完井液讲义

第五章完井液完井液（CompletionFluid）是完井作业过程中使用的各种工作液的统称。第一节储层保护对完井液的要求任何限制油气从井眼周围流入的现象称为储层受损害或“被污染”。实践经验和科学分析都表明：用劣质钻井液和完井液钻开油层和完井，会使油井的产能降低30％以上。储层受损害后要进行恢复往往是很困难的，而且所需费用很高，因此最好的方法是防止储层被损害。表5-1-1地层损害的类型与原因损害类型产生的原因1．毛细现象（1）相对渗透率降低（2）润湿性改变（3）孔隙的液锁（1）孔隙中水、油、气相对含量改变（2）表面活笥剂侵入（3）粘性流体侵入2．地层孔隙堵塞有机物、无机物微粒的侵入3．结垢盐的沉淀4．岩石的损害（1）分散运移（2）微粒运移（3）矿和沉淀（4）晶格膨胀（5）非胶结（1）离子环境的改变（2）胶结颗粒的松散溶解（3）矿物的溶解和重新结晶（4）过多的水进入晶格（5）地层结构的疏松一、储层损害的主要原因。完井液与油、气储层接触会带来不同程度的损害。其损害程度随储层特性和完井液性质不同而异。一般认为储层被损害的主要原因是外来流体侵入油层、产生各种不利的物理、化学作用，造成固体物的堵塞或液体性质的改变，降低了油气相渗透率。地层损害的类型和原因见表5-1-1：二、储层损害室内评价方法同种完井液对不同的储层可能产生不同的损害。因此在确定完井液体系时，必须针对具体油田的储层特性进行室内的评价研究。目前国内外常用的评价储层损害的实验方法基本上可分为储层敏感性系统评价和完井液对储层的损害评价两大类。储层敏感性评价是基础，钻井液和完井液对储层损害评价需要在敏感性评价的基础上进行。1．储层岩心敏感性评价从保护储层的角度评选完井液体系或添加剂，首先必须针对将与之接触的具体储层的岩心作敏感性实验。敏感性评价分速敏、水敏、盐敏、碱敏和酸敏五个实验。其目的是了解储层对完井液使用条件的敏感程度，特别对砂岩储层这是非常重要的。五敏实验是在岩心流动实验装置上进行的，实验的方法和标准可采用《砂岩储层敏感性评价一岩心流动试验程序》的行业标准，实验流程如图5-1-1所示。（1）流速敏感性评价实验流速敏感性是指储层内流体流动速度增大时引起储层中微粒运移，喉道堵塞，造成渗透率下降的现象。速敏实验的目的是了解储层渗透率变化与储层流体流速的关系。如果储层有速敏现象，要求出开始发生速敏的临界流速，并根据实验结果评价由速敏引起的渗透率损害程度，以指导今后开发过程中选择合理的注采速度，同时也为其它流动实验选取合适的流速。（2）水敏性实验水敏是指与储层不配伍的外来流体进入储层后引起粘土膨胀、分散、运移，使孔隙和喉道减小或堵塞，降低储层渗透率的现象。（3）盐敏性实验盐敏性是指储层在不同浓度盐水溶液中，由于粘土矿物的水化、膨胀而导致渗透率下降的现象。（4）碱敏性实验碱敏是指高pH值的流体进入储层后造成储层中粘土矿物和硅质胶结的结构破坏，以及与某些阳离子生成沉淀引起储层渗透率下降的现象。（5）酸敏性实验酸敏性是指酸化液进入储层与储层中的酸敏矿物发生反应，产生沉淀或释放出微粒，使储层渗透率下降的现象。2．完井液储层损害评价（1）渗透率恢复值实验渗透率恢复值实验是评价钻井液和完井液对储层的损害程度或对储层保护效果的最直观的方法。它是用天然岩心或人造岩心在岩心流动实验装置上，测量实验岩心污染前后的渗透率，得到的一个比值即为渗透率恢复值，它比较直观地反映了储层岩心的损害程度。完井液的渗透率恢复值越大，说明对储层损害越小。渗透率恢复值一般应不小于75％。实验流程同图5-1-1。（2）损害半径（γd）测定钻井液或完井液侵入储层造成储层渗透率降低的储层深度与井眼半径之和即为损害半径。损害半径的测定是通过在高温高压动失水装置上，模拟井下温度、压差和流动速度的实验条件下，对实验岩心进行动、静失水实验，测量一定时间内的滤失总量，然后根据公式推算出钻井液或完井液与油层接触期间侵入储层的深度即损害半径。