深水高孔高滲儲層免破膠鉆井完井液技術

趙 欣 耿 麒 邱正松 耿 鐵 周國偉 邢希金

1. 山東省油田化學重點實驗室·中國石油大學（華東） 2. 中國石油大學（華東）石油工程學院

3. 中海油田服務股份有限公司 4. 中海油研究總院有限責任公司

0 引言

中國南海深水油氣資源極為豐富[1]。近年來，在上述區域相繼發現了多個高產砂巖氣田[2-3]，儲層整體孔滲特征好。儲層保護是油氣勘探開發重要的技術措施之一[4]，其效果直接影響到油氣藏的勘探及后期的生產效益。深水鉆完井作業成本高、作業條件苛刻、安全風險大[5-8]，一旦發生嚴重的儲層損害就有可能導致油氣產能大幅度降低，無法獲得預期的回報，造成巨大的經濟損失。因此，隨著南海深水油氣田的不斷發現并逐步進入開發階段，需要系統研究儲層損害機理與保護方法，為鉆完井工程中有效保護儲層提供理論依據。為此，筆者利用南海某深水氣田儲層的巖樣，系統開展了深水儲層損害機理研究，提出了儲層保護對策，構建了適合目標深水氣田的鉆井完井液，以期為深水油氣鉆探開發中制定和實施儲層保護技術措施提供支撐。

1 儲層損害機理

1.1 巖石礦物組成

利用D/max-IIIA X-射線衍射儀對儲層巖石進行礦物組成分析。全巖礦物分析（表1）表明，儲層礦物以石英為主，平均含量為51.25%；其次是方解石，平均含量為21.88%；黏土礦物含量平均為12.38%。黏土礦物組成分析（表2）表明，黏土礦物主要為高嶺石、伊利石和伊蒙混層，伊蒙混層含量介于10%～47%，平均30.5%；伊利石含量介于21%～45%，平均32%。伊蒙混層為水敏感性礦物，因此，地層黏土礦物可能具有較強的水化能力，容易發生水化膨脹、分散，引起起下鉆遇阻卡、井壁失穩以及儲層水敏損害等問題。高嶺石、伊蒙混層以及微晶石英顆粒等為速度敏感性礦物，因此，儲層可能發生速敏損害。

表1 儲層巖心全巖礦物分析結果表

表2 儲層巖心黏土礦物分析結果表

1.2 巖石微觀結構

利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察儲層巖樣的微觀結構。圖1為代表性巖樣SEM照片。由圖1-a可以看出，儲層巖樣粒間孔隙發育，直徑主要介于8～67 μm，其中5～10 μm喉道分布較為均勻；由圖1-b、c可以看出，粒間孔隙充填石英（Q）、速敏性礦物片狀高嶺石（K）、水敏性礦物片狀伊蒙混層（I/S）、酸敏性礦物方解石（Cc）[9]，可能發生速敏、水敏、酸敏性損害。

圖1 儲層巖樣SEM照片

1.3 巖石孔喉特征分析

利用壓汞儀測定巖石毛細管壓力曲線，分析儲層孔喉分布特征。圖2為井深2 398 m巖心壓汞實驗結果。結果表明，巖心孔隙度為26.4%，滲透率為182 mD；對滲透率有貢獻的孔喉直徑主要介于4～16 μm。綜合6塊巖心壓汞實驗結果可知，該儲層巖心滲透率介于57.2～1 376 mD，平均為535 mD；孔隙度介于26.3%～34.4%，平均為29.6%。因此，該儲層為典型的高孔高滲儲層。平均孔喉半徑為6.68 μm，孔喉半徑中值介于1.879～9.393 μm。

圖2 儲層巖心孔喉半徑分布圖

1.4 理化性質分析

選用兩口井的儲層巖樣，采用巖樣水化膨脹實驗和滾動分散實驗，分析儲層巖石理化性質。結果表明，采用儲層巖粉壓制的巖心在清水中浸泡8 h的線性膨脹率介于9.87%～13.55%，表明其具有一定的水化膨脹能力；巖樣在清水中的滾動回收率介于11.11%～15.08%，表明其具有較強的水化分散性能，鉆完井過程中可能引起儲層損害及井壁失穩。

