水平井钻井完井液滤饼清除技术.pdf

第 2 6卷 第 5期 2 0 0 9年 9月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI LLI NG FLUI D ＆ CoMPL ETI oN FL UI D Vo 1 ．2 6 NO． 5 S e pt ． 2 0 09 文章 编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 5 0 0 7 3 0 3 水平井钻 井完井液滤饼清 除技术 孙剑 崔茂 荣 马勇。 钟英 李平 1 ． 西南石油 大学石油工程学 院， 成都 ； 2 ． 中石油西南油气 田公 司采气工程研究 院， 成都 摘要 水平 井完井采用 的清洁 完井液虽然能减小对地层 的损害 ， 但致密滤饼 的清 除却是一个难题 。能否有效 地清除水平井滤饼 直接 关系到水平 井的产 能大小 和完 井质量 的高低 。讨论 了当前 采用 的滤饼 自然清 除、 化学清 除、 机械清 除技术 的特点 、 进展和现场使用情况 。分析表 明， 多项滤饼清除技术的结合使用 才能取得最佳 的清除效 果 。指 出应该在滤饼 清除机理 的完善、 滤饼清除模型 的准 确建立 、 新 型水平井 完井材料 和完井 液体 系 的研 制和现 有滤饼 清除技术的改 良上加强研 究。 关键词 滤饼； 防止地层损害 ； 水平 井 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标 识码 A 为解决 水平 井 近井 壁 地 带 损 害严 重 的 问题 ， 许 多井采 用 的都是 水 基 清 洁钻 井 完 井 液 。一 般说 来 ， 在该钻井完井液 中都含有较高浓度 的天然 聚合物 如黄原胶 、 淀粉 、 纤维素等 以及一定尺寸的碳酸钙 或者盐类粒子架桥剂[ 1 ] ， 在多种处理剂 的相互配合 下 ， 钻井液 在井 壁上形 成 了薄而致 密 的滤饼 ， 虽然 减 小了滤液的侵入 ， 但在裸眼完井条件下 ， 要彻底地清 除黏 附于井 壁上 的致 密滤饼 较 困难 。滤 饼 清除不彻 底或井壁净化不均匀 ， 不仅会降低产能 ， 而且易造成 井底 的漏失 和 生 产 过程 中液 相 的 突进 j 。因此 ， 如 何有效彻底地清除水平井完钻后在井壁附近形成的 致密滤饼 、 恢复储层 的渗透率是水平井 钻完井技术 发展的难题。因此 ， 对 国内外水平井滤饼 自然清除、 化学清除、 机械清除技术的现状 与发展进行了介绍 和分析 。 1 自然 清 除 水平 井滤饼 的 自然清 除是通 过 压降 的方式 来使 滤饼 剥 落 。Y．D i n g等 人 考 虑 内、 外 滤 饼对 渗 透 率 的影响分布 ， 采用数学建模的方式来模拟最合理 的 流动压 降 ] 。研 究 表 明 ， 外 滤饼 的清 除 比内滤 饼 的 清除重要， 外滤饼 由于形成的条件复杂 ， 一旦压降选 择不当， 外滤饼 的残余部分将永远残留于井壁。虽 然该模型由于考虑因素不够 完善 ， 压 降的确定不具 代表性 ， 但为滤饼 自然清除模型的建立开创 了一个 起点 。Z u l k e ff e l i M． Z a i n对 滤饼 自然 清除 的机 理进 行了研究 ] ， 发现滤饼清除 的关键取决于滤饼本身 的渗透率与其机械特点， 与初始流动压力无关。若 滤饼 的渗透率大 ， 返排 时虽然流体可能会使滤饼 中 形 成小孔 或裂 缝 ， 削 弱 滤 饼 的抗 张 、 抗 剪 强度 ， 但 滤 饼上的压降小 ， 因此不易被清除； 若滤饼的渗透率很 低 ， 强度大 ， 那 么在滤饼上 的压降高 ， 滤饼反而可能 被清除掉 。这也充分说明 ， 高强度致密滤饼在返排 中必须 完全被 清 除掉 ， 否则将 严重 影响后 续生 产 。 水 平井 滤 饼 的 自然 清 除方 式 建模 复 杂 ， 清 除机 理仍需继续研究 ， 压降的选择亦受现 场诸多生产 因 素的制约， 因此清除效率较低。现场更多 的是采用 化学或机械的方式来清除滤饼 。 2 化 学 清除 2 ． I 酸与氧化剂的使用 酸 可 以溶 解 滤 饼 中 的可 酸溶 钻 屑 和碳 酸钙 ， 强 酸甚至可 以降解某些 聚合 物。