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钻井完井液保护技术,康毅力西南石油学院石油工程学院油井完井技术中心2005.09.20,提纲,1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术,1、工作液概述,钻井液完井液发展历程钻井完井液新进展完井液简介钻井完井液体系,1.1钻井液完井液发展历程,公元前256，中国盐井用清水作钻井液公元1859，美国第一口油井用清水作钻井液1914～1916，正式有泥浆钻井液定义1921～1926，膨润土、加重剂、初级化学剂30年代～50年代，钙处理钻井液及较高级化学剂产生。同时发展油基钻井液，1950年开始油包水钻井液,1.1钻井液完井液发展历程,70～80年代低毒、低胶性油包水钻井流体木质素磺酸盐钻井液、三磺深井钻井液，生物聚合物钻井液，KCl盐聚合物钻井液，聚丙烯酰胺类钻井液保护油气层钻井完井液，暂堵性三类钻井完井液，无粘土相聚合物钻井完井液,1.1钻井液完井液发展历程,90年代环境保护，大位移水平井和深井为推动力，以增效增产为目标阳离子聚合物、合成基、甘油聚合物钻井液硅酸盐、MMH阳离子、聚乙烯醇PVA钻井液磷酸氢二铵DAP、共聚物/聚丙烯乙二醇AmpsCOP/PPG钻井液甲酸盐盐水小井眼、两性聚合物钻井液低密度气体型流体欠平衡钻井全油钻井液,1.2钻井完井液新进展,钻井液技术围绕“安全、健康、高效”，从单一技术向综合技术方向发展，体现低成本、增储上产，适合环保、深井、深水、高温、井壁稳定保护油气层技术向实用综合方向发展，机理方面有创新，技术取得新进展深井钻井液技术又有新突破,1.2钻井完井液新进展,聚合醇新型钻井液广泛应用合成基钻井液进入实用阶段钻井液环保技术得到应用井壁稳定基础理论取得突破固控设备与技术进入新阶段废弃钻井液处理技术计算机应用,1.3完井液简介,概念完井液从钻开油气层到正式投产前用于井眼的流体。一般把井上作业期间任何接触生产层的流体都叫完井液种类钻井完井液、水泥浆、射孔液、隔离液、封隔液、套管封隔液，砾石充填液、修井液、压裂液、酸液,1.3完井液简介,对钻井完井液的要求控制储层流体压力，保持正常钻进满足工程要求的流变性稳定井壁，改善滤饼，防止各种复杂问题具有保护油层性质其它性质包括在对完井液要求的范围内,1.4钻井完井液体系,水基钻井完井液WBM连续相为水的钻井液为水基钻井完井液；清洁无固相盐水，无粘土相钻井液，暂堵性完井液油基钻井完井液OBM连续相为油的钻井液为油基钻井完井液气体型钻井完井流体GBM气体、雾、泡沫及充气钻井完井流体合成基钻井完井液SBM合成人工有机体为连续相的钻井完井液,提纲,1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术,2、水基钻井完井液,控制钻井液损害的因素钻井完井液发展新方向几种水基钻井完井液,2.1控制钻井液损害的因素,油气藏地质储层物性、孔隙结构、润湿性、裂缝发育状况储层敏感性矿物特征、储层敏感性油气藏流体组成及性质油气藏温度、压力及剖面压力分布地层剖面的岩性及对钻井液组分和性能的影响,2.1控制钻井液损害的因素,钻井液组分及性能固相颗粒含量、尺寸及分布钻井液与储层流体化学配伍性钻井液与储层流体粘度对比值钻井液滤液特性钻井液本身质量,2.1控制钻井液损害的因素,工程因素钻井液密度及超平衡压力值（压差）钻井液与储层接触时间（浸泡时间）钻井液循环速度钻井液温度剖面井壁稳定、事故安全、设备工具,2.2钻井完井液发展新方向,滤饼屈服值泥饼屈服值切力是去泥饼的关键性能初始流动压力被证明与屈服值成线性关系，加重剂的性质、颗粒分布、浓度直接影响屈服值减小屈服值方法采用近平衡钻井，井下安全，减少泥饼屈服值；减少固相浓度，使用匹配的固相粒度分布，减少滤失量，减少固相微粒侵入储层；钻井液类型，泥浆类型不同对滤饼有很大的影响利用润滑剂及分散剂可改善滤饼屈服值，但往往造成储层损害，宜小心,2.2钻井完井液发展新方向,滤饼的形成形成机理带渗透性固相表面渗滤，固相颗粒沉积滤饼具有渗透性、润滑性、强度、压缩性、封堵性通过化学成分的改变可控制滤失量及滤饼性质内因固相颗粒分布（粘土、钻屑、石灰粉、盐粒、树脂）化学剂、水化作用、颗粒间作用力外因压力、温度、密度、流体流变性、储层结构性质、储层固相与滤饼间作用力,2.2钻井完井液发展新方向,优质滤饼的作用滤饼的双重性稳定井壁作用和防止固相侵入及减少滤失量滤饼易解除，用酸、油、水易溶解，还可用微生物或酶等方法消除目标消除对砾石充填、井下筛管、封隔器堵塞，对于水平井的保护尤为重要,2.3几种水基钻井完井液,PEM浆（聚合醇）甲酸盐完井液MMH钻井完井液阳离子聚合物钻井完井液,2.3.1PEM浆（聚合醇）,选用PF-JLX低分子量范围500～2000之间PF-JLX在浊点温度以上，JLX分子从水中分离，吸附在钻具、套管、岩石和滤饼表面，增加其润滑性，它还可以进入泥页岩裂缝，起到封堵裂缝的作用小分子JLX与粘土、钻屑表面吸附，粘土、岩屑粒子晶层吸附，钻井液中液相呈氢键吸附作用削弱粘土、岩屑的水化、钻井液的水化能力，防塌抑制性、稳定井壁,2.3.1PEM浆,PEM浆组成主要由PF-JLX水基润滑剂，PF-WLD防塌剂组成PF-JLX是聚乙二醇低聚物，分子量保持在500～2000左右相宜，是良好的润滑防塌剂PF-WLD多元醇聚合物是类硅酸盐结构的化学剂，具有很好的抑制性，对井壁稳定有利,2.3.1PEM浆,PEM浆特性有双保作用保护井壁，保护油气层；PF-JLX，PF-WLD，具有良好的兼容配伍性，它对常用的化学剂Drispac,Antisol，Polydrill,SPNH,Desco,XC,PAM,DFD等均具有很好的配伍性，能很好发挥各自作用无荧光，生物毒性达到环保要求的钻井完井液具有高温稳定性抗粘土侵和钙镁离子的污染，在淡水、海水中均可配制可代替目前泥浆体系中润滑剂，磺化沥青，白油和KCl四种处理剂,2.3.2甲酸盐完井液,优点密度可达1.34g/cm3和1.6g/cm3，甲酸铯可达2.3g/cm3。无固相液，有利提高钻速及保护油气层抗高温，性能稳定，与处理剂配伍性好有强抑制性，与储层岩石、流体配伍，抗盐、抗钙、抗污染腐蚀性弱毒性极低并可生物降解，易为环境接受应用范围小井眼钻井，侧钻水平井，连续软管钻井等,2.3.3MMH钻井完井液,优点具有一定的抗温性，在高温下具很好的流变性对低孔低渗储层，液相损害是主要的，应加强钻井液滤液的抑制性、表面张力和侵入量的控制普遍用来改善流型和保护井壁正电胶MMH具有很好的保护油层效果,2.3.3MMH钻井完井液,应用范围适合钻开油气层，表现出保护油气层的优越性钻开油层前使用阳离子型改性泥浆，或整个地层配浆液均可对各种渗透率范围储层均适用，适用性广对淡水及盐水海水配制均可得到良好的钻井完井液钻井完井液、压井液、修井液均适用,2.4.4阳离子聚合物钻井完井液,体系特征含有分子量为几十万到几百万的大阳离子聚合物和分子量为几百到上千的小阳离子季铵盐组成大阳离子、小阳离子、膨润土、降滤失剂、增粘剂等组成特点抑制性强应用范围主要用于稳定井壁和保护储层,提纲,1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术,3、气体型钻井完井液,低密度流体发展简史低密度入井流体类型五种低密度流体低密度流体应用微泡沫,3.1低密度流体发展简史,发展过程水→油→气→雾→充气→泡沫发展历史顿钻开始就是清水钻井开始。