1.5 儲層敏感性損害分析

根據SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》，對儲層巖心的速敏、水敏、鹽敏、堿敏、酸敏和應力敏感性進行評價，每項敏感性實驗使用2顆巖心。結果表明，該儲層具有強速敏性（圖3），速敏損害率達到528%和709%，臨界流速為1.179 m/d。速敏損害后巖心滲透率變大的原因是巖心中的黏土及石英等微粒隨著流體運移并最終從巖心另一端流出。儲層具有中等程度水敏性（圖4），水敏損害率分別為35.7%（中等偏弱）和62.3%（中等偏強）。

圖3 流速敏感性實驗結果圖

圖4 水敏感性實驗結果圖

鹽敏實驗中，隨著礦化度升高，滲透率有所降低，臨界礦化度為55 000 mg/L；堿敏損害程度為中等偏弱，臨界pH值為10；應力敏感性為中等偏弱。酸敏感性評價實驗中，由于儲層巖石中含有方解石，可溶于酸。因此巖心滲透率增加。

綜合以上實驗結果，分析該深水氣田鉆完井工程中儲層損害機理。

1）固相侵入堵塞孔喉，由SEM實驗結果可知，該高孔高滲儲層孔喉直徑主要介于6～70 μm，而根據壓汞實驗結果，對滲透率有貢獻的喉道半徑主要介于4～16 μm，表明盡管孔隙尺寸大，分布廣，但大孔隙連通性較差。利用Bettersize 2000激光粒度分布儀對膨潤土和重晶石這兩種鉆井液常用的固相材料的粒徑分布進行測試。結果表明，鈉基膨潤土和API重晶石的粒徑中值（d50）分別為7.719 μm和16.61 μm，即鉆井液中的主要固相尺寸均在儲層主流喉道直徑的1/3～1/2范圍，容易發生固相侵入堵塞孔喉。

2）工作液與儲層巖石不配伍，儲層巖石中黏土礦物含量介于3%～38%，其中水敏性礦物伊蒙混層含量最高可達47%，導致儲層容易發生水敏性損害；鹽敏損害的原因是高礦化度的工作液會壓縮伊蒙混層及高嶺石等黏土礦物的擴散雙電層，造成顆粒失穩、脫落、運移，堵塞孔喉；或者黏土礦物作為膠結物時，其去水化脫落導致周圍砂粒脫落、運移，堵塞儲層孔喉。儲層黏土礦物中，高嶺石含量最高可達52%，存在中等偏弱的堿敏性損害；而儲層SEM照片（圖1）中可以看出，巖石孔喉普遍充填有高嶺石、伊蒙混層以及微晶石英等速敏性礦物，在流體擾動下容易發生運移，堵塞孔喉，導致儲層具有強速敏性。

2 深水氣田儲層保護鉆井完井液研究

基于目標深水氣田高孔高滲儲層損害機理分析，提出了鉆井完井液儲層保護技術對策。

1）實現儲層孔喉的高效暫堵，減少固相和濾液侵入是保護目標儲層的關鍵。針對高孔高滲儲層孔喉尺寸較大、分布較廣的特點，需要在準確分析孔喉尺寸和分布規律的基礎上，優化暫堵劑種類和粒度級配，實現高效暫堵孔喉，配合使用優良的降濾失劑形成優質泥餅，降低濾失量，減少固相和濾液侵入。

2）需保證鉆井完井液具有優良的黏土水化抑制性，根據水敏性實驗結果，入井流體礦化度應高于17 819 mg/L（地層水礦化度的1/2），并加入高效黏土水化抑制劑，避免水敏性黏土礦物發生大面積水化造成儲層損害。由于該儲層存在一定程度的鹽敏性損害，要求鉆井完井液礦化度低于55 000 mg/L。但是由于鉆井完井液密度調節以及水合物防治要求，通常需要加入高濃度的無機/有機鹽，導致鉆井完井液礦化度超過臨界礦化度，可能造成鹽敏損害。因此，更需要實現高效暫堵儲層孔喉，減少鉆井完井液濾液侵入儲層引起的敏感性損害。入井流體pH值應控制在10以內，避免堿敏損害。此外，還需探索控制儲層微粒運移損害的方法。

3）在鉆井完井液處理劑優選中，需要考慮后期有效解堵，選用易返排解堵甚至自降解解堵的聚合物處理劑及酸溶性暫堵劑。

4）合理控制鉆井完井液密度和流變性，控制鉆井液循環當量密度（ECD），盡可能降低鉆井液侵入儲層的驅動壓差。考慮到深水鉆完井作業工況，鉆井完井液需具有良好的低溫流變性等性能。

