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1、 编号： 毕 业 设 计（论 文）钻井液与油气储层配伍评价实验技术研究与应用摘 要目前陆上油田均已建立起了相应的评价技术，并取得了很好的效果。中海油南方片区目前还没有建立起这套技术，因此，有限公司的相关部门和一些钻井液服务商为了更加符合市场运作规律，满足生产需要，南海西部油田湛江分公司建议和鼓励科研人员开展此项目研究，希望在海油系统内建立了一套系统的钻井液与储层配伍评价技术体系，并开展钻井液与储层配伍性实验研究，为有限公司勘探开发部门优选钻井液配方、优化钻井施工工艺参数和开展更广泛的储层保护工作提供科学依据和技术支持。通过研究，本课题旨在中海油南海西部片区建立一套系统的钻井液与储层配伍评价技术
2、体系，从实验研究、生产应用情况以及对WZ6-9-3和WZ6-9-1两口井的储层配伍方面进行系统评价，并分析和研究储层伤害机理及其保护措施等，从而证明本课题建立的钻井液与储层配伍评价技术体系是正确、有效的，并能够用于指导生产实际。关键词：钻井液 储层伤害 实验方法 损害机理 配伍性 目 录 0 前言1第1章 绪论21.1 油气层损害概念21.2 钻井液对油气层的损害因素分析3第2章 钻井液与油气储层配伍评价体系的建立42.1 油气层地质、油藏特征分析认识42.1.1 储渗空间42.1.2 敏感性矿物62.1.3 岩石表面性质72.1.4 油气层流体的性质82.2 钻井液性能分析82.2.1 钻井
3、液基本性能82.2.2 钻井液的抑制性评价102.2.3 钻井液粒度分布分析研究102.3 储层敏感性评价分析112.3.1 速敏112.3.2 水敏112.3.3 碱敏132.3.4 酸敏142.3.5 应力敏感162.3.6 温度敏感172.4 钻井液（水基）滤液与地层流体适应性试验方法的建立172.4.1 结垢172.4.2 乳化堵塞182.4.3 细菌堵塞182.5 钻井液与储层岩性配伍评价182.5.1 工作液的静态损害评价182.5.2 工作液的动态损害评价202.5.3 岩心夹持器的改进22第3章 影响储层配伍评价因素的实验研究253.1 钻井液固相253.1.1 钻井液固相类型
4、与作用特点253.1.2 钻井液固相对岩心封堵率影响的实验研究263.1.3 钻井液固相对岩心渗透率返排解堵率影响的实验研究353.1.4 钻井液粒径分布对渗透率恢复值的影响研究443.1.5 结果分析443.2 对储层配伍评价影响因素研究453.2.1 钻井液配方463.2.2 影响因素研究46第4章 涠州6-9-3和涠州6-9-1井储层配伍评价研究514.1 构造基本概况514.2 岩石学特征514.2.1 碎屑组分514.2.2 填隙物514.2.3 结构特征524.2.4 粒度特征524.3 储层物性534.3.1 孔隙类型534.3.2 物性特征534.4 储层损害的潜在因素534.
