镶嵌屏蔽钻井液研究及应用.pdf

第 2 9卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG F L UI D COM P LE TI ON F L UI D Vb1 ． 29 No． 1 J a n．2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 镶嵌屏蔽钻井液研究及应用 吕开河 ， 乔伟刚 ， 赵修太 ， 张新政 ， 邢德 刚 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 ； 2 ． 河南石油勘探局塔里木河南勘探公司，新疆焉耆 吕开河等 ． 镶嵌屏蔽钻井液研究及应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 1 2 3 2 6 ． 摘要针对油层非均质性强及油层孔径难 以准确预知等特点，提 出了镶嵌屏蔽保护油气层技术，该技术利用 镶嵌屏蔽剂具有弹性可变性和直径大于储层孔隙直径的特点，使镶嵌屏蔽剂颗粒部分镶在孔隙入 口处 不进入孔 隙 ，对较宽孔径分布的油层具有很好的暂堵作用，且有利于反排和渗透率恢复。室内评价结果表明，以镶嵌屏蔽 剂为主剂研发的镶嵌屏蔽钻井液具有低侵入、单向封堵 、防塌性能好、抗污染能力强及润滑性好等特点，满足了 钻井过程中快速钻进及保护油气层的要求，现场应用 4口井的平均井眼扩大率仅为 6 ．2 ％，远低于同区块油井的平 均井眼扩大率 1 2 - 3 ％ o 关键词钻井完井液 ；防止地层损害 ； 井眼稳定 ； 钻井液添加剂 ； 临时性封堵 ； 镶嵌屏蔽 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 2 0 1 0 0 2 3 - 0 4 随着世界油气需求的持续增长 ，采用保护储层 钻井液技术勘探开发复杂油气藏 的力度逐年加大。 研制低伤害钻井完井液 ，最大限度地减轻钻井过程 中造成的储层损害，是取得复杂油气藏钻探成果的 关键。笔者在分析常规屏蔽暂堵理论的基础上，提 出了镶嵌屏蔽保护油气层理论， 开发出镶嵌屏蔽剂， 研制 出镶嵌屏蔽钻井液 ，该钻井液能在储层井壁上 形成镶嵌屏蔽层，阻止滤液侵入储层，达到保护储 层的 目的 1 屏 蔽暂堵保 护油 气层 理论 为了有效 阻止钻 井液侵 入储层 ，先后 有常 规 屏蔽暂堵技术 、广谱屏蔽暂堵技术和理想充填屏蔽 暂堵技术等 [ 1- 1 6] o这些屏蔽暂堵技术要求暂堵剂粒 子尺寸小于孔隙或裂缝尺寸，且按一定规则与储层 孔喉尺寸严格匹配，因此准确获取储层孔隙尺寸及 分布状况是成功实施屏蔽暂堵技术的前提和关键所 在 。但 是 ，由于受储层岩石非均质性的限制 ，往往 很难准确获取施工井 的孔 隙尺寸数据 ，常常导致屏 蔽暂堵效果不理想 ，有时甚至会加大对油气层的损 害，且屏蔽暂堵后往往需要后续的解堵作业，增加 了生产成本。 为了达到良好的屏蔽暂堵效果，防止钻井液侵 入油层，需要一种特殊的镶嵌屏蔽剂。由于镶嵌屏 蔽剂具有弹性可变性和直径大于储层孔隙直径的特 点，在压差的作用下，镶嵌屏蔽剂颗粒部分镶嵌人 孔隙入口处，将孔隙封堵住，其余部分仍在孔隙外 面，起到单向封堵的作用。同时，此封堵材料的弹 性可变性特征可使其对人 口为不同形状的孔隙均具 有 良好的适应性 ，克服了刚性颗粒因不能变形而适 应性差的缺点。 由以上分析可知，在钻井的过程中，镶嵌屏蔽 剂镶嵌在孔隙的人 口处 ，没有进入孔隙内部 ，若有 反压差存在 ，镶嵌屏蔽层很容易解除。因此 ，该技 术不需要特殊的解堵措施， 完井后， 在生产压差 负 压差 的作用下，堵塞自动解除，储层恢复原来的 渗透率 ，不影响油井产能。 渗透率、孔隙度与岩石平均孔喉半径有如下 关 系 ， 8 K／ o “ ，式 中， 为 岩 石 渗 透 率 ， m ； 为岩石的孔隙度 ； 为岩石的平均孔喉半径 ， 岫[ 1 。当孑 L 隙度取 0 ．2 5 时，由上式计算得渗透率 基金项目 国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X 0 5 0 0 2和 2 0 0 9 Z X0 5 0 6 0 资助。 