钻井过程中影响油气层损害程度的工程因素

钻井过程损害油气层的严重程度不仅与钻井液类型和组分有关，而且随钻井液固相和液相与岩石、地层流体的作用时间和侵入深度的增加而加剧。影响作用时间和侵入深度主要是工程因素，这些因素可归纳为以下四个方面。

1．压差

计算井深处的钻井液有效液柱压力与该处地层压力的差值，称为钻井压差。其定义式为：

式中：Δp——钻井压差（kPa或MPa）；

　　　pm——钻井液有效液柱压力（kPa或MPa）；

　　　pp——地层压力（kPa或MPa）。

图5－2　地层渗透率的损害比与压差的关系
（T＝70℃；vr＝0．8m／s；t＝1h）

压差是造成油气层损害的主要因素之一。在一定压差下，钻井液中的滤液和固相就会渗入地层内，造成固相堵塞和黏土水化等问题。井底压差越大，对油气层损害的程度越深，对油气层渗透率的影响也更为严重。图5－2为地层渗透率的损害比与压差的关系。此外，当钻井液有效液柱压力超过地层破裂压力或钻井液在油气层裂缝中的流动阻力时，钻井液就有可能漏失至油气层深部，加剧对油气层的损害。负压差可以阻止钻井液进入油气层，减少对油气层的损害，但过高的负压差会引起油气层出砂、裂缝性地层的应力敏感和有机垢的形成，反而会对油气层产生损害。

压差过高对油气层损害的危害已被国内外许多实例所证实。国外某油田在钻开油层时，如压差小于10．3MPa，产量接近636m3／d；如压差大于10．3MPa，则产量仅为318m3／d。美国阿拉斯加普鲁德霍湾油田针对油井产量递减问题进行过3年的调查研究，分析了多个环节对油气层损害的影响。其结论是，在钻井过程中，由于超平衡压力条件下钻井促使液相与固相侵入地层，油气层的渗透率降低10%～75%。薄片鉴定和扫描电镜分析也证明，微粒侵入油气层将是油气层损害的主要原因之一。由此可见，压差是造成油气层损害的主要原因之一，降低压差是保护油气层的重要技术措施。钻井过程中，造成井内压差增大的原因有：

（1）采用过平衡钻井液密度；

（2）管柱（钻柱、套管等）在充有流体的井内运动产生的激动压力；

（3）地层压力检测不准确；

（4）水力参数设计不合理；

（5）井身结构不合理；

（6）钻井液流变参数设计不合理；

（7）井喷及井控方法不合理；

（8）井内钻屑浓度；

（9）开泵引起的井内压力激动。

负压差可以阻止钻井液进入油气层，减少对油气层的损害。但负压差过大将引起油气层出砂及有机垢的形成，甚至造成井喷。

2．浸泡时间

在钻井过程中，油气层的浸泡时间包括从钻入油气层开始至完井电测、下套管、注水泥和顶替钻井液完成这一段时间。因此这段时间包括以下正常作业程序：

（1）纯钻进时间；

（2）辅助工作时间（起下钻，接单根，设备检修保养，循环钻井液等）；

（3）完井电测；

（4）下套管前通井处理钻井液；

（5）下套管，注水泥浆，直到顶替钻井液完成。

另外在钻开油气层过程中，若钻井措施不当，或其他人为原因，造成掉牙轮、卡钻、井喷或溢流等井下复杂情况和事故后，就要花费大量的时间去处理井下复杂事故，这样将成倍地增加钻井液对油气层的浸泡时间。当油气层被钻开时，钻井液固相或滤液在压差作用下进入油气层，其进入数量和深度及对油气层损害的程度均随钻井液浸泡油气层时间的增长而增加，浸泡过程中除滤液进入地层外，钻井液中的固相在压差作用下也逐步侵入地层，其侵入地层的数量及深度随时间增加，浸泡时间越长侵入越多。图5－3为地层损害比与浸泡时间的关系。

为缩短浸泡时间，可从以下几个方面入手：

（1）采用优选参数钻井技术，提高机械钻速。

（2）采用与地层特性相匹配的钻井液，防止喷、漏、塌、卡等复杂事故的发生。提高测井一次完工率，缩短完井时间。

（3）加强管理，减少辅助性工作和非生产时间。

3．环空返速

钻井液在环空内上返的断面平均流速，称为环空返速。钻井中，环空流速设计不合理，也将损害油气层的渗透率。

环空返速越大，钻井液对井壁泥饼的冲蚀越严重，因此，钻井液的动滤失量随环空返速的增高而增加（图5－4），钻井液固相和滤液对油气层侵入深度及损害程度亦随之增加。此外，钻井液当量密度随环空返速增高而增加，因而钻井液对油气层的压差亦随之增高，损害加剧。图5－5为地层损害比与环空流速的关系。

图5－3　地层损害比与浸泡时间的关系
（Δp＝5MPa；T＝70℃；vr＝0．8m／s）

图5－4　不同流速梯度下动滤失速率与时间的关系曲线

环空流速对油气层损害的原因可归纳为以下两点：

（1）高的环空流速，即环空流态为紊流时，井壁被冲刷，使井眼扩大，造成井内固相含量增加。井眼扩大对地层渗透率的影响如图5－6所示。井眼扩大的问题是一个涉及地层、钻井液性能和钻井液环空流态的复杂问题。对于泥岩水化后发生剥蚀掉块垮塌引起的井眼扩大和盐岩、玄武岩等不稳定地层的井眼扩大，一般采取钻井液柱压力与地层压力平衡、抑制水化、保持渗透压力平衡、控制失水、改善造壁性能等措施。另一个重要措施是控制环空流态为层流状态，层流避免了对井壁冲刷冲蚀作用，一定条件下，对井壁稳定起主导作用。

图5－5　地层损害比与环空流速的关系
（T＝70℃；t＝1h）

（2）高环空流速在环空产生的循环压降将增大钻井液对井底有效液柱压力，即增大对井底的压差。

一般情况下产生高环空流速由以下原因引起：

水力参数设计中未考虑井壁冲蚀条件，致使排量设计大而导致环空流态为紊流。

起下钻速度太快，在环空形成高流速，特别是当井下出现复杂情况（遇阻卡时），且开泵时，快速下放管柱就会在环空产生极高的流速。

4．钻井液性能

钻井液性能好坏与油气层损害程度紧密相关。因为钻井液固相和液相进入油气层的深度及损害程度均随钻井液静滤失量、动滤失量、高温高压滤失量的增大和泥饼质量变差而增加。钻井过程中起下钻、开泵所产生的激动压力随钻井液的塑性黏度和动切力增大而增加。此外，井壁坍塌压力随钻井液抑制能力的减弱而增加，维持井壁稳定所需钻井液密度就要随之增高，若坍塌地层与油气层在一个裸眼井段，且坍塌压力又高于油气层压力，则钻井液液柱压力与油气层压力之差随之增高，就有可能使损害加重。

在各种特殊轨迹的井眼（定向井、丛式井、水平井、大位移井、多目标井等）的钻井作业中，钻井液性能的优劣对油气层损害的间接影响更加显著，除了上述已经阐述的钻井液的流变性、滤失性和抑制性外，钻井液的携带能力和润滑性直接影响着进入油气层井段后作业时间的长短，不合理的钻井液携带能力和润滑性将使钻井液对油气层的浸泡时间延长，使油气层损害加剧。

图5－6　井眼扩大对地层渗透率的影响