油气层保护前沿技术简述及效果分析(3)

硅酸盐钻井完井液体系保护油气层的作用机理主要有四个方面:①快速在近井壁堵塞孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，减少压力穿透；②抑制页岩中粘土矿物水化；③硅酸盐和粘土矿物发生反应；④其它无机盐的协同稳定作用。

1.3.2硅酸盐钻井完井液的应用

硅酸盐钻井完井液在进行了三口井的现场试验，测井一次成功率100%，事故损失率0，复杂损失率和平均井径扩大率比邻井均有了大幅度降低。

硅酸盐钻井完井液能够稳定各种复杂地层，具有类似于油基钻井液的优良抑制稳定性能，但也必须通过与聚合醇和低价无机盐的复配等来强化其整体性能。普遍使用的硅酸钠产品溶液模数为2.1，固相质量分数为42%，密度为1.5g/cm3。典型的硅酸盐钻井完井液的pH值控制在11.8～12.3之间。硅酸盐钻井完井液替代了油包水钻井完井液和硫酸钾钻井完井液。

该体系虽然存在流变性较难调整，摩阻力较大，处理剂配伍差等缺陷，但是可以从改善与调整配方、研制开放复合硅酸盐和硅磺聚合物等方面进行试验研究，进一步优化该体系的整体性能。该体系整体成本不高，而且具有保护油气层和环境保护的优点，应大力推广应用。

在加拿大西部、英国、哥伦比亚大位移定向井和水平井、高温高压复杂深井中应用了强抑制性硅酸钠/钾环保钻井液体系，效果良好。

1.4甲酸盐钻井完井液体系

甲酸盐钻井液密度可调范围宽、固相含量低、流变性能优良。钻井液密度控制在1.0～2.3g/cm3范围内，实现了高密度下钻井液的低固相，减少了固相对储层的污染；不需使用普通加重材料和膨润土，可使用生物聚合物调整流变性，生物聚合物的高剪切稀释和高固相悬浮特性，使钻井液的环空压耗很低，相同条件下循环当量密度低于其它钻井液。

甲酸盐包括甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯。其优点为：甲酸钠、甲酸钾密度可以达到1.34g/cm3和1.60g/cm3，甲酸铯可以达到2.30g/cm3，可根据实际需要调节钻井完井液密度；可以配制无固相钻井完井液，以降低摩阻、提高钻速、节约钻探成本；保护油气层，提高采收率，延长生产期；可抗高温，性能稳定，有极强的抑制性；与处理剂的配伍性好，抗盐、抗钙和抗污染。

1.4.1甲酸盐钻井完井液的作用机理

甲酸盐钻井液对页岩的抑制性强。泥、页岩表面相当于选择性半渗透膜，甲酸盐钻井液中水的活度远比岩石中水的活度小，这将产生一个渗透压力使岩石中

的水保持渗入钻井液的趋势；而且甲酸盐的HCOO-离子能和水分子形成氢键，对自由水具有很强的束缚能力；这都有利于减少泥页岩的水化膨胀，降低储层中水敏性矿物水化膨胀引起的地层损害，从而起到稳定井壁和保护储层的作用。

1.4.2甲酸盐钻井完井液应用

甲酸盐钻井液，现场应用效果明显，能很好地满足安全定向钻井的需要。甲酸盐钻井液对储层污染程度低，所形成滤饼容易被清除；钻井液中的甲酸盐可进行回收和再利用，应用前景广阔。

在江苏洪泽地区选用甲酸盐聚合物不分散钻井液进行施工，现场应用表明该体系在化学护壁、保持井壁稳定的前提下，降低钻井液密度至1.08g/cm3，增强了钻井液的抑制性，提高了滤液矿化度，并结合屏蔽暂堵保护油层技术，使油层渗透率恢复值达90%以上，且井眼规则，提高了电测、固井的一次成功率。

