高密度无固相压井液的研制
油气井进入开发后期，地层能量不断衰减，当油气井出现异常或停产时，必须进行修井，更换或优化生产管柱，使油气井恢复生产。当更换管柱时为了防止地层流体溢出或喷出，常使用压井液进行压井。本文主要对无固相压井液体系进行了研究，尤其是无固相压井液体系。高密度无固相压井液体系以其独特的优点显示了其在压井过程中的重要作用。本文主要对单种盐，复配盐配成溶液所能达到的密度进行了研究，还对其各种性能进行了评价，并且对其添加剂也进行了优选和评价。无固相压井液的性能主要对抗温性能，增溶性能，配伍性能，腐蚀性能以及岩心伤害性能进行了评价。无固相压井液助剂性能主要对粘土防膨剂，降滤失剂以及结晶盐抑制剂的性能等进行了评价。 压井液；无固相；高密度；性能
I
第1章 绪 论
油气井进入开发后期，地层能量不断衰减，当油气井出现异常或停产时，必
须进行修井，更换或优化生产管柱，使油气井恢复生产。对生产井进行修井作业时，通常需要在井筒内灌满压井液，利用压井液产生的静水液柱压力防止地层流体向井筒内流动，以免发生井涌或井喷，帮助支撑油管串，防止井壁坍塌，保证修井施工作业的安全。性能优良的压井液既要防止地层流体向井筒流动而产生的井喷等事故，又要防止压井液向地层漏失。压井液发生漏失后会导致严重的地层伤害，地层渗透率降低，进而导致油气井的产能降低，更严重的会导致井喷，造成作业不安全与环境污染问题。为了解决漏失问题，通常在压井液中加入降滤失剂及增粘剂等添加剂以提高压井液的流动阻力，阻止压井液向近井地带流动。
修井作业过程中，由于不合理的压井液造成不同程度的储层损害，导致产能降低。大量的研究表明，压井液对油层的损害主要是固相堵塞岩石孔道及造成岩石的性质发生改变。针对修井作业中无固相压井液对地层伤害小，有利于油层保护的优点，室内研制了具有较好抑制性的无固相压井液。要提高压井作业成功率就要使用密度合适性能优良的压井液，使压井液液柱压力对油井“压而不死，死而不漏，活而不喷”，要尽量减少其伤害。
在油井施工过程中为了减少对油气层的伤害，目前国内外多数使用无固相压井液，其中用得最多的无固相清洁盐水。早在70年代，前苏联就开始采用反乳相液压井。由于反乳相液（W/O）具有很强的溶解沥青胶质和石蜡沉积物的能力，因而对油层无伤害。但随着油田注水开发的进行，目前许多油田的地层压力呈现出高于原始地层压力的趋势，这对压井液的密度提出更高的要求，于是开始人们使用高密度无固相压井液。实践证明，无固相压井液在技术上和经济上都是可行的。无固相盐水压井液主要是由NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2 和ZnCl2中的一种或若干种配制而成，并加入增粘剂，降滤失剂，结晶抑制剂和缓蚀剂，以改善无固相清洁盐水的性能。所有固相通过过滤方法除去，压井液的密度用盐的种类和加量加以调节，以满足施工要求。
1.1无固相压井液的性能及评价 1.1.1无固相压井液的性能
按API推荐的实验程序，需检测的压井液常规性能包括：密度，马氏漏斗
1
粘度，塑性粘度，动切力，静切力，API滤失量，高温高压（HTHP）滤失量，pH值及碱度，含砂量，固相含量，膨润土含量和滤液中各种无机离子浓度等。压井液的上述性能直接影响钻井的速度和质量[1]。
（1）压井液的密度
压井液的密度主要用来调节压井液的静液柱压力以平衡地层孔隙压力，确保钻井安全。有时也用来平衡地层构造应力，以避免发生井塌。压井液密度必须满足地质和工程的要求，如果密度过高，会引起压井液过度增稠，易漏失，钻速下降，损害油气层和压井液成本增加等一系列问题，而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，有时还会造成井塌，井径缩小和携屑能力下降等。因此，必须准确，合理地确定不同井段钻井密度的指标，并在钻进过成中随时进行检测和调整。
调整压井液密度的方法通常有：加入各种加重材料如重晶石，石灰石等是提高压井液密度最常用的方法。在加重之前，调整好压井液的各种性能，特别是要严格控制低密度固相的含量。所以密度值越高，加重前压井液的固相含量应越低，粘度，切力亦越低。此外，加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法[2]。
（2）压井液的流变性
压井液流动和变形的特性称为流变性，其中流动性是主要的。压井液流变性是压井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题时起着十分重要的作用。
1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； 2）悬浮岩屑和重晶石；
3）合理确定水力参数，减少循环压力损失，充分发挥钻头水功率作用，提
高机械钻速；
4）减轻压井液造成的压力激动和对井壁的冲刷，防止井漏和井塌等事故的
发生；
5）有效地发挥固控设备的效能； 6）防止气侵。
因此，压井液流变性与安全，快速钻井密切相关，对压井液的流变参数进行有效的控制，优选和调整，已成为当今压井液工艺技术的重要组成部分。
（3）压井液的滤失量
