水基钻井液储层保护技术研究进展

方圆，周书胜，鄢佳蓉

(1.中海油服油化事业部上海作业公司，上海 200335；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000)

0 引言

钻井液是首个接触处于原始状态的产层的外部流体，因此其特性对储层保护起到关键性作用。当油气层损害一旦发生，则极不易消除，不仅影响后续完井工艺以及油气生产评估，且对后续油气产量的影响具有决定性[1-3]。因此，保护油气层的钻井液技术是首要技术环节，钻井液的组分对储层保护效果具有重大影响，如重晶石等惰性固相一旦进入储层孔喉，即使后续的酸化、破胶工艺仍无法有效解除，无法恢复储层渗透率[4]。对于该问题，国外有学者通过室内试验，采用热化学液体反应释放大量热量摧毁泥饼，取得了较好的储层保护效果，但该技术应用于钻井现场仍难以实现[5]。屏蔽暂堵技术对钻井液的储层保护性能具有重要影响，钻井液滤失量低，可减少滤液进入储层孔喉的深度[6-7]；提高滤液的抑制性能，以有效降低钻井液对储层岩心的水敏和速敏伤害[8-9]。另外，钻井液中的聚合物与地层水的配伍性(防止无机垢的形成)对钻井液的储层保护效果具有重要影响[10-11]。本文综述了钻井液对储层保护影响的研究进展，为现场储层保护提供技术支持。

1 钻井液性能对储层伤害分析

1.1 重晶石对储层伤害的影响

随着深层超深层油气资源开发越来越普遍，为了平衡地层孔隙压力，采用高密度固相颗粒(加重剂)增加钻井液的密度，使钻井液液柱压力与储层压力之间为正压差，在该条件下加重剂被地层渗透进而伤害储层。具有高酸溶性的高密度微锰作为高性能加重剂可应用于钻井液中，显著减少了油气层的损害程度，但高昂的经济成本使其在国内应用受到限制[12-13]。国内高密度钻井液主要以重晶石作为加重剂，在重晶石的作用下使钻井液泥饼致密，在钻具不同程度地磨压下，重晶石泥饼造成的潜在储层堵塞也更为严重。由于重晶石主要成分为硫酸钡(BaSO4)，并且它在无机酸和有机酸中的溶解度都很小，所以后续酸化作业对由重晶石造成的储层堵塞影响较小；另外，优质的重晶石资源(高密度)越来越少，加大了对储层的伤害[14]。清除重晶石泥饼对提高油气井产量尤其重要，但目前现场对重晶石堵塞机理并不明确。重晶石泥饼采用解堵螯合剂解除重晶石泥饼的堵塞[15]，其机理为在螯合剂作用下使中心金属离子从Ba2+晶格中脱离，重晶石泥饼中的Ba2+与螯合剂形成螯合物，螯合物从重晶石颗粒表面剥离进入溶液中，导致重晶石的溶解[16]。另外，流体介质中的Ba2+可能形成无机垢，易造成二次储层伤害。

1.2 暂堵型保护型技术对储层伤害的影响

钻井液进入油气层内部破坏了油气层内部原有的物理、化学平衡，进而建立新的物理化学平衡，导致油气层内部原有的物理化学平衡被破坏，从而产生损害，对后续作业效果带来不良影响[17]。为了降低钻井液中的固相颗粒和滤液对油气层的损害，在国外学者提出的理论中，即“1/3 架桥规则”，用于架桥的颗粒平均粒径大约为油气层孔隙尺寸的1/3，架桥颗粒在储层岩心表面形成致密的泥饼。降低固相颗粒、滤液进入油气层的可能性，从而减少对油气层的损害[18]。鄢捷年等[19]提出了理想充填理论，即根据油气层最大孔喉直径(d90) 加入具有连续粒径序列分布的暂堵剂颗粒来封堵储层，该技术具有较好保护油气层效果，并且该技术在现场应用中提高了单井产量。广谱暂堵技术依据储层岩心主流孔喉直径d50 和最大流动孔喉直径来确定暂堵颗粒的直径，从第一代的粗放型屏蔽暂堵技术逐渐过渡到第二代的精细屏蔽暂堵技术[20]。

1.3 抑制性能对储层伤害的影响

油气储层岩心中黏土含量高，其中伊利石、蒙脱石和伊蒙混层含量较高时，钻井液滤液进入储层后易引起储层黏土的水化膨胀、分散和运移，导致了油气层水敏损害[21]。因此钻井液的抑制性愈强，则引起地层水敏损害愈小。为了解决上述问题，通常采取的解决手段是在水基钻井液中加入抑制剂，抑制剂种类有铵离子抑制剂、聚氨酸、多羟基化烷基铵盐、伯胺等[22]。含有胺基抑制剂在水溶液中质子化带正电荷，与黏土晶层表面的负电荷通过静电作用吸附在黏土表面，起到晶格固定作用，改变黏土表面的润湿性能，阻止水分子进入黏土并抑制黏土表面水化[23]。

