鉆完井作業后返排與否造成的不同儲層傷害對比

劉長龍 ， 張麗平 蘭夕堂 孟祥海 ， 鄒劍 ， 符揚洋 張璐

（1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發國家重點實驗室，天津300452）

鉆完井作業后返排與否造成的不同儲層傷害對比

劉長龍1，2， 張麗平1， 蘭夕堂1， 孟祥海1，2， 鄒劍1，2， 符揚洋1， 張璐1

（1. 中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效開發國家重點實驗室，天津300452）

渤海油田主要采用注水開發模式，由于受特殊環境及緊迫時效的要求，部分注水井鉆完井作業后不返排直接注水，往往造成注入壓力高、嚴重欠注等問題。針對此問題，研究過程中立足于前期是否返排情況，從鉆完井液的傷害類型及機理入手，深入剖析2種條件下產生傷害的差異性，開展鉆完井液傷害實驗對比，分析不同情況形成的傷害程度，同時進一步探求鉆完井液傷害對后期注水產生的影響。研究結果表明，鉆完井液傷害可分為滯留、吸附2種，滯留傷害可通過返排得到一定程度解除屬于可逆過程，而吸附傷害為不可逆過程；對比實驗表明，返排過程有利于大幅度降低鉆完井液對儲層滲透率的傷害；鉆完井液形成的傷害并不是簡單吸附滯留造成的儲層滲透率降低，還與巖石表面性質發生改變有關，從而影響后期注水作業。

注水井；鉆井完井液；儲層傷害；返排；滲透率

隨著勘探開發程度的不斷加大，儲層能量被大量消耗，各油田主要采用注水開發模式[1-2]，由于受特殊環境及緊迫的實效要求，部分注水井鉆完井作業后不進行返排處理直接注水，但在后期注水過程中往往出現注水壓力高，注水困難導致嚴重欠注的問題。眾所周知，前期不排液儲層極易受到鉆完井液的傷害，通常鉆完井作業后均進行返排處理，因此目前國內外關于前期未排液造成鉆完井液傷害的相關研究仍處于空白階段，比如對鉆完井液產生的不同類型傷害哪些可以通過返排解除，哪些通過返排不能得到有效解除，特別是返排與否造成儲層傷害的不同程度認識不清。前期未返排造成的儲層傷害是一個復雜過程且存在長時間的影響，考慮到目前存在部分注水井前期未排液的實際現場問題，通過對鉆完井液傷害機理的研究，結合實際現場所用鉆完井液體系，對2種條件下儲層巖心的傷害率實驗，研究了返排與不返排條件下鉆完井液造成儲層傷害的差異性，為現場工藝的設計提供理論依據。

1 鉆完井液對儲層傷害的機理研究

近年來，各油田采用的鉆完井液體系中大部分含有聚合物，對儲層產生的傷害主要包括分散相造成的堵塞傷害、濾液與地層流體及巖石之間不配伍造成的傷害、聚合物造成的傷害及由于壓差等工程因素而造成的儲層傷害[3-4]。考慮油田實際生產過程中優選的鉆完井液體系均經過系統的實驗評價及嚴格的質量把關，鉆完井作業過程中會根據儲層的實際條件開展作業，因此研究過程中不再考慮由于鉆完井液性能及其他工程因素造成的儲層傷害。以渤海油田為例，針對前期返排與否2種客觀條件，研究不同鉆完井液傷害類型產生的不同影響。

1.1 分散相造成的堵塞傷害

鉆完井液中分散相造成的堵塞傷害既包含固相顆粒傷害，也包括乳化液造成的液滴堵塞，通常形成的固相傷害程度與鉆完井液中固相顆粒的含量、粒徑等密切相關，而形成的乳化液液滴會在孔隙喉道中發生滯留吸附作用，造成儲層的堵塞。一般鉆完井液產生的固相傷害在返排條件下，可部分得到解除，受固相顆粒與儲層喉道的匹配關系及侵入深度的影響，通?，F場返排會使在儲層入口端的固相顆粒部分隨返排液排出，渤海油田選用的完井液隱形酸體系也能解除部分固相顆粒的傷害[5-6]。而形成的乳化液滴在巖石表面可能會造成潤濕反轉，一旦形成潤濕反轉，后期返排液處理基本不能有效解除。同時乳狀液液滴在孔隙中形成油水段塞會造成滲流阻力大大增加，返排處理對其解除情況主要與返排過程中形成的作用力大小有關，通過返排處理也很難得到解除。