甲酸盐钻井完井液在世界各个地区用于小井眼和连续管钻井，取得了良好的效果，我国大港、大庆、青海等试验应用甲酸盐钻井完井液，井深为1900～3200m，提高了机械钻速，缩短了钻井周期，井径规则，起下钻无阻卡，但是成本较高。

1.5欠平衡钻井完井液体系

欠平衡钻井是国际上20世纪90年代初兴起的提高勘探开发效益的钻井新技术。在打开油气层后，如果钻井参数、钻井方式、钻井液性能等选择不当，会对生产层造成不必要的损害。通过研究欠平衡钻井的技术的优势，指出欠平衡钻井比常规钻井具有更显著的技术优势，表明欠平衡钻井对保护油气层是一种理想的钻井技术，对生产层的保护和开发具有重要现实意义。

1.5.1欠平衡钻井完井液的作用机理

欠平衡钻井指在钻井过程中钻井液柱压力低于地层压力、允许地层流体进入井筒，并可将其循环到地面的可控制的钻井技术。即：

PMe<Pp （1-1）

一般要求：Pp-PMe=0.7—7MPa

式中， Pp—地层压力；

PMe—液柱压力。

欠平衡钻井的主要作用及意义在于:①欠平衡钻井中，地层流体进人井筒，可为及时发现和准确评价油气层提供最直接的地质信息；②显著降低因钻井液固

相与液相侵人对储层造成的伤害，有效地保护油气层；③钻井过程中负压差的存在,可消除在常规钻井过程中正压差的存在对井底岩屑造成的压持作用，从而大大提高机械钻速和钻头进尺，缩短钻井周期，并减少储层的浸泡时间，也有利于保护油气层；④减少井漏、压差卡钻等复杂情况的发生。

欠平衡钻井技术是20世纪90年代在国际上成熟并迅速发展的一项钻井新技术。欠平衡钻井分为:气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井、充气钻井、淡水或卤水钻井液钻井、常规钻井液钻井和泥浆帽钻井。在美国，欠平衡钻井技术被称为上游石油工业新技术，已经成为钻井技术发展热点，并越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术相结合。国外欠平衡钻井技术主要集中在井控、钻井液、程序设计、特殊工具等方面。

1.5.2欠平衡钻井完井液的应用效果分析

塔里木轮南地区碳酸盐岩裂缝性油气藏地层压力系数与地层破裂压力系数相近，钻井液安全密度窗口小于循环压耗，钻井过程中井漏和溢流经常同时发生，无法进行正常钻进和起下钻作业。针对喷漏共存以及碳酸盐岩不能实现稳产等难题，通过对解放128水平井和轮古2大斜度井的欠平衡钻井实践，总结分析了水平井、大斜度井欠平衡钻井的准备及相关钻井技术。采用了环空打“泥浆冒”，钻具内用清水作为冷却液边漏边钻，顺利完成了一口造斜点5060m，斜深5750.30m(垂深5641.73m)，水平段长259.47m的水平井；使用边喷边钻钻井工艺，成功地钻成了一口造斜点5102m，斜深5500m(垂深5368.13m)，水平位移277.2m的大斜度井(井斜66°)。

欠平衡钻井完井液技术在塔北地区有很广泛的应用，是塔北地区欠平衡钻井现场实施情况的统计表。塔河油田奥陶系钻井多口井出现漏失，甚至是严重漏失。而已施工的欠平衡井钻井漏失现象大量减少，实现了边喷边钻。S48井和TK412井位于塔河油田沙雅隆起阿克库勒凸起的艾协克2号构造。S48井的四开井段采用常规钻井技术施工，揭穿奥陶系风化壳后发生漏失，漏速48m3/h，四开共损耗(漏失)钻井液1478.8m3，钻井液密度大于1.09g/cm3就漏，小于1.06g/cm3就涌，对于钻井液密度变化很敏感，无法建立平衡，钻进奥陶系地层7m(5363～5370m)完钻，当时产量保持在350～500m3/d(油嘴大小不同)。TK412井的四开井段采用欠平衡钻井工艺，揭穿奥陶系风化壳后发生漏失但得到很好控制，边钻进边出油，

