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(fā)國家重點實驗室，天津300452）

鉆完井作業(yè)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(fā)國家重點實驗室，天津300452）

渤海油田主要采用注水開發(fā)模式，由于受特殊環(huán)境及緊迫時效的要求，部分注水井鉆完井作業(yè)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(chǎn)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(chǎn)生的影響。研究結(jié)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(zhì)發(fā)生改變有關(guān)，從而影響后期注水作業(yè)。

注水井；鉆井完井液；儲層傷害；返排；滲透率

隨著勘探開發(fā)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(fā)模式[1-2]，由于受特殊環(huán)境及緊迫的實效要求，部分注水井鉆完井作業(yè)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(xiàn)注水壓力高，注水困難導(dǎo)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(yè)后均進行返排處理，因此目前國內(nèi)外關(guān)于前期未排液造成鉆完井液傷害的相關(guān)研究仍處于空白階段，比如對鉆完井液產(chǎn)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(fù)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(xiàn)場問題，通過對鉆完井液傷害機理的研究，結(jié)合實際現(xiàn)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(xiàn)場工藝的設(shè)計提供理論依據(jù)。

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(chǎn)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]?？紤]油田實際生產(chǎn)過程中優(yōu)選的鉆完井液體系均經(jīng)過系統(tǒng)的實驗評價及嚴格的質(zhì)量把關(guān)，鉆完井作業(yè)過程中會根據(jù)儲層的實際條件開展作業(yè)，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(chǎn)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(guān)，而形成的乳化液液滴會在孔隙喉道中發(fā)生滯留吸附作用，造成儲層的堵塞。一般鉆完井液產(chǎn)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(guān)系及侵入深度的影響，通常現(xiàn)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(zhuǎn)，一旦形成潤濕反轉(zhuǎn)，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(guān)，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(chǎn)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(zhuǎn)等傷害。當(dāng)濾液與儲層流體、巖石之間由于不配伍產(chǎn)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(yè)將濾失的大量液體排出，有利于降低后期對儲層產(chǎn)生的傷害，這與鉆完井液的吸附滯留傷害密切相關(guān)。

1.3 鉆完井液中聚合物對儲層的傷害

目前多數(shù)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(chǎn)生的主要傷害之一，在儲層多孔介質(zhì)中會發(fā)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(fā)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(zhì)中發(fā)生滯留，滯留量與鉆完井液性質(zhì)、儲層多孔介質(zhì)特征均相關(guān)，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(chǎn)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(zhì)中聚合物分子與儲層巖石表面物質(zhì)發(fā)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(jù)聚合物的分子性質(zhì)與流速間的相互關(guān)系分為層吸附及橋吸附，當(dāng)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(fā)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(dāng)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(fā)生剪切伸長的臨界流速時，聚合物分子橫跨孔隙發(fā)生橋吸附。吸附傷害一旦發(fā)生很難解除，可能會導(dǎo)致巖石潤濕性等發(fā)生改變[11]。

鉆完井作業(yè)結(jié)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(chǎn)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(guān)。

根據(jù)聚合物L(fēng)angmuir吸附定律及質(zhì)量守恒定律[12-13]，聚合物在孔隙介質(zhì)中流動時，聚合物的質(zhì)量濃度可表示為。

式中， Ci，1為聚合物質(zhì)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(zhì)量巖石骨架中能發(fā)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(shù)。

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(shù)相關(guān)，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(zhì)量濃度，g/cm3；Pi,1為能在孔隙中發(fā)生橋吸附的聚合物質(zhì)量分數(shù)，%；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(chǎn)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(yè)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(chǎn)生的傷害與鉆完井液的性質(zhì)有關(guān)，如聚合物的濃度、聚合物分子的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的傷害。總體上，鉆完井作業(yè)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(chǎn)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(xiàn)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(jù)渤海油田現(xiàn)場的實際情況，選用現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生的不同程度傷害，開展不同情況下的室內(nèi)實驗?zāi)M研究。

2.1 返排條件下鉆完井液對儲層巖心的傷害

室內(nèi)實驗研究過程中以SY/T 6540—2002為參考依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場系列流體工作順序，開展系列流體對天然巖心動態(tài)污染實驗，實驗過程見圖1。

圖1 根據(jù)行業(yè)標準順序工作液實驗流程圖（實施返排）

目前行業(yè)標準中關(guān)于鉆完井液的評價方法均考慮返排過程，實驗根據(jù)行業(yè)標準開展，在JFC鉆井液、PRD射孔液作業(yè)后進行返排處理，流體對天然巖心傷害評價實驗結(jié)果見表1。由表1可知，滲透率恢復(fù)值與巖心滲透率大小成正相關(guān)，2塊巖心經(jīng)過鉆完井液污染后進行返排處理，滲透率恢復(fù)值均小于85%，平均滲透率恢復(fù)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(yè)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(fù)，最終滲透率恢復(fù)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(chǎn)生的傷害，甚至恢復(fù)率超過100%。

