钻进油气层监督措施探讨

2013-10-31张绍辉李海军

石油工业技术监督 2013年11期

方慧张绍辉李海军

中国石油勘探与生产工程监督中心（北京 100083）

钻进中防止油气层损害是保护油气层系统工程的第一个重要环节，钻井过程中对油气层造成损害不仅影响油气层的发现和油气井初期产量、试油与测井资料的准确性，造成储量估算不准，影响合理制定开发方案，还会对今后各项作业损害油气层的程度以及作业效果带来影响。搞好钻井、完井、试油保护油气层，有利于发现油气层和正确评价油气层，对提高勘探、开发经济效益至关重要[1]。

1 钻进中引起油气层损害的原因

油气层储渗空间特性、敏感性矿物组成、岩石表面性质和流体性质有可能引起油气层损害；工程因素如压差、浸泡时间、环空返速、井漏、井喷以及钻井液组成、性能等也会损害油气层。前者是储层潜在损害因素，通过岩心分析实验、岩心敏感性评价实验，能够分析储层损害原因与程度，钻井液对油气层的损害程度通过模拟井下施工情况，进行静态和动态评价，确保钻井液对油气层损害程度较轻[2]。

1.1 油气层潜在损害因素分析

分析油气层潜在损害因素及程度非常重要，能够为钻井液设计及开发方案提供依据，降低钻井液及外来流体对油气层的损害。

1.1.1 储渗空间特性

储渗空间特性包括油气层的岩性孔隙度及渗透率、孔喉类型、孔隙及孔道的大小、形态、分布及连通性。通常，孔喉半径越大，渗透率越高，固相颗粒随滤液侵入储层的可能性愈大，有时可以进入深部，堵塞孔喉，造成渗透率下降。由于油水界面张力与孔喉半径成反比，孔喉半径越小，渗透率越低，界面张力越大。要返排钻井液滤液，必须克服界面张力阻力。渗透率越低，水锁损害越严重。因此，高渗透和裂缝性油气藏易发生较严重的固相堵塞损害，不易发生水锁损害；低渗和特低渗油气藏易发生较严重的水锁和水敏损害，不会发生严重的固相堵塞损害[3]。

1.1.2 敏感性矿物

蒙脱石、伊利石/蒙脱石混层矿物和绿泥石/蒙脱石混层矿物遇到外来流体时，流体没有足够的抑制性，会造成粘土颗粒水化膨胀或分散、剥落等，并随外来流体运移，堵塞孔喉，造成渗透率降低，发生水敏、盐敏损害。长石、微晶石英、各类粘土矿物和蛋白石等与高pH值外来流体作用，造成分散、脱落或生成新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，引起渗透率降低，发生碱敏。含铁绿泥石、铁方解石、铁白云石等含铁矿物进行酸化作业时，遇盐酸溶解，释放出Fe2+，pH值升高，会生成氢氧化铁沉淀；方解石、白云石、钙长石等含钙矿物与氢氟酸发生化学反应，生成氟化钙沉淀，这些沉淀物都可能会堵塞孔喉，导致渗透率降低，发生酸敏。粘土矿物和粒径小于37μm的各种非粘土矿物，如石英、长石、方解石等，在高速流体作用下发生运移，堵塞孔喉，容易发生速敏损害。

通常，敏感性矿物含量越高，由其造成的油气层损害的程度越大；在其他条件相同的情况下，油气层的渗透率越低，敏感性矿物对油气层造成损害的可能性和程度越大。

1.1.3 油气层岩石的润湿性

根据岩石表面被液体润湿（铺展）的情况将其分为亲水性、亲油性、两性润湿三大类。油气层的润湿性能够控制孔隙中油气水分布，决定着岩石孔道中毛管力的大小和方向，毛管力的方向总是指向非润湿相一方，并影响油气层微粒的运移方向。

钻井液滤液由于岩石表面的亲水性，毛管力变为动力，使其更容易侵入深部地层，由于毛管力成为滤液返排的阻力，阻止滤液返出，造成钻井液滤液损害油气层。

1.1.4 油气层流体性质

油气层压力和温度降低或外来流体与地层水不配伍时，会生成 CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2等沉淀，钻井液滤液中的不抗盐高分子处理剂遇到高矿化度的盐水会发生盐析；石蜡、胶质和沥青质可能形成有机沉淀，堵塞孔喉，原油被钻井液中的高分子处理剂乳化，形成高黏乳状液，增加流动阻力；天然气中的硫化氢与二氧化碳，腐蚀钻井设备，腐蚀产物如FeS、FeCO3等沉淀堵塞孔喉，造成油气产损害[3]。

1.2 钻井液造成油气层损害原因分析

钻开油气层时，钻井液在正压差作用下，固相侵入油气层堵塞孔喉，滤液组分有可能与油气层岩石和流体不配伍，诱发油气层潜在损害因素，引起油气层敏感矿物发生水敏、盐敏、碱敏损害，与流体生成有机和无机沉淀堵塞孔喉，造成油气层损害。

1.2.1 固相颗粒堵塞油气层

钻井液中膨润土、加重剂、堵漏剂、暂堵剂等有用固相以及钻屑、杂质等污染物在钻井液液柱压力与地层孔隙压力之间的压差作用下，随滤液进入油气层孔喉和裂缝中形成堵塞，造成油气层损害。加强固控设备，清除钻屑，可以有效地减少固相颗粒堵塞孔喉。