出油量39m3/h,没有发生漏失，采用密度1.04g/cm3的无固相钻井液钻进79.47m完钻，基本取全地质资料。当时产量保持在350～500m3/d(油嘴大小不同)。

现在已有20多个国家应用欠平衡技术钻井，技术先进的国家包括美国、加拿大、英国、阿根廷、墨西哥等国。这些欠平衡技术先进的国家，创造欠平衡条件采用的常用技术有:边喷边钻、泥浆帽钻井、立管气体注入、环空气体注人、连续油管钻井。水、地层水、海水、淀粉水、柴油、原油都曾用做欠平衡钻井的循环工作介质。散装或膜滤氮气、工业废气、空气、氮气和空气的混合气、天然气和空心玻璃球都作为减轻剂或发泡剂。

有上面的使用情况和技术发展可以看出，欠平衡钻井有以下的优点：

(1)欠平衡钻井大幅度提高了钻速

塔河地区欠平衡钻井与常规钻井相比可提高钻速50%以上，其原因为减少了岩屑在井底的压持效应；减少了岩石的强度。

(2)防止了地层损害、提高了产量

测试结果表明，多口欠平衡钻井的井，其地层表皮系数为0，属于完善完井，美国学者经过大量的室内研究和现场实验得出了表皮系数对产量的影响图。通过塔河油田10口奥陶系近欠平衡钻井后的表皮系数统计知，平均表皮系数为3.10左右。可知，塔河油田欠平衡钻井可提高油产量25%以上。

(3)减少地层漏失,为钻达地质目的提供了保证

1.6正电胶钻井液完井液(MMH)体系

正电胶钻井液体系即混合金属层状氢氧化物(Mixed Metal Layered Hydroxide Compounds，简称MMH)钻井液。

1.6.1正电胶钻井完井液体系的作用机理

MMH同时具有铝二八面体和铝三八面体，其正电荷主要来源于氢氧三八面体中未平衡的正电荷。该体系的主要优点有：具有很强的携岩能力和抑制性(是KCl的10倍)，具有独特的流变性，有利于井壁稳定；“中和”粘土表面负电荷，抑制粘土水化膨胀，防止储层微粒运移，减少亚微米级颗粒进入储层，从而实现了保护油气层的目的。

1.6.1.1正电胶钻井完井液的稳定性

在通常的含有蒙脱土的钻井液体系中，MMH正电胶不仅不会破坏体系的稳

定性，而且还能提高体系的机构强度。MMH正电胶带有高密度的正电荷，对极性水分子产生极性作用，使其在胶粒周围形成一个稳固的水化膜，这个水化膜的外沿显正电性，而粘土胶粒带负电荷，也会对水分子产生类似的作用，只是水化膜外沿显负电性，当两个带有强水化膜的粒子靠近时，首先接触的是水化膜外沿，由于电性相反而形成贯通的极化水链，这样在整个空间就会形成由极化水链连接的网络结构，这种由带正、负电荷的颗粒和极化水分子就形成了一个稳定的体系，成为“MMH-水-粘土复合体”。

1.6.1.2正电胶钻井完井液的抑制性

MMH正电胶具有很强的抑制粘土或岩屑分散的能力，如图2-1。MMH正电胶浓度越高，相对膨胀度越低，表明抑制粘土分散的能力越强。相同条件下KCl水溶液的抑制性随其浓度的增大而增强，但其浓度高于7%后抑制能力不再增大，基本达到最高限。

图2-1钙蒙托土在MMH正电胶和KCl溶液中的膨胀曲线

抑制钻屑分散和稳定井壁的机理包括:

(1)“滞流层”机理：由于正电胶钻井完井液具有“固-液”双重性，近井壁处于相对静止状态，因此容易形成保护井壁的“滞流层”，以减轻钻井液对井壁的冲蚀，“滞流层”对解决胶结性差的地层的防塌问题很重要；