5、4.1 潜在敏感性分析534.4.2 孔隙结构544.4.3 敏感性分析544.5 涠州6-9-3和涠州6-9-1井所用钻井液体系研究584.5.1 所用钻井液体系介绍584.5.2 钻井液损害评价研究604.5.3 钻井液损害原因研究61第5章 结论与建议645.1 结论645.2 建议64后 记66参考文献670 前言钻井过程中防止油气层损害是保护油气层系统工程的第一个重要工程环节。其目的是交给试油或采油部门一口无损害或低损害、固井质量优良的油气井。油气层损害具有累加性，钻井中对油气层的损害不仅影响油气层的发现和油气井的初期产量，还会对今后各项作业损害油气层的程度以及作业效果带来影响。因此
6、搞好钻井过程中防止油气层损害工作，对提高勘探、开发经济效益至关重要。根据钻井过程中造成油气层损害的原因分析，钻井液与油气储层配伍性差是引起储层损害的重要原因。这种配伍关系主要体现在：钻井液中分散相颗粒与油气层孔喉直径或裂缝宽度不配伍，从而在正压差的作用下进入油气层孔喉和裂缝中形成堵塞，造成油气层损害；钻井液滤液与油气层岩石不配伍，从而诱发水敏、盐敏、碱敏、润湿反转以及表面吸附的发生，引起油气层损害；钻井液滤液与油气层流体不配伍，从而形成无机盐沉淀，处理剂不溶物，乳化堵塞，细菌堵塞等，造成油气层损害。近年来，随着人们对保护油气层工作重视程度的提高，钻井过程中使用的钻井液与所钻油气层是否真正配伍倍
7、受关注。然而，另一方面市场上的钻井液服务商数量越来越多，提供的钻井液体系也越来越复杂，如果缺乏有效的技术手段，甲方很难从中筛选出配伍性能好的钻井液。因此，非常有必要开展钻井液与储层配伍评价技术研究。当前，国内进行钻井液与油气储层配伍性实验研究使用最为广泛的是静态模拟评价技术。该技术主要利用各种静态滤失实验装置测定钻井液滤入岩心前后渗透率的变化，以此评价钻井液与油气层配伍性的好坏并优选钻井液配方。而在国外更多的是采用动态模拟评价技术和多点渗透率测定评价技术来考察钻井液与油气层配伍性。动态模拟技术，由于钻井液处于循环或搅拌状态，因此可以更真实地模拟井下的实际工况条件，为优选损害最小的钻井液和最优的
8、钻井施工工艺参数提供科学依据；多点渗透率测定技则可以更准确地确定钻井液的侵入深度和对油气层造成的损害程度。值得一提的是上述三种技术还可以用于评价其他工作液如完井液、修井液、注入水等与油气层的配伍性，从而开展更广泛的保护油气层研究工作。近年来，由于人们对保护油气层工作重视程度的提高，加之国内研制的配伍性静、动态模拟实验装置已投放市场。目前，越来越多的陆上油田已建立起钻井液与油气层配伍评价技术项目，并配置了相应的设备。目前陆上油田均已建立起了相应的评价技术，并取得了很好的效果。中海油南方片区目前还没有建立起这套技术，有限公司的相关部门和一些钻井液服务商为了更加符合市场运作规律，满足生产需要，南海西
9、部油田湛江分公司建议和鼓励科研人员开展此项目研究，希望在海油系统内建立了一套系统的钻井液与储层配伍评价技术体系。开展钻井液与储层配伍性实验研究，可以为有限公司勘探开发部门优选钻井液配方、优化钻井施工工艺参数和开展更广泛的储层保护工作提供科学依据和技术支持。第1章 绪论自进入21世纪以来，世界能源出现危机，国际油价居高不下。在该严峻形势下，我国能否尽可能最大限度地开发油气资源，是保证国民经济持续稳定发展，建设和谐、稳定社会目标的重要保证。要确保最大限度地开发油气资源，就必须保护好油气藏，避免在开发过程中造成不应有的损害。因此，油气层保护技术在当今世界石油工业中处于重要的战略地位。油气层保护技术是