但许多现场实践 表 明 ， 采 用注酸 方式 清除 滤饼 的效 率并不 高 ， 这 是 由于 单独 采用 注酸 的方式存 在 以下 问题_ 1 ] ①酸基 本 上 不与 滤饼 中的 聚合物 发生 反应或 只能 部分 降解某 些 聚合物 ， 滤饼中的聚合物仍大量残留； ②滤饼中的聚 合物会包裹住部分酸溶性固体 ， 降低酸反应效率 ； ③ 酸的反应部位与反应速率不可控 ， 酸在滤饼 的某些 部位过度反应 ， 会造成局部酸蚀溶孔 ， 大量的酸液从 第一作者简 介 孙剑 ， 1 9 8 4年 生， 在读硕-2研究生 ， 主要从事钻 井液 与完井液方面 的研 究。地址 成都市新都 区西南石油 大学硕士 2 0 0 7级 3班； 邮政编码 6 1 0 5 0 0 ； 电话 1 3 5 4 0 7 4 8 9 7 3 ； E - ma i l s g O 3 s u i a n 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 9年 9月 溶孔中流入地层， 不仅使滤饼大量残余 ， 而且易形成 “ Th i e f Z o n e ” ， 导致后 续 清洗 液 的漏 失 ； ④ 酸可 与 多 种物 质反应 ， 针对性 差 ， 消耗 量 大 ； ⑤ 随着 温 度 的 升 高 ， 酸的活性越 来越 大 ， 使酸 的腐 蚀性 以及残余 酸 的 处理 问题也越 严重 。对 于含有较 高浓 度 聚合物 的滤 饼 ， 单独进行 注酸 处理 后 ， 滤 饼 一 般 大量 剩 余 ， 已清 除部分也不均匀， 不仅不能恢复储层的渗透率 ， 而且 会对生产时流体的流动状态产生干扰 ， 使压降增大 或造 成水相 的突进 、 微 粒运移 、 井壁失 稳等 问题 。 氧化剂是 一种 清 除 聚合 物 的 高活 性 物 质 ， 其 活 性 随着 p H 值 、 温度 的升 高 而增 强 。在 理想 情 况下 ， 氧化 剂与聚合 物链 的主 要键 和 部 位发 生 反应 ， 将 聚 合物 降解为基 本糖 单 元 。Ro o n y Gu n a r t o等研 究 了 次氯 酸钠 的滤 饼 清 除效 果l [ ] 。结 果表 明 ， 氧 化 剂虽 然不 能 1 0 0 地 清 除 掉 滤饼 中 的 聚合 物 ， 但 它 可 以 通过切 断聚合 物链 达 到 降黏 的效 果 ， 且 用 氧 化 剂处 理后 ， 滤饼被分 割成不 连续 的部 分 ， 在 地层 流体 流 动 中易于清除。在使用过程 中， 氧化剂会与聚合物链 的任 一接触部 位或 与 井 下许 多 物 质发 生 反应 ， 因此 采用氧化剂处理后 ， 滤饼中仍剩余大量 的聚合物部 分降解 的产物 、 未 降解 的聚合 物 以 及全 部 的 碳 酸钙 颗粒 ； 此外 ， 氧 化剂对地 层与管 柱也有 一定 的损 害 。 一 般 氧化剂 与酸配合使 用 可清 除滤饼 。由于氧 化剂可将 HC 1 氧化生成剧毒的 c l 。 ， 因此酸与氧化 剂要 分步使用 。近 年来 ， 采用 强 缓 冲有 机 酸 与 氧化 剂配合使用的方式被推广。S y e d Al l 等研究 了一种 新 的包 含氧化剂 和有机 酸 的滤饼 清除 系统l 6 ] 。该 系 统的基础 是缓 冲过 氧羧 基酸 液 P X C A 。大 量 的实 验结果证明， 达到同样的滤饼清除效果时， P X C A处 理液 的浸 泡时 间为 4 h ， 而单独 使用盐 酸或次氯 酸盐 的浸泡 时间却是 1 2 h 。此 外 ， 对 于不 同组 分 的钻 井 液 ， P X C A 处理液 的清 除效 率 可接 近 1 0 0 ， 其 现场 试 验效果 也 非 常好 。P X C A 处 理 液 的 清除 效 率 高 、 处理时间短、 使用方式简单 ， 目前正在推广使用中。 2 ． 2 生物 酶的使 用 生物酶 是 一 种 由生 物 有 机 体 生 成 的 特 殊 蛋 白 质 ， 可作为破胶剂降解聚合物。在降解过程中， 生物 酶 具有不消 亡和活性 不变 的特点 。在理 想条 件下 生 物酶清除滤饼 中聚合物时， 与聚合物黏接 的碳酸钙 粉亦 脱离下来 ， 达到 完 全 清除 的 效 果 。过 去 水 平 井 滤饼 清除多采 用 的是 非 特异 性 酶 基质 混 合 物 ， 只能 随机分 解多糖 聚合物 ， 使 多糖 聚合物 部分 降解 ， 生成 短链多糖和少量的单糖和二糖。采用多种酶混合的 方式 ， 不 仅酶之 间相互 干扰 ， 而且生 成 的短链 多糖 可 交联 ， 相 对来说 不易溶 解 ； 此 外 ， 混 合酶 不易 返排 ， 作 用之后 ， 大量 的聚合物 “ 碎片 ” 与酶 混在 一起 ， 这些 可 导致储 层 的二 次损害 ] 。 