第一作者简介 吕开河， 博士， 1 9 7 0 年生， 现在主要从事井壁稳定、 保护油气层及油田化学剂开发方面的研究工作。地址 山东省东营市中国石油大学石油工程学院 ；邮政编码 2 5 7 0 6 1；电话 1 8 7 3 3 7 5 0 0 7 7； E ma i l l k h 5 4 3 2 1 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 2年1月 为 1 u m ，储层的平均孔喉直径为 5 ． 6 6 g m ； 渗透率 为 2 u ，储层的平均孔喉直径为 8 rt m。而中国油 田渗透率超过 1 r t m 的储层数量较少。考虑中国大 多数油田储层的特征及镶嵌封堵的要求，同时考虑 封堵大孔隙 数量少但对渗透率贡献大 的需要 ，若 镶嵌屏蔽剂颗粒粒径在 1 0 ～3 0 p m，可满足中国大 多数油田镶嵌屏蔽储层的需要。 2 镶嵌屏 蔽钻井液配方优选 2 ． 1 镶嵌屏蔽剂的合成及性能 镶嵌屏蔽剂根据反相悬浮聚合原理制备而成。 将单体、引发剂及分散剂等加入到水中， 搅拌均匀， 形成水相 ，然后将配好 的水相分散到油相 中，并升 温至一定温度，反应完成后将产物与油相分开，既 得产品。镶嵌屏蔽剂为弹性颗粒，常规产品粒径为 l 0 ～3 0 g m，其粒径可根据实际需要进行调整。 采用砂床侵入实验方法对镶嵌屏蔽剂的封堵 性能进行了评价。按蒸馏水 钠膨润土 无水碳酸钠 为 1 0 0 6 O ．2 5的比例配制基浆。基浆在粒径为 0 ． 1 5 0 N0 ．2 5 0 m il l 的石英砂床上不能有效形成封堵 层，3 0 m i n 滤失量为 2 5 m L； 样品浆 1 基浆 3 ％ 镶嵌屏蔽剂 能有效封堵砂床 ，滤失量为零 ，砂床 最大侵入深度为 4 ． 5 c m ； 样品浆 2 基浆 3 ％无渗 透剂 也能有效封堵砂床，滤失量为零，砂床最大 侵入深度为 4 ．6 c m。由此可见，镶嵌屏蔽剂封堵砂 床的能力与无渗透剂相当。 做页岩滚动回收实验 ，测得岩屑在清水 、O ． 5 ％、 1 ． 0 ％、2 ． 0 ％、3 ． 0 ％ 镶 嵌 屏 蔽 剂 中 的 回 收 率 为 3 1 - 4 ％、8 5 ． 6 ％、 9 3 ． 8 ％、 9 3 ． 8 ％ 和 9 4 ． 6 ％， 可以看出， 镶嵌屏蔽剂能显著提高岩屑回收率，具有较好的抑 制岩屑水化分散的性能。 做渗透率恢复实验、岩心封堵实验和钻井液性 能影响实验 ，对镶嵌屏蔽剂的性能进行 了进一步评 价。渗透率恢复实验采用人造岩心， 实验压差为 3 ． 5 MP a ，温度为 1 2 0℃，剪切速率为 1 0 0 S ～，污染时 间为 6 0 m i n ，实验结果见表 1 ～表 2 。 镶嵌屏 蔽剂 的加入 对钻井 液表观黏度 影响不 大 ，对钻井液的滤失量有一定影响 ，低于 6 0 时 ， 镶嵌屏蔽剂对钻井液滤失量影响不大，随着温度升 高，新型抗高温防塌剂的降滤失效果增加，2 0 0℃ 时仍具有降滤失效果。与常用暂堵剂相比，镶嵌屏 蔽剂封堵效果更好，封堵率大于 9 0 ％，从而避免了 钻井液滤液进一步侵入油气层内部 ， 且反排后渗透 率恢复率均大于 9 5 ％，证明了镶嵌屏蔽剂具有良好 的单向封堵作用，有利于渗透率恢复。 表 1 镶嵌屏蔽剂对钻井液性能的影响 注 基浆为 4 ％膨润土浆。 表 2 岩心封堵效果评价 2 ． 2 抑制剂优选 选取 目前油 田常用抑制剂 ，分别测定 了岩屑在 不同抑制剂溶液中的回收率，实验结果见表 3 。 表 3 岩屑分散实验数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 1 期 吕开河等镶嵌屏 蔽钻井液研究及应用 2 5 由实 验结果 可 以看 出，胺 基 聚醇和 阳离子 聚 合物的回收率明显高于其它抑制剂，特别是 2者 的二次 回收率和三 次 回收率 均较高 ，表 明由于 阳 离子的作用 ，其在泥页岩上的吸附非 常牢固 ，有利 于长期抑制页岩的膨胀与分散。