地层被钻穿后，在压井液液柱压力和地层压力之间的压差作用下，压井液中的水分渗入到渗透性地层的孔隙和裂缝中去，同时压井液中的固体颗粒被阻挡沉积在井壁上，形成一层泥饼，这种作用称为压井液的失水和造壁作用。
压井液静止情况下的滤失作用称为静失水，循环时的滤失作用称为动失水。压井液循环时，一方面存在着滤失和造壁作用，同时形成的泥饼又受到压井液的冲蚀。当形成的速度与被冲刷的速度达到动态平衡时，失水速度保持不变。而在
2
静失水情况下，泥饼厚度不断增加，失水速度不断降低。所以在相同时间内，静失水比动失水形成的泥饼厚，而动失水的速度和滤失水分的数量要比静失水多，因此，想要控制渗入地层的水的数量，必须重视动失水，而要想控制泥饼厚度，却必须注意静失水。
在地层刚钻开，泥饼尚未形成以前，压井液中大量水分在短时间内迅速渗入地层，这种滤失作用称为瞬间失水。瞬间失水高有利于提高机械钻速。
一般来讲，钻井要求压井液具有低失水量和薄而致密的泥饼。在失水量和泥饼质量这两个因素中，泥饼质量是主要的。失水量高且泥饼厚而松散对钻井是很不利的，表现在：损害油气层，降低产量；井壁跨塌，井径不规则，起下钻遇阻；在高渗透性地层形成较厚的泥饼，造成压差卡钻；因滤液侵入半径过大，致使测井解释不准[3]。
但是，在实际钻井作业过程中，压井液的滤失量也并非越小越好。在一般地层，如果对控制滤失量要求过高，不仅会造成处理剂的大量消耗，而且也不利于提高钻速。因此应根据地层特点，适当地控制滤失量。
（4）含砂量
压井液含砂量是指压井液中不能通过200目筛子的砂子所占压井液体积的百分数。压井液中砂子的来源，一方面是造浆用粘土中带来的，另一方面是钻屑混入压井液中的。
压井液含砂量高将使压井液密度升高，钻速降低；泥饼含砂量高，泥饼渗透性高造成失水量增加；泥饼摩擦系数大，造成卡钻；钻头钻具和设备磨损严重，因此，钻井工程要求压井液的含砂量小于0.5%。
1.1.2 压井液的性能评价
把压井液按不同密度可分为3类：①低密度型。其密度为1.05-1.20g/cm3；②中密度型。密度为1.20-1.50g/cm3；③高密度型。密度为1.50-1.60g/cm3。低密度型采用CaCl2作加重剂。中密度型采用NaCl和CaCl2作加重剂。高密度型同时采用NaCl，CaCl2和ZnCl2作加重剂。中、高密度的压井液因NaCl的存在形成桥堵。选取不同密度类型的压井液进行性能测试和评价。
（1）压井液的稳定性评价
将不同密度的压井液在80℃的恒温箱中放置3d，压井液都表现出较好的稳定性。对于密度小于1.20 g/cm3的压井液，温度升高，有可能使部分盐类物质析出。但是由于压井液体系中加入了木质素磺酸镁，它是一种性能很好的分散剂。能有效阻止这一过程的发生。对密度大于1.20g/cm3的NaCl桥堵型压井液，由于NaCl分散颗粒极小，在水中是一个热力学稳定体系，在高温下不会出现分层。
3
同时由于黄原胶能使液体粘度增加，也能有效防止NaCl颗粒的析出[5]。
（2）压井液的滤失性评价
选取不同密度的压井液，尤其是密度在1.40g/cm3左右的压井液，滤失量最小。这主要是由于NaCl微粒的存在能有效降低滤失量的缘故。而高密度的压井液滤失量较高，可能是由于体系中NaCl的有效含量偏少，从而使滤失量有所增加。此外还发现，滤失量与黄原胶浓度有一定关系。黄原胶的用量有一个下限值，若黄原胶浓度低于下限值，滤失量会大幅度增加，这必须引起重视。
（3）压井液的流变性评价
同样取配制好的压井液，用六速旋转粘度计测定压井液的流变性。研制的压井液体系均属假塑性流体，具有剪切稀释性能，静置时能形成网状结构，有利于携砂。该体系在外力作用下结构又容易被破坏，具有很好的流动性能[6]。这主要是由于黄原胶溶液本身就是非牛顿流体，而NaCl微粒也具有剪切变稀的特性。但高密度的压井液由于NaCl微粒含量较少，导致粘度较大，流动性下降。
（4）压井液的乳化性
将各种密度的压井液与原油按1﹕1的体积比加入到100ml，放在有刻度的试管中，剧烈振荡0.5min后在常温下静置1周。结果显示压井液不发生相态变化。满足指标要求。
（5）压井液的抑制性
用NP-01型膨胀仪测定标准膨润土试样在不同密度压井液体系中的膨胀性分别测定1h和2h膨胀率。由实验可知：膨润土试样在不同密度压井液中的膨胀性都比较小，表明该压井液体系对储层伤害很小。且随着压井液密度的增加，抑制性能变好。这主要是由于在中高密度的压井液中，钙离子和锌离子浓度增大可有效地防止膨润土的水化膨胀[7]。
（6）压井液的腐蚀性评价
使用N-80钢材加工成金属挂片，进行挂片腐蚀试验。在80℃下。将加工好的挂片悬挂在实验流体中。静置48h后取出，洗涤干燥后称重。计算出平均腐蚀速率。结果是压井液分别为密度为1.138g/cm3，1.296g/cm3，1.410g/cm3和1.600g/cm3时。由实验结果可知，压井液的腐蚀性较小。虽然体系中含盐量较大，但由于在压井液中加入了木质素磺酸镁，它是一种天然的缓蚀剂，且与钙、镁离子结合，增强了其缓蚀能力。随着压井液密度的增加，挂片的平均腐蚀率有增加的趋势。但变化幅度不大，能满足技术要求。
（7）压井液对岩心伤害评价
研究评价压井液的伤害主要是考察压井液固相和滤液侵入造成的伤害问题。实验采用体积流量评价，即考察储层岩样渗透率的变化与流过岩样液量之间的关
4