2.1 基于理想充填理論的暫堵劑設計

由于目標儲層非均質性較強，孔喉尺寸分布不集中，傳統的1/2～1/3架橋顆粒選擇方法難以有效暫堵寬尺度分布的孔喉[10-13]?；诶硐氤涮罾碚摵蚫90規則建立的理想充填暫堵方法可設計與儲層孔喉分布相匹配的理想充填暫堵顆粒組合[14-16]。利用理想充填暫堵設計軟件，根據儲層巖心壓汞實驗得到的最大孔喉直徑d90等參數，優化設計不同粒徑高純碳酸鈣（酸溶率＞90%）的配比。結果表明，1 000目碳酸鈣、800目碳酸鈣和600目碳酸鈣的最優質量比為8∶24∶68。同時碳酸鈣還可以起到鉆井完井液加重劑的作用，減少無機/有機鹽加重劑用量，降低鹽敏性損害。

2.2 鉆開儲層的鉆井完井液體系優化與性能評價

綜合考慮鉆井完井液儲層保護性能、流變性、黏土水化抑制性以及水合物抑制性等[17-20]，優化出目標深水氣田高孔高滲儲層鉆井完井液體系配方：除鈣鎂海水＋0.8%改性黃原膠MOVIS＋2%淀粉降濾失劑STA＋2%聚胺抑制劑SDJA＋8%NaCl＋1.5%聚合醇GLX（使用碳酸鈣加重至1.12 g/cm3）。

2.2.1 基本性能評價

由表3可知，密度為1.12 g/cm3的鉆井完井液熱滾前后流變性變化較小。在深水海底2 ℃低溫下，鉆井液的黏度和切力等流變參數有所增加，隨著溫度升高逐漸降低。以2 ℃和25 ℃下流變參數的比值來表征鉆井液流變性受低溫的影響[17]，塑性黏度PV（2℃）∶PV（25 ℃）=1.14，動切力YP（2 ℃）∶YP（25℃）=1.28，表明該鉆井完井液具有良好的低溫流變性。在模擬平臺（25 ℃）—海底（2 ℃）—下部井筒（75℃）鉆井完井液往復循環條件下，PVmax∶PVmin=1.64，YPmax∶YPmin=1.37，未發生嚴重增稠甚至膠凝；動塑比介于1.07～1.41，φ6值介于14～20，具有良好的井眼清洗效果。鉆井完井液API濾失量＜5 mL，高溫高壓濾失量為14.8 mL，降濾失效果優良，可有效控制濾液侵入儲層。

表3 鉆井完井液基本性能評價實驗結果表

2.2.2 抑制黏土水化性能

利用儲層巖粉壓制的巖心在清水中浸泡8 h的線性膨脹率為13.63%，在鉆井完井液中的膨脹率為2.68%；儲層巖樣在清水中的滾動回收率分別為10.12%和15.08%，在鉆井完井液中的回收率分別達到87.33%和92.02%。因此，該鉆井完井液具有優良的抑制黏土水化膨脹、分散能力，可以避免鉆完井過程中黏土水化引起的儲層損害及井壁失穩。

2.2.3 鉆井完井液儲層保護效果評價

2.2.3.1 高孔高滲儲層暫堵效果評價

利用滲透性封堵實驗裝置[21]，選用滲透率為5 000 mD的砂盤（孔隙直徑介于15～20 μm）模擬深水高孔高滲儲層較大尺寸孔喉，在90 ℃、7 MPa下評價鉆井完井液對砂盤的暫堵效果。結果表明，基于理想充填暫堵方法設計的鉆井完井液對高孔高滲儲層具有優良的暫堵效果，濾失量僅為1.8 mL，而海上油氣田常用的PRD鉆井完井液濾失量為22.1 mL。圖5為污染前后砂盤表面的SEM照片?？梢钥闯觯次廴镜纳氨P存在大量孔隙，鉆井完井液污染的砂盤表面的孔隙被暫堵劑配合降濾失劑有效封堵，顯著減少濾液侵入儲層。

圖5 鉆井完井液對砂盤表面暫堵效果的SEM照片

2.2.3.2 泥餅清除效果測試

儲層段鉆井完井液中的高分子聚合物增黏劑、降濾失劑及固相顆粒會在儲層井壁表面形成泥餅，在鉆井過程中有效控制濾液侵入，但通常完鉆后需要進行破膠解堵[22-24]。因此，選用分子量適中，在酸性條件下易降解的高分子聚合物以及酸溶性固相材料，有望實現在酸性完井液中自動清除泥餅，解除堵塞。使用鉆井完井液進行API濾失實驗，將烘干稱重的泥餅置于海上油氣田裸眼完井使用的隱形酸完井液中，在90 ℃下靜置不同時間后，烘干并稱量剩余泥餅質量，完井液浸泡前后泥餅質量差與浸泡前泥餅的質量之比即為泥餅清除率。圖6表明，該鉆井完井液形成的泥餅在隱形酸完井液浸泡后逐漸溶解，清除率隨浸泡時間的增加逐漸提高，8 h后泥餅清除率可達88%以上，說明隱形酸完井液可有效清除該鉆井完井液形成的泥餅，解除堵塞。