由于阳离子聚合 物对钻井液黏度切力及滤失量影响较大 ，而胺基聚 醇影响很小且具有一定的降低表面张力的作用，因 此 ，从价格及与其它处理剂的协同使用效果等方面 考虑 ，最终确定胺基聚醇为优选的抑制剂 ，其加量 为 1 ％。 3 镶 嵌屏 蔽钻 井液综合 性能评价 3 ． 1 防塌 性能 选取胜利油 田沙河街岩屑 ，评价镶嵌屏蔽钻井 液 的防塌性 能，结果见表 5 。镶嵌屏蔽钻井液在粒 径为 0 ． 1 5 O ～0 ．2 5 0 m m的石英砂床上能有效形成封 堵层 ，滤失量为零 ，砂床 最大侵入 深度 为 2 ． 4 c m。 上述实验结果证 明，镶嵌屏蔽钻井液具有很强的防 塌作用 ，可以有效抑制黏土矿物的水化膨胀 、分散 及坍塌，能有效封堵地层孔隙或微裂缝。 2 ． 3 降滤失剂优选 表5 沙河 街组 岩屑在屏蔽 钻井液中的 膨胀率和滚动回收率 实验用基础配方如下。 4 ％膨 润 土 0 ． 2 ％K P AM 2 ％镶 嵌屏 蔽 剂 4 ％ Na CI 0 ． 2 ％ Ca S O4 在 4 8 mL基 础 配方 中分 别 加入 浓度 为 1 ％ 的 DF D． 1 4 0 、L V - C MC、L Y - 1和 DS P ． 2 ，考 察 了 4种 降滤失剂在盐、膏联合污染情况下的降滤失性能， 测得加入 4 种降滤失剂后钻井液的滤失量分别为 1 9 ．0 、1 6 ．5 、1 4 ．0和 1 5 ．2 m L ，证 明4种 降滤失 剂 均具有较好的降滤失作用，L Y - 1 和 D S P 一 2 的降滤 失性能更好 ； 几种降滤失剂对钻井液流变性具有一 定的影响，加入后均导致钻井液黏度和切力不同程 度的上升。综合考虑价格及对钻井液性能影响等几 方面的因素，确定选用 L Y - 1 作为优选的降滤失剂 ， 加量为 1 ． O ％～3 ． 0 ％。 2 ． 4 镶嵌屏蔽钻井液配方及性能 依 据上 述实验 结果 ，在 大量实 验基础 上 ，最 终优选 出镶嵌屏蔽钻井液配方如下，其性能见表 4 。从 表 4可 以看 出，该钻井液 的 AP I 滤失量 低于 4 mL，泥饼 薄 ，流变参 数合理 ，润滑性 和抗 温性 能好 。 4 ％膨润土 0 ． 1 ％ A M 1 ％L Y ． 1 2 ％镶嵌屏蔽 剂 1 ％胺基聚醇 3 ％高温高压降滤失剂 K F T 3 ％ S MP ． 1 加重剂 表 4 镶嵌屏蔽钻井液性能 3 ． 2 抗污染性能 在镶嵌屏蔽钻井液中加入不同数量的土粉 钻 屑研磨后过筛孔为 0 ． 1 5 4 m m的筛 以检验该体系 的抗污染能力 ，实验结果见表 6 。由表 6可以看 出， 镶嵌屏蔽钻井液污染前后性能稳定，说明其具有 良 好 的抗钻屑污染 的能力 ，满足钻井工程的需要 。 表 6 镶嵌屏蔽钻井液的抗岩屑污染性能 3 ． 3 保护储层性能 为了评价镶嵌屏蔽钻井液的油层保护性能 ，选 取 3 种不同渗透率的岩样进行了动态污染实验，实 验结果见表 7 。由表 7 可以看出，岩心渗透率恢复 率均在 9 0 ％ 以上，说明镶嵌屏蔽钻井液具有良好 的保护油气层的效果 [ 1 8 - 1 9 ] 。 4现 场应 用 春光油田属高孔高渗储层，孔隙度最大可达 3 0 ％，渗透率最大可达 3 0 0 0 1 0 m ，根据镶嵌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井液与 完 井 液 2 0 1 2年 1月 屏蔽保护油气层理论 ，选用的镶嵌屏蔽剂粒径范围 为 1 5 ～3 0岬 。春光油田的排 2 2 8 、 排 2 9 3 、 排 2 - 3 0 0 和排 2 - 4 0 0 等井的储层段均使用了镶嵌屏蔽钻井液。 现场应用情况表明， 镶嵌屏蔽钻井液有效地解决了 储层 的损害问题 ，油气层排液通 畅，损害小 ，4口 井平均 日产原油量为 2 5 t ／ d ，高于同区块油井的平 均值 1 1 ．2 3 们 。以排 2 2 8 井为例， 根据试油资料， 该井投产初期产油量为 4 3 - 3 ，邻井排 2 ． 2 7 井投 产初期产油量为 l 8 ． 4 t ／ d 。