1.2 濾液與地層流體對儲層的傷害

鉆完井過程中必定會造成液體的濾失，濾液與儲層流體之間產生不配伍形成沉淀，對低孔、低滲氣層也可能存在水鎖的傷害，但對渤海油田高孔高滲的疏松砂巖儲層基本不考慮水鎖影響。鉆完井液濾液與儲層巖石不配伍也可能存在水敏、鹽敏、堿敏及潤濕反轉等傷害。當濾液與儲層流體、巖石之間由于不配伍產生了沉淀及敏感性傷害，很難通過返排處理得到有效解除，尤其是敏感性傷害，部分形成的沉淀及懸濁物滯留在儲層喉道中，通過返排能得到一定的解除，返排作業將濾失的大量液體排出，有利于降低后期對儲層產生的傷害，這與鉆完井液的吸附滯留傷害密切相關。

1.3 鉆完井液中聚合物對儲層的傷害

目前多數鉆完井液體系中均含有聚合物，聚合物造成的儲層傷害是鉆完井液產生的主要傷害之一，在儲層多孔介質中會發生吸附滯留作用而造成傷害[7]。通常滯留傷害主要由于高分子聚合物在孔喉中發生了滲濾作用及機械捕集作用，在機械力作用下，分子尺寸相對較小的聚合物分子在多孔介質中發生滯留，滯留量與鉆完井液性質、儲層多孔介質特征均相關，滯留傷害通過前期返排處理可得到解除，屬于可逆過程。聚合物鉆完井液體系產生的另一種傷害為吸附傷害，聚合物鉆完井液進入儲層后，在多孔介質中聚合物分子與儲層巖石表面物質發生作用，主要受氫鍵的作用，同時也受到靜電力的影響，使得聚合物分子滯留在巖石表面，形成吸附傷害，但與滯留傷害不同的吸附傷害屬于一種不可逆的過程，并不能通過返排得到有效解除[8-10]。吸附傷害可根據聚合物的分子性質與流速間的相互關系分為層吸附及橋吸附，當聚合物分子的鏈長小于孔隙直徑或攜帶液的流速小于聚合物發生剪切伸長的臨界流速時，聚合物在孔隙表面的吸附為層吸附；橋吸附主要當聚合物分子的鏈長大于孔隙直徑或攜帶液的流速大于聚合物發生剪切伸長的臨界流速時，聚合物分子橫跨孔隙發生橋吸附。吸附傷害一旦發生很難解除，可能會導致巖石潤濕性等發生改變[11]。

鉆完井作業結束后，開展返排處理使滯留在孔喉中的濾液得到有效排出，降低產生的傷害程度，而吸附傷害通過排液處理很難得到有效解除，因此對前期不排液井，受到吸附及滯留傷害的雙重影響。選用相同鉆完井液體系條件下，從機理研究認為，前期不排液造成的儲層傷害要遠大于返排處理井，總體上儲層傷害程度與鉆完井液的性能密切相關。

根據聚合物Langmuir吸附定律及質量守恒定律[12-13]，聚合物在孔隙介質中流動時，聚合物的質量濃度可表示為。

式中， Ci，1為聚合物質量濃度，g/cm3； t 為接觸時間，h；r為流動半徑，cm；φ為地層孔隙度；v1為液體流動速度，m/h；As1為單位質量巖石骨架中能發生層吸附的孔隙表面積，m2/g；ρs為巖石骨架密度，g/cm3；Г1為巖石骨架單位表面積上不同種類聚合物的層

1，i吸附量，g/m2；Гb1，i為巖石骨架單位表面積上不同種類的橋吸附量，g/m2。其中上角標1指層吸附，b指橋吸附；下角標i表示溶液中聚合物的種數。

通過上述吸附公式可知，形成的吸附傷害與鉆完井液中的聚合物濃度、流速、巖石表面積等參數相關，而形成的2種吸附傷害的吸附速率及吸附量如式（2）～式（5）。

層吸附速率：

橋吸附速率：

式中，ka1為總的層吸附速率，cm3/（gh）；kd1為層吸附聚合物層脫附速率，cm3/h；Г∞b，i為巖石骨架單位表面積上的最大層吸附量，g/cm2；Гb，i為巖石骨架單位表面積上的橋吸附量，g/cm2；Гb1，i為巖石骨架單位表面積上不同種類的橋吸附量，g/m2；Ci,1為聚合物質量濃度，g/cm3；Pi,1為能在孔隙中發生橋吸附的聚合物質量分數，%；kab為總的橋吸附速率，cm3/（gh）；kdb為橋吸附聚合物脫附速率，cm3/h。