圖6 鉆井完井液泥餅清除率隨時間的變化圖

2.2.3.3 鉆井完井液巖心返排解堵效果評價

利用多功能儲層保護儀[25]，實驗研究鉆井完井液污染巖心后直接返排解堵的效果。實驗過程中，首先測定巖心的初始滲透率，然后使用鉆井完井液動態污染巖心125 min；分別測試不同流量返排后巖心的滲透率，計算巖心返排后的滲透率恢復值[26-27]。為了保證實驗平行性，采用目標深水儲層巖心和貝雷天然露頭砂巖巖心（氣測滲透率為300 mD和700 mD兩種規格）進行實驗。表4結果表明，儲層巖心經該鉆井完井液污染后直接返排解堵的滲透率恢復值達到83%以上，突破壓力約0.018 MPa；天然巖心直接返排解堵的滲透率恢復值為74.5%～92.24%，突破壓力介于0.016 9～0.040 5 MPa，表明該鉆井完井液鉆開儲層后直接返排可解除大部分泥餅堵塞，無需再使用破膠液進行破膠解堵作業。

表4 巖心返排解堵評價實驗結果表

2.2.3.4 系列流體污染巖心實驗評價

參考《鉆井液完井液損害油層室內評價方法：SY/T 6540—2002》，采用目標深水儲層巖心和貝雷天然巖心，分別開展系列入井流體靜態和動態污染實驗，分析鉆開儲層使用的鉆井完井液以及后續裸眼完井使用的隱形酸完井液順序污染后巖心滲透率的變化。表5結果表明，2顆深水儲層巖心的滲透率恢復值分別達到86.19%和97.17%，4顆天然砂巖巖心的滲透率恢復值均達到89%以上，表明使用該鉆井完井液與隱形酸完井液作業對儲層損害程度很小。隱形酸完井液可在一定程度上降解鉆井完井液中的部分聚合物處理劑并溶解碳酸鈣暫堵劑，在直接返排解堵后，可進一步清除殘余泥餅，恢復儲層滲透率。

表5 系列入井流體污染損害評價實驗結果表

2.3 現場應用

該鉆井完井液在南海L深水氣田的4口井的儲層段作業中進行了現場應用。4口井水深為1 259～1 528 m，井深介于3 250～3 846 m，井底溫度介于87～120 ℃，井口返出的鉆井完井液溫度約為16 ℃。作業過程中未發生井壁失穩、井漏、鹽結晶或水合物堵塞等井下復雜情況。鉆井完井液動塑比高，水平井段攜巖效果好，且未發生低溫嚴重增稠問題。儲層段鉆井作業結束后直接返排解堵，未進行破膠作業，4口井產量均高于配產，表明該鉆井完井液儲層保護效果優良，實現了免破膠作業，簡化了完井工序，節約了完井作業時間。

3 結論

1）南海目標深水氣田產層為高孔高滲砂巖儲層，礦物組成以石英為主，黏土含量平均為12.38%，主要為高嶺石、伊利石和伊蒙混層；存在著強速敏性、中等程度的水敏性、中等偏弱的堿敏和應力敏感性等損害。

2）鉆完井工作液中的固相侵入以及工作液與儲層巖石不配伍是儲層損害的主要機理；要求鉆井完井液對儲層孔喉進行高效暫堵，同時強化黏土水化抑制性，控制礦化度和pH值，選用易解堵的處理劑，并合理調控ECD。

3）通過理想充填暫堵方法，可以實現深水儲層較大尺寸范圍孔喉的有效暫堵。優化出的深水鉆井完井液具有良好的流變性、濾失造壁性和抑制黏土水化性能，巖心直接返排解堵的滲透率恢復值介于74.5%～92.24%，與隱形酸完井液順序污染巖心后滲透率恢復值達到86%以上。4口井的現場應用表明，該鉆井完井液可滿足深水氣田儲層鉆井技術要求，無需破膠解堵作業，儲層保護效果優良。