10、一项系统工程，涉及地质、钻井、钻井液、固井、完井等专业部门。钻井液是钻井工程的“血液”，钻井液性能的好坏不仅关系到能否实现安全、优质、高效钻井，而且直接影响油气井产能。因此，保护油气层的钻井液技术研究越来越深入，在油气层损害机理与室内评价方法方面取得了较大的进展，研制开发出了多种保护油气层效果显著的钻井液新体系，并进行了推广应用。1.1 油气层损害概念钻井与完井的最终目的在于钻开储层并建立油气流动的通道，建立油气尽量好的生产条件。任何阻碍流体从井眼周围流入井底的现象均称为对储层的损害。实践证明，石油与天然气工业从它一诞生开始就客观上存在着储层损害的问题。在钻开油气层之前，油气藏岩石及其矿物组分
11、、所含有的流体都相对的处于一种物理的、化学的、热动力学的以及水动力学的平衡状态。在钻井、完井、采油、增产及修井等各个施工过程中，均可能由于物理的、化学的、生物的或其复合作用而破坏原有的平衡状态。严重的储层损害将极大的影响油气井的产能。储层损害一词来源于国际上英文通用词“Formation Damage”。储层损害亦可译成地层损害或油气层损害。储层损害的原因是十分复杂的，不同类型储层有不同的损害规律和特征。储层损害是可以控制的，通过实施保护储层，防止污染技术，可使储层损害降至最低程度。迄今为止，人们尚未对储层损害的科学定义取得共识。国内学者已提出一个比较恰当、准确的定义，即当进行钻井、完井、采油
12、、增产和修井等各种作业时，在储层近井壁带造成流体（包括液体、气体和多相流，也可能在流体中还含有固体微粒）产出或注入自然能力的任何障碍都可称为储层损害。下定义的依据是：石油工程的理论和实践已证明，在储层油气流入井底的过程中，压力损失集中在井底附近的近井壁带。这就是说，近井壁带连通条件的好坏，该区域实际渗透性的好坏，即被污染的程度或受保护的效果，对油气井生产，乃至油气储层的采收率都有着极为重要的意义。所谓油气层保护，实际上是防止或避免近井壁带的储层在各个作业环节中受到不应有的损害。储层损害的核心问题是降低储层的渗透率（包括绝对渗透率及油、气的有效渗透率）。当钻井液、完井液和修井液等外来流体中的固相
13、和液相侵入生产层以后，地层的岩石结构、表面性质和流体相态等均会发生不同程度的改变，从而增加了油气流向井底的阻力，降低其有效渗透率。1.2 钻井液对油气层的损害因素分析1）钻井液固相的损害钻井液中所含的各种悬浮物质（粘土、钻屑、加重材料和堵漏剂等）都有可能对储层造成损害。当它们被强迫进入储层时，便可能逐步地充填油气藏岩石孔隙。在随后以相当高的流量进行生产或注入时，这些物质很可能桥堵在孔隙喉道的进口处，严重地降低井眼附近地带的渗透率。一般情况下，此类损害仅限于井眼周围3in（约7.6cm）内，但最终的渗透率降低值却可高达90%。2）钻井液滤液的损害钻井液是最先接触油气层的外来流体。在一定压差下，钻
14、井液滤液会渗入地层，特别在泥饼形成之前，滤液的渗入是不可避免的。如果钻井液的滤失量太大，将会携带大量的固相颗粒进入储层，产生堵塞而造成损害；同时，进入储层的滤液若与储层不配伍，则会引起粘土水化膨胀、水锁，形成化学沉淀和胶体乳化等，而导致油气层的损害。3）影响钻井液损害程度的因素压差井筒内液柱压力和地层孔隙压力之差称为压差。如果钻井液中桥堵剂与储层岩石孔径不匹配，则压差越大，钻井液滤液及固相颗粒越易进入地层，并且在井筒周围形成较大的损害带，影响油气层的渗透率。浸泡时间对于非暂堵性钻井液，所形成内泥饼的质量一般较差。此时，钻井液浸泡油气层的时间越长，滤液的侵入量则越多，损害程度也就越大。室内研究发