天然气钻井1940年30年代已开始雾钻井1952～1958年空气钻井1954年泡沫钻井1975年50年代已开始,3.2低密度入井流体类型,3.3五种低密度流体,3.4低密度流体应用,新疆小拐油田欠平衡钻井实例,3.4低密度流体应用,3.5微泡沫,性能密度可调（0.51）分散相为微泡沫（10100μm）无需特殊设备，不影响泵上水，不影响MWD测试反复使用，固控装置及钻头水眼冲刺不破坏微泡结构结构为多层膜包裹的气核，液膜是维持气泡强度的关键，需加适合的表面活性剂需要高屈服应力与剪切稀化特性的稳泡剂，XC为有效化学剂之一产生均匀气核是形成微泡的重要因素，要考虑水动力学及喷嘴气蚀状况,3.5微泡沫,应用微气泡堵塞滤饼造成滤失量降低，亦可堵塞裂缝、溶洞，可作为防漏堵漏的化学剂已在美国进行几口井现场试验,提纲,1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术,4、合成基钻井完井液,合成基钻井流体发展简史合成基体系特性配方及性能比较,4.1合成基钻井流体发展简史,90年代列为三大类流体水基WBM、油基OBM、合成基SBM合成基流体二代产品第一代酯基、醚基、聚α烯烃PAO第二代线型α烯烃LAO线型α烯烃同分异构体IO线型石蜡LP两代差异第二代流体成本低、环境配伍略差，但还符合标准，粘度略低，其他技术指标与第一代相似,4.2合成基体系特性,体系外相为有机合成物，不含芳香烃，对环境无损害闪点较矿物油高，发生火灾和爆炸的可能性小凝固点比矿物油低，可在寒冷地区使用液相粘度比矿物油高较高热稳定性，在200℃以下是稳定的，在升温时满足携带岩屑的需要，低温时仍具有可泵性易分散于海水中，钻屑清除容易,4.2合成基体系特性,较强抑制性、井眼稳定性，较好的润滑性，适用于水平井、大斜度井和多底井较易调控和稳定的常规钻井液性能节省了用油基钻井液要处理钻屑和环境污染的费用，也消除了因使用水基钻井液达不到性能要求而损失的钻机时间，钻井费用有时比水基钻井液还要低良好的保护油层效果,4.3配方及性能比较,提纲,1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术,5、油基钻井完井液,发展史低毒矿物油浆特征全油钻井液体系,5.1发展史,5.2低毒矿物油浆特征,由低芳香烃含量矿物油配浆，毒性低，在海洋可排放添加剂均为低毒性或无毒性化学剂矿物油浆与柴油浆性能比较润滑性相似矿物泥浆有剪切稀化特性常温条件下，矿物油浆粘度大于柴油油浆高温条件下，矿物油浆与柴油油浆性能相似,5.2低毒矿物油浆特征,毒性矿物油浆基本无毒矿物油LC50＞100000，无毒柴油LC50为100～580，有毒性岩屑滞留量，矿物油浆5～6，柴油油浆15～17成本矿物油浆比柴油油浆高20～30，但矿物油可回收，节省清洁费用，矿物油比柴油节省6以上费用具有耐高温、抗各种盐类污染、保持井壁稳定等优点突出优点有利快速钻井,5.3全油钻井液体系,体系优越性提高井眼净化能力提高流变性控制能力容易维护改善后勤供应降低成本低毒环保接受不会形成乳状液，不会使储层润湿反转,提纲,1、工作液概述2、水基钻井完井液3、气体型钻井完井液4、合成基钻井完井液5、油基钻井完井液6、屏蔽式暂堵技术,6、屏蔽式暂堵技术,地层损害控制的意义问题的提出及创新思路技术思路论证屏蔽式暂堵技术原理技术应用效果屏蔽式暂堵技术思想的指导作用,地层损害（ationDamage概念地层损害的影响妨碍油气层及时发现、准确评价、高效开发地层损害控制技术系统工程、跨越多学科钻井完井过程中的损害控制最为关键,1地层损害控制的意义,,,,,,,,,,,,,钻井完井过程中地层