深水高孔高滲儲(chǔ)層免破膠鉆井完井液技術(shù)

趙 欣 耿 麒 邱正松 耿 鐵 周國偉 邢希金

1. 山東省油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國石油大學(xué)（華東） 2. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

3. 中海油田服務(wù)股份有限公司 4. 中海油研究總院有限責(zé)任公司

0 引言

中國南海深水油氣資源極為豐富[1]。近年來，在上述區(qū)域相繼發(fā)現(xiàn)了多個(gè)高產(chǎn)砂巖氣田[2-3]，儲(chǔ)層整體孔滲特征好。儲(chǔ)層保護(hù)是油氣勘探開發(fā)重要的技術(shù)措施之一[4]，其效果直接影響到油氣藏的勘探及后期的生產(chǎn)效益。深水鉆完井作業(yè)成本高、作業(yè)條件苛刻、安全風(fēng)險(xiǎn)大[5-8]，一旦發(fā)生嚴(yán)重的儲(chǔ)層損害就有可能導(dǎo)致油氣產(chǎn)能大幅度降低，無法獲得預(yù)期的回報(bào)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，隨著南海深水油氣田的不斷發(fā)現(xiàn)并逐步進(jìn)入開發(fā)階段，需要系統(tǒng)研究儲(chǔ)層損害機(jī)理與保護(hù)方法，為鉆完井工程中有效保護(hù)儲(chǔ)層提供理論依據(jù)。為此，筆者利用南海某深水氣田儲(chǔ)層的巖樣，系統(tǒng)開展了深水儲(chǔ)層損害機(jī)理研究，提出了儲(chǔ)層保護(hù)對策，構(gòu)建了適合目標(biāo)深水氣田的鉆井完井液，以期為深水油氣鉆探開發(fā)中制定和實(shí)施儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)措施提供支撐。

1 儲(chǔ)層損害機(jī)理

1.1 巖石礦物組成

利用D/max-IIIA X-射線衍射儀對儲(chǔ)層巖石進(jìn)行礦物組成分析。全巖礦物分析（表1）表明，儲(chǔ)層礦物以石英為主，平均含量為51.25%；其次是方解石，平均含量為21.88%；黏土礦物含量平均為12.38%。黏土礦物組成分析（表2）表明，黏土礦物主要為高嶺石、伊利石和伊蒙混層，伊蒙混層含量介于10%～47%，平均30.5%；伊利石含量介于21%～45%，平均32%。伊蒙混層為水敏感性礦物，因此，地層黏土礦物可能具有較強(qiáng)的水化能力，容易發(fā)生水化膨脹、分散，引起起下鉆遇阻卡、井壁失穩(wěn)以及儲(chǔ)層水敏損害等問題。高嶺石、伊蒙混層以及微晶石英顆粒等為速度敏感性礦物，因此，儲(chǔ)層可能發(fā)生速敏損害。

表1 儲(chǔ)層巖心全巖礦物分析結(jié)果表

表2 儲(chǔ)層巖心黏土礦物分析結(jié)果表

1.2 巖石微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察儲(chǔ)層巖樣的微觀結(jié)構(gòu)。圖1為代表性巖樣SEM照片。由圖1-a可以看出，儲(chǔ)層巖樣粒間孔隙發(fā)育，直徑主要介于8～67 μm，其中5～10 μm喉道分布較為均勻；由圖1-b、c可以看出，粒間孔隙充填石英（Q）、速敏性礦物片狀高嶺石（K）、水敏性礦物片狀伊蒙混層（I/S）、酸敏性礦物方解石（Cc）[9]，可能發(fā)生速敏、水敏、酸敏性損害。

圖1 儲(chǔ)層巖樣SEM照片

1.3 巖石孔喉特征分析

利用壓汞儀測定巖石毛細(xì)管壓力曲線，分析儲(chǔ)層孔喉分布特征。圖2為井深2 398 m巖心壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，巖心孔隙度為26.4%，滲透率為182 mD；對滲透率有貢獻(xiàn)的孔喉直徑主要介于4～16 μm。綜合6塊巖心壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該儲(chǔ)層巖心滲透率介于57.2～1 376 mD，平均為535 mD；孔隙度介于26.3%～34.4%，平均為29.6%。因此，該儲(chǔ)層為典型的高孔高滲儲(chǔ)層。平均孔喉半徑為6.68 μm，孔喉半徑中值介于1.879～9.393 μm。