吸附平衡時的層吸附量：

吸附平衡時的橋吸附量：

同時鉆完井液中聚合物的吸附量也受到滲透率的影響，計算見式（6）。

鉆完井液產生的傷害主要在近井地帶，廣義上認為滯留傷害既包括聚合物的滯留，也包括固相及鉆完井液濾液的滯留，因此返排作業不僅能有效降低聚合物的滯留傷害，也能大幅度降低其他原因造成的滯留傷害。鉆完井液產生的傷害與鉆完井液的性質有關，如聚合物的濃度、聚合物分子的結構及大小、固相顆粒含量等，也與儲層條件密不可分。儲層的滲透率、啟動壓力、孔喉表面積等均會影響鉆完井液的傷害程度及范圍，同時施工過程也會影響鉆完井過程中產生的傷害?？傮w上，鉆完井作業后進行返排處理，可大幅度降低對儲層的傷害。選用不同的鉆完井液體系，對不同的儲層條件產生的傷害程度也不同。為此，后期研究過程中主要針對鉆完井液對儲層巖心和后期注水的傷害，選用現場鉆完井液和儲層巖心開展針對性的研究。

2 鉆完井液對儲層巖心的傷害情況

根據渤海油田現場的實際情況，選用現場所用JFC鉆井液、PRD完井液及隱形酸射孔液體系，巖心為未經污染過的天然巖心。為深入研究在返排及未返排條件下，鉆完井液產生的不同程度傷害，開展不同情況下的室內實驗模擬研究。

2.1 返排條件下鉆完井液對儲層巖心的傷害

室內實驗研究過程中以SY/T 6540—2002為參考依據，結合現場系列流體工作順序，開展系列流體對天然巖心動態污染實驗，實驗過程見圖1。

圖1 根據行業標準順序工作液實驗流程圖（實施返排）

目前行業標準中關于鉆完井液的評價方法均考慮返排過程，實驗根據行業標準開展，在JFC鉆井液、PRD射孔液作業后進行返排處理，流體對天然巖心傷害評價實驗結果見表1。由表1可知，滲透率恢復值與巖心滲透率大小成正相關，2塊巖心經過鉆完井液污染后進行返排處理，滲透率恢復值均小于85%，平均滲透率恢復值為78.95%，鉆完井液體系對巖心造成了一定的傷害，返排作業后仍有部分傷害不能得到有效的解除；實驗巖心通過隱形酸解堵處理后，滲透率得到大幅度恢復，最終滲透率恢復值分別達到了92.1%、116.2%，隱形酸具有解除鉆完井液傷害的功能，有利于降低鉆完井液產生的傷害，甚至恢復率超過100%。

表1 巖心動態污染實驗結果

2.2 未返排條件下鉆完井液對儲層巖心的傷害

目前關于鉆完井液未返排對儲層產生的傷害程度并沒有相關的理論及實驗研究，為深入了解鉆完井液不返排條件下對儲層的傷害程度，根據現場實際作業過程開展實驗流程設計，實驗流程見圖2?？紤]現場實際情況，實驗針對未返排注水井并考慮射孔過程，通過切除巖心的方式模擬射孔過程，實驗結果見表2。

圖2 根據現場實際情況順序工作液實驗流程圖（未返排）

表2 系列流體未返排對巖心動態污染實驗結果

由表2可知，3塊巖心經鉆完井液污染過后雖然經過隱形酸處理，但滲透率下降較快，滲透率恢復率在19.4%～40.6%之間，均小于85%，通過巖心切除即模擬實際作業過程中的射孔過程，巖心滲透率得到了一定程度上的恢復，最終未返排巖心的平均滲透率恢復率可達到34.6%～67.7%。與表1對比分析可知，前期是否進行返排處理對儲層的傷害程度影響較大。目前渤海油田常用鉆井液體系、完井液體系、射孔液體系，在前期返排條件下對儲層的傷害較小甚至基本不傷害，符合行業中對鉆完井液體系的性能要求；前期未返排條件下，對儲層的傷害嚴重，導致滲透率大幅度降低，即使進行射孔作業也只能部分解除鉆完井液產生的傷害。因此在允許條件下應盡量進行返排處理。