损害半径的测定目前国内外没有统一的方法，使用不同的实验装置需采用不同的公式进行计算。当采用江汉石油学院的JHDS-高温高压动失水仪评价储层损害时，常采用下列公式计算损害带半径γd。式中γω——井眼半径，cm；——储层岩心孔隙度；小数值；ψ一一岩心水驱油效率；小数值；Q——单位面积总滤失量（动滤失加静滤失），cm3／cm2。损害带半径的大小反映了外来液体影响储层的深度，一般要求钻井液和完井液的损害带半径应尽可能小。3．评价完井液体系及处理剂的实验程序为了确定完井液体系配方和筛选配伍处理剂，进行储层保护的评价实验。按下列步骤：1）选样和岩样制备研究完井液体系配方，筛选处理剂时一般采用模拟储层物性的人造岩心，而完井液体系的最终确定或储层保护效果的最终验证必须使用储层的天然岩心。2）测定岩样的空气或氮气渗透率调Ka、孔隙度。3）模拟原始含水饱和度先将岩样抽真空，用地层水（或模拟地层水）饱和岩样，再用煤油或柴油驱替地层水，使岩样中含水饱和度达到其束缚水状态。4）在岩心流动实验装置上测定岩样污染前的油相正向渗透率。5）模拟动态污染将岩样装人动态模拟装置（如高温高压动失水仪），用完井液或按使用浓度配制成的处理剂水溶液在设定的动态条件下反向挤人岩样进行污染，污染结束后，取出岩样并刮去反向端面形成的滤饼。6）测污染后的油相正向渗透率在与步骤4相同的条件下，测定完井液污染后岩样的油相正向渗透率。该渗透率与污染前的油相渗透率的比值即渗透率恢复值，用它即可评价完井液的储层损害程度，或反映了完井液的储层保护效果。三、完井液的功能为满足保护储层、防止污染、作业安全，完井液应具备如下功能：1）平衡地层压力，保证作业的安全；2）提供储层保护能力，减少对生产层的损害；3）携带、悬浮固相颗粒；4）提供防腐能力，减轻对套管、油管和井下工具的腐蚀；5）与储层具有相容性，不改变储层岩石的表面特性。四、防止储层损害的措施完井液对储层的损害主要发生在液相本身侵入储层和完井液中的固相颗粒进入储层孔道后对储层的堵塞，因此防治措施主要是解决这两个方面的问题。1．控制液相侵入液相侵入储层后会给储层造成多种负面影响。如：外来水进入储层，会使储层的含水饱和度增加，含油饱和度下降，导致油的相对渗透率下降；含有表面活性物质的外来液体进入储层，其中的表面活性剂可在液固界面上吸附，而改变地层孔隙的润湿性。据资料介绍，亲水性地层转变为亲油性地层，可使油的相对渗透率下降15％～85％；乳状液、粘稠液体侵入储层，由于其粘度比水大，必然对储层流体的流动产生阻力，同时乳状液在孔喉处产生贾敏效应，使储层渗透率下降；外来液体进入储层与地层矿物、地层水发生化学反应产生垢状沉淀而堵塞孔道，也会引起储层渗透率下降；外来液体侵入储层还会改变储层的地质化学条件，使得储层中粘土矿物的化学平衡发生破坏，造成粘上矿物膨胀、分散以致剥离，导致井眼周围岩石的松散，地层一旦松散，较小的颗粒产生运移，较大颗粒桥塞孔隙，使孔隙变小，喉道封闭，严重地影响储层的渗透率。针对液相侵入储层可能造成的不良影响，应采取适当的措施来减小这些损害，这些措施包括：1）降低完井液的滤失量；2）控制适当的密度，减小压差；3）采用适当的pH值；4）不使用与地层水发生化学反应，产生沉淀的盐；5）提高完井液的抑制性；6）完井液中尽量减少使用表面活性剂和大分子类增粘剂。2．控制固相侵入完井液中的固相颗粒侵入储层造成的损害主要体现于在井眼周围地层内形成的内泥饼对孔隙的堵塞。这种损害是必然的，直到内、外泥饼完全形成之后才会停止。固相侵入与压差、固相浓度和级配（即各种大小颗粒所占的百分比）、工作液的失水性能和地层的接触时间有关。固相侵入深度从几厘米到几十厘米不等。固相堵塞可使渗透率下降50％～80％，严重时在采油过程中也不能解堵，一般是永久性损害，对大孔隙油层更为明显。堵塞深度和程度取决于固相的浓度和级配。