对钻井中油气层保护的认识

桑双利 邱跃峰

摘 要:本文通过对现代钻井中油气层保护重要性的重新认识,逐次从微观角度中孔隙类型与孔隙结构参数对油气层的损害和宏观方面孔隙度与原始渗透率对油气层损害的较大影响两方面的分析,得出了油气层保护的解决途径:即采用平衡钻井解决正压差问题和对钻井液设计要求的提出,以及固井期间提高固井质量的认识,从而达到保护油气层,提高钻速、缩短油气层浸泡时间,降低钻井成本的目的,对大庆油田地区油田合理开发有一定借鉴价值。

关键词:孔隙类型孔隙结构参数孔隙度渗透率固井质量

中图分类号:TE35 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(c)-0088-02

1 引言

油气层保护技术(又称储集层保护技术),就是防止储集层损害的技术。油气层保护技术(以下简称油层保护)是最近二、三十年发展起来的一个新的技术领域和一项新兴系列技术,70年代以后由于油价下跌,原油生产对科技进步的要求日益突出,特别是大量中、低渗透油层的开发提到了议事日程,油气层损害日益成为石油工业必须认真解决的技术难题。而且,70年代以后,石油工程技术取得了重大进步,原有的技术难题大部分得到了较好的解决,油层保护发展有了较好的解决,油层保护有了较好的基础,例如:油层保护必须从微观机理研究入手,再者,此项技术必须用电子显微镜和微粒粒度分析,因此现在油层保护得到了迅速发展。

油气层损害的主要形式为油气层渗透率的降低,包括油藏岩石绝对渗透率和油气相对渗透率的降低,渗透层降低越多,油气层损害越严重。一方面,油气层损害是不可避免的,在钻井、完井等作业环节中,均可能由于流体与储层之间物理的、化学的或生物的相互作用而破坏储层原来的平衡状态,从而增大油气流动的阻力,油气层保护的重要性也就更突出了。

2 油气层保护的重要性

油层保护对石油工业的作用和意义是显而易见的,其重要性体现在以下几面:

(1)在油气勘探过程中,保护油气层工作的好坏直接关系到能否及时发现油气层和对储量的正确估量。(2)保护油气层有利于油气井产量和油气田开发经济效益的提高。(3)提高油气层最终采收率。(4)最大限度地利用油气资源,充分保护油气资源。(5)降低原油生产成本,少投入、多产出。

3 油气层损害机理

对于某一目的层,要想指定出一个有效的保护油层的技术方案,必须搞清楚其损害机理即油气层损害的产生原因以及伴随损害而发生的物理、化学、变化和过程。美国岩心公司对全世界近4000口井的资料,对各个作业中每种机理所造成的严重程度进行了系统的总结,现只引用建井阶段数据如表1所示。

从表一看出,微粒运移引起的损害是最普遍的,其次是乳化液堵塞和水锁,再次是润湿反转和结垢引起的损害。在钻井和固井作业中,损害最严重的是钻井液固相颗粒和粘土的水化膨胀,下面对引起损害的原因及相应的保护措施进行讨论。

油气层的潜在损害因素

从微观角度看,孔喉类型和孔隙结构参数与油气层损害关系很大。一般情况下,若孔喉直径较大,则固相颗粒侵入的深度越深,因固相堵塞造成的损害相对较严重,而滤液造成的水锁、气阻等损害的可能性较小。从宏观方面来看,损害类型在很大程度上取决于孔隙度和原始渗透率。对于渗透率较高的储层,孔隙较大,连通较好,胶结物含量较低,这种情况下受固相侵入而造成的损害较大;对于低渗透油气层,由于其孔喉尺寸小且连通性差,胶结物含量高,因而固相造成的损害不是主要的,而易发生粘土化膨胀、微粒运移和水锁等损害。

4 钻井过程中保护油气层技术

钻开产层,破害了产层的平衡状态,使产层开始与外来工作液(钻井液、水泥浆、前置液等)接触,这必然会给产层带来损害,由于钻井液接触的是处于原始状态的产层,因此对它产生损害的可能性很大,而且油气层损害一旦发生,则极不宜消除。因此在钻井过程中做好保护油气层工作是实施保护油气层成套技术的第一个重要环节。前面讲过钻井过程中造成的油气层损害是多种多样的。随着油藏特性与钻井过程中所采取的技术措施不同,产生油气层损害的类型和程度也不同。因此,在钻井过程中,必须根据油藏特性及潜在问题在充分认识所钻油气层在钻井过程中损害机理的基础上,准确分析损害的原因,然后有针对性的采取钻井作业措施,方能收到油气层保护的效果,以保证产层的及时发现和使产层保持原有产能。

钻进中对油气层的损害包括从钻井油气层起一直到固井完成为止的全过程中多个环节。就其对油气层损害的一般规律,可对其影响因素归纳如下。

4.1 压差

压差是造成油气层损害最主要的因素之一。在一定压差下,钻井液中的滤液和固相就会渗入地层内,造成固相堵塞和年粘土化等问题,井底压差越大,对油气层损害的深度越深,对油气层渗透率的影响也更为严重。图1为地层渗透率的损害比与压差的关系。例如:国外某油田在钻开油层时,如压差小于10.3Pa,产量接近636m3/d;如压差大于10.3Pa,则产量仅为318m3/d。在钻井过程中,由于超平衡压力条件下钻井促使液相与固相侵入地层,油气层渗透率降10%-75%。薄片鉴定和扫描电镜分析也证明微粒侵入油气层将是油所层损害的主要原因之一。由此可见压差是造成油所层损害的主要原因之一,降低压差是油气层保护的重要技术措施。

钻井过程中,造成井内压差增大的原因有:

(1)采用过平衡钻井液密度;(2)管柱(钻柱、套管等)在充有液体的井内运动产生的激动压力;(3)地层压力检测不准确;(4)井身结构不合理;(5)井喷及井控方法不合理;(6)井内钻屑浓度;(7)开泵引起的井内压力激动。

4.2 浸泡时间

在钻开油气层过程中,钻井液滤失到油气层中的数量随钻井液浸泡时间的延长而增加。浸泡过程中除滤液进入地层外,钻井液中的固相在压差作用下也逐步侵入地层,其侵入地层的数量及浓度随时间增加,浸泡时间越长侵入越多,图2为地层损害比与浸泡时间的关系。

4.3 环空流速

环空流速不合理,也会对油气层产生损害,图3所示。

4.4 钻井液中的固相含量及固相粒子的级配

在钻井油气层时,使用钻井液肯定会对油气层造成一定程度的固相粒子堵塞,钻井液中固相含量越高,对油气层损害越大。图4所示。固相对油气层损害的大小决定于固相粒子的形状、大小及性质和级配。在钻井过程中,大小油气层孔隙的粒子不会侵入油气层造成损害。颗粒越小,侵入深度愈大。若钻进中井壁不稳定,页岩坍塌,井径扩大,泥页岩造浆等因素造成钻井液的固含量增加,都会加剧固相对油气层的损害。

4.5 钻井液对粘土水化作用的抑制能力

油气层中粘土的水化膨胀、分散、运移是油气层水敏损害的根本原因,钻井液对粘土水化的抑制愈强,则地层水敏损害愈小。

4.6 钻井液液相与地层流体的配伍性

钻井液液相与地层流体若经化学作用产生沉淀或形成乳状液,都会堵塞油气层,其中水基钻井液与地层水的不配伍性能形成各类沉淀,是最常见的损害。

5 油气层保护的解决措施

针对钻井工程对油气层损害的原因和机理,在保证优质、快速、安全钻井的基础上综合采用以下措施。

5.1 解决正压差问题

平衡压力钻井是国外60年代末到70年代初在压力差理论的基础上发展起来的钻井技术。平衡压力钻井是指钻进时井内钻井液柱的有效压力等于所钻地层的地层压力,压差P=0,而实际钻井中要严格保持钻进中不存在压力差很困难,目前国内外所谓的平衡压力钻井在实施中,是指钻进时井内钻井液柱的有效压力略高于地层压力的正压差近平衡压力钻井。我们大庆钻井运用此项技术,钻井液使用密度由1998年以前的平均1.63逐渐降到了2001年的平均1.46,具体来说,99年密度降低了0.07达到平均1.56,2000年密度比98年降低了1.53,2001年又降到了现在的平均1.46。现在公司采用平衡压力钻井,明显提高了机械钻速,这样使得钻进加快,缩短了油层浸泡时间,有效保护了油气层。而且因为泥浆比重降下来了,降低了石粉用量即钻井成本。

5.2 采用油气层保护的钻井完井液技术

5.1 钻开不同油藏使用的钻井完井液类型不同,但其基本要求却相似

即它一方面必须具有钻井液的功能,另一方面又要满足油气层保护的要求。这些要求包括:①控制井下压力。②流变性满足井下需要。③稳定井壁。④性能稳定,保证井下安全。⑤液相与地层的相容性。⑥防腐。⑦制固相粒子含量及级配。防止固相粒子对油气层的损害。⑧对环境无损害和污染,或污染可清除。

5.2 钻井、完井液类型

改型钻井完井液是以钻上部地层用的钻井液为基础,按保护油气层的要求对体系进行改型而得到的一种钻井完井液体系。因为它成本低,应用工艺简单,对井身结构和钻井工艺没有特殊要求。实践证明,这类钻井完井液也可将很多油藏的损害降低到10%以下,使其表皮系数很低,甚至接近于零。目前公司使用的完井液体系就是水基类,我估计就是这种分类型即改型类。

5.3 固井期间油气层保护

提高固井质量是防止固井对油气层损害的基础,必须改善水泥浆性能,目前,钻井研究所和钻技公司联合研制出了新型DSDJ固井水泥外加剂,对控制水泥浆失水,保护油气层,防止水气窜的发生起到了积极的作用,另外,选用精良的哈里勃顿水泥注灰车,可保证水泥浆密度,排量的均匀稳定,确保固井施工作业一次成功。

6 结论

6.1 油层保护必须从研究其损害机理入手解决岩石绝对渗透率和油气相对渗透降低的问题

6.2 解决油气层损害方法

(1)平衡压力钻井以解决正压力问题。(2)采用合适的钻井完井液技术。(3)固井期间油气层保护以提高固井质量。

参考文献

[1] 罗亚平著.储集层保护技术.石油工业出版社.

[2] 张绍槐著.保护储集层技术.石油工业出版社.