1.2.2 滤液损害油气层

钻井液抑制性较差，滤液进入水敏油气层，引起粘土矿物水化、膨胀、分散、运移，堵塞孔喉；滤液与地层水不配伍，形成无机盐沉淀，滤液中的高分子聚合物抗盐污染能力弱，会发生盐析而产生沉淀，堵塞孔喉。加入无机盐或有机高分子抑制剂，提高钻井液滤液的抑制性，防止井壁坍塌及滤液引起的油气层损害。

1.2.3 钻井液性能

钻井液性能直接影响井壁安全及油气层损害程度，滤失量大，易形成较厚滤饼，容易发生卡钻，钻屑等无用固相和滤液侵入地层深部，造成油气层损害。钻井液黏度、切力过高，起下钻、开泵所产生的激动压力增大，也会造成油气层损害。钻井液抑制性不强，引起地层岩石坍塌，这些因素会导致油气层损害。应根据现场实际情况，优选处理剂及钻井液配方，采用与油气层匹配的钻井液是保证钻井顺利，降低钻井液对油气层损害的首要条件。

1.3 钻进中影响油气层损害的工程因素

影响油气层损害的工程因素包括：压差、浸泡时间及环空返速。

1.3.1 压差

钻井液滤失量通常随压差的增大而增加，因而钻井液滤液与固相进入油气层的深度和损害油气层的程度随正压差的增加而增大。当钻井液液柱压力超过地层破裂压力或钻井液在油气层裂缝中的流动阻力时，钻井液会发生漏失，从而加剧对油气层的损害。负压差可以有效阻止钻井液进入油气层，减少对油气层的损害，但过高的负压差会引起溢流甚至井喷和油气层出砂，裂缝性地层的应力敏感，也会造成油气层损害。

1.3.2 浸泡时间

钻井液滤液浸泡油气层时间越长，越增加滤液和固相颗粒进入油气层的深度和数量，损害油气层越严重。提高机械钻速、采用与地层相匹配的钻井液，加强钻井工艺技术措施及井控工作，防止井喷、井漏、卡钻、坍塌等井下复杂情况或事故的发生。控制工程事故并及时调整钻井液是保证钻井顺利，减少滤液浸泡油气层最有效措施。

1.3.3 环空返速

环空返速越大，钻井液对井壁滤饼的冲蚀越严重，钻井液固相和滤液不断进入地层，对油气层的损害程度增加。钻井液当量密度随环空返速提高而增大，对油气层的压差增大，造成油气层损害。环空返速小，钻屑不能够从井底尽快返排出井口，在井底堆积，钻头重新研磨，影响机械钻速，钻井周期延长，钻屑侵入油气层的机会增加，对油气层损害程度增大。因此，环空返速应控制在合理的范围内，既能保证井壁质量，又不影响钻屑从井底返出，保证机械钻速。

2 钻进中保护油气层措施

监督人员熟悉油气层损害发生的原因，可以根据现场实际情况，采取相应的保护油气层措施。首先要熟悉地质设计和钻井工程资料，油气层井段对钻井液处理剂及性能要求，提前做好保护油气层的各项准备工作。

（1）严格检查处理剂的质量，杜绝不合格产品。

（2）为降低成本，钻开油气层井段前，可以通过钻井液的改造成为保护油气层的钻井完井液。要充分发挥固控设备的工作效率，清除钻屑，降低固相含量。按照设计要求，加入处理剂，按设计要求控制钻井液滤失量及流变性能，继续钻开油气层。

（3）膨润土胶体颗粒对油气层有一定损害，因此，在保证滤饼质量的前提下，可适当降低膨润土的含量。

（4）保证井眼稳定前提下，尽量降低钻井液密度，实现近平衡或欠平衡钻井。

（5）根据屏蔽暂堵技术和隔离膜技术保护油气层，针对油气层孔喉尺寸，加入不同粒径的碳酸钙作为架桥粒子和填充粒子，在油气层井壁上快速形成致密的滤饼。加入超低渗透膜聚合物处理剂，聚合物吸附在泥页岩井壁表面，通过浓集、覆盖形成致密有孔膜或无孔膜，形成的膜是无孔膜时，泥页岩表面就形成隔离膜。加入磺化沥青、氧化沥青等可变形粒子，通过变形部分嵌入不规则的微间隙，在井壁表面形成保护膜，能阻止滤液和固相颗粒进入油气层。

（6）混油或加入润滑剂，能降低摩阻，提高机械钻速。

（7）根据钻速等实际情况及钻井液性能，慢慢补充聚合物处理剂胶液，调整钻井液性能，不要加入固体高聚物，以防聚合物不能有效发挥作用。

（8）加入 KCl、CaCl2等无机盐、甲酸盐等有机盐、聚合醇、聚合物KPAM、FA367等抑制剂，提高滤液的抑制性，保证井壁稳定，防止粘土颗粒水化膨胀，损害油气层。

3 保护油气层效果

大港油田长芦地区板深51断块采用成膜封堵保护油气层技术，在井壁上迅速形成一层隔绝物质通过的分子膜，在井壁外围形成保护层，阻止钻井液固相、钻屑堵塞孔喉，阻止滤液进入油气层，从而有效防止油气层水化膨胀，有效封堵地层微裂隙，防止井壁坍塌，保护油气层。

6口试验井试油（表1），其中5口井射孔后未经过压裂、酸化、排液处理，获自喷高产。尤其是长22-15井射孔后，井筒压力迅速恢复，形成自喷油流，日产油96t、产气3 600m3；长23-17K井试油自喷日产92t；长22-13井自喷最高达日产109t，创该区块单井试采产量最高记录。成膜封堵保护油气层技术效果明显。