15、现，缩短动态情况下的浸泡时间对保护油气层尤为重要。钻井液循环时的剪切速率若钻井液在环空循环时的剪切速率过大，会严重地冲蚀井壁，破坏泥饼，从而使其滤液及固相颗粒易于进入储层。室内研究表明，剪切速率越大，动滤失速率的恒定值越高，对岩心渗透率损害越严重。起下钻速度和钻具对井壁的刮削作用快速起钻的抽汲效应会降低钻井液液注压力，破坏泥饼及已形成的桥堵；而快速下钻的锤击效应则会使钻井液液注压力增大，从而增大压差，促使钻井液侵入地层的量增加，从而加重对储层的损害。钻具对井壁的刮削作用，会破坏已形成的泥饼或桥堵物，使钻井液易于侵入地层。第2章 钻井液与油气储层配伍评价体系的建立钻井液与油气储层配伍评价体系是一
16、个涉及到多学科、多专业、多部门的系统工程，而且钻井液与油气储层配伍有着外因、内因等多重因素的影响，而涉及到的对象的内因和外因又不尽相同，内因地质特性的不完全相同，所用钻井液体系不同，因此对一个目标区块进行配伍评价时，必须对油藏地质特性、所用钻井液性能、储层敏感性分析、钻井液与储层流体的配伍性，综合的钻井液与储层模拟动态损害评价等方面进行详细的研究。2.1 油气层地质、油藏特征分析认识油气层损害机理：油气层损害的产生原因和伴随损害发生的物理、化学变化过程。油气层损害的实质就是有效渗透率的下降，包括绝对渗透率的下降（即渗流空间的改变）和相对渗透率的下降。渗流空间的改变包括：外来固相侵入、水敏性损害
17、、酸敏性损害、碱敏性损害、微粒运移、结垢、细菌堵塞和应力敏感性损害。 相对渗透率的下降包括：水锁、贾敏损害、润湿反转和乳化堵塞。 在油气层被钻开之前，它的岩石、矿物和流体是在一定物理化学环境下处于一种物理化学的平衡状态；在被钻开之后，钻井、完井、修井、注水和增产等作业或生产过程都可能改变原来的环境条件，使平衡状态发生改变，这就可能使油气井产能下降，导致油气层损害。所以，油气层损害是在外界条件影响下油气层内部性质变化造成的，即可将油气层损害原因分为内因和外因。内因：凡是受外界条件影响而导致油气层渗透率降低的油气层内在因素，均属油气层潜在损害因素，即内因。它是油气层本身固有的特性，主要包括：岩石的
18、岩性、物性及流体性质。（1） 研究油气藏类型和油气层剖面，在岩相学、岩类学方面搞清油气层潜在损害因素；（2） 用岩心做岩矿分析测定、油气层敏感性实验，岩心静态和动态流动实验和一些模拟实验、单项实验，以及对比评价实验；（3）通过对各种生产作业的现场资料进行调查研究、综合统计和分类整理得出经验性、规律性的认识；通过实验的手段对：储渗空间、敏感性矿物、岩石表面性质、油气层流体的性质进行认识。2.1.1 储渗空间油气层的储集空间主要是孔隙，渗流通道主要是喉道。孔隙骨架颗粒包围着的较大的空间。喉道仅仅是两个颗粒间连通的狭窄部分或两个较大空间之间的收缩部分。喉道的大小、分布，以及它们的几何形态是影响油气层
19、储集能力、渗透特性的主要因素。孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通关系，称为油气层的孔隙结构。孔隙结构是从微观角度来描述油气层的储渗特性，而孔隙度和渗透率则是从宏观角度来描述油气层的储渗特性。（1）砂岩储层的孔隙类型和孔隙结构 四种基本孔隙类型：粒间孔、溶蚀孔、微孔隙及裂隙。储层中常以前三种为主，裂隙可与其它任何孔隙共生。A. 粒间孔：颗粒相互支撑，胶结物含量少，孔隙位于颗粒及胶结物之间。以这类孔隙为主的砂岩储集层孔隙大、喉道粗、连通性好。一般都具有较大的孔隙度(20%)与渗透率(10010-3 mm2)。因此，这类储层具有较好的储集性与渗透性。B. 溶蚀孔：由于碳酸盐岩、长石、硫酸盐岩或
