摘要：針對(duì)川渝油氣田砂巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層滲透率差異大，黏土或泥頁(yè)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(jié)合HSE的要求，提出了特定地層井況對(duì)完井修井作業(yè)的建議：①根據(jù)特定地層井況對(duì)完井修井作業(yè)進(jìn)行專門的完井液、壓井液方案設(shè)計(jì)；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(shù)和集成化技術(shù)的系統(tǒng)研究，以滿足川瀹油氣田不同儲(chǔ)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(guān)鍵詞：環(huán)保性；完井液；壓井液；修井作業(yè)；油氣層；保護(hù)；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(duì)油氣井的產(chǎn)能造成損害^[1]。關(guān)于油氣地層損害的機(jī)理、損害的診斷和控制地層損害的重要性的論述國(guó)內(nèi)外已發(fā)表許多論文^[2～3]。運(yùn)用其理念，能夠以最小的油氣層損害進(jìn)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(jìn)行完井、修井作業(yè)，所采用的完井液、壓井液對(duì)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(duì)產(chǎn)層形成的回壓和產(chǎn)層的滲透率。對(duì)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(zhuǎn)化的含固相的鉆井液進(jìn)行完井修井作業(yè)，就會(huì)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(chǔ)集層滲透率，造成嚴(yán)重的油氣產(chǎn)層損害，導(dǎo)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(dòng)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(jìn)而導(dǎo)致油氣井的產(chǎn)能或注入能力降低，更嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)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(qiáng)、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(hù)液、射孔液、頂替液和隔離液等，在國(guó)內(nèi)外油氣井的完井、修井等作業(yè)中正愈來愈得到廣泛的應(yīng)用。

    通常完井、開采和修井作業(yè)的各個(gè)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(chǔ)集層內(nèi)，若使用不相容的非天然流體進(jìn)行作業(yè)，就會(huì)使該儲(chǔ)集層的微粒或黏土發(fā)生膨脹、分散，堵塞地層孔隙，導(dǎo)致井眼周圍砂巖或碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的絕對(duì)滲透率下降。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)分析可知，在黏土交換位置上最初的Ca²⁺和Mg²⁺被Na⁺取代后，對(duì)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(yáng)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(shì)。研究的目的就是用KCl鹽水或具抑制性強(qiáng)的合成流體代替NaCl鹽水作為完井液、壓井液的優(yōu)點(diǎn)。因此，完井液、壓井液配方設(shè)計(jì)必須對(duì)儲(chǔ)層液體和儲(chǔ)層巖石進(jìn)行物化特眭分析，即要考慮配制鹽水與儲(chǔ)層水在陽(yáng)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(jī)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(chǔ)層的潤(rùn)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(yán)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(chǎng)作業(yè)利用現(xiàn)有技術(shù)可減小諸如完井修井用的高密度鹽水過程中的結(jié)垢沉淀和解決高密度鹽水液的長(zhǎng)期防垢問題。顯然，不相容流體就會(huì)降低地層滲透率，進(jìn)而降低產(chǎn)能或注入能力，甚至?xí)绊懢掳踩鳂I(yè)。采用適當(dāng)?shù)牡貙訐p害控制技術(shù)將對(duì)油氣生產(chǎn)公司產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟(jì)影響，在全面了解儲(chǔ)集層物化特性的基礎(chǔ)上，對(duì)使用的完井液、壓井液進(jìn)行模擬儲(chǔ)集層條件的配伍性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，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(jìn)行專門的完井液、壓井液設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬地層條件性能評(píng)價(jià)，才能達(dá)到預(yù)期作業(yè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)和保護(hù)儲(chǔ)集層。