研究表明，外来固相颗粒对地层造成损害的机理可分为三类：粒径大于地层孔道平均直径三分之一者将在地层岩石的表面或浅层形成稳定的桥堵层，它们不会侵入地层的孔道；小于地层孔喉平均直径三分之一到七分之一的，将侵入孔隙并在喉道处形成堵塞；具有七分之一到十分之一平均孔喉直径的固相颗粒侵入地层孔道后，随着侵入液体深入，流速逐渐降低，最终因重力作用超过流动的力量而沉积，造成地层的深部损害。更小的固相颗粒可以自由地通过地层孔道。针对固相损害的原因，一般可采取下列措施来减小损害：1）选用合适的无固相清洁盐水作完井液；2）控制适当的完井液密度，减小压差；3）降低完井液的滤失量；4）采用屏蔽暂堵技术，在完井液中加入与油层孔喉直径匹配的桥堵剂，使其在井眼周围地层的浅表处形成致密不渗透的屏蔽层，阻止进一步侵入损害油层。5）采用精细过滤技术，清除完井液中的有害固相颗粒，保证无固相完井液的洁净。第二节完井液体系一、完并液分类完井液体系分类见表5-2-1：表5-2-1完井液分类水基完井液清洁盐水完井液NaCl盐水气基完井液空气KCl盐水雾液CaCl2盐水充气钻井液CaCl2CaBr2ZnBr2盐水泡沫液有固相盐水完井液酸溶体系油基完井液油包水乳化液水溶体系纯油分散液油溶体系改性钻井液二、水基完井液水基完井液是目前国内外使用最广泛的完井液体系，它是一种以水为分散介质的完井液体系。水基完井液又可分成三类：即无固相清洁盐水、无粘上有固相粘性盐水和改性钻井液。1．无固相清洁盐水完井液元固相清洁盐水完井液是所有水基完井液体系中应用最广泛的一种完井液体系。它具有以下的特点：1）消除固相对储层的污染，工作液中完全不含固相，既能满足保护油层又能满足作业施工要求；2）用过滤的办法保证盐水的清洁程度；3）用不同种类的无机盐、不同的浓度和配比调整完井液的密度以满足井下需要；4）用体系的高矿化度和各种离子的组合实现体系对水敏矿物的强抑制性，以控制储层的水敏性损害；5）用对储层无损害（或损害低）的聚合物提高完井液的粘度和降失水；6）通过添加表面活性剂和防腐蚀剂，满足防腐等方面的要求。（1）清洁盐水的密度范围清洁盐水是由清水和一种或几种无机盐配成的盐水溶液，其密度由盐的浓度和各种盐的比例确定，密度范围1.01～2.42g／cm3。各种盐水溶液的最高密度见图5-2-1：表5-2-2配制1m3KCl盐水溶液的配方密度（21℃）g/cm3KCl①重量％加水量m3KCl加量kg结晶点℃1.011.031.051.081.11.131.151.161.15.29.012.716.119.522.724.20.9950.9760.9600.9430.9240.9070.8900.88111.454.095.4136.9178.3219.8261.5282.1－0.5－2－3.9－5.6－7.8－1040TCT②60TCT①KCl的纯度为100％；TCT－热动力结晶温度。（2）几种常用无固相盐水溶液的配方低密度盐水溶液一般由氯化钠、氯化钾和氯化钙配制，高密度盐水溶液一般由氯化钙、溴化锌和溴化钙等两种或三种盐混合配制。这几种盐水溶液的配方（见表5-2-2、表5-2-3、表5-2-4、表5-2-5、表5-2-6、表5-2-7）。表5-2-3配制1m3NaCl盐水溶液的配方密度（21℃）g/cm3NaCl重量加水量m3NaCl①加量kg结晶点℃1.011.031.051.081.111.131.151.181.201.04.57.510.813.917.020.023.026.00.9950.9980.9730.9600.9470.9330.9180.9020.88810.046.979.4116.3153.5179.2230.6270.9311.5―0.5―2.8―4.4―7.2―10―12.8―16.1―20.630TCT②①NaCl的纯度为100%；②TCT――热动力结晶温度。表5-2-4配制1m3NaCl盐水溶液的配方密度（21℃）g/cm3NaCl重量加水量m3NaCl①加量kg结晶点℃1.011.021.081.141.201.261.321.381.391.420.92.28.815.221