摘要：針對川渝油氣田砂巖和碳酸鹽巖儲層滲透率差異大，黏土或泥頁巖易發(fā)生水化膨脹，深井、高溫、高礦化度、異常高壓或高含H₂S；CO₂酸性氣藏等因素的多變性難題，結合HSE的要求，提出了特定地層井況對完井修井作業(yè)的建議：①根據(jù)特定地層井況對完井修井作業(yè)進行專門的完井液、壓井液方案設計；②研制新型高效的增黏劑、降失水劑、增效劑、溫度穩(wěn)定劑、防垢劑、除硫劑和緩蝕劑等添加劑來滿足不同油氣地層條件的需要；③選用可生物降解性好、低毒性的材料來提升完井液、壓井液的環(huán)保功能；④通過優(yōu)化完井液壓井液體系配方技術和集成化技術的系統(tǒng)研究，以滿足川瀹油氣田不同儲集層條件的油氣井完井與修井等安全作業(yè)以及HSE的要求。

關鍵詞：環(huán)保性；完井液；壓井液；修井作業(yè)；油氣層；保護；防腐

    石油天然氣工業(yè)的鉆井、完井、修井、生產(chǎn)和增產(chǎn)處理都可能對油氣井的產(chǎn)能造成損害^[1]。關于油氣地層損害的機理、損害的診斷和控制地層損害的重要性的論述國內外已發(fā)表許多論文^[2～3]。運用其理念，能夠以最小的油氣層損害進行完井、修井等施工作業(yè)。鉆開油氣層開采初期或中后期，進行完井、修井作業(yè)，所采用的完井液、壓井液對完井修井后油氣井產(chǎn)能的影響，主要取決于入井完井液、壓井液類型對產(chǎn)層形成的回壓和產(chǎn)層的滲透率。對于高壓、高溫、高中低滲透、易漏失油氣井，若使用常規(guī)鹽水型完井液、壓井液甚至使用轉化的含固相的鉆井液進行完井修井作業(yè)，就會因固相或其他不溶物或與地層原生地層水配伍性差的液相大量侵入油氣層而大大降低儲集層滲透率，造成嚴重的油氣產(chǎn)層損害，導致油氣井產(chǎn)能或注入能力降低。

    性能優(yōu)良的完井液、壓井液既要防止地層流體向井筒流動而發(fā)生井噴等安全事故，又要防止完井液、壓井液向地層漏失，造成油氣產(chǎn)層滲透率降低，進而導致油氣井的產(chǎn)能或注入能力降低，更嚴重的是會導致井噴，造成作業(yè)不安全與環(huán)境污染問題^[4]。環(huán)保性高密度完井液、壓井液體系由于具有與地層巖石、地層流體良好的配伍性，且無黏土無固相、高密度(小于1.35g/cm³)、高黏度、高切力、攜砂懸砂能力強、高溫穩(wěn)定性好，較低濾失、較低的地層傷害、較低的腐蝕性以及良好的環(huán)保功能特性，可選擇性好，適合高酸性油氣井，可以用作完井液、壓井液、環(huán)空保護液、射孔液、頂替液和隔離液等，在國內外油氣井的完井、修井等作業(yè)中正愈來愈得到廣泛的應用。

    通常完井、開采和修井作業(yè)的各個階段使用的流體極少有同地層巖石、地層水組分配伍性良好的。在砂巖或碳酸鹽巖儲集層內，若使用不相容的非天然流體進行作業(yè)，就會使該儲集層的微?；蝠ね涟l(fā)生膨脹、分散，堵塞地層孔隙，導致井眼周圍砂巖或碳酸鹽巖儲集層的絕對滲透率下降。據(jù)有關文獻分析可知，在黏土交換位置上最初的Ca²⁺和Mg²⁺被Na⁺取代后，對NaCl鹽水的滲透率就取決于滲透力和可逆的黏土膨脹。在黏土交換位置上陽離子同晶型交換的影響以及黏土晶格不吸附Na⁺而吸附K⁺的趨勢。研究的目的就是用KCl鹽水或具抑制性強的合成流體代替NaCl鹽水作為完井液、壓井液的優(yōu)點。因此，完井液、壓井液配方設計必須對儲層液體和儲層巖石進行物化特眭分析，即要考慮配制鹽水與儲層水在陽離子類型和濃度上相匹配，盡可能保持離子電性平衡甚至趨于正電性。為確定引起地層損害的機理，選擇完井液、壓井液體系必須考慮油氣藏巖石、原生水與外來液體的配伍性、黏土穩(wěn)定性、乳化堵塞或水敏水鎖、固相侵入和改變儲層的潤濕性。若不能確定或不考慮井下油氣藏條件，有些昂貴的鹽水完井液、壓井液可能引起嚴重的地層損害，盡管其在另外的油氣藏或不同條件下證明效果很好?，F(xiàn)場作業(yè)利用現(xiàn)有技術可減小諸如完井修井用的高密度鹽水過程中的結垢沉淀和解決高密度鹽水液的長期防垢問題。顯然，不相容流體就會降低地層滲透率，進而降低產(chǎn)能或注入能力，甚至會影響井下安全作業(yè)。采用適當?shù)牡貙訐p害控制技術將對油氣生產(chǎn)公司產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟影響，在全面了解儲集層物化特性的基礎上，對使用的完井液、壓井液進行模擬儲集層條件的配伍性能評價試驗，以確定具體的完井液、壓井液類型和體系配方。因此，特定地層的完井修井作業(yè)只有進行專門的完井液、壓井液設計并進行模擬地層條件性能評價，才能達到預期作業(yè)目標，實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)和保護儲集層。

當作業(yè)工作液密度大于1.35g/cm³時，技術難度愈大。理論上，配制完井液、壓井液的基液鹽水應與儲層水在陽離子類型和濃度上相匹配，以防止結垢沉淀和保持離子平衡甚至趨于正電性，防止頁巖黏土發(fā)生水化膨脹，損害油氣層。完井液、壓井液用量大，存在潛在環(huán)境污染，對此提出使用無黏土無固相高密度環(huán)保性良好的完井液、壓井液體系的思路。在川渝地區(qū)，針對常規(guī)完井液、壓井液基液鹽水的類型選擇、比例、與地層巖石及原生地層水的配伍性、高酸性氣田、結垢趨勢(碳酸鈣垢、硫酸鈣垢、硫酸鋇垢、硫酸鍶垢、硫化鋅、硫化亞鐵沉淀等)、入井流體的濾失液量大、懸浮能力差、密度受氣溫變化影響較大、乳化傾向、生物毒性與生物降解性問題以及油管、套管、地面設備的嚴重腐蝕問題，采取借鑒國內外發(fā)展的前沿先進技術并結合川渝油氣田特點，為此，研制的集成化新技術成果體系基本克服了以上缺點，找出了解決完井液、壓井液體系的關鍵技術。通過集成化技術的系統(tǒng)研究，其關鍵技術特性主要體現(xiàn)如下：

1) 徹底改變以往技術聚合物在高密度鹽水中難溶解、易形成“魚眼”或“團塊”，生成微凝膠和體系增黏難、懸浮力差、濾失水量大，引起地層損害。

   2) 增黏能力和懸浮能力的改善，提高了巖屑的懸浮能力。

3) 流體失水進一步減少降低了地層損害。

    4) 增黏劑、降失水劑、增效劑、溫度穩(wěn)定劑、防垢劑、除硫劑、緩蝕劑等盡量選用可生物降解性好、低毒性的材料，減輕了環(huán)境污染，提高了完井液、壓井液的環(huán)保功能。

    5) 采用熱穩(wěn)定性材料，使完井液、壓井液的抗高溫穩(wěn)定性得以提升。

    6) 具有較高抑制泥頁巖水化膨脹的能力。

    7) 采用現(xiàn)有技術可減小完井修井高密度鹽水過程的結垢沉淀和解決其長期防垢技術問題。

    8) 形成適合不同類型H₂S、CO₂油氣藏的完井液、壓井液的安全技術體系。

    9) 基本解決井下油管、套管、地面設備因高礦化度、溴化鹽以及H₂S、CO₂高酸性氣體的嚴重腐蝕問題。

    10) 總體上，推廣使用該項集成化技術成果體系，可使完井修井等井下作業(yè)事故的不安全性和潛在環(huán)境污染問題大大降低，而油氣層的原始地層滲透率可以得到最大限度的保護，并提高采收率。

    通過大量研究，所研制的完井液、壓井液體系系列的基礎組分由可溶性無機鹽類、無機鹽結晶抑制劑、增黏劑、降失水劑、頁巖黏土膨脹抑制劑、增效劑、溫度穩(wěn)定劑、防垢劑、除硫劑、緩蝕劑、防乳破乳劑、鐵離子穩(wěn)定劑和消泡劑等組成。從HSE和專業(yè)技術角度看，以下為主要添加劑材料的選擇原理及其技術關鍵。

    完井液、壓井液體系所采用的加重材料主要是可溶性無機鹽類，主要用來增加或調節(jié)完井液、壓井液的密度，常見的無機鹽及其密度范圍，見表1。對高含H₂S的油氣井，進行完井修井作業(yè)所采用的體系中不宜采用ZnCl₂、ZnBr₂作為加重材料，除非采用新型除硫劑技術，以免因產(chǎn)生ZnS沉淀破壞液體性能的穩(wěn)定性，甚至誘發(fā)井下安全事故發(fā)生和損害地層。