圖2 儲(chǔ)層巖心孔喉半徑分布圖

1.4 理化性質(zhì)分析

選用兩口井的儲(chǔ)層巖樣，采用巖樣水化膨脹實(shí)驗(yàn)和滾動(dòng)分散實(shí)驗(yàn)，分析儲(chǔ)層巖石理化性質(zhì)。結(jié)果表明，采用儲(chǔ)層巖粉壓制的巖心在清水中浸泡8 h的線性膨脹率介于9.87%～13.55%，表明其具有一定的水化膨脹能力；巖樣在清水中的滾動(dòng)回收率介于11.11%～15.08%，表明其具有較強(qiáng)的水化分散性能，鉆完井過程中可能引起儲(chǔ)層損害及井壁失穩(wěn)。

1.5 儲(chǔ)層敏感性損害分析

根據(jù)SY/T 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法》，對儲(chǔ)層巖心的速敏、水敏、鹽敏、堿敏、酸敏和應(yīng)力敏感性進(jìn)行評價(jià)，每項(xiàng)敏感性實(shí)驗(yàn)使用2顆巖心。結(jié)果表明，該儲(chǔ)層具有強(qiáng)速敏性（圖3），速敏損害率達(dá)到528%和709%，臨界流速為1.179 m/d。速敏損害后巖心滲透率變大的原因是巖心中的黏土及石英等微粒隨著流體運(yùn)移并最終從巖心另一端流出。儲(chǔ)層具有中等程度水敏性（圖4），水敏損害率分別為35.7%（中等偏弱）和62.3%（中等偏強(qiáng)）。

圖3 流速敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖4 水敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

鹽敏實(shí)驗(yàn)中，隨著礦化度升高，滲透率有所降低，臨界礦化度為55 000 mg/L；堿敏損害程度為中等偏弱，臨界pH值為10；應(yīng)力敏感性為中等偏弱。酸敏感性評價(jià)實(shí)驗(yàn)中，由于儲(chǔ)層巖石中含有方解石，可溶于酸。因此巖心滲透率增加。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析該深水氣田鉆完井工程中儲(chǔ)層損害機(jī)理。

1）固相侵入堵塞孔喉，由SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該高孔高滲儲(chǔ)層孔喉直徑主要介于6～70 μm，而根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對滲透率有貢獻(xiàn)的喉道半徑主要介于4～16 μm，表明盡管孔隙尺寸大，分布廣，但大孔隙連通性較差。利用Bettersize 2000激光粒度分布儀對膨潤土和重晶石這兩種鉆井液常用的固相材料的粒徑分布進(jìn)行測試。結(jié)果表明，鈉基膨潤土和API重晶石的粒徑中值（d50）分別為7.719 μm和16.61 μm，即鉆井液中的主要固相尺寸均在儲(chǔ)層主流喉道直徑的1/3～1/2范圍，容易發(fā)生固相侵入堵塞孔喉。

2）工作液與儲(chǔ)層巖石不配伍，儲(chǔ)層巖石中黏土礦物含量介于3%～38%，其中水敏性礦物伊蒙混層含量最高可達(dá)47%，導(dǎo)致儲(chǔ)層容易發(fā)生水敏性損害；鹽敏損害的原因是高礦化度的工作液會(huì)壓縮伊蒙混層及高嶺石等黏土礦物的擴(kuò)散雙電層，造成顆粒失穩(wěn)、脫落、運(yùn)移，堵塞孔喉；或者黏土礦物作為膠結(jié)物時(shí)，其去水化脫落導(dǎo)致周圍砂粒脫落、運(yùn)移，堵塞儲(chǔ)層孔喉。儲(chǔ)層黏土礦物中，高嶺石含量最高可達(dá)52%，存在中等偏弱的堿敏性損害；而儲(chǔ)層SEM照片（圖1）中可以看出，巖石孔喉普遍充填有高嶺石、伊蒙混層以及微晶石英等速敏性礦物，在流體擾動(dòng)下容易發(fā)生運(yùn)移，堵塞孔喉，導(dǎo)致儲(chǔ)層具有強(qiáng)速敏性。

2 深水氣田儲(chǔ)層保護(hù)鉆井完井液研究

基于目標(biāo)深水氣田高孔高滲儲(chǔ)層損害機(jī)理分析，提出了鉆井完井液儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)對策。