针对聚合物链的特殊性 ， 采用一种独特 的酶对 应 一种 聚 合 物 进 行 降 解 ， 即 S E B S p e c i f i c E n z y me B r e a k e r 。李 云波等对 新 的 特异性 生 物酶 的破 胶 进 行了研究 。该特异性生物酶体系为多糖聚合物糖 甙键特 异性水 解 酶 ， 可将 聚 合物 降 解 为 非还 原 性 的 单糖和二糖。与酸化和氧化过程不同， 该特异性生 物酶体 系对 目标 聚合物 结构 中特定 的糖 甙键起 活化 作 用 ， 而对 其它 物质不起 活化作 用 ， 因此 该生 物酶 体 系既可减 轻副 作用 ， 亦 可 避免 对 管 柱 的腐 蚀 和 金属 碎 屑 的污染 。实验结果 表 明， 用该生 物 酶处理 后 ， 滤 饼的清除效率大于 9 2 ， 渗透率恢复值大于 9 0 。 现 场对 3口水 平井 进 行处 理 后 ， 原 油 产量 超 过 了 预 期值 ， 而酸化处理的井只有预期产量的 8 3 。 K．P ．O D r i s c o l l 等 对 S E B的研 究表 明【 在 完井液中加入 S E B清除滤饼中部分聚合物后， 残余 的二次滤饼仍具有降滤失性 ， 可 以减弱二次损害程 度 ； 由于酶 具有长 时间 的稳 定性 与活 性 ， 可与剩 余 的 聚合物再次反应达到多次清除的 目的。岩心流动实 验 表 明 先 采 用 S E B处 理 ， 再 采 用 酸 洗 的 滤 饼 清 除 效 果非常好 。为 了加强 生物酶处 理液 的返 排能 力 和 悬浮能力 ， H．A．Na s r E l - D i n等优选了一种黏弹性 表 面活性 剂 与 生物 酶 配 合使 用 ] 。实 验 结果 证 明 ， 加 人黏 弹性 表 面活性剂后 ， 不仅 溶液 的黏 度提 高 、 滤 失 量减小 、 悬浮能 力增强 ， 而且 生物酶 的表 面 张力减 小 ， 降解 聚合物 的速率 和返 排 能力 增强 了 。 3 机械 清 除 机械清 除主要 是射 流 。射流 可分 为水 力射 流和 酸 射流 2 种 方式 。盐水或 酸液在 高压 下从 喷嘴 小孔 喷 出 ， 高速 冲击井壁 表面 ， 通 过 冲蚀 、 切削 、 溶解 的方 式实现对滤饼的清除。射流清除的效率受喷嘴与井 壁距离、 流体黏度、 射流速度 、 持续时间、 射流工具旋 转速度等因素的影响。一般说来 ， 持续射流时间长、 射流速度较高时， 对滤饼的清除、 地层的改造效果较 好 。M．Mi k h a i l o v等对水力射流和酸射流 的清 除效率进行对 比研究[ 】 。岩心渗透率恢复实验表 明 ， 酸射 流对射 流 持续 时间 和射 流 速 度 的改 变 更 加 敏 感 ； 酸射 流甚 至 可将 滤 饼举 升 起 来 与 岩心 直 接 接 触 和改造 。 使处 理 后 岩心 的平 均 渗 透 率恢 复 值 为 原 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 5期 孙剑 等 水平 井钻 井完 井液滤饼 清 除技 术 7 5 来 的 7倍， 而水力射 流则只将岩心渗透率恢复到原 来 的水 平 。在 现 场 实验 中 ， 酸射 流 与 水 力 射 流 的 效 果差距 没有 这 么大 。通 过 现 场 实 例 计 算 ， 酸 射 流 后 的采 油指数仅 比水力 射 流 后采 油 指数 高 l l ， 考 虑 到工艺 与成本 ， 水 力射 流的综合 效 果要优 于酸 射流 。 A d i n a t h a n Ve n k i t a r a ma n等对 超声 波 清除 近井 壁污 染进 行 了探 索 性 研 究 。 J 。超 声 波 清 除 污 染 物 的主要 机理是 声流 与声 波空穴 的作用 。将 不 同频 率 和强 度 的超声 波 作 用 于受 损 害 的岩 心 后 ， 岩 心 的渗 透率有一定程度的恢复， 其效率取决 于超声波 的频 率、 功率、 持续时间以及超声波与处理物问的耦合关 系。该研究虽侧重于钻井 液固相与微粒运移损害， 但也 为水平井 滤饼 清除 提供 了一个 新 的思路 。 4 原 地 生酸 系统 清 除 原 地生 酸系统 主要包 括 一种 前置 酯 类 ， 作 用 是 水解 生成有 机酸 ； 一 种 无 机催 化 剂 去 催 化 酯 类 的水 解 ； 一 种酶或 氧化 剂去 降解 聚合物 ； 一 种非 离 子表 面 活性 剂 ， 增黏 和 减 小表 面 张力 。