同时，由于镶嵌屏蔽钻井 液良好的抑制和封堵作用， 有效地维持了井壁稳定， 4口 井的平均井眼扩大率仅为 6 ．2 ％，远低于同区块 油井 的平均井眼扩大率 1 2 ． 3 ％ 。 表 7 镶嵌屏蔽钻井液的保护油层效果 注 实验温度为 1 2 0 o C、压差为 3 ． 5 MP a 、钻井液剪切 速率为 1 5 0 S ～ 、污染时间为 6 0 m i n 。 5 结 论 1 ． 镶嵌屏蔽保护油气层技术利用镶嵌屏蔽剂 具有弹性可变性和直径大于储层孔隙直径的特点， 使镶嵌屏蔽剂颗粒部分镶嵌入孔隙人 口 处，将孔隙 封堵住，起到单向封堵的作用。由于镶嵌屏蔽剂镶 嵌在孔隙的入 口处，没有进入孔隙内部，若有反压 差存在，镶嵌屏蔽层很容易解除，使储层恢复原来 的渗透率。 2 ． 研制的镶嵌屏蔽剂封堵能力强 ，能有效封堵 砂床和岩心，封堵后岩心渗透率恢复率高 ； 镶嵌屏 蔽剂能显著提高岩屑回收率，抑制岩屑水化分散的 性能 ； 镶嵌屏蔽剂对钻井液黏度影 响不大，具有一 定的降滤失作用，抗温能力强。 3 ． 以镶嵌屏蔽剂为主剂研发的镶嵌屏蔽钻井液 具有低侵入、单向封堵、防塌性能好、抗污染能力 强及润滑性好等特点，满足了钻井过程中快速钻进 及保护油气层的要求。 参 考 文 献 [ 1 】 张金波，鄢捷年，赵海燕 ． 优选暂堵剂粒度分布的新方 法 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 4 ，2 1 5 4 7 ． [ 2 ] D i c k M A ，He i n z T J，S v o b o d a C F ． Op t i mi z i n g t h e s e l e c t i o n o f b r i d g i n g p a r t i c l e s f o r r e s e r v o i r d r i l l i n g fl u i d s [ R] ． S P E 5 8 7 9 3，2 0 0 0 ． [ 3 】 B e n n i o n D B， T h o ma s F B， Ma T ． R e c e n t a d v a n c e s i n l a b o r a t o r y t e s t p r o t o c o l S t o e v a l u a t e o p t i mu m d r i l l i n g， c o mp l e t i o n a n d s t i mu l a t i o n p r a c t i c e s f o r l o w p e r m e a b i l i t y g a s r e s e rvo i r s [ R ] ． S P E 6 0 3 2 4 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 王劲松，亢德峰，蓝强 ． 双聚磺胺基聚醇钻井液在渤南 低渗油田的应用 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 3 51 ． 5 4． [ 5 ] 李惠东，韩福成，潘国辉 ． 采用屏蔽暂堵技术保护油气 层 [ J ] ． 大庆石油地质与开发， 2 0 0 4 ，2 3 4 5 0 5 2 ． [ 6 ] 黄达全， 许少营，田增艳 ． 广谱型屏蔽暂堵保护油层技 术在大港油 田的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 4 ，2 1 6 2 3 ． 2 7 ． [ 7 ] 崔迎春，张琰 ． 分形几何理论在屏蔽暂堵剂优选中的应 用 [ J ] ． 石油大学学报 自然科学 版 ，2 0 0 0 ，2 4 2 1 7 ． 2 0 ． [ 8 ] 雍富华，鄢捷年 ． 保护裂缝 ． 孔隙性储层的钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 2 6 - 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