1）實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層孔喉的高效暫堵，減少固相和濾液侵入是保護(hù)目標(biāo)儲(chǔ)層的關(guān)鍵。針對高孔高滲儲(chǔ)層孔喉尺寸較大、分布較廣的特點(diǎn)，需要在準(zhǔn)確分析孔喉尺寸和分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，優(yōu)化暫堵劑種類和粒度級配，實(shí)現(xiàn)高效暫堵孔喉，配合使用優(yōu)良的降濾失劑形成優(yōu)質(zhì)泥餅，降低濾失量，減少固相和濾液侵入。

2）需保證鉆井完井液具有優(yōu)良的黏土水化抑制性，根據(jù)水敏性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，入井流體礦化度應(yīng)高于17 819 mg/L（地層水礦化度的1/2），并加入高效黏土水化抑制劑，避免水敏性黏土礦物發(fā)生大面積水化造成儲(chǔ)層損害。由于該儲(chǔ)層存在一定程度的鹽敏性損害，要求鉆井完井液礦化度低于55 000 mg/L。但是由于鉆井完井液密度調(diào)節(jié)以及水合物防治要求，通常需要加入高濃度的無機(jī)/有機(jī)鹽，導(dǎo)致鉆井完井液礦化度超過臨界礦化度，可能造成鹽敏損害。因此，更需要實(shí)現(xiàn)高效暫堵儲(chǔ)層孔喉，減少鉆井完井液濾液侵入儲(chǔ)層引起的敏感性損害。入井流體pH值應(yīng)控制在10以內(nèi)，避免堿敏損害。此外，還需探索控制儲(chǔ)層微粒運(yùn)移損害的方法。

3）在鉆井完井液處理劑優(yōu)選中，需要考慮后期有效解堵，選用易返排解堵甚至自降解解堵的聚合物處理劑及酸溶性暫堵劑。

4）合理控制鉆井完井液密度和流變性，控制鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度（ECD），盡可能降低鉆井液侵入儲(chǔ)層的驅(qū)動(dòng)壓差?？紤]到深水鉆完井作業(yè)工況，鉆井完井液需具有良好的低溫流變性等性能。

2.1 基于理想充填理論的暫堵劑設(shè)計(jì)

由于目標(biāo)儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，孔喉尺寸分布不集中，傳統(tǒng)的1/2～1/3架橋顆粒選擇方法難以有效暫堵寬尺度分布的孔喉[10-13]?；诶硐氤涮罾碚摵蚫90規(guī)則建立的理想充填暫堵方法可設(shè)計(jì)與儲(chǔ)層孔喉分布相匹配的理想充填暫堵顆粒組合[14-16]。利用理想充填暫堵設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)儲(chǔ)層巖心壓汞實(shí)驗(yàn)得到的最大孔喉直徑d90等參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)不同粒徑高純碳酸鈣（酸溶率＞90%）的配比。結(jié)果表明，1 000目碳酸鈣、800目碳酸鈣和600目碳酸鈣的最優(yōu)質(zhì)量比為8∶24∶68。同時(shí)碳酸鈣還可以起到鉆井完井液加重劑的作用，減少無機(jī)/有機(jī)鹽加重劑用量，降低鹽敏性損害。

2.2 鉆開儲(chǔ)層的鉆井完井液體系優(yōu)化與性能評價(jià)

綜合考慮鉆井完井液儲(chǔ)層保護(hù)性能、流變性、黏土水化抑制性以及水合物抑制性等[17-20]，優(yōu)化出目標(biāo)深水氣田高孔高滲儲(chǔ)層鉆井完井液體系配方：除鈣鎂海水＋0.8%改性黃原膠MOVIS＋2%淀粉降濾失劑STA＋2%聚胺抑制劑SDJA＋8%NaCl＋1.5%聚合醇GLX（使用碳酸鈣加重至1.12 g/cm3）。

2.2.1 基本性能評價(jià)