该 系统 可 以控 制 生 酸的速率 ， 达到在一步处理 中同时清 除掉滤饼 中的 碳酸 钙与 聚合物 的 目的 。一 般生 成有 机 酸 的浓度 控 制在 6 ～1 0 较佳， 较高 的有机酸浓度可能会生 成有 机酸钙 沉 淀 j 。室 内研 究 结 果 证 明 ， 该 系 统 具 有表 面张 力 较 低 、 易 返 排 、 一 步 清 除 效 果 明 显 等 优 点。为了使原地生酸系统在高温下仍能发挥 良好的 清除效果 ， M．B ．A1 一 Ot a i b i 等对 甲酸酯、 醋酸酯 、 乳 酸酯 等几种 酯类 进 行 了优 选 ， 最 终 采用 乳 酸酯 作 为 前置 酯类 ” ] 。乳酸 的酸 性 强 于醋 酸 ， 在 高 温下 的生 成速 率要快 于 甲酸 ， 而 且 乳 酸 缓 冲 溶 液 的 p H 值 为 4 ， 在 高温下 对滤 饼 中淀粉 聚合物 的水 解 有很 大 的催 化作用， 这样既可保证生酸的速度与强度 ， 又可提高 滤饼清除的效率。一般说 来， 原地生酸系统使用温 度为 9 3℃以下 ， 超 过 9 3℃则 易 出现 相 态 分 离 的现 象 。 目前 ， 正在 进行 分 离 物 质 的 性 质 以及 提 高 使 用 温度 范 围的研究 。 5 结 束 语 1 ．水平 井 滤 饼 清 除 技 术 种 类 多 ， 涉 及 到 物 理 、 化学、 生物、 机械等诸多领域 ； 但单一技术的清除效 率 有 限 ， 需要 多种技 术 的配合使 用 。 2 ． 在 水 平 井 滤 饼 清 除 技 术 中 ， 自然 清 除 是 关 键 ， 其 他技术 只 是辅 助 手 段 。采 用 其 他 技 术 对 滤 饼 进 行预 处理后 ， 最终 效 果 的好 坏 都 取 决 于 井 下 自然 清除效率的高低。今后应该加强 自然清除机理以及 模 型 的研 究 ， 主 要应 该 明确 滤 饼 在 不 同机 械 特 征 和 不 同预 处理 手段 下 的清除效 率 与清除 压降 的关 系。 3 ． 应 该从 水平 井滤 饼 的形成 人 手 ， 研 制新 型水 平 井完 井液 材料 、 建立新 型 清洁 完井 液体 系 ， 以形 成 既可减小水平井损害又容易清除的滤饼。 参 考 文 献 r 1 ] Na s r El Di n H A， e t a 1 ． L a b o r a t o r y S t u d i e s o f I n - s i t u Ge ne r a t e d Ac i d t o Re mov e Fi l t e r Ca ke i n Ga s W e l l s [ R] ． S P E 9 6 9 6 5 ， 2 0 0 5 ， 1 0 [ 2 ] J a s o n I D a v i d B ， e t a 1 ． C o r r e l a t i n g G o o d We l l D e s i g n ， Dr i l l i ng a nd Cl e a nu p Pr a c t i c e s wi t h Hi g h W e l l Pr o d uc t i v i t y [ R ] ． S PE 6 5 4 8 0 ， 2 0 0 0 ， 1 1 [ 3 ] D i n g Y， R e n a r d G ， A u d i b e r t A ． Mo d e l l i n g o f N e a r - We l l b o r e Da ma ge Re mo v al b y Na t u r a l Cl e a nu p i n Hor i z o nt a l O p e n H o l e C o mp l e t e d We l l s [ R ] ． S P E 6 8 9 5 1 ， 2 0 0 1 ， 5 r 4 ]Z a i n Z M， S h a r ma M M Me c h a n i s o f Mu d c a k e Re mo v a l D u r i n g F lo w b a c k [ R ] ． S P E 7 4 9 7 2 ， 2 0 0 1 ， 6 [ 5 ] R o o n y G， e t a 1 ． P r o d u c t i o n I mp r o v e me n t f o r Ho r i z o n t a l We l l s i n S u m a t r a [ R ] ． S P E 8 6 5 4 5 ， 2 0 0 4 ， 2 [ 6 ] Al i S ， R a e P， Gi l m o r e T ． A n I mp r o v e d ， On e S t e p C l e a n up Sy s t e m f or Re mov i n g M u d Da ma ge i n Ho r i z ont a l w e l l s [ R ] ． S P E 8 6 4 9 5 ， 2 0 0 4 ， 2 [ 7 ] 李云波 ， 乌效 呜， 黄志文 ， 等． 