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1、无固相完井液的性能评价完井液的性能直接影响完井效率，关系到完井工作的成败及其质量的好坏。 我国完井 液体系近些年有了较快的发展。本文介绍的主要是水基完井液。水基完 井液具有配制成本较 低，所需处理剂来源广，可供选择的类型多以及性能比较容 易控制等特点。本文研究了不同浓度、不同密度的氯化钠、氯化钙完井液体体系，并对其进 行了配方 及性能的研究。确定了不同密度完井液的经济配方；并且测试了温度对 完井液密度的影响； 评价了不同密度的完井液对粘土的膨胀性能；最后利用岩心 流动实验装置，评价完井液对不 同岩心渗透率的影响。寻求最佳的比例，确定了 氯化钠、氯化钙完井液体系的经济配方。密度；完井液；经济配方
2、；温度；膨胀性能1.1 本文研究的背景及目的意义钻井完井液密度问题是伴随石油钻井和完井过程中的世界性重大工程技术难 题 1，半 个多世纪以来， 钻井完井液密度问题是国内外学者和工程技术人员普遍关 注的热点问题， 通过不懈努力，虽然取得了长足进步，但目前仍没有彻底解决。 我国钻井技术人员对钻井完 井液调节密度技术进行了几十年的研究，也取得了较 大发展，但它仍然是当前钻井工程普遍 存在的井下复杂情况之一，离彻底研究透 还有相当大的距离。当前老油田尽管绝大部分井均 能钻达目的层，但井喷、井泳 时常存在，底层空隙被堵死，不能完成采油的要求，而新区钻 探时，由于对地层 组构特性和压力剖面认识不清，防喷措
3、施缺乏准确预测性和针对性，钻井 过程井 喷、井泳仍然有少数发生，尤其是在西部深井钻井、钻遇较复杂地层构造和大段 泥 页岩井段过程中井漏问题表现的尤为突出。此外，钻进多压力层系井段，强地 应力作用下山 前构造带，煤层、玄武岩、辉绿岩、凝灰岩、石灰岩、岩膏层、含 盐膏软泥页岩等非泥页岩 地层时，钻井完井液不配伍问题仍然相当严重。因而为 了攻克此难题，必须继续加强研究钻 井完井液密度技术。石油钻探的目的是为了发现油气层和正确评价油气藏，以及最大限度的开发 油气层。 然而从钻开油层到固井、射孔、试油、修井、取芯以及进行增产措施诸 如压裂、酸化、注水 过程中，由于外来液体和固体侵入油层，与油层中的粘土发
4、 生物理化学作用，使井眼周围油 层渗透率下降形成低渗透带，增加油流阻力，降 低原油产量导致油气层损害 2 ，由于油层 损害使原油产量降低，储采比减小，这一 问题对中、低渗透性的油层至关重要，对于高渗透 油层也不可忽视。所以任何阻 碍流体从井眼周围流入井低的现象均称之为对油气层的损害。 一方面，油气层损 害是不可避免的；另一方面，油气层损害又是可以控制的，通过实施保护 油气层、 防止污染的技术和措施，完全可能将油气层损害降至最低限度。研究钻井完井液技术就是从平衡地层压力和保护油气层出发 3 ，依据钻井完井 液与地 层压力系统的相互关系，运用常用的化学原料及相关的试剂配制出能平衡 地层压力并且使钻
5、 井液能在井壁上生成致密的泥饼，在井壁的外围形成保护层， 阻止滤液及钻井液进入地层， 有效的防止地层水化膨胀，封堵地层层理裂隙，防 止地层内粘土颗粒的运移，阻止井喷、井 漏，保护油气层。加入重晶石等加重材料是提高钻井完井液密度最常用的办法 4，在加重前，应 调整好 钻井完井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。一般情况下，所需要钻井完井液密度越高，则加重前钻井完井液的固相含量及粘度，切力应控 制得越低。 加入可溶可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层 的 清洁盐水钻井 完井 液中，通过加 入 NaCl ，可 将钻井完井液 密度提高至 1.20g/cm35。1.2 国内外钻
