摘要：针对东海地区高温、低压、低渗透油气藏常规完井液技术当前存在的问题，基于有机物高温碳化理论，用有机高分子吸水材料研制出了满足该地区完井作业的一种尺寸分布广泛的软颗粒状无(低)渗漏完井液体系，基本配方为：淡水+0.5%螯合剂YF-1+1%～2%胶凝剂SW-1+0.5%稳定剂WDJ-1。体系黏度在常温下(25～120mPa·s)可调，与地层水配伍性好，对管材具低腐蚀性。完井液在120～130℃高温动态污染实验中可发生碳化反应，在岩心端面可生成一种致密黄、黑色黏稠状胶质暂堵层，有效地避免了工作液的滤失，岩心中黏土矿物对有机高分子吸水材料起到了一定的热催化作用。目的层岩心动态污染后，自然返排渗透率恢复率可超过90%。现场应用表明，该体系在东海地区天外天高温低渗透砂岩油气藏具有优异的保护储层效果，提高了低压产层的承压能力，极大地降低了水相圈闭损害，并促使了A7s等气井获得高产。
关键词：完井液；水相圈闭损害；聚合物碳化理论；低压高温气藏；防止地层损害
我国东海地区油气田大都属于常压或低压油气田，压力系数为0.95～1.03，储层温度普遍为120～140℃[1]，完井作业面临着越来越大的压力。特别是气井由于没有合适的防漏失压井液体系，完井过程中造成的水相圈闭损害会直接影响气井的产能[2～3]。在极端情况下，如气层地层压力低于水柱压力，很多井就不能完井或修井，导致油气井的放弃或报废。鉴于这种情况，必须开发一种针对低渗透、常压和低压油气井的无(低)渗漏完井液和压井液体系，既能顺利完成作业，又具备起好的保护储集层功能。
1 传统暂堵思路
目前国内外对低渗透油气藏一般采用的是无黏土相水基完井液，降低水相圈闭损害通常有“暂堵和改善”两种思路：①采用传统的屏蔽暂堵的钻井完井液，封堵孔喉，减少滤液的大量侵入[4]；②通过具有较强抑制黏土膨胀功能的完井液中加入气层保护剂，降低气-水界面张力可有效降低液阻效应，从根本上降低水相圈闭损害[5]。但针对低渗透气藏，都有各自如下的局限性[6]。
1.1 无黏土相清洁盐水完井液
目前大部分盐水钻井完井液体系主要应用在大位移井、水平井以及套管井下扩眼。在这些作业中，储层裸露面积大、与流体接触时间长，特别是对低孔、低渗透气藏，水相圈闭损害程度依然会比较严重，即使加入助排剂效果也不一定理想。
1.2 有固相无黏土相暂堵型完井液
如果优选暂堵粒子未能设计好，那么将不能有效地桥堵。工作液将会对储层更深层次伤害，特别是对低渗透气层，解堵液处理不当会造成进一步损害；另一方面，固相粒子在随流体循环中因不断加温、冷却会有结晶、溶解、重结晶现象，尺寸是不断改变的。
1.3 泡沫型压井液
在海洋平台上，由于空间受限并不能很好地安装设备；泡沫在井底长时间的压缩下，泡沫流体的密度和结构以及流变性都会难以预测和控制，它不能满足长时间的压井修井作业。
1.4 胶液压井液
此类体系不能完全防止漏失，只是液体黏度的增加，减缓了完井液的漏失速度。因此，它的缺陷是十分明显的。
2 新型完井液研制思路
针对黏土矿物膨胀、分散、运移损害的理论研究和各种抑制剂的应用研究每年都有许多报道，黏土矿物在对储层存在损害不利的同时，也有积极的一面，黏土矿物通常是天然的有机物催化剂，比利时细胞学家、1974年诺贝尔生物学和医学奖获得者克里斯蒂安·德迪夫在论述地球起源和生物进化的专著《生机勃勃的尘埃》中，他认为黏土是最好的催化剂，因为它能提供所需的框架，有能发挥催化功能的巨大矿物表面[7]；油气成因理论中，有学者在实验室用黏土作催化剂，在150～250℃下，用酒精和酮脱水或使脂肪酸去羧基，在短时间内可产生类似石油的物质[8]。
