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钻井液井壁侵入深度技术研究

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钻井液井壁侵入深度技术研究

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2012年5月10日

钻井液井壁侵入深度技术研究

摘要

正压差情况下钻井液在钻井过程中一般要进入井壁一定深度。

钻井液的侵入不仅污染储层，降低产能，而且对各种测井响应有不同程度的影响，造成测井解释的多解性甚至误解释。

控制钻井液井壁侵入深度是射孔完井油层保护的重要手段。

以屏蔽暂堵技术为核心的一系列钻井液改造技术希望能够有效控制钻井液井壁侵入深度。

测量钻井液井壁侵入深度可以验证钻井工艺在油层保护方面的实际成效，客观提升油层保护工艺技术进步。

能够反映钻井液井壁侵入深度的测量工艺技术很多，但是由于油田公司在降低钻井投资方面压力较大，开发井许多常规测量项目被删减或完全取消，寻找一种低成本而又简单便捷的探测钻井液井壁侵入深度的测量工艺技术是本文的研究核心。

钻井液侵入渗透性地层时所形成的流体界面在钻穿该地层后的一段时间内应该是相对边缘清晰的，在这时候侵入带和非侵入带之间形成一个高频电磁波的反射界面。

在非磁性介质中，充填流体岩石的电导率和介电常数主要由孔隙中水的数量和电导率确定，因此，主要影响电磁波传播的岩石物性参数是钻井液电阻率，地层水电阻率及含水饱和度。

关键词：

钻井液，油层保护，侵深，测量，简单，工艺

第一章油田保护储层的钻井液技术

1.1储层损害的概念

所谓储层损害是指油层钻开后，到石油开采完整个过程中，由于外来固相物质与流体侵入后，引起油层岩石及其孔隙空间和流体发生物理、化学和物理化学变化导致孔隙空间改变、渗透率降低和渗流阻力增加、油井产量降低。

储层损害（即地层损害）存在于许多油井生产的始终。

微粒运移，粘土矿物水化、膨胀分散，无机垢，沥青质和其它的有机沉淀物等都对地层损害产生。

地层的损害可以致使油井减产，一般要进行的是昂贵处理这样才可以消除其损害。

地层的损害分为机械的损害与化学的损害。

机械的损害是颗粒的固相和乳化物及沥青与无机盐以物理的方式堵塞孔隙的空间。

储层中发生了化学的变化因而造成地层的损害，往含的高矿化度的地层水砂岩储层的注低矿化度水，低矿化度水将诱发粘土的膨胀与微粒的运移。

钻井液对储层造成的可能伤害有：

滤液可引起粘土膨胀、水锁、乳化、固相引起堵塞等；促使钻井液及固相易于进入地层；增大滤液侵入量；冲蚀井壁破坏滤饼，不仅促使滤液进入产层，而且易造成井眼扩大，影响因井质量；快速起钻的抽汲效应，可破坏滤饼，快速下钻的冲击可增大压差，从而促使钻井液侵入储层量的增加；一方面可破坏滤饼，使钻井液易于进入储层，另一方面泥抹作用，使固相嵌入渗流通道，降低储层渗透率。

1.2保护储层的钻井技术

在钻开油气层、注水泥、射孔完井、酸化、压裂、采油、注水、修井等各个生产过程中都会不同程度地损害油气层。

而钻井作业是打破油气层原始平衡状态的第一步骤，因此，钻井过程中的油气层保护技术就显得尤为重要。

钻井过程中保护储层的有效地方法是：

.欠平衡钻井技术，避免正压差作用下的侵入损害；屏蔽暂堵保护油气层的钻井液技术；使用减少油气层损害的钻井液。

1.3保护储层的钻井液技术

保护储层的典型的钻井液体系有如下种类：

有机盐（甲酸盐）钻井液；聚合醇钻井完井液；无机正电胶（MMH）钻井完井液；有机正电胶钻井完井液；甲酸盐聚合醇钻井完井液；无机正电胶（MMH）聚合醇钻井完井液；正电性钻井液；成膜水基钻井液（或称超低渗透钻井液）。

1.3.1暂堵粒子

按照粒子物理性质可分为刚性粒子、变形粒子和纤维状粒子。

刚性粒子主要为超

细碳酸钙颗粒，变形粒子常用磺化沥青、氧化沥青、石蜡和树脂等材料；纤维状粒子主要为石棉短纤维。

按照粒子的作用可分为架桥粒子和填充粒子。

架桥粒子的粒径较大，其作用是堵住孔隙喉道，将大的喉道分割为直径更小的通道；填充粒子是架桥粒子的下一级粒子，其作用是堵住由大喉道分割而成的次级小喉道。

变形粒子的作用较为复杂，它既可以堵塞填充粒子未堵住的更次一级的微小喉道，也可与其它粒子一起堵塞较大的孔隙喉道。

而纤维状粒子的主要作用是堵塞孔径较大的裂缝。

1.3.2暂堵粒子粒径的选择原则

对于孔隙性储层，通常按最大连通孔喉直径的1/2～2/3选择架桥粒子（常用刚性粒子，即细目的CaCO3）的粒径，并使这种颗粒在钻井液中的含量大于3%。

通常选择粒径大约为最大连通孔喉直径的1/4的刚性粒子作为填充粒子，其加量应大于1.5%。

可变形颗粒一般选用粒径与填充粒子相当、软化点与油气层温度相适应的可变形颗粒，加量通常为1～2%。

若储层存在裂缝或宽度较大的微裂缝，则架桥材料中还应加入纤维状暂堵材料，用以封堵裂缝，纤维长度应根据裂缝宽度而定。

屏蔽暂堵现场实施的工艺技术要求:

第二章成膜水基钻井液（超低渗透钻井液）

长期实践表明，利用传统钻井液体系，往往顾此失彼，难以同时解决在钻遇压力衰竭地层、裂缝发育地层、破碎或弱胶结性地层、低渗储层以及深井长裸眼大段复杂泥页岩和多套压力层系等地层时压差卡钻、钻井液漏失和井壁垮塌以及地层损害等等复杂问题。

为此，近年来国外学者提出并开发出成膜（超低渗透）钻井液体系。

超低渗透钻井液主要工作原理为：

利用特殊聚合物处理剂，在井壁岩石表面浓集形成胶束，依靠聚合物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性，能封堵岩石表面较大范围的孔喉，在井壁岩石表面形成致密超低渗透封堵膜，有效封堵不同渗透性地层和微裂缝泥页岩地层，在井壁的外围形成保护层，钻井液及其滤液完全隔离，不会渗透到地层中，可以实现近零滤失钻井。

成膜水基钻井液技术就是使钻井液具有半透膜性能，或在井壁上形成一层分子膜（隔离膜），在井壁的外围形成保护层，阻止水及钻井液进入地层，从而有效地防止地层水化膨胀，封堵地层裂隙，防止井壁坍塌，保护油气层。

成膜钻井液技术是防止井壁坍塌与保护储层完全协调一致的新技术。

成膜钻井液（半透膜、隔离膜）既有半透膜效能，又能在井壁上形成隔离膜，两者相互协同作用，具有很强的抑制泥页岩水化膨胀分散、封堵地层微裂缝的能力，能阻止钻井液及其滤液进入地层，是一种动态滤失量为零的钻井液，能有效地稳定井壁，保护储层效果好。

2.1成膜钻井液降滤失、减小储层损害机理

当用超低的渗透钻井液进行钻井时，钻井液里含有聚合物聚集成的可变形胶束，钻井液能透过的页岩进行渗透进去，这些的胶束在页岩上的迅速铺展开来，在孔喉处能形成低渗透性封闭，阻止钻井液进一步渗透。

钻井引起的页岩产生出裂缝时，超低的渗透钻井液就能填塞这些的裂缝，钻井液在裂缝空隙中或者碎片表面上产生的表面张力，空隙或者碎片越小就张力越大。

由此可以阻止钻井液的滤失，在井壁的表面形成了致密无渗透封堵的薄层，有效的封堵不同的渗透性的地层与微裂缝泥的页岩的地层，在井壁外围可形成保护层，钻井液以及滤液的完全隔离，不会去渗透到地层当中，可实现近零的滤失钻井，防止地层的内粘土颗粒运移，减少钻井液对储层损害以保护油气层。

2.2提高地层的承压能力的机理

钻井施工的过程中，由于井壁针对钻具会产生各种摩擦力，摩擦通过钻杆和形成过平衡压力，过平衡压力通过钻杆适用于墙壁。

如果不能削弱或消除形成过平衡压力，这将导致井壁坍塌和严重的钻井液过滤。

超低渗透钻井液具有良好的密封性能，它可以过平衡压力消除零，压力不转移的形成，通过有效的封堵地层，钻接杆不是由于过平衡压力和冲击轴。

在这种情况下，由过平衡产生的摩擦力被削减到零，故而不会造成井壁坍塌和钻井液严重滤失。

2.3消除压差卡钻机理

压差是钻井液柱压力与地层孔隙之差值大小，是作用于钻铤而压紧在泥饼上的侧压力值。

压差越大，更容易坚持。

一旦钻杆和容易渗透地层接触，钻井液产生的过平衡压力去钻杆，钻杆对井壁造成粘。

压力差的情况下，一个重要的因素，影响性能的钻井液滤饼，如果滤饼厚度，钻杆泥饼会越来越大，然后比较薄滤饼易钻。

在超低漏钻井液的低漏屏障迅速产生，气密密封膜形成，钻井液漏极低，滤饼厚度为最常规钻井液快速增厚，压力差不传送到地面。

因此使用超低渗漏钻井液可大大降低卡钻的风险。

第三章钻井液井壁侵入深度测量仪采用的关键技术

3.1微型化井下电磁探测仪器大功率供电技术

系统是一个强大动力电源，输出功率较大。

它是由微机控制的，微机正常工作是整个系统安全运行的保证。

然而微机是在弱电下工作的，强电干扰是微机正常工作的严重威协，它可引起微机误动作进而整个设备损坏。

为了消除高压电路与微机控制系统之间的电联系以减小强电干扰，我们在整个电路中采用了隔离技术。

如低压控制信号是通过光电藕合方式传输到高电压电路中的微机与其它电路的工作电源都采用隔离电源一变换器，以消除通过电源的祸合干扰从高压电路中得到的电流信号也是通过隔离放大器放大后再送人低压电路中。

供电系统的控制装置高低压电路、发电机、发动机的点火系统等都在一个车体内，高压电路的开通、发电机的运行、点火系统的工作都能在车体内产生强电磁干扰，故提高微机控制系统的抗干扰能力是本系统的关键间题。

要特别注意微机系统内大规模集成电路电源的高低频滤波，良好合理的接地，屏蔽的加强以及信号触发采用电平方式等。

同时也要注意控制信号的驱动器对干扰信号的抑制和滤除，保证高压可控开关按正常程序运行。

对汽车发动机的点火系统的高频干扰可以采用阻尼大的点火传输线加以抑制。

系统逆变器由可关断可控硅组成，它价格昂贵，容易损坏，对其采取可靠的保护是整个系统安全工作的关键。

可控硅对过电压极灵敏，当正向电压超过它的断态重复峰值电压一定值时就会误导通，引起工作不正常当外加的反向电压超过它的反向重复峰值电压一定值时，可控硅只需几个微秒就会损坏当过电流通过可控硅时，必须在内下降到额定值，否则形成永久性破坏。

因此对可控硅必须进行过电压、过电流保护。

本系统采取如下保护措施一般的阻容保护可以抑制浪涌电压对可控硅的损害。

压敏电阻保护。

在电路中加人压敏电阻，可以为开闭冲击电压，雷击等引起的过电压提供良好的能量消散渠道，起到阻容保护难于完成的保护作用。

过流保护。

当外电路过载或短路引起过流时，本系统的电子开关动作，一方面关断高压输出，另方面关断发电机励磁电流以关断发电机输出电压。

除此以外还用快速熔断器作过流保护。

逆变保护。

系统中，由于干扰或控制系统工作不正常，引起逆变失败，形成短路，产生过电流损坏可控硅。

为此特设防止逆变失败的保护电路。

3.2井下仪器抗磨、抗压、耐高温工艺技术

为实现大深度井、高温井的参数测量，提高测井仪器的耐高温性能，采用热障涂层，并应用低成本高性能耐热耐磨合金。

热障涂层指的是金属粘结层与陶瓷表面的涂层组成涂层的系统。

陶瓷层是借助中间抗高温氧化作用合金粘结层而和基体的连结。

这一中间过渡层减少了界面应力，避免陶瓷层的过早剥落。

迄今为止，等离子的体喷涂氧化钇的部分稳定氧化的锆由于具比较低热导率与高温的合金基体去接近热膨胀的系数，而变成热障涂层最佳的材料，并已成功的用于燃气，发动机燃烧室与涡轮的机叶片。