6、井液和完井液的情况及新进展1.2.1 国内钻井液和完井液技术的情况国内钻井完井液有三大类型：水基钻井完井液、油基钻井完井液和气基钻井完井液 6。水基钻井液是由膨润土、水、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的 多项分散 体系，其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6g/cm3,通常称它们为低密度固相；而加重材料 常被称为高密度固相。最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4.2g/cm3o由于在水基 钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起提粘切，降滤失和造壁等作用，因而 又将它和重晶石等加重材料叫做有用固相，而将钻屑称为无用固相。在钻井液中，应通过各 种固控措施尽量减少钻屑的含量， 膨润土的
7、用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻 井液粘切过高，还会严重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。1.2.1.1 水基钻井液的特点钻井实践表明，钻井液的性能对于确保深井和超深井的安全、快速钻进起着十分关键的作用8】。常用的深井钻井液有水基和油基钻井液两大类，目前国内主要使用水 基钻井液钻深井和超深井。油基钻井液虽然具有能抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润 滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点，但是，油基钻井 液的配制成本比水基钻井液高 得多，使用时往往会对井场附近的生态环境造成严 重影响。与油基钻井液相比，深井、超深 井水基钻井液具有以下优点：（1）成本低；（2）对环境无污染或者
8、污染很小，废弃钻井液的处理容易；（3）钻速快；（4）维护处理简单。 另外，由于水基钻井液的连续相水是压力不敏感物质，即在高压 下的体积变化很小，因此压力对水基钻井液体系各种性能的影响很小，几乎可以忽略，所以 如果使用水 基钻井液，则在实际工作中，就可以少考虑压力这一因素对钻井液性 能的影响。1.2.1.2 水基钻井液存在的问题 9虽然水基钻井液在国内外取得了很大的成功，但 从整个水基钻井液的应用来说水基钻井液存在着不足，还存在着几点突出问题：（1）抑制性差的问题；（2）井径扩大率大的问题；（3）井眼不规则的问题。上述问题的存在和解决，主要取决于乳化剂以及其它钻井液 处理剂品种、性能、加量和配伍
9、。1.2.1.3 表面活性剂及处理剂 10 表面活性剂是指在低浓度下吸附于体系的两相表 （界）面上，改变界面性质，显著降低表（界）面张力，并通过改变体系的界面状态，从而 产生润湿反润湿、乳化与破乳、起泡与消泡以及在较高浓度下产生增溶的物质，称之为表面 活性剂。表面活性剂之所以能在界面上吸附，改变界面性质，降低表（界）面张力，主要是因为 分子结构是由非极性的亲油基和极性的亲水基两部分组成。亲油基一 般是碳氢链、聚氧丙烯 链、碳氟链和硅烷链等；而亲水基一般则是羧酸基、磺酸基、聚氧乙烯链等。表面活性剂的分类，一般以亲水基团的结构为依据。根据表面活性剂在溶剂中的电离情 况，将表面活性剂分为阴离子型、阳
10、离子型、非离子型、两性表面活性剂等四类。（1）阴离子表面活性剂这类表面活性剂的特点是在水中可以电离，电离后起活性作用 的是阴离子部分。羧酸盐类、磺酸盐类、硫酸酯盐和磷酸酯盐都属于这类表面活性剂。（2）阳离子表面活性剂 这类表面活性剂在水中可以电离，电离后起活性作用的是阳离子部分11。阳离子表面活性剂的另一特点是容易吸附于一般固体的表面，主要原因是在水介质 中的固体表 面（即固液界面）一般都是负电性的，如粘土，离子表面活性剂吸附于固体表面又赋予固体表 面某些特性，如憎水性等。这类表面活性剂主要有：季铵盐类和烷基吡啶盐类。（3）非离子表面活性剂 非离子表面活性剂是钻井液中应用最多的一类表面活性剂，
