第四章 油井完成.docx

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第四章油井完成

第四章油井完成

油井完成是钻井工程最后一个重要环节，主要包括钻开生产层，确定井底完成方法，安装井底及井口装置和试油。

完井质量直接影响到油井投产后的生产能力和油井寿命。

因此必须千方百计地把这一工作做好，为油井的顺利投产、长期稳产创造条件。

第一节钻开生产层

油、气生产层多由孔隙性砂岩或裂缝性灰岩所组成，生产层在未钻开之前处于相对静平衡状态，而被钻开之后就出现地层内的油气压力和井内深层次液柱压力之间相互制约的关系。

如液柱压力小于地层压力，地层中的油、气就会流入井内；如压力差较大且井口控制不当时，就可能造成井喷等严重事故。

反之，如井肉深层次液柱压力超过油气层压力很多时，泥浆中的滤液或因相颗粒又会侵入油气层，损害油气层，并降低地层渗透率和生产率。

严重时会将地层完全堵塞，给以后试油和开采工作带来困难。

石油钻井的最终目的是迅速有效地开发石油与天然气资源。

因此在钻开生产层的过程中，必须很好的保护油气层，防止泥浆等对油气层的损害；同时还必须有效地控制油气层，防止事故性井喷的发生，达到安全生产的目的。

这两项任务是通过选用合适的洗井液钻开油层，采用合理的井口装置及有效的工艺措施等来实现的。

下面对钻开生产层有关的一些问题加以分析。

一、洗井液性能不好对油气层的损害

目前，生产井常用的洗井液是由粘土和水配制成的水基粘土泥浆。

由于钻进过程中的泥浆液柱压力一般都大于地层压力，所以在这一压差作用下，泥浆中的水和粘土等固相颗粒会侵入油气层而造成水侵和泥侵，从而对油气层造成各种不同性质的损害。

水侵对油气层的损害作用主要有以下几个方面。

（一）使油层中的粘土成分膨胀

研究得知油砂颗粒周围一般都包有极薄的粘土膜，砂层之间的徽孔道非常多，油层内部还有许多很薄的粘土夹层。

而由这些粘土夹层所分隔开的各小层渗透率的差别也相当大。

在泥浆自由水侵入的作用下，砂粒周围的粘土质成分将发生体积膨胀，使油流通道缩小，而降低出油能力[1-1]。

（二）破坏孔隙内油流的连续性

如图10-1（a）所示，油层含油饱和度较高时，油流在孔隙内部成连续状态，这时少量的共生水在孔隙外围，并把极微小的松散微粒固定下来，在相当大的油流速度下也不会被冲走。