热障涂层是有降低金属基体使用的温度和保护基体以免受到高温氧化等许多的优点。

仪器的表面采用的是热障的涂层，即由耐腐蚀的抗氧化粘结的底层与金属的陶瓷材料面层来构成的涂层。

以实现仪器耐高温的工艺。

3.3新型聚焦技术

提出了屏蔽电极法——一种通过电流补偿来改变地下电流密度分布，结果表明，当屏蔽电极的位置和补偿电流的大小选择合理时，本仪器涉及一种三侧向测井的电极系，特别涉及一种与强聚焦三侧向测井仪配合使用的强聚焦双侧向测井仪电极系。

其技术方案是多组电极环绕制在同一根绝缘体上，在绝缘体中心是主电极，主电极的两边对称排列着监督电极、屏蔽电极、辅助监督电极和屏蔽电极；所述的屏蔽电极活动连接电子线路外壳，电子线路外壳通过绝缘短节连接屏蔽电极。

本发明具有纵向分辨率高，径向探测深度大，受围岩影响小，多模式可选等优点，能够更加精确地测量地层电阻率，具有广泛的适用性。

3.4系统总体设计

仪器工作的原理框图如图所示，它主要由发射通道、3个测量通道、采样和控制电路、时钟电路、存贮器电路、串行通信接口电路及电源等几部分组成。

由于下井的仪器用电池的组供电，为了能节省电力和延长的工作时间，仪器采用的间歇的工作的方式，电池组与电路之间压力的开关是用来保证仪器到达了井下的一定深度后就能开始工作，当外部的压力达到了一定的值时，压力的开关就会接通．仪器的控制器部分的开始工作是单片机上的初始化．打开电源去完成第一次测量以后，关闭其电源，单片机可进入掉电的方式。

经过一定的时间以后，电路的唤醒单片机可以进行下一次的测量，如此来循环当记录数据占满了全部的存储空间以后，认为测量可以全部的完成，关闭全部的电源，整个的系统就处于了休眠之中。

第四章结论

研制的测井仪可满足175℃高温和140Mpa压力的工作条件，该仪器一次下井可同时记录RXO、dH两条曲线，与双侧向组合，一次下井可同时测得深、浅、冲洗带可有效地判断地层含油、气、水的性质。

它通过改变电极系的排列和供电方式，使之测量的冲洗带电阻率RXO既不受低阻泥饼的影响，又不受原地层电阻率的影响，能更准确的测量出地层冲洗带电阻率。

由于三侧向电阻率仪采用屏蔽电极对电流聚焦，其结果使得有效探测半径增大，实测结果更接近岩层真实电阻率，分层效果明显。

该仪器采用宽范围供电，同时测量电流和电压，经计算得视电阻率结果，有着测量动态范围宽、精度高的特点。

仪器主要指标：

压力指标：

0-50MPa温度指标：

0-150°C侵深测量范围：

0-2m监测误差：

±5%测量范围：

5欧米-100000欧米该泥浆侵深测试仪达到预期目标，并完成现场试验5井次，获得了较好的测量效果。

实施油气层保护措施油井钻井液在储层的侵入深度均控制在50-90cm以内，一般侵深在1-2m减少10-50%，油层保护控制滤液侵深措施见到较好效果。

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致谢

感谢我的论文指导老师对我的悉心指导，从论文的选题、写作以及最终成稿，每一步都凝结着他的心血。

感谢参考文献的作者们，他们的劳动和智慧是我思考的源泉。

同时感谢我的父母对我的支持，因了他们的支持，我才走到了今天。

再次感谢指导老师给予我的指导!

但由于客观条件的限制，论文分析得还不够透彻，只能凭借自身的理解，完成这篇论文，尚存在许多不足之处，恳请老师给予批评和指正。

在以后的工作和学习中，我一定不忘老师的教导，用自己的所学回报社会！