众所周知，对于某些有机材料在高温下会发生碳化，温度越高碳化反应越快，如高温下淀粉溶液会碳化形成强度更高的胶质状产物，且满足化学反应定律中的温度时间补偿理论，温度影响着反应时间，温度不足可用延长反应时间来弥补。若筛选的有机高分子吸水材料在储层温度下可发生碳化反应，而这种碳化反应与黏土矿物的热催化又息息相关，那么将对有机高分子吸水材料用作完井液有着积极的意义。在射孔弹爆炸瞬间，炮眼中岩石可产生400～600℃高温，根据温度时间补偿理论，瞬间高温便可加速有机高分子吸水材料的碳化(热催化)反应，致使有机高分子材料在射开孔眼瞬间便形成致密的碳化化学暂堵层，那么对气藏保护是极为有利的。笔者认为对温度较高的储层保护思路可结合有机高分子吸水材料的碳化理论来研究，若本身可起物理暂堵功能的完井液在地层温度(包括射孔带来的瞬间高温)下与周围介质反应生成另一种韧性更好的化学暂堵层(胶质层)，这种物质也可起到较好的暂堵作用，势必会对保护储层完井液体系的构建有着变革性的意义。
笔者在这方面作了许多探索性研究，2007年曾报道了固化水工作液在压井修井中的成功应用一文[9]，证明了有机高分子吸水材料用在压井液方面是切实可行的，本文研究中重新制备筛选出了一种有机高分子吸水材料，研制出了可满足东海地区低渗气层完井作业的一种新型无(低)渗漏完井液体系。
3 新型无(低)渗漏完井液体系
无(低)渗漏完井液主要由有机高分子吸水材料胶凝剂、络合淡水中二价阳离子的螯合剂、调节流变性的稳定剂组成。基本配方为：淡水+0.5%螯合剂YF-1+1%～2%胶凝剂SW-1+0.5%稳定剂WDJ-1。完井液由毫米级的软颗粒组成，颗粒尺寸分布在0.5～3mm，软颗粒易变形，有一定强度，该完井液体系用酸液能完全破胶，并能还原成清水(图1、2)。
有机高分子吸水材料作为无(低)渗漏完井液的核心处理剂，主要起到胶凝自由水作用，在保证泵送前提下，完井液中自由水越少越好，才能有效防止射孔时出现大量漏失而污染储层，但不能太高，在井下高温、高压以及各项作业下都会有脱水现象，如果吸水倍数太高，则会产生较多自由水从而加剧低渗透气藏水相圈闭损害；而吸水材料吸水倍数太低，在相同情况下要胶凝住同样自由水，则必然会增加处理剂用量，就会增加成本。
4 体系评价
4.1 理化性能的测定
4.1.1黏度的确定
在现场可以根据井下情况：比如漏失情况、压力系数不同，来确定压井液的黏度。黏度确定范围后，可以调整配方中胶凝剂的加量，来调整体系的黏度。根据室内的测定，胶凝剂加量为1%～2%时，淡水完井液体系的黏度为25～120mPa·s可调。在现场配制时，需专业人员指导操作，胶凝剂的加量以刚好束缚完体系中的淡水为最佳，同时在此条件下达到体系的最低黏度，以降低泵压。
4.1.2腐蚀性的测定
特种元(低)渗漏完井液体系在使用过程中，不能对井下的管材造成过大的腐蚀，所以在室内按盐酸酸化缓蚀剂的评价方法，将N80油管钢片放于完井液中，在一定温度下保温24h，根据钢片的失重评价冲砂液对油套管的腐蚀，结果见表1。
从实验结果可知，淡水配制的无(低)渗漏完井液体系对N80管材基本没有腐蚀，用饱和盐水配制的无(低)渗漏完井液体系腐蚀很小，不影响管材的正常寿命。
4.1.3与地层水配伍性评价
平湖油气田平湖组地层水总矿化度在8000mg/L左右，属于碳酸氢钠型。平湖组地层水离子类型较简单，地层水中阳离子以Na+为主，Ca+、Mg2+次之，阴离子以Cl-，S042-为主，HC03-，C032-次之，在矿化度为8000mg/L的模拟地层水中混入等量的无(低)渗漏完井液后，实验结果表明：混合后的溶液没有发生沉淀、分层和絮凝，说明完井液与地层水的配伍性良好。但混合液的黏度有所下降，这是由于混合液中增加了水的缘故，同时模拟地层水中的二价阳离子对胶凝剂的吸水能力有所影响所致。
4.1.4高温老化后的性能
不同胶凝剂浓度下的淡水无(低)渗漏完井液，在高温140℃下老化16h后外观颜色基本没什么变化，但体系黏度有降低趋势(图3)，且有部分自由水析出，存在一定热降解现象。这是因为在较高温度下，聚合物在淡水中的溶解性能增加，更高的温度可能会使聚合物链断裂、交联等不可逆反应而影响吸水性能[10]。
4.2 常规应用性能的测定
4.2.1动态污染实验
渗透率恢复值为120～130，但有沉淀、分层和絮凝，说明与地层水的配伍性良好。但是为考察无(低)渗漏完井液体系在高温作用下的保护储层效果即岩心渗透率恢复值情况，选取目标层4块岩心进行完井液动态污染实验，实验温度为120～130℃，动态循环正压差为3.5～4.5MPa，实验数据见表2。
从表2中实验数据可知：低渗岩心自然反排的突破压力较低，均小于0.4MPa，渗透率恢复值均超过80%，如果反排时间继续延长，岩心渗透率恢复值还可继续得以恢复，无(低)渗漏完井液所形成的暂堵层完全可以自然解堵，在完井和修井结束后，无论采用连续油管或气举都很容易诱喷解堵。用酸液破胶后，岩心的渗透率恢复值会继续增加，甚至可超过100%，但对于低渗透气藏，为减少液相部分滞留而造成水相圈闭损害，不推荐采用酸液破胶。另外，实验中有了新发现：岩心端面在高温下形成了一种黄至黑色胶质致密暂堵层，有一定强度，不能用手轻易刮开，深度约3mm(图4-a)，且随着实验温度增加暂堵层颜色加深(图4-b、c)，认为是有机高分子完井液在接触岩心时发生碳化(热催化)反应所得，这与新型完井液体系的构建思路基本一致。
滤失性无(低)渗漏完井液体系在动态污染试验的前20min，5块岩心动态失水速率普遍较大，这可能是因为软颗粒状完井液受挤压时发生的物理脱水现象，但总量均没有超过7mL。20min左右，致密的碳化胶质暂堵层逐渐形成，加上软颗粒本身的物理暂堵功能，双重暂堵下岩心基本不再发生滤失(图5)，说明无(低)渗漏完井液高温下与岩心接触时发生的化学质变有利于控制完井液的失水渗漏。从滤失量减少为0的时间可看出，胶质暂堵层在120～130℃下形成的时间在20min左右，最低的约6min，如H5-3号岩心，6min左右滤失量就降至为0，这可能与岩心中的黏土矿物类型和总含量有关。
根据化学反应定律中温度时间互为补偿理论[11]，在射孔期间岩石瞬间的高温便可加速挤入炮眼中的有机高吸水材料的碳化(热催化)反应，碳化暂堵层的形成时间将大为缩短，可有效降低完井液的漏失。双重暂堵模型见图6。
4.2.2替出工艺实验模拟
为更好地结合现场应用，模拟作业完毕后用常规盐水完井液顶替出无(低)渗漏完井液时的情景。室内选用了两块渗透率相对较高的油层岩心，如果高渗层暂堵效果较好，滤失量小，则低渗层的效果将会更理想。实验温度为120℃，具体步骤：①先测定饱和地层水后的岩心液测渗透率；②高温下进行完井液动态污染实验1h，并记录循环期间的滤失量；③测定岩心暂堵后的液测渗透率，求取暂堵率；④正压差为3.5MPa下，再用常规完井液循环1h，记录循环期间的滤失量；⑤测定自然返排下岩心液测渗透率。
从表3中实验数据可见，两块岩心暂堵率均超过99%，1h滤失量在11mL左右，且随着岩心初始渗透率的降低滤失量略有降低。替出无(低)渗漏完井液后，用常规盐水完井液循环1h，以考察无(低)渗漏完井液暂堵层抵抗盐水循环而不至于丧失暂堵能力。盐水循环1h期间，总滤失量较之前有所下降，P11-5岩心滤失量降至10mL，H5-12滤失量降至8.5mL，两块岩心在初始循环的5min内没有发生滤失，说明岩心端面上形成的暂堵层确实起到了较好控制失水的作用，这可极大地降低完井液替出循环中因滤失对气层造成的水相圈闭损害。模拟洗井结束后，岩心自然返排下渗透率恢复值均在80%以上，可推荐采用气举诱喷方式解堵。