当泥浆滤液侵入较多时，会破坏油流的连续性，使之成为大小不等的油滴，从而将原油的单相流动变为油水两相流动，增加了油流阻力。

另外当水成为流动的连续相时，流动的剪切面为砂粒表面，只要流速稍大，就会把原来稳定在颗粒表面的松散微粒冲走，并在适当部位发生堆积、堵塞流动孔隙，而严重降低渗透率。

见图10-1[1-2]。

（三）产生水销效应、增加油流阻力

这可用图10-2所示的曲线来说明[1-3]。

该曲线是利用对特定岩心试样的试验数据画出的，试验所用的泥浆对岩心内部的粘土无膨胀影响。

曲线表示改变孔隙内水饱和度对油和水相对渗透率变化影响的情形。

A-A′为原始条件，岩心含有20%束缚水。

此时油相对渗透率Kr0等于0.9，水相对渗透率Krw为零。

如绝对渗透率为10毫达西，则油有效渗透率为9毫达西。

随着水饱和度的增加，油相对渗透率将不断下降而水相对渗透率则随之增加。

点D-D′的水饱和度为34%，但油有效渗透率只有3毫达西，为原始的1/3，D′点表示水有效渗透率很小。

可以看出水饱和度只增加了14%，而油有效渗透率和油流速率都严重下降，这便是由水销作用造成的。

如欲消除已出现的水销作用，即消除掉新侵入的14%的水，使油有效渗透率再恢复到原始数据值相当困难，有时甚至无法完全做到。

（四）在地层孔隙内生成沉淀物

泥浆滤液中含的某些离子或化合物与地层中的一些成分起作用，生成固体或絮状沉淀物而堵塞地层孔隙。

如CO2、SO4可生成CaCO2和CaCO4沉淀；铁离子可生成Ee（OH）3胶状沉淀等。

（五）泥浆内固相颗粒直接侵入生产层（泥浆）

泥侵对生产层的损害作用主要是由于：

（1）侵入的粘土颗粒或固相质点堵塞地层孔隙，阻止或妨碍油、气流出；

（2）减少地层孔隙的有效直径（与粘土膨胀相似），从而降低油、气的有效渗透率。

侵入地层孔隙内的大相微粒，可在该处形成“内泥饼”，很难把它清除掉而造成永久性地层损害。

泥侵的深度主要决定于泥浆中粘土颗粒直径与地层孔隙直径之间的相对大小。

设粘土颗粒为圆球，且其直径为d，孔隙直径为D，则在D≤2d情形下，小球可在孔隙处搭成“桥点”，而且防止后面的小球继续跑入孔隙内。

虽然粘土颗粒和孔隙尺寸都是不规则和不均匀的但泥侵机理智上述很相似。

随着粘土颗粒搭成“桥点”，便在井壁上形成泥饼而阻止泥浸的进行。

有的资料表明，粘土颗粒分入油层深度一般为20-30毫米。

但也有人用泥浆将渗透率为350-550毫达西的岩心浸泡五天后，发现固体颗粒侵和深度可达300毫米。

因此具体泥侵深度要依泥浆性能、孔隙尺寸及压差大小等因素而异。

二、地层损害程度的分析

利用图10-3的自由化条件先分析稳定流动的情形[2]。

为简化计算，设ra为损害带半径，并假定损害带内的渗透率全为ka，油层原始渗透率为ke。

地层被损害程度随与井壁距离加大而迅速减小，有时损害半径可达数英尺，而损害最严重的即渗透率下降最多的是在距井壁数英寸范围内。

为了研究损害带对井产量的影响，可把图10-3看成是两个渗透率不同而径向串连的体系，则根据稳定径向流动达西公式可得出以下关系

（10-1）

式中q——油流量，米/天；

h——油层有效厚度，米；

Pa——排油面积边缘处的压力，千帕；

P1——损害带边缘处的压力，千帕；

Pw——井底流动压力，千帕；

re——排油面积半径，米；

rw——油井半径，米；

ka——损害带渗透率，微米2；

ke——未损害带渗透率，微米2；

k——被损害地层平均渗透率，微米2；

μ——原油粘度，帕·少；

由于稳定流动，所以注意半径处的径向流量都相等。

因此上式关系成立。

此外还可以得出

Pa-Pw=（P1-Pw）+（Pe-P1）（10-2）

把（10-1）代入（10-2），整理后可得：

（10-3）

式中k为被损害地层的平均渗透率。

从上式可以看出，当损害带的渗透率ka，趋近于零时，平均渗透率k也趋近于零。

随着损害带半径ra的增加，k的数值也越接近于ka，从下例的计算可以看出ka对k的影响。

例：

已知某被损害生产层的条件为：

re=213米，ra=0.61米，rw=0.102米，ke=00×10-3微米2，ka=5×10-3微米2，试计算其平均渗透率。

从公式（10-3）可得平均渗透率为

因此该生产层的平均渗透率仅为原始渗透率的21/500≈4%。

即由于地层损害，使该层的生产率只为未损害时的4%。

损害比DR（DamageRatio）是衡量油层被损害程度的一种指标，其定义为未被损害地层的油有效渗透率k。

与地层受损害后平均油有效渗透率k的比值，即

（10-4）

损害比与地层损害程度的关系如下：

损害比地层损害程度

DR<1.0无损害

1.0

2.0

DR>5.0严重损害