表1 巖心動態(tài)污染實驗結(jié)果

2.2 未返排條件下鉆完井液對儲層巖心的傷害

目前關(guān)于鉆完井液未返排對儲層產(chǎn)生的傷害程度并沒有相關(guān)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(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)過程開展實驗流程設(shè)計，實驗流程見圖2?？紤]現(xiàn)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(jié)果見表2。

圖2 根據(jù)現(xiàn)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(tài)污染實驗結(jié)果

由表2可知，3塊巖心經(jīng)鉆完井液污染過后雖然經(jīng)過隱形酸處理，但滲透率下降較快，滲透率恢復(fù)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(yè)過程中的射孔過程，巖心滲透率得到了一定程度上的恢復(fù)，最終未返排巖心的平均滲透率恢復(fù)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(yè)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(dǎo)致滲透率大幅度降低，即使進行射孔作業(yè)也只能部分解除鉆完井液產(chǎn)生的傷害。因此在允許條件下應(yīng)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(yè)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(fù)率可達到100%。但如果鉆完井作業(yè)過程中發(fā)生吸附等傷害，很難解除，可能影響儲層巖石表面性質(zhì)，進而影響后期注水過程。為深入剖析鉆完井液產(chǎn)生的傷害，探索了鉆完井作業(yè)對后期注水產(chǎn)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(xiàn)場注入水開展相關(guān)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(xiàn)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(chǎn)生傷害，隨注水的進行滲透率曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)；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(xiàn)緩慢下降狀態(tài)，當(dāng)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(dāng)滲透率高于500 mD時現(xiàn)場注入水對巖心基本不產(chǎn)生影響，符合渤海油田對注入水水質(zhì)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(yè)，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(guān)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(xiàn)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(jù)上述研究成果表明目前現(xiàn)場所用注入水對滲透率高于500 mD巖心基本不產(chǎn)生影響，006A號巖心在此范圍內(nèi)，實驗過程見圖4。

圖4 巖心驅(qū)替及污染實驗順序

通過實驗得到注入壓力與注水量的關(guān)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(qū)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(wěn)，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(fù)滲透率，恢復(fù)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(shù)據(jù)相一致?？赡茉斐蓭r心滲透率恢復(fù)率超過100%的原因如下：①返排作業(yè)可很大程度地降低鉆完井液產(chǎn)生的傷害，通過理論分析及實驗研究均表明，返排作業(yè)對保護儲層具有重要的現(xiàn)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(yè)與隱形酸雙重作業(yè)、協(xié)同增效導(dǎo)致滲透率高效恢復(fù)，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(jié)疏松的粒間填隙物被不斷驅(qū)替出巖心，因此微粒運移也可能導(dǎo)致滲透率略有升高。根據(jù)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(xiàn)場注入水的影響。但實驗研究表明，經(jīng)返排后注入水導(dǎo)致注入壓力略有升高，滲透率略有降低，呈現(xiàn)波浪狀變化，滲透率恢復(fù)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(chǎn)生的傷害，有效恢復(fù)滲透率，甚至使?jié)B透率恢復(fù)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(nèi)，但可能由于鉆完井液傷害后的儲層巖心物性發(fā)生改變，對注入水更為敏感而容易產(chǎn)生傷害。鉆完井液產(chǎn)生的傷害通過返排可得到有效解除，宏觀上表現(xiàn)為滲透率的恢復(fù)、升高，但鉆完井液產(chǎn)生的某些傷害一旦形成就很難解除，微觀上已經(jīng)導(dǎo)致了巖心內(nèi)部表面性質(zhì)發(fā)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(yè)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(dǎo)致注水對巖心滲透率產(chǎn)生了影響，加劇了鉆完井液產(chǎn)生的傷害。

圖5 系列流體與現(xiàn)場水樣對天然巖心傷害實驗曲線（驅(qū)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(zhì)發(fā)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(chǎn)生的傷害更大，影響更深。

4 結(jié)論與認識

1.分析認為鉆完井液可產(chǎn)生多種類型傷害，根據(jù)傷害物在儲層中的存在狀態(tài)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(yè)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(chǎn)生的傷害與聚合物的濃度、聚合物分子的結(jié)構(gòu)及大小、固相顆粒含量等鉆完井液性能密切相關(guān)，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(fù)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(fù)值低于70%，因此在條件允許下應(yīng)盡量進行前期排液處理。

4.鉆完井液產(chǎn)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(dǎo)致儲層巖石表面性質(zhì)發(fā)生改變，影響后期注水作業(yè)。巖石表面性質(zhì)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(yè)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(yè)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(fā)示范工程”課題（2016ZX05058-003）資助。

劉長龍，1981年生，現(xiàn)在主要從事與油田增產(chǎn)措施相關(guān)研究工作。電話 15822902973；E-mail：jianghaike007@qq.com。

2017-7-2；HGF=1704C7；編輯 王超）