1.4 聚合物吸附行为对储层伤害的影响

水基钻井液的主要成分为水溶性聚合物，在正压差下随着滤液进入储层岩石孔喉中，由于水溶性聚合物含有大量的吸附基团，它们会牢固附着于储层岩石孔喉表面，这会缩小储层渗流空间，并可严重降低储层渗流能力[24]。为了解决上述问题，可通过优化聚合物分子结构，降低聚合物分子刚性，使聚合物分子易于热力学降解，并提高聚合物分子对地层细菌的分解易感性。为了现场解决聚合物吸附在孔喉表面带来的堵塞问题，完钻后常注入破胶剂，破胶剂主要由过氧化物组成，通过形成自由基破坏高分子处理剂结构，促使主链断裂，从而降低钻井液滤液的返排压力[25]。

1.5 滤液与地层水配伍性对储层伤害的影响

钻井液滤液进入地层，与储层内部的流体接触，离子之间发生化学反应可能导致无机垢沉淀。无机垢易于附着在储层孔道外表，从而减小储层的渗流孔道，常 见 的 无 机 垢 包 括CaCO3、BaSO4、CaSO4[26]。对该问题，实验优化了钻井液与地层水的配伍性，以降低钻井液滤液与地层水混合后的浊度。另外，在钻井液中加入防垢剂，常见的防垢剂[27]为无机磷酸盐(三聚磷酸钠、六偏磷酸钠)、有机膦酸盐(多元醇磷酸酯、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸)和聚合物类(聚丙烯酸、聚马来酸和马来酸(酐)/乙酸乙烯酯共聚物等)。

2 储层保护水基钻井液研究进展

为了保护储层油气产能，储层保护钻井液大致分为强封堵低滤失钻井液、强抑制低伤害水基钻井液、低固相/ 无固相聚合物钻井液体系以及在无固相聚合物钻井液体系上发展的可降解无固相钻井液。强封堵低滤失钻井液在现场应用中表现出良好的储层保护效果，吴江等[28]采用粗细两种暂堵剂以及磺化沥青进行复配，用理想充填的方法分别设计了保护储层的钻井液配方，目前已进行了大量的现场应用，滤失量明显降低，取得了明显的储层保护效果。罗学刚等[29]采用改性秸秆纤维为主要原料，不仅开辟了可再生秸秆资源利用的新途径，还开发了屏蔽暂堵和随钻封堵性能优良的油气层保护暂堵剂。蒋官澄等[30]开发了油膜暂堵剂并将其应用于钻井液中，其机理为暂堵剂软化变形且通过静电力、化学键快速在近井壁处形成一层韧性强、渗透性“油膜”暂堵屏障。夏忠跃等[31]从“增强抑制、保护储层”的角度出发，以双疏材料为核心处理剂，优选并建立了一种双疏型强抑制低伤害水基钻井液体系。吴爽[32]以卤水为分散相，通过优选核心处理剂，成功地制备了无固相强抑制水基钻井液，满足辽河油田低渗透储层安全钻进和储层保护的要求，具有广泛推广应用的价值。马英文等[33]研究一套抗高温无固相储层保护钻井液体系，通过补充钻井液处理剂来延长钻井液的热稳定性，并在储层温度下展现出自破胶性能，钻进过程中，不见泥页岩掉块、卡钻现象，攻克了该区块钻井及储层保护作业难题。

3 结语

钻井液是最先接触油气储层的外来流体，因此钻井液特性对储层保护起到决定性作用。储层伤害主要分为固相污染、聚合物吸附堵塞、储层黏土的水化膨胀、分散、运移以及钻井液滤液与地层水配伍性伤害，其中对于高渗储层而言，其主要伤害为固相伤害以及聚合物吸附堵塞；对于低渗储层而言，其主要伤害为储层黏土的水化膨胀、分散、运移以及钻井液滤液与地层水配伍性伤害。为了提高钻井液储层保护效果，提高钻井液的封堵低滤失性能以及钻井液滤液抑制性能，降低储层孔喉中黏土水化膨胀。另外，采用无固相钻井液，可避免钻井液有害固相给储层带来伤害，通过聚合物热稳定来研究钻井液的可降解破胶性能，使钻井液胶体返排压力降低，有利于保护储层。