3 鉆完井液傷害對后期注水的影響

鉆完井作業后通過返排處理可大大降低對儲層的傷害，甚至通過返排、射孔及隱形酸處理后巖心滲透率的恢復率可達到100%。但如果鉆完井作業過程中發生吸附等傷害，很難解除，可能影響儲層巖石表面性質，進而影響后期注水過程。為深入剖析鉆完井液產生的傷害，探索了鉆完井作業對后期注水產生的影響。

3.1 未傷害巖心對注水的影響

選用實際儲層巖心及現場注入水開展相關實驗研究，實驗過程中考慮儲層滲透率對注入水的適用性，選用不同滲透率的天然巖心，其中004A號巖心氣測滲透率為536.6 mD，005A號巖心氣測滲透率為117.0 mD，注入水對巖心滲透率的影響見圖3。

圖3 現場注入水對天然巖心滲透率保留率的影響

由圖3可知，注入水對滲透率較高（＞500 mD）的巖心基本不產生傷害，隨注水的進行滲透率曲線呈現平穩狀態；而對滲透率較低（＜150 mD）的巖心傷害較大，隨著注水量的增加滲透率不斷降低，滲透率曲線呈現緩慢下降狀態，當注水量達到50 PV時，滲透率為117 mD的巖心滲透率下降幅度接近50%。因此當滲透率高于500 mD時現場注入水對巖心基本不產生影響，符合渤海油田對注入水水質指標的要求。

3.2 鉆完井液傷害后巖心對注水的影響

鉆完井液形成的傷害會長期吸附、滯留在儲層中，影響后期注水作業，為對比分析鉆完井液傷害對巖心后期注水的影響，開展相關實驗研究。實驗以SY/T 6540—2002為參考標準，系列工作液正向污染巖心后，進行模擬地層水返排測定滲透率，此后考慮注入現場所用注入水，觀察鉆完井液傷害后的注水情況。所選006A號巖心氣測滲透率為691.8 mD，屬于高滲透率巖心，根據上述研究成果表明目前現場所用注入水對滲透率高于500 mD巖心基本不產生影響，006A號巖心在此范圍內，實驗過程見圖4。

圖4 巖心驅替及污染實驗順序

通過實驗得到注入壓力與注水量的關系曲線如圖5所示。由圖5可知，鉆完井液傷害后進行返排處理，反向驅替地層水，注入壓力隨著注水量先增大后降低，然后略有增大，最后趨于平穩，中間明顯存在一個突破壓力，這可能由于一系列鉆完井液流體污染過程中在巖心端口形成封堵所致，鉆完井液傷害后進行返排處理可有效恢復滲透率，恢復率最終達到103.4%，返排后滲透率為715.3 mD，這與1#、2#巖心實驗數據相一致。可能造成巖心滲透率恢復率超過100%的原因如下：①返排作業可很大程度地降低鉆完井液產生的傷害，通過理論分析及實驗研究均表明，返排作業對保護儲層具有重要的現實意義；②隱形酸能夠部分溶解巖石礦物，達到提高巖石滲透率的作用，返排作業與隱形酸雙重作業、協同增效導致滲透率高效恢復，甚至高于初始滲透率；③同時由于實驗巖心較短、且孔喉粗大，隨著注水的進行，膠結疏松的粒間填隙物被不斷驅替出巖心，因此微粒運移也可能導致滲透率略有升高。根據上述實驗研究認為返排后滲透率為715.3 mD的006A號巖心在理論上基本不受現場注入水的影響。但實驗研究表明，經返排后注入水導致注入壓力略有升高，滲透率略有降低，呈現波浪狀變化，滲透率恢復率由103.4%下降到95.4%，最終滲透率在659.9 mD左右。由此可知，盡管返排處理能有效降低鉆完井液對儲層巖心產生的傷害，有效恢復滲透率，甚至使滲透率恢復率高于100%，使巖心滲透率處于基本不受注水影響的范圍之內，但可能由于鉆完井液傷害后的儲層巖心物性發生改變，對注入水更為敏感而容易產生傷害。鉆完井液產生的傷害通過返排可得到有效解除，宏觀上表現為滲透率的恢復、升高，但鉆完井液產生的某些傷害一旦形成就很難解除，微觀上已經導致了巖心內部表面性質發生了一定的改變，如潤濕性、巖石孔隙的毛細管力等，因此盡管返排作業后，巖心滲透率高于傷害前，處于不受注水影響的范圍，由于注水與鉆完井液的雙重影響，而導致注水對巖心滲透率產生了影響，加劇了鉆完井液產生的傷害。