11、非 离子表面活性 剂的特点是在水中不电离，其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团（一般 为醚基和羟基）构成。正是这一特点，决定了非离子表面活性剂在某些方面比离子型表面活 性剂更优越。因为在溶液中是非离子状态，所以稳定性好，不易受无机盐类、酸及碱等强电介 质的影响，与其它类型的表面活性剂的相容性好，能很好 地与其它表面活性剂混合使用，在 水及有机溶剂中皆有较好的溶解性能。目前在 钻井液中应用的非离子表面活性剂主要有平平 加型、 OP 型、司盘型和吐温型等。（4）两性表面活性剂此类表面活性剂分子结构与蛋白质中的氨基酸相似，在分子中同 时存在酸性基和碱性基，易形成“内盐” 。这类表面活性剂在钻井液中
12、不常用，而处 理剂常用 在钻井液中。1.2.1.4 处理剂的研制 12处理剂研制包括四方面的内容：（1）根据要求，明确处理剂在钻井液中的作用效能（是稀释剂、润滑剂、还是降失水 剂等）以及实现他的途径，必须知道此处理剂的作用机理和实现此途径的多少、类型；（2）具有上述要求的处理剂自身性质如：水溶性、抗盐性、水溶液粘度，水中的构象 以及粘土表面作用能力等；（3）进行分子结构设计，包括作用效能、途径、性质与处理剂分子结构的关 系；（4）如何实现这种分子结构？只有合成将以上四方面的内容归结为处理剂研 制及其作 用原理研究。1.2.1.5 处理剂的研究现状自然选用阶段为 20世纪 50年代前，当时采用无
13、机处理剂 13，后来加煤碱液， 选化 工产品国内主要用聚合物处理，国外主要是失水控制剂、防塌剂，专门为钻 井液使用的处理 剂。1.2.2 国外钻井液和完井液技术的新进展1.2.2.1 地层损害的新机理地层损害存在于许多油井生产的始终 14 。微粒运移，粘土矿物水化、膨胀分 散，无 机垢、沥青质和其它有机沉淀物等都对地层产生损害。为了消除各种作业 过程中对油气层的 损害，采用化学解堵，如吸附型垢的挤压处理（用膦酸类的除 垢剂）、在致密的碳酸盐地层 用互溶剂处理水锁、在砂岩地层用土酸（HCI与HF的质量比为12 : 3）清除滤饼等15 这些处理原本是用来解除地层损害的， 但若在 解堵过程中实施措施
14、不当，又会对地层造成 新的损害，导致许多井在生产中产量 下降。（1 ） 除垢时造成的地层损害 16用膦酸作除垢剂时，由于和地层离子作用造成了新的损害。在砂岩地层，离子 主要来 源于泥岩、赤铁矿、菱铁矿、铁白云石和硫化铁。新的地层损害发生后， 可用与盐酸互溶的 溶剂或是水润湿性表面活性剂处理。在现场应用前（尤其是在 砂岩地层应用时），测试除垢 剂与储层流体、岩石的配伍性是相当重要的。（2）砂岩地层中用土酸处理滤饼造成的地层损害 这类损害主要由含铝化合物沉淀造成17。使用土酸处理滤饼时，处理液中含 有较高浓 度的铝，此时pH值在34之间，残余酸就逐步与粘土矿物和长石（Al-Si）作用生成铝氟 化合
15、物垢AIFx （OH） 3-x。这类垢可用HCI除去。土酸中两种酸的比例要适宜，并保持低 的 pH 值，才可以减小铝氟化合物沉淀。（3）清除水锁时产生的地层损害 18在生产作业中向地层注入大量液相，会引发油气 井的诸多问题。液相在近井 地带聚集，由于相对渗透率的影响，会降低油井产率，在致密地 层，由于毛细管 力的作用，液相被封闭在孔喉处，导致水锁。处理水锁最常用的方法是用表 面活 性剂和互溶剂来减小表面张力（气井中）和界面张力（油井中） 。近几年，在北海 引 入了新型互溶剂来处理致密碳酸盐地层的水锁问题。在现场应用前必须进行大 量的室内研 究，从理论上讲，纯溶剂和水很相似，有利于降低近井地区水
16、的饱和 度。然而，配伍性试验 却表明，这种溶剂将引起水溶性的盐和CaSO4 的沉淀。因CaSO4 不溶于酸，所以就引起了新的储层损害， 要除去这类垢需用价格昂贵的螯合 剂。1.2.2.2 无损害钻井无损害钻井的目标是打出损害接近于零的油井 19，是一种将岩石渗透率的损 害降低到 最低程度的钻井方法。在过去的几年中，欠平衡钻井日益普及但是在很 多情况下，由于经济 和技术原因而不能使用欠平衡钻井，只能使用近平衡和过平 衡压力的钻井液。 EcopetraI 公司研制出了一种新型无侵入钻井液，填补了这一空 白。在某些情况下，欠平衡钻井的效果 不好，其原因是在筛选方法时没有考虑所 有的因素。目前已有 9 个欠平衡钻井失败的实 例，并不是说欠平衡钻井技术不好， 而是所选的油层不合适。目前，在南美洲和