    完井液、壓井液的密度主要靠加入可溶性無機鹽類進行調節(jié)，但因密度增加或氣溫變化，所用的高分子量無機鹽就會結晶析出，為達到所需的密度穩(wěn)定，就必須加入無機鹽結晶抑制劑。其作用是通過吸附于已形成的無機鹽的微小晶粒表面，阻止晶粒的進一步增大，改變無機鹽與溶液之間的溶解平衡，增大無機鹽的溶解度，從而起到結晶抑制的效果。

    增黏劑主要用來提升完井液修井液的黏度以增強流體的懸浮能力和控制失水。據(jù)資料調研和前人研究經(jīng)驗總結，環(huán)保功能的和利于提黏度及控制失水增強流體懸浮能力的天然聚合物改性材料主要有淀粉類、纖維素類、生物聚合物類、胍膠類和殼聚糖類。

    在高密度鹽水中，若不加入黏度-濾失增效劑，所加入的聚合物型增黏劑、降失水劑很難溶解，其黏度效應、降失水功能較難發(fā)揮，甚至形成“魚眼”或“團塊”，生成微凝膠。因此，必須加入黏度-濾失增效劑，才能發(fā)揮其功能作用。黏度一濾失增效劑的加入，使得淀粉、纖維素和xC生物聚合物類天然高分子衍生物在高密度復雜鹽水體系中能夠得以舒張、溶解，從而起到增黏、增稠、失水控制的功能作用。

    純粹的高密度鹽水液作為完井液壓井液，其濾失量相當大，將嚴重損害油氣層。通常要加入抗高鹽度的聚合物降失水劑，以最大限度減少因水敏、水鎖、黏土水化膨脹、改變儲層的潤濕性等因素造成的油氣層損害和達到防塌穩(wěn)定井壁的作用。

    完井液壓井液必須具有很好的抑制泥頁巖膨脹能力，以減少對地層的損害。頁巖黏土膨脹抑制劑通過在黏土表面靜電作用力，電性中和或正電荷增強，促使黏土的電位降低，壓縮雙電層，雙電層斥力減弱、結合力增強，從而達到抑制泥頁巖膨脹分散的作用，保護地層穩(wěn)定井壁。

    當所作業(yè)井的井溫大于90℃，因完井液、壓井液中所用的淀粉、纖維素和XC生物聚合物類天然高分子衍生物在高溫下分子易發(fā)生降解，故需加入溫度穩(wěn)定劑，才能增強其抗溫性和有效發(fā)揮其功用效果。據(jù)資料和實驗研究，聚合醇復合類是淀粉、纖維素和XC生物聚合物衍生物類有效的溫度穩(wěn)定劑，也是一類環(huán)保型的材料。

    對于可能存在結垢趨勢的油氣井，必須在完井液、壓井液體系中使用相配伍的高效防垢劑。防垢劑的作用機理是通過反應+螯合機理和吸附機理起到防垢作用的^[5]。室內通過模擬地層水與完井液、壓井液濾液的配伍性情況篩選適合的防垢劑。

    H₂S易破壞工作液性能的穩(wěn)定性，甚至誘發(fā)井下作業(yè)安全事故和損害地層。對高含硫氣井的完井、修井等井下作業(yè)所采用的完井液、壓井液體系必須添加除硫劑，才能滿足安全作業(yè)和保護油氣層的要求。高效水溶性除硫劑是一種鐵螯合物，主要由EDTA、DTPA等同鐵螯合而成，除硫速率快，不產(chǎn)生沉淀物，20世紀80年代末至今在國外含硫氣井用完井液、壓井液體系中成為主導產(chǎn)品。該除硫劑在含氧體系中可再生并重復使用，經(jīng)濟和環(huán)保上具有優(yōu)越性。

    完井液、壓井液的高礦化度、溴化鹽以及油氣地層中的H₂S、CO₂會對地面施工設備及油管、套管產(chǎn)生嚴重腐蝕，故要適當加入緩蝕劑。對含H₂S、CO₂油氣地層，當?shù)貙铀蠬₂S含量高于5mg/L時，任何好的緩蝕劑均可控制金屬的腐蝕；而地層水中H2S含量低于5mg/L時，則必須使用抗CO₂腐蝕的緩蝕劑，才能控制金屬的腐蝕問題^[6～7]。