20、其它易溶矿物溶解而成。具有这类溶孔的砂岩储层的储渗性质变化很大，取决于溶蚀孔隙的大小及孔隙间的连通性。如果溶蚀孔隙孤立不连通，则渗透性差。如果溶蚀孔隙彼此连通性很好，则渗透性较好。C. 微孔隙：孔隙直径小于0.5mm，多出现在含较多粘土矿物的砂岩中，其特征常常是高比表面积、小孔径、低渗透率、高束缚水饱和度。 D. 裂隙：裂隙是由于构造应力作用而形成。一般宽度为几微米到几十微米。裂隙孔隙度最多提供百分之几的储集空间，但可大大提高储集岩的渗透能力。 砂岩储层的孔隙和喉道组合孔隙结构每一条喉道可以连通两个孔隙，而每一个孔隙至少可以和两条以上的喉道相连接，最多的可以与六条和八条连通。主要喉道的形状和大
21、小控制着孔隙的储集性和渗透性，也是易受损害的敏感部位。（2）碳酸盐岩的储渗空间类型主要有孔洞型、裂缝型、孔洞-裂缝型。A.孔洞型：这种储集空间通常是以粒间孔隙、粒内孔、晶间孔、溶模、溶孔、溶洞等溶解孔隙为主构成。喉道是运移通道，也是易受损害部位。B.裂缝型：这种储集空间主要为数量不等的构造裂缝，而孔隙、溶洞则占次要地位。运移通道主要为裂缝。C.孔洞裂缝型：这种类型的储渗空间较为常见，油气主要存在于孔洞、孔隙中，而裂缝为主要运移通道。孔喉类型是从定性角度来描述油气层的孔喉特征，而孔隙结构参数则是从定量角度来描述孔喉特征。通过分析、比较孔隙结构参数，可以判断油气层受损害的可能性大小。常用的孔隙结构
22、参数有：Rz：主要流动喉道半径平均值； Rd：最大连通喉道半径； Rm：喉道半径平均值； R50：孔喉中值。以上参数越大，说明孔喉越大，在其它条件相同的情况下，不匹配的固相颗粒侵入的深度就越大，造成的固相损害程度可能就越大，但滤液造成的水锁效应、贾敏效应等损害的可能性就越小。孔喉弯曲程度：孔喉弯曲程度常用结构系数F来表示，F越大，弯曲程度越大，喉道越易受到损害。 华北油田对渗透率值在(10100)10-3 mm2范围内的结构系数进行如下分类： F0.1 平直型喉道 0.1F1弯曲喉道。孔隙连通程度：可用以下三个参数表示。 最小未饱和孔隙体积百分数Smin：Smin越小连通程度越好，Smin可从
23、毛管压力曲线获得。 退汞效率We：We越大，连通程度越好。 孔喉配位数：孔喉配位数即与一个孔隙连通的喉道数，可由孔隙铸体薄片统计计算求得。配位数越小，孔隙间连通程度越差。一般来说，孔隙连通性越差，越易受到损害。孔隙度是衡量岩石储集空间多少及储集能力大小的参数。孔隙度越大，储集空间及储集能力越大。渗透率是衡量油气层岩石渗流能力大小的参数，渗透率越大，岩石的渗流能力越大。 其中与油气层损害关系比较密切的是渗透率，因为它是孔喉的大小、均匀性和连通性三者的共同体现。 渗透性很好的油气层：它的孔喉较大或较均匀，连通性好，胶结物含量低，这样它受固相侵入损害的可能性较大。低渗透性油气层：它的孔喉小或连通性差
24、，胶结物含量高，这样它容易受到粘土水化膨胀、分散运移及水锁和贾敏损害。我国油气层岩石大部分属于碎屑岩与碳酸盐岩。而碎屑岩储层中又以砂岩储层较多见，并且对砂岩储层的损害问题研究较多。其中一个重要问题就是储层敏感性（指油气层损害的发生对外界诱发条件的敏感程度），其主体物质就是敏感性矿物。2.1.2 敏感性矿物油气层孔隙空间周围是由不同的岩石和矿物构成的，其中一部分岩石和矿物呈惰性，不易与流体发生物理和化学作用，因此它们对油气层没有多大损害。另一部分矿物易与流体发生物理、化学和物理化学作用，并导致油气层渗透率大幅度降低，这部分矿物就称为油气层敏感性矿物。特点：粒径很小(间层矿物（伊蒙、绿蒙间层）伊利