由表3可知，密度為1.12 g/cm3的鉆井完井液熱滾前后流變性變化較小。在深水海底2 ℃低溫下，鉆井液的黏度和切力等流變參數(shù)有所增加，隨著溫度升高逐漸降低。以2 ℃和25 ℃下流變參數(shù)的比值來表征鉆井液流變性受低溫的影響[17]，塑性黏度PV（2℃）∶PV（25 ℃）=1.14，動(dòng)切力YP（2 ℃）∶YP（25℃）=1.28，表明該鉆井完井液具有良好的低溫流變性。在模擬平臺（25 ℃）—海底（2 ℃）—下部井筒（75℃）鉆井完井液往復(fù)循環(huán)條件下，PVmax∶PVmin=1.64，YPmax∶YPmin=1.37，未發(fā)生嚴(yán)重增稠甚至膠凝；動(dòng)塑比介于1.07～1.41，φ6值介于14～20，具有良好的井眼清洗效果。鉆井完井液API濾失量＜5 mL，高溫高壓濾失量為14.8 mL，降濾失效果優(yōu)良，可有效控制濾液侵入儲(chǔ)層。

表3 鉆井完井液基本性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.2.2 抑制黏土水化性能

利用儲(chǔ)層巖粉壓制的巖心在清水中浸泡8 h的線性膨脹率為13.63%，在鉆井完井液中的膨脹率為2.68%；儲(chǔ)層巖樣在清水中的滾動(dòng)回收率分別為10.12%和15.08%，在鉆井完井液中的回收率分別達(dá)到87.33%和92.02%。因此，該鉆井完井液具有優(yōu)良的抑制黏土水化膨脹、分散能力，可以避免鉆完井過程中黏土水化引起的儲(chǔ)層損害及井壁失穩(wěn)。

2.2.3 鉆井完井液儲(chǔ)層保護(hù)效果評價(jià)

2.2.3.1 高孔高滲儲(chǔ)層暫堵效果評價(jià)

利用滲透性封堵實(shí)驗(yàn)裝置[21]，選用滲透率為5 000 mD的砂盤（孔隙直徑介于15～20 μm）模擬深水高孔高滲儲(chǔ)層較大尺寸孔喉，在90 ℃、7 MPa下評價(jià)鉆井完井液對砂盤的暫堵效果。結(jié)果表明，基于理想充填暫堵方法設(shè)計(jì)的鉆井完井液對高孔高滲儲(chǔ)層具有優(yōu)良的暫堵效果，濾失量僅為1.8 mL，而海上油氣田常用的PRD鉆井完井液濾失量為22.1 mL。圖5為污染前后砂盤表面的SEM照片?？梢钥闯觯次廴镜纳氨P存在大量孔隙，鉆井完井液污染的砂盤表面的孔隙被暫堵劑配合降濾失劑有效封堵，顯著減少濾液侵入儲(chǔ)層。

圖5 鉆井完井液對砂盤表面暫堵效果的SEM照片

2.2.3.2 泥餅清除效果測試

儲(chǔ)層段鉆井完井液中的高分子聚合物增黏劑、降濾失劑及固相顆粒會(huì)在儲(chǔ)層井壁表面形成泥餅，在鉆井過程中有效控制濾液侵入，但通常完鉆后需要進(jìn)行破膠解堵[22-24]。因此，選用分子量適中，在酸性條件下易降解的高分子聚合物以及酸溶性固相材料，有望實(shí)現(xiàn)在酸性完井液中自動(dòng)清除泥餅，解除堵塞。使用鉆井完井液進(jìn)行API濾失實(shí)驗(yàn)，將烘干稱重的泥餅置于海上油氣田裸眼完井使用的隱形酸完井液中，在90 ℃下靜置不同時(shí)間后，烘干并稱量剩余泥餅質(zhì)量，完井液浸泡前后泥餅質(zhì)量差與浸泡前泥餅的質(zhì)量之比即為泥餅清除率。圖6表明，該鉆井完井液形成的泥餅在隱形酸完井液浸泡后逐漸溶解，清除率隨浸泡時(shí)間的增加逐漸提高，8 h后泥餅清除率可達(dá)88%以上，說明隱形酸完井液可有效清除該鉆井完井液形成的泥餅，解除堵塞。

圖6 鉆井完井液泥餅清除率隨時(shí)間的變化圖

2.2.3.3 鉆井完井液巖心返排解堵效果評價(jià)