生物酶在 水平井钻井液 中 的应用[ J ] ． 新疆石油学院学报 ， 2 0 0 3 ， 1 5 4 4 5 4 7 E 8 ] y D r i s c o l l K P ， Am i n N M， a n t a w i Y T ． N e w T r e a t m e n t f o r Re mo v a l of M u d Po l y me r Da ma g e i n Mul t i l a t e r a l W e l l s D r i l l e d U s i n g S t a r c h - B a s e d F l u i d s [ R ] ． S P E 6 5 4 0 5 ， 2 0 0 0 ， 5 [ 9 ] Na s r E l D i n H A， e t a 1 ． An E f f e c t i v e F l u i d F o r mu l a t i o n t o Re mov e Dr i l l i n g Fl u i d M u d Ca ke i n Hor i z on t a l a nd Mu l t i～ l a t e r a l We l l s [ R ] ． S PE 8 7 9 6 0 ， 2 0 0 4 ， 9 r 1 O ] Al Ot a i b i M B， Na s r El ～ Di n H A， S i d d i q u i M A． We l 卜 b o r e C l e a n u p b y Wa t e r J e t t i n g a n d S p e c i f i c E n z y me Tr e a t me n t s i n Mu l t i l a t e r a l We l l s A C a s e S t u d y [ R] ． SPE 8 72 06， 2 0 04， 3 r 1 1 ] Mi k h a i l o v M ， Z h u D， Hi l l A D．An Ex p e r i me n t a l I n ve s t i g a t i o n o f Dr i l l i n g 。 Fl ui d Fi l t e r 。 Ca ke Re mo va l b y Ac i d J e t t i n g [ R ] ． S P E 1 1 2 3 7 3 ， 2 0 0 8 ， 2 r l 2 ] Ad i n a t h a n Ve n k i t a r a ma n， P e t e r M． Ro b e r t s a n d Mu k u l M． S h a r ma 1 ．Ul t r a s o n i c Re mov a l o f Ne a r W e l l b o r e Da ma ge C a u s e d b v F i n e s a n d Mu d S o l i d s [ R ． S P E 2 7 3 8 8 r 1 3 ] A卜 Ot a i b i M B， e t a 1 ． I n S i t u Ac i d S y s t e m t O Cl e a n u p Dr i l l - i n Fl u i d Da ma ge i n Hi g h Te mpe r a t ur e Ga s W e l l s [ R ] ． S P E 1 0 3 8 4 6 ， 2 0 0 6 ， 1 l 收 稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 8 ； HGF0 9 5 A7； 编 辑 张炳 芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m