25、石高岭石、绿泥石。 当油气层中水敏性矿物含量及存在状态均相似时，高渗油气层的水敏性损害比低渗油气层的水敏性损害要低些。 外来液体的矿化度越低，引起油气层的水敏性损害越强；外来液体的矿化度降低速度越大，油气层的水敏性损害越强。地层水含盐量很高的地层，当钙盐和镁盐含量与总矿化度之比大于10%时，在现场施工中缓慢降低施工液含盐量能大大降低水敏性损害程度；地层水矿化度低，且钙镁盐浓度与总矿化度之比小于10%时，则缓慢降低施工液矿化度并不能使水敏性损害程度降低。 在外来液体矿化度相同的情况下，外来液中含高价阳离子的成分越多，引起油气层水敏性损害的程度越弱。实验室测定水敏采用的下列步骤： （1）首先用地层
26、水测定岩心的渗透率Kf；（2）然后再用次地层水测定岩心的渗透率Kw；（3）最后用淡水测定岩心的渗透率；从而用来确定淡水引起岩心中粘土矿物的水化膨胀及造成的损害程度。其水敏程度评价指标见表2-4：表2-4 水敏评价指标（Kf - Kw）/Kf0.30.30.70.7水敏程度弱中等强2.3.3 碱敏 高pH值的外来液体侵入油气层时，与其中的碱敏性矿物发生反应造成分散、脱落、或生成新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，导致油气层渗透率下降，这就是油气层碱敏性损害。a. 产生原因， 粘土矿物的铝氧八面体在碱性溶液作用下，使粘土表面的负电荷增多（Al-O-OH中H+的电离和OH-在粘土表面的吸附），导致晶层间斥力增
27、加，促进水化分散。 酸性氧化物，如隐晶质石英和蛋白石（SiO2nH2O）等较易与氢氧化物反应生成可溶性硅酸盐，这种硅酸盐可在适当的pH值范围内形成硅凝胶而堵塞孔道。b. 影响油气层碱敏性损害程度的因素， 碱敏性矿物的含量； 液体的pH值和侵入量，其中液体的pH值起着重要作用。地层水pH值一般呈中性或弱碱性，而大多数工作液的pH值在812之间，二次采油中的碱水驱也有较高的pH值。当高pH值流体进入油气层后，将造成油气层中粘土矿物和硅质胶结的结构破坏（主要是粘土矿物解理和胶结物溶解后释放微粒），从而造成油气层的堵塞损害；此外，大量的氢氧根与某些二价阳离于结合会生成不溶物，造成油气层的堵塞损害，称为
28、碱敏性。碱敏评价实验之目的是找出碱敏发生的条件，主要是临界pH值，以及由碱敏引起的油气层损害程度，为各类工作液的设计提供依据。通过注入不同pH值的地层水并测定其渗透率，根据渗透率的变化来评价碱敏损害程度，找出碱敏损害发生的条件：（1）不同pH值盐水的制备。根据实际情况，一般要从地层水的pH值开始，逐级升高pH值，最后一级盐水的pH值可定为12（2）将选好的岩心抽真空饱和第一级盐水，并浸泡2024h，在低于临界流速的条件下，用第一级盐水测出岩心稳定的渗透率（3）注入第二级盐水，浸泡2024h，在低于临界流速的条件下，用第二级盐水测出岩心稳定的渗透率（4）改变注入盐水的级别，重复第（3）步，直至测
29、出最后一级盐水处理后的岩心的稳定渗透率如果pHi-1盐水的渗透率Ki-1与盐水pHi的渗透率Ki之间满足式A的条件，说明已发生碱敏，即为临界pH值。损害程度的计算方法见式B 其损害程度指标见表2-5：表2-5 碱敏评价指标损害程度30%30%70%70%敏感程度弱中等强2.3.4 酸敏 油气层酸化后，由于溶解掉胶结物会释放出大量微粒，矿物溶解释放出的离子还可能再生成沉淀，则这些微粒和沉淀将堵塞储层的渗流通道，轻者可削弱酸化效果，重者导致酸化失败。这种酸化后导致渗透率降低的现象称为油气层酸敏性损害。酸化过程中岩石的溶解反应盐酸酸化：碳酸盐岩与盐酸：CaMg(CO3)2 (白云石)+ 4HCl =CaCl2 + MgCl2 + 2H2O + 2CO2CaCO3 (方解石)+ 2HCl =CaCl2 +H2O + CO2铁矿石与盐酸：FeCO3 (菱铁矿)+ 2HCl =FeCl2 +H2O + CO2Fe2O3 (赤铁矿)+ 6HCl =2FeCl3 +3H2O 氢氟酸