利用多功能儲(chǔ)層保護(hù)儀[25]，實(shí)驗(yàn)研究鉆井完井液污染巖心后直接返排解堵的效果。實(shí)驗(yàn)過程中，首先測定巖心的初始滲透率，然后使用鉆井完井液動(dòng)態(tài)污染巖心125 min；分別測試不同流量返排后巖心的滲透率，計(jì)算巖心返排后的滲透率恢復(fù)值[26-27]。為了保證實(shí)驗(yàn)平行性，采用目標(biāo)深水儲(chǔ)層巖心和貝雷天然露頭砂巖巖心（氣測滲透率為300 mD和700 mD兩種規(guī)格）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表4結(jié)果表明，儲(chǔ)層巖心經(jīng)該鉆井完井液污染后直接返排解堵的滲透率恢復(fù)值達(dá)到83%以上，突破壓力約0.018 MPa；天然巖心直接返排解堵的滲透率恢復(fù)值為74.5%～92.24%，突破壓力介于0.016 9～0.040 5 MPa，表明該鉆井完井液鉆開儲(chǔ)層后直接返排可解除大部分泥餅堵塞，無需再使用破膠液進(jìn)行破膠解堵作業(yè)。

表4 巖心返排解堵評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.2.3.4 系列流體污染巖心實(shí)驗(yàn)評價(jià)

參考《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評價(jià)方法：SY/T 6540—2002》，采用目標(biāo)深水儲(chǔ)層巖心和貝雷天然巖心，分別開展系列入井流體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)污染實(shí)驗(yàn)，分析鉆開儲(chǔ)層使用的鉆井完井液以及后續(xù)裸眼完井使用的隱形酸完井液順序污染后巖心滲透率的變化。表5結(jié)果表明，2顆深水儲(chǔ)層巖心的滲透率恢復(fù)值分別達(dá)到86.19%和97.17%，4顆天然砂巖巖心的滲透率恢復(fù)值均達(dá)到89%以上，表明使用該鉆井完井液與隱形酸完井液作業(yè)對儲(chǔ)層損害程度很小。隱形酸完井液可在一定程度上降解鉆井完井液中的部分聚合物處理劑并溶解碳酸鈣暫堵劑，在直接返排解堵后，可進(jìn)一步清除殘余泥餅，恢復(fù)儲(chǔ)層滲透率。

表5 系列入井流體污染損害評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用

該鉆井完井液在南海L深水氣田的4口井的儲(chǔ)層段作業(yè)中進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。4口井水深為1 259～1 528 m，井深介于3 250～3 846 m，井底溫度介于87～120 ℃，井口返出的鉆井完井液溫度約為16 ℃。作業(yè)過程中未發(fā)生井壁失穩(wěn)、井漏、鹽結(jié)晶或水合物堵塞等井下復(fù)雜情況。鉆井完井液動(dòng)塑比高，水平井段攜巖效果好，且未發(fā)生低溫嚴(yán)重增稠問題。儲(chǔ)層段鉆井作業(yè)結(jié)束后直接返排解堵，未進(jìn)行破膠作業(yè)，4口井產(chǎn)量均高于配產(chǎn)，表明該鉆井完井液儲(chǔ)層保護(hù)效果優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)了免破膠作業(yè)，簡化了完井工序，節(jié)約了完井作業(yè)時(shí)間。

3 結(jié)論

1）南海目標(biāo)深水氣田產(chǎn)層為高孔高滲砂巖儲(chǔ)層，礦物組成以石英為主，黏土含量平均為12.38%，主要為高嶺石、伊利石和伊蒙混層；存在著強(qiáng)速敏性、中等程度的水敏性、中等偏弱的堿敏和應(yīng)力敏感性等損害。

2）鉆完井工作液中的固相侵入以及工作液與儲(chǔ)層巖石不配伍是儲(chǔ)層損害的主要機(jī)理；要求鉆井完井液對儲(chǔ)層孔喉進(jìn)行高效暫堵，同時(shí)強(qiáng)化黏土水化抑制性，控制礦化度和pH值，選用易解堵的處理劑，并合理調(diào)控ECD。

3）通過理想充填暫堵方法，可以實(shí)現(xiàn)深水儲(chǔ)層較大尺寸范圍孔喉的有效暫堵。優(yōu)化出的深水鉆井完井液具有良好的流變性、濾失造壁性和抑制黏土水化性能，巖心直接返排解堵的滲透率恢復(fù)值介于74.5%～92.24%，與隱形酸完井液順序污染巖心后滲透率恢復(fù)值達(dá)到86%以上。4口井的現(xiàn)場應(yīng)用表明，該鉆井完井液可滿足深水氣田儲(chǔ)層鉆井技術(shù)要求，無需破膠解堵作業(yè)，儲(chǔ)層保護(hù)效果優(yōu)良。