损害示意图,1.1钻井完井过程中的损害,损害因素正压差、固相、液相、浸泡时间90％以上的井用正压差打开油气层泥浆固相损害程度1090％泥浆、水泥浆滤液产生的损害可达10100％侵入带深度固相可达1米，液相1米,1.2损害的严重后果,产层渗透率下降10～100％，产能下降10～100％中低渗透油气田特别突出我国70％以上的储量先天不足，敏感性强，极易被损害，损害难于消除不能及时发现隐蔽型油气藏类型之一不能准确评价边际油气田，SZ361增加作业费用酸化、压裂措施几几十万元/井,1.3钻井完井过程油层保护技术,“七五”攻关达80年代末国际先进水平岩性分析及测定技术敏感性及损害评价技术损害机理诊断技术损害矿场评价技术保护油层钻井工艺技术保护油层钻井完井液技术保护油层优化射孔技术保护油层酸化、压裂技术,1.4保护储层钻井完井液技术,气体类钻井完井液油基类钻井完井液水基类钻井完井液清洁盐水体系有固相无粘土钻井液体系水基类改性钻井完井液体系,2问题的提出及创新思路,2.1技术背景“七五”技术无法完全解决钻井完井损害问题90％以上的井仍不得不在正压差被打开固井水泥浆的损害无法避免多套产层、多压力系统的保护无法实现储层保护与钻井工艺、泥浆工艺的矛盾无法调和,2.2技术思路的演变及局限性,产生损害后如何消除解堵技术预防为主，解堵为辅配伍性、活度平衡损害只能尽量减小暂堵技术局限性单因素、“头疼医头，脚疼医脚”欲真正解决技术难题，必须就现有的技术思路作出根本性改变,2.3屏蔽式暂堵创新技术思路,前提条件把井打成的基本要求泥浆中固相粒子不可消除对地层正压差不可避免对地层的损害堵塞客观存在必须接受前提条件，必须从现实出发，保护技术才能与钻井、泥浆工艺相容，才可能有推广价值和应用前景如何变害为利呢,2.3屏蔽式暂堵创新技术思路,基本设想通过研究固相微粒对储层孔喉的堵塞规律，打开储层时，人为控制，使固相微粒在井壁上快速、浅层、有效地形成一个致密堵塞带，就可能防止储层的进一步损害快速－几分钟到十几分钟内形成浅层－堵塞深度在10厘米以内有效－堵塞带渗透率极低，甚至为零,2.3屏蔽式暂堵创新技术思路,预期结果阻止泥浆对油层的继续损害，消除浸泡时间的影响，并消除水泥浆的损害解除措施损害带很薄，可通过射孔解除最终目的损害带的渗透率随温度和压力的增加而进一步减小，从而把造成地层损害的两个无法消除的因素正压差和固相粒子，转换成实现这一技术的必要条件和有利因素，从理论上就能够解决这个国内外一直未能解决的难题,3技术思路论证,3.1固相颗粒堵塞孔喉的物理模型单粒架桥后，逐级填充3.2固相颗粒堵塞孔喉的计算机模拟3.3岩心流动实验3.4矿场取心检验,3.1固相颗粒堵塞孔喉的物理模型,单粒架桥后，逐级填充（1）架桥粒子的桥堵（2）填充粒子的填充（3）变形粒子的填充,技术关键,泥浆中固相粒级地层孔喉尺寸匹配,3.2固相颗粒堵塞孔喉计算机模拟,3.3岩心流动实验验证,3.3.1产层孔隙结构分析,,3.3.2粒子架桥规律,粒喉径比为2/3是形成稳定架桥的匹配条件,3.3.2粒子架桥规律,架桥粒子的临界浓度为3％左右,3.3.2粒子架桥规律,架桥粒子的堵塞深度在2～3厘米之内架桥作用在10分钟内即可完成匹配得当时，可快速、浅层地获得稳定的桥堵,3.3.3粒子填充规律,级配合理的填充粒子可进一步降低桥堵的渗透率填充粒子浓度应大于1％,3.3.4软化变形粒子的填充规律,可变形粒子的粒径应比刚性粒子更细（小于1/5孔喉尺寸可变形粒子的浓度一般为1～3％可变形粒子填充后，可使堵塞带渗透率趋于零变形粒子浓度％Ki/Kw00.00510.860.00281.60.000912.40.00047,3.3.5堵塞实现的条件,正压差压差越大屏蔽效果越好一般油藏，压差应大于3.5