圖5 系列流體與現場水樣對天然巖心傷害實驗曲線（驅替速度為0.091 mL/min）

在返排條件下鉆完井液對儲層的傷害并非簡單的吸附傷害，而造成了儲層巖石孔隙喉道的微觀性質發生了改變，對后期注水存在一定的影響。在不返排條件下不僅存在吸附于巖石孔隙表面的鉆完井液傷害，同時大量鉆完井液滯留于儲層近井地帶，造成對后期注水井產生的傷害更大，影響更深。

4 結論與認識

1.分析認為鉆完井液可產生多種類型傷害，根據傷害物在儲層中的存在狀態廣義上可分為滯留傷害及吸附傷害。滯留傷害是可逆過程，返排處理能有效解除滯留傷害，而吸附傷害是不可逆過程，一旦形成很難解除，鉆完井作業后不排液處理，既存在滯留傷害，也存在吸附傷害。

2.理論研究表明，鉆完井液產生的傷害與聚合物的濃度、聚合物分子的結構及大小、固相顆粒含量等鉆完井液性能密切相關，同時也受儲層滲透率、啟動壓力、孔喉表面積等儲層條件的影響。

3.渤海油田所選鉆完井液體系在返排條件下使得儲層巖心滲透率恢復值達90%以上，而不返排條件下對巖心傷害較大，巖心滲透率恢復值低于70%，因此在條件允許下應盡量進行前期排液處理。

4.鉆完井液產生的傷害不僅是單純滯留吸附作用而造成的滲透率降低，微觀上會導致儲層巖石表面性質發生改變，影響后期注水作業。巖石表面性質的改變，對符合注水指標的注入水也會造成一定的傷害。在鉆完井液與注入水的雙重影響下，可能造成傷害加劇，因此鉆完井作業后要進行返排處理，盡量降低對儲層的傷害。

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Flow Back or Not after Well Completion: Comparison of Their Impact on Formation Damage in Different Pay Zones

LIU Changlong1,2, ZHANG Liping1,LAN Xitang1,MENG Xianghai1,2, ZOU Jian1,2, FU Yangyang1, ZHANG Lu1
(1.Tianjin Branch of CNOOC Ltd,Tianjin 300452;2. State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Tianjin 300452)

Bohai oil fi eld has long been developed with water injection. Some water injectors are directly put into injection without fl owback because of special environmental requirements and time limit, resulting in high injection pressure and de fi ciency in injection rate. A study has been conducted to resolve this problem, focusing on whether a well was fl owed back or not in the early stage.Differences between formation damage caused by the two operations ( fl ow back or not fl ow back) were extensively analyzed from the types of formation damage and formation damage mechanisms. Extent of formation damage and effects of formation damage by drilling fl uid on water injection in late stage were studied. The study showed that drilling and completion fl uids caused formation damage in two ways, retention and adsorption of chemicals. Formation damage caused by retention is a reversible process and can to some extent be relieved, formation damage caused by adsorption, on the other hand, is an irreversible process. Laboratory experiments showed that well fl owback greatly reduces permeability impairment by drilling and completion fl uids. Formation damage caused by drilling and completion fl uids is not just a decrease in permeability by retention and adsorption; it also is concerned with the alteration of the properties of rock surfaces which in turn affects water injection in late stage.

Water injector; Drilling and completion fl uid; Formation damage; Flow back; Permeability

劉長龍，張麗萍，蘭夕堂，等.鉆完井作業后返排與否造成的不同儲層傷害對比[J].鉆井液與完井液，2017，34（5）：123-128.

LIU Changlong，ZHANG Liping，LAN Xitang，et al.Flow back or not after well completion ： comparison of their impact on formation damage in different pay zones[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（5）：123-128.

TE258

A

1001-5620（2017）05-0123-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.023

國家科技重大專項“渤海油田高效開發示范工程”課題（2016ZX05058-003）資助。

劉長龍，1981年生，現在主要從事與油田增產措施相關研究工作。電話 15822902973；E-mail：jianghaike007@qq.com。

2017-7-2；HGF=1704C7；編輯 王超）