5 现场应用
这是第一次在射孔段部分采用无(低)渗漏完井液体系作为射孔液，射孔期间无(低)渗漏完井液在高温和高压作用下形成的碳化化学暂堵层和后续软颗粒的物理暂堵层(双重暂堵效应)起到了优异的保护低渗气藏效果，在A7s井的完井和之后的再次完井作业中都没有发生漏失。气举诱喷投产后，根据A7s井2008年9月份的生产数据，用Φ8mm油嘴生产，油压为6.53MPa，产气量为7.48×104m3/d，产油为2.67m3/d，超过了本井的地质设计要求，后续的几口井完井中同样效果显著。
6 结论与建议
无(低)渗漏完井液通过物理脱水作用在孔眼或井壁上形成暂堵层，并利用井下高温(120℃以上)引起暂堵层的化学反应，使暂堵层形成胶质的人工井壁，有效地阻断了完井液在低孔低渗储层的渗漏，解决了低孔低渗储层完井液渗漏的技术难题，避免了用常规思路需对孔喉物性深入研究的前提来选择匹配粒子的繁琐，在低孔低渗透气藏保护技术上取得了技术创新。无(低)渗漏完井液体系在高温下的化学质变是在室内和现场施工中发现的新现象，虽然已经做了一些工作，但是还不够。黏土矿物与有机高吸水材料在高温下的热催化机理研究超出了本文研究范围，将在以后重点研究，进一步搞清楚黏土矿物对类似有机高吸水材料的热催化作用机理，依据“暂堵新思路”研制并完善相应工作液体系。笔者认为搞清楚不同有机高吸水材料在储层环境下的碳化反应机理有着非常重要的意义，结合储层温度、压力、矿化度、黏土矿物等特征研制出高温下能与其发生碳化反应的有机高吸收材料，并能预测且控制好碳化反应时间使之成为真正的“智能完井液”，将会对未来低渗透气藏的开发提供新依据。
参考文献
[1] 贾健谊，顾惠荣.东海西湖凹陷含油气系统与油气资源评价[M].北京：地质出版社，2002.
[2] 贾虎，王瑞英，杨洪波，等.低渗砂岩储层正压射孔中水锁损害试验研究[J].石油钻探技术，2010，38(2)：76-79.
[3] 张琰，崔迎春.低渗气藏主要损害机理及保护方法的研究[J].地质与勘探，2000，36(5)：76-78.
[4] 王富华.低渗透致密砂岩气藏保护技术研究与应用[J].天然气工业，2006，26(10)：89-91.
[5] 王志伟，张宁生，吕洪波.低渗透天然气气层损害机理及其预防[J].天然气工业，2003，23(增刊)：28-31.
[6] 徐同台.21世纪初国外钻井液和完井液技术[M].北京：石油工业出版社，2004.
[7] 王玉山.生机勃勃的尘埃：地球生命的起源和进化[M].上海：上海科技教育出版社，2006.
[8] 张厚福，张万年.石油地质学[M].北京：石油工业出版社，1999.
[9] 贾虎，杨宪民.固化水工作液在压井修井过程中的成功应用[J].钻井液与完井液，2007，24(增刊)：115-117.
[10] 潘祖仁.高分子化学[M].北京：化学工业出版社，1997.
[11] 励杭泉，张晨.聚合物物理学[M].北京：化学工业出版社，2007.
(本文作者：贾虎1 杨宪民1 蒲万芬1 赵金洲1 付豪2 郭士生2 刘鹏超1 王琼3 1.“油气藏地质与开发工程”国家重点实验室·西南石油大学；2.中国海洋石油股份有限公司上海分公司；3.中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部)
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
- 注解：本资料由会员及群友提供仅供阅读交流学习，不得用于商业用途！