當(dāng)作業(yè)工作液密度大于1.35g/cm³時(shí)，技術(shù)難度愈大。理論上，配制完井液、壓井液的基液鹽水應(yīng)與儲(chǔ)層水在陽(yáng)離子類型和濃度上相匹配，以防止結(jié)垢沉淀和保持離子平衡甚至趨于正電性，防止頁(yè)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(duì)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(duì)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(jié)垢趨勢(shì)(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(shè)備的嚴(yán)重腐蝕問題，采取借鑒國(guó)內(nèi)外發(fā)展的前沿先進(jìn)技術(shù)并結(jié)合川渝油氣田特點(diǎn)，為此，研制的集成化新技術(shù)成果體系基本克服了以上缺點(diǎn)，找出了解決完井液、壓井液體系的關(guān)鍵技術(shù)。通過集成化技術(shù)的系統(tǒng)研究，其關(guān)鍵技術(shù)特性主要體現(xiàn)如下：

1) 徹底改變以往技術(shù)聚合物在高密度鹽水中難溶解、易形成“魚眼”或“團(tuán)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(jìn)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(yè)巖水化膨脹的能力。

    7) 采用現(xiàn)有技術(shù)可減小完井修井高密度鹽水過程的結(jié)垢沉淀和解決其長(zhǎng)期防垢技術(shù)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(shù)體系。

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

    10) 總體上，推廣使用該項(xiàng)集成化技術(shù)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(hù)，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(chǔ)組分由可溶性無機(jī)鹽類、無機(jī)鹽結(jié)晶抑制劑、增黏劑、降失水劑、頁(yè)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(shù)角度看，以下為主要添加劑材料的選擇原理及其技術(shù)關(guān)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(jī)鹽類，主要用來增加或調(diào)節(jié)完井液、壓井液的密度，常見的無機(jī)鹽及其密度范圍，見表1。對(duì)高含H₂S的油氣井，進(jìn)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(shù)，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(jī)鹽類進(jìn)行調(diào)節(jié)，但因密度增加或氣溫變化，所用的高分子量無機(jī)鹽就會(huì)結(jié)晶析出，為達(dá)到所需的密度穩(wěn)定，就必須加入無機(jī)鹽結(jié)晶抑制劑。其作用是通過吸附于已形成的無機(jī)鹽的微小晶粒表面，阻止晶粒的進(jìn)一步增大，改變無機(jī)鹽與溶液之間的溶解平衡，增大無機(jī)鹽的溶解度，從而起到結(jié)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(qiáng)流體的懸浮能力和控制失水。據(jù)資料調(diào)研和前人研究經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，環(huán)保功能的和利于提黏度及控制失水增強(qiáng)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(yīng)、降失水功能較難發(fā)揮，甚至形成“魚眼”或“團(tuán)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(fù)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(dāng)大，將嚴(yán)重?fù)p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(chǔ)層的潤(rùn)濕性等因素造成的油氣層損害和達(dá)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(yè)巖膨脹能力，以減少對(duì)地層的損害。頁(yè)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(qiáng)，促使黏土的電位降低，壓縮雙電層，雙電層斥力減弱、結(jié)合力增強(qiáng)，從而達(dá)到抑制泥頁(yè)巖膨脹分散的作用，保護(hù)地層穩(wěn)定井壁。

    當(dāng)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(qiáng)其抗溫性和有效發(fā)揮其功用效果。據(jù)資料和實(shí)驗(yàn)研究，聚合醇復(fù)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(duì)于可能存在結(jié)垢趨勢(shì)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(jī)理是通過反應(yīng)+螯合機(jī)理和吸附機(jī)理起到防垢作用的^[5]。室內(nèi)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(duì)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(hù)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(jì)80年代末至今在國(guó)外含硫氣井用完井液、壓井液體系中成為主導(dǎo)產(chǎn)品。該除硫劑在含氧體系中可再生并重復(fù)使用，經(jīng)濟(jì)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(huì)對(duì)地面施工設(shè)備及油管、套管產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，故要適當(dāng)加入緩蝕劑。對(duì)含H₂S、CO₂油氣地層，當(dāng)?shù)貙铀蠬₂S含量高于5mg/L時(shí)，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(shí)，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(dá)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(fēng)險(xiǎn)，高含H₂S井噴事故的發(fā)生，映射出我國(guó)勘探開發(fā)此類特殊氣藏的高技術(shù)與高風(fēng)險(xiǎn)性所涉及的科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)工程問題研究不夠，缺乏相適應(yīng)的成套安全技術(shù)^[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(gè)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(diǎn)：地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜及地層物性因素復(fù)雜多變、砂巖或碳酸鹽巖儲(chǔ)集層，地層巖石流體配伍性，黏土或泥頁(yè)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(duì)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(shù)對(duì)HSE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)油氣藏，故對(duì)完井液修井液的質(zhì)量提出了更高的綜合技術(shù)性能要求。為此，進(jìn)行完井修井等井下作業(yè)必須針對(duì)具體油氣藏或新老井的全面信息進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，篩選優(yōu)化適用的完井液、壓井液體系配方技術(shù)，以保證井下安全作業(yè)的順利進(jìn)行。

    常規(guī)油氣田因不含H₂S氣體，進(jìn)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(jié)合探索試驗(yàn)，優(yōu)選適合的基液配方組分通常有如下幾類：

    1) 基液=無機(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(shù)因其對(duì)HSE標(biāo)準(zhǔn)要求更高更嚴(yán)格，進(jìn)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(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行探索試驗(yàn)，優(yōu)選適合的基液配方組分有如下幾種：

   1) 基液=無機(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(jī)鹽結(jié)晶抑制劑+增黏劑+降失水劑+頁(yè)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(shí)用完井液、壓井液體系配方技術(shù)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(jìn)一步加強(qiáng)油氣層保護(hù)技術(shù)應(yīng)用外，更要注重鉆開油氣產(chǎn)層的完井保護(hù)，加大力度采用無傷害或低傷害的新功能完井液技術(shù)尤其重要。國(guó)內(nèi)外大量科研實(shí)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(shù)都很難恢復(fù)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(jìn)行，更為嚴(yán)重的可能造成新油氣井報(bào)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(yīng)大力提倡采用對(duì)油氣藏儲(chǔ)集層無傷害或低傷害的新功能壓井液技術(shù)，以保證安全作業(yè)順利進(jìn)行，必將對(duì)油氣生產(chǎn)公司產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟(jì)影響。

    3) 應(yīng)加大對(duì)環(huán)保性無黏土無固相高密度完井液、壓井液體系技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用技術(shù)研究。它是含硫油氣田安全開發(fā)系統(tǒng)工程技術(shù)必需的配套安全技術(shù)，更加符合HSE標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)體系，值得高度重視。

[1] 李克向.保護(hù)油氣層鉆井完井技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993.

[2] 樊世忠，陳元千.油氣層保護(hù)與評(píng)價(jià)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988.

[3] AMAEFULE J 0，梅文榮.地層損害評(píng)估的新進(jìn)展和控制戰(zhàn)略(一)[J].國(guó)外鉆井技術(shù)，1990，5(1)：50-57.

[4] 劉平德，劉承華，廖仕孟，等.新型無固相壓井液的研制及性能評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè)，2005，25(4)：83-85.

[5] 馬廣彥.油田難溶垢化學(xué)處理技術(shù)[J].鉆采工藝，2000，22(5)：62-66.

[6] 周效全，龍順敏.出水氣井泡沫排水采氣化學(xué)劑的應(yīng)用技術(shù)[J].天然氣技術(shù)，2007，1(5)：45-48.

[7] 朱光有，戴金星，張水昌，等.中國(guó)含硫化氫天然氣的研究及勘探前景[J].天然氣工業(yè)，2004，24(9)：1-3.

 

(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(guó)濱¹ 龍順敏¹ 周偉² 1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院；2.中國(guó)石油西南油氣田公司；3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司)