MPa时间10分钟内形成屏蔽环，延长时间无影响温度温度的影响取决于变形粒子的软化点屏蔽环可防止水泥浆对产层的损害屏蔽环的反排解堵可达到70％以上,3.4矿场取心检验,夏子街油田井壁取心证明侵入深度23cm吐哈油田对比井取心L10-18试验井，屏蔽环K下降95-99，强度7.8-20MPa，深度0.58-2.09cm,反排压力0.12-0.86MPaL11-17井（常规泥浆）K损害率65，侵入深度超过5cm,4屏蔽式暂堵技术原理,4.1技术实施方案（1）准确掌握油层孔喉和固相颗粒的尺寸及其分布,4.1技术实施方案,（2）确定架桥、填充和变形粒子的种类、尺寸和加量（3）专用暂堵剂调整钻井液中固相颗粒尺寸及含量（4）评价屏蔽环的有效性、强度、深度和反排效果（5）选择合理的正压差和上返速度（6）必须采用优化射孔技术与之配套,4.2油气层系列保护技术,研究手段和评价技术系列专用配套实验装备系列针对不同地质对象的保护技术系列不同井别及作业环节的保护技术系列专用油田化学处理剂及材料系列,4.3技术创新点,“变害为利，矛盾转化”的观点构思新颖、设想巧妙在新思路指导下的作用机理、物理模型及相关理论研究均有其独特之处探索出了钻井液在正压差下打开油层并保护油层的新途径使钻井完井过程中完全防止油层损害成为现实，解决了国内外同类技术一直悬而未决的重大技术难题,4.4技术适用性及特点,适用于各类孔隙性油藏和各种钻井液工艺简单，使用方便，成本低廉正压差和钻井液固相是技术实施的必要条件将不利因素转化为有利因素，首次解决了钻井工程和油层保护要求难以调和的矛盾可消除浸泡时间和水泥浆对油层损害的影响,5技术应用效果,典型实例1新疆夏子街油田应用井数60口未发生卡钻事故，下套管顺利，提下钻畅通，复杂时率1.37，钻速由10.77m/h提高到17.09m/h，钻头寿命延长，从9只降为6只浸泡时间10天降为5天油井产量平均提高30,5技术应用效果,典型实例2吐哈油田应用井数鄯善79口，丘陵194口，温米167口井下复杂情况大幅度减小表皮系数由34.08降到3.57温米油田油井产量提高2030,全部自喷丘陵油田产量平均提高54.3丘陵油田年产值增加1.5795亿元每口井费用仅增加1万元,5技术应用效果,经济效益1据98年底统计，在全国各大油田推广应用已达10000多口井，平均单井增产原油10～20％仅据新疆三个油田的不完全统计，年直接经济效益为1.5～2亿元有效益证明,5技术应用效果,经济效益2省去了必须进行酸化、压裂投产作业的投入每口井几万～几十万，如温米油田研制开发了新型专用暂堵剂，三种处理剂年产1000～2000吨,5技术应用效果,科技进步CNPC将此项技术列入“九五”优秀成果八大示范工程项目之一1996年获CNPC十大优秀推广应用成果奖1996年获得CNPC科技进步二等奖、地矿部科技进步三等奖，，1999年获CNPC科技进步一、三等奖各1项，上海市科技进步一等奖,5技术应用效果,教育和人才培养与此项技术配套的继续工程教育项目已培训1.1万人（计划培训3万人），大大促进了该技术的推广，由于成绩显著，1996年获CNPC石油高等教育优秀教学成果一等奖、1997年获国家级优秀教学成果一等奖科学研究及推广应用促进了学科发展，培养了多名硕士生和博士生，出版了三本教材，40余篇论文在国内外发表,6屏蔽式暂堵技术思想指导作用,从理论到实用配套技术系列化大面积推广应用，经受了实践的检验思想核心使工作液中的固相粒子与储渗介质渗流通道的尺寸相匹配，快速、浅层、高效地形成渗透率为零的致密、高强度屏蔽环提供新理念，形成新技术，取得新进展,思考题,解释工作液、完井液概念低密度钻井完井液有哪些优点水基钻井完井液的损害特点及控制因素屏蔽暂堵技术原理及实施要点,谢谢,