    川東北高含H₂S天然氣田(H₂S含量平均高達10%)的大規(guī)模發(fā)現(xiàn)，給未來的鉆井、完井、修井、射孔等作業(yè)環(huán)節(jié)帶來潛在的重大安全風險，高含H₂S井噴事故的發(fā)生，映射出我國勘探開發(fā)此類特殊氣藏的高技術與高風險性所涉及的科學與技術系統(tǒng)工程問題研究不夠，缺乏相適應的成套安全技術^[7]。H₂S易破壞工作液性能的穩(wěn)定性，甚至誘發(fā)井下作業(yè)安全事故和損害地層，使生產(chǎn)井初期的生產(chǎn)周期縮短，甚至可能降低整個油氣藏的采收率。川渝油氣田的地層及地層流體、油氣組成特性特點：地質構造復雜及地層物性因素復雜多變、砂巖或碳酸鹽巖儲集層，地層巖石流體配伍性，黏土或泥頁巖易發(fā)生水化膨脹，深井、高溫、高礦化度、異常高壓或高含H₂S或CO₂酸性氣藏等因素的多變性，給完井修井等井下作業(yè)帶來針對性與選擇性。川渝油氣田總體上可分為兩大類：一類為常規(guī)油氣田；另一類為含H₂S氣體的油氣田。因酸性或高酸性油氣田的成套開采工程技術對HSE技術標準要求更高，為保證作業(yè)安全、避免發(fā)生潛在環(huán)境污染、最大限度保護油氣藏，故對完井液修井液的質量提出了更高的綜合技術性能要求。為此，進行完井修井等井下作業(yè)必須針對具體油氣藏或新老井的全面信息進行相應的方案設計和室內模擬實驗，篩選優(yōu)化適用的完井液、壓井液體系配方技術，以保證井下安全作業(yè)的順利進行。

    常規(guī)油氣田因不含H₂S氣體，進行完井修井等井下作業(yè)選擇的工作液體系大體有幾種：①不含H₂S也不含CO₂的新井或老井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系；②不含H₂S含CO₂的新井或老井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系；③不含H₂S含凝析油的氣井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系。

   通過借鑒前人研究成果和大量的資料研究并結合探索試驗，優(yōu)選適合的基液配方組分通常有如下幾類：

    1) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+緩蝕劑+消泡劑。

   2) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+抗C0₂緩蝕劑+消泡劑。

   3) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+緩蝕劑+防乳破乳劑+消泡劑。

    H₂S酸性油氣田的開發(fā)生產(chǎn)整體技術因其對HSE標準要求更高更嚴格，進行完井修井等井下作業(yè)選擇的工作液體系大體有幾種：①含H₂S不含CO₂的新井或老井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系；②含H₂S含CO₂的新井或老井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系；③含H₂S含凝析油的氣井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系；④高含H₂S的新井或老井的完井修井作業(yè)用完井液、壓井液體系。

   通過可查新的資料研究和借鑒前人研究成果并結合現(xiàn)狀進行探索試驗，優(yōu)選適合的基液配方組分有如下幾種：

   1) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+除硫劑+緩蝕劑+消泡劑。

   2) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+除硫劑+抗H₂S、CO₂緩蝕劑+消泡劑。

    3) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+除硫劑+緩蝕劑+防乳破乳劑+消泡劑。

    4) 基液=無機鹽結晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁巖黏土膨脹抑制劑+溫度穩(wěn)定劑+防垢劑+除硫劑、堿式碳酸鋅、海綿鐵+抗H₂S、C0₂緩蝕劑+消泡劑。

    以上幾種基液形成的常規(guī)油氣田和H₂S酸性油氣田的實用完井液、壓井液體系配方技術的常見配方體系7大類密度范圍，見表1。

    1) 川渝油氣田的探井、新開鉆井在鉆探過程中要進一步加強油氣層保護技術應用外，更要注重鉆開油氣產(chǎn)層的完井保護，加大力度采用無傷害或低傷害的新功能完井液技術尤其重要。國內外大量科研實踐研究表明，若原始地層滲透率一旦傷害，即使采用酸化或壓裂技術都很難恢復地層原始狀態(tài)，影響正常開發(fā)生產(chǎn)，縮短初期的開發(fā)周期，降低采收率。甚至酸化、壓裂施工都無法正常進行，更為嚴重的可能造成新油氣井報廢。

    2) 川渝油氣田的新生產(chǎn)井或老井在修井等井下作業(yè)階段使用的工作液應大力提倡采用對油氣藏儲集層無傷害或低傷害的新功能壓井液技術，以保證安全作業(yè)順利進行，必將對油氣生產(chǎn)公司產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟影響。

    3) 應加大對環(huán)保性無黏土無固相高密度完井液、壓井液體系技術的現(xiàn)場推廣應用技術研究。它是含硫油氣田安全開發(fā)系統(tǒng)工程技術必需的配套安全技術，更加符合HSE標準的新技術體系，值得高度重視。

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(本文作者：周效全¹ 廖仕孟² 伍賢柱³ 常宏崗¹ 石曉松¹ 杜國濱¹ 龍順敏¹ 周偉² 1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院；2.中國石油西南油氣田公司；3.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司)