表5：表5 抗水泥污染實驗結(jié)果 AVPVYPn值A(chǔ)PI濾失量加水泥前17.5134.50.675.4加水泥后17.512.550.645.2性能基本沒有變化，說明抗水泥污染能力強。5）抗溫能力，將鉆井液在滾子爐中128滾動16h，性能變化見表6AVPVYPnAPI失水滾動前161240.6784滾動后141040.6375.2塑性粘度保留率為83.3%，試驗說明該體系抗溫能力強。6）潤滑性能：用極壓潤滑儀測定該鉆井液的摩阻系數(shù)為0.077,試驗說明該體系潤滑性能好。7）與堵漏劑的配伍性實驗該鉆井液價格較高，為此須研究體系的防漏措

23、施，如遇大裂縫型漏失，應(yīng)選用復(fù)合堵漏劑進行堵漏。實驗考察了鉆井液加入5%DL1型堵漏劑對流變性能的影響。表7項目AVPVYPn前151140.659后17.5134.50.67可見與堵漏劑的配伍性較好。8）巖心滲透率恢復(fù)值：為研究該鉆井液對油層的保護作用，用官94井孔二段28#巖芯在巖芯流動試驗流程進行了實驗，實驗步驟如下：a、巖心洗油、干燥、抽空飽和2%Kcl水溶液；b、正向測定巖心的煤油滲透率K0=252.8510-3m2;c、該鉆井液反向污染巖心，模擬條件，圍壓4mpa，壓差3.5mpa，溫度80，污染時間2h；d、正向測定巖心損害后的煤油滲透K1=22410-3m2;e將巖心鋸掉1.5

24、cm，正向測定巖心損害后的煤油滲透率K2=23810-3m2實驗證明：滲透率恢復(fù)率為88.6 %,鋸去1.5cm后滲透率恢復(fù)率提高到94.1%，說明該鉆井液有很好的保護油層作用。9)穩(wěn)定性：鉆井液在室內(nèi)放置20天，不分層，性能基本穩(wěn)定。表8項目AVPVYPn值A(chǔ)PI濾失量鉆井液20.5155.50.664.0放置20天后2618.57.50.633.810）與原油的配伍性：現(xiàn)場鉆井隊提到，原油遇到甲酸鹽體系既結(jié)成大團，他們提出萬一卡鉆怎么辦，為此我們在該鉆井液中加入10%的原油和2%的快速滲透劑，實驗證明原油在鉆井液中乳化分散均勻，解除了現(xiàn)場的憂慮。根據(jù)以上實驗結(jié)果，可以看出該鉆井液在滿足鉆井液流動性的前提下，突出了鉆井液的抑制性和無用固相的清除能力，能起到保護油氣層和實現(xiàn)鉆井液重復(fù)利用的目的。四、現(xiàn)場應(yīng)用時應(yīng)注意的幾個