为了计算损害比，知心朋友根据现场有关数据先救出ke和k0所用方法可参考有关文献[1-1]。

表皮效应（Skineffect）也是一个表示地层损害程度的参数，表皮效应是把损害带对井产量的影响集中在井壁附近的一个薄层内。

其数值与损害带的渗透率ka和损害带半径ra有关，豪金斯（M.F.Hawkins）对表皮效应定义为：

（10-5）

从上式可以看出，表皮效应为一无因次量，S为正值表示产层有损害；S为负值表示井壁附近渗透率高于地层内；S为零表示渗透率无变化。

文献中还可能遇到以下几个表示产层及损害程度的参数：

开采比（ProductionRatio）（它是损害比的倒数）：

（10-6）

损害系数DF（DamageFactor）：

（10-7）

完井系数CF（CompletionFactor）：

CF=100×PR（10-8）

三、防止和减少生产层损害的方法

在完井过程中，可根据具体条件选择并采用以下方法减少对生产层的损害。

（1）针对油气层特点，采用合理完井方法，以减少泥浆对油气层的浸泡时间（可见本章第二节有关内容）。

（2）合理选择泥浆密度，不便泥浆液柱压力比油气层压力大得过多。

一般情况下维持泥浆密度比油气支压力的当量密度大0.024-0.048即可。

（3）采用平衡钻井法，欠平衡钻井法或泡沫钻井法及气体钻井法，这时井内压力不会大于油气层压力。

（4）在完井泥浆中加入桥堵剂（Bridgingagent），以减少固相颗粒的侵入。

所用桥堵剂有石灰石粉，石英粉及硬沥青粉等。

现在已可以用库尔特计数器来计量泥浆的固相颗粒尺寸，及根据渗透率或毛细管压力数据来计算岩石孔隙尺寸。

利用这两种数据来确定桥堵剂颗粒的尺寸就可以设计出泥侵最小的泥浆。

研究认为，选用桥堵剂颗粒尺寸的原则有二：

一是桥堵剂中最高百分比的颗粒尺寸要等于或稍大于地层最高百分比孔隙尺寸的1/3；地理该尺寸桥堵剂至少要占泥浆中总固相含量的5%。

试验表明，这种泥浆固相成分对地层的侵入度小于25毫米，能够由射孔器子弹穿透，因此对产油能力和注入能力的影响都不大[1-6]。

（5）提高泥浆矿化度，增加泥浆中两价离子的浓度。

用别里砂岩（Bereasandstone），进行渗透率的试验表明，当盐水中只含氯化钙时，别里砂岩的渗透率随含盐量下降而降低，氯化钠含量为5.6%，渗透率为200毫达西；含盐量为0.36%时为160毫达西，而含盐量为0.058%时，渗透率只有10毫达西，即约降低97%。

当盐水中加入少量二价离子，使氯化钙的比值为10：

1时，渗透率则降低得很少；如含5.25%氯化钠和0.55%氯化钙时，砂岩渗透率为250毫达西；而含0.0105%氯化钠和0.011%氯化钙时，渗透率还有230毫达西。

即总含量已降低0.0116%，而渗透率变化仍不大。

这是因为由于钙离子的存在维持了原有钙粘土的稳定（不致被转换成钠粘土），还使地层中的部分钠粘土转变成不易膨胀和分散的钙粘土。

这也是钙处理泥浆、石膏泥浆等对油气层损害较少的原因。

对一般地层，只要泥浆滤液中两价离子为一价离子的10%，即可防止或减少渗透率下降。

但如突然把含盐量减少过多，则渗透率也会迅速下降。

如试验中发现含盐量从5.8%突然降到0.0116%，渗透率即下降75%。

因为土封（Slayblocking）不仅受滤液含盐量影响，也和滤液的侵入方式有关。

两种溶液的含盐量不同，低含盐量的水可进入到粘土层面中去，而把其中盐水稀释，促进粘土分散，并增加该处的压力，以致把部分粘土膨胀裂开或粉碎，从而在水中分散并产生土封和降低渗透率，这种现象称为盐量对比效应（Salinitycontrasteffect）。

当逐步降低泥浆含盐量时，粘土中的盐分可慢慢扩散出来。

并在泥浆中逐渐达到平衡，这时外面的水就不会大量侵入粘土，所以粘土不至于分散和胀裂。

根据上述原理，钻开生产层时，最好使用与地层含盐量相同的泥浆；如不可能，则应慢慢降低它们之间含盐量差距；不能一下子就改用含盐量差别很大的泥浆。

（6）使用低固相或无固相洗井液。

这种洗井液不含或少含固相成分，因此可以减少固体颗粒侵入。

近来，无固相盐水的使用日增。

它可用无机盐如NaCl、KCl、CaCl2和CaBr2等加重，比重可加到1.82。

为解决无固相盐水失水量大的问题，可用细石灰石粉、水溶性胶和聚合物作降失水剂。

由于这类降失水剂可用酸溶解，不会对地层形成永久性损害，经酸化处理后，渗透率可很好恢复[1-4]。

因此称之为酸溶性洗井液或酸溶性修井液。

研究发现用碳酸铁（FeCO3）细粉作加重剂，可配出比重高达2.28的重泥浆，由于在井下酸化时，碳酸铁极易被淡HCL或HCOOH所溶解，所以对地层损害作用很小，是一种新型无损酸溶加重剂。

碳酸铁在自然界以菱铁矿形式存在，纯碳酸铁的比重为3.83-3.88，硬度为3.5-4.0，易磨成细粉。

表10-