1、保护油气层暂堵技术新进展,中国石油大学（北京）鄢捷年2005年8月,研究的目的和意义,长期以来，国内外石油工程界一直沿用Abrams提出的“1/3架桥规则”（1977年）和罗平亚院士等建立的屏蔽暂堵技术（1990年）来选择暂堵剂的颗粒尺寸，并获得了十分广泛的应用。但是，这两种方法都是以储层的平均孔径和暂堵剂的粒度中值作为确定暂堵方案的依据，而储层的孔隙结构一般有很强的非均质性，孔喉尺寸一般呈正态分布，较大孔喉尽管数量比例较小，但对渗透率的贡献很大。因此，如果按上述两种传统方法确定暂堵方案，必定会忽略对储层较大孔喉的暂堵，因而从原理上不能解决暂堵剂粒径与孔喉尺寸分布的最佳匹配问题。特别对于中、高
2、渗透性储层，较大孔喉的尺寸和所占比例均较大，使用上述方法确定的暂堵剂很难在较大孔喉处架桥，形成高质量的泥饼，也就达不到理想的保护效果。,研究的目的和意义,为了更好地保护储层，特别是使中、高渗透性储层达到理想的暂堵效果，本研究以一种全新的思路，依据颗粒堆积效率最大值原理，以储层孔喉尺寸分布和暂堵剂的粒径分布的匹配关系为依据，而不是以平均孔径和暂堵颗粒的粒度中值的匹配关系为依据，建立一种既科学、有效又实用的优选暂堵剂颗粒尺寸的复配暂堵新方法。该方法将目前市场上几种不同规格的超细CaCO3暂堵剂产品按最优比例进行复配，使复配后暂堵剂颗粒的粒度分布正好与储层的孔喉尺寸分布相匹配，以实现最优的暂堵和储层
3、保护效果。经本课题组半年多来的初步研究和探索，表明实现这一目标是完全可能的。其研究成果对进一步发展保护油气层技术，对钻井过程中最大限度减轻储层损害，对提高油气井的单井产能和油田公司的综合经济效益，具有十分重要的意义。所建立的新方法且操作简便，资金投入又少，因而该项成果有广阔的应用前景。,SPE 58793 Optimizing the Selection of Bridging Particles for Reservoir Drilling Fluids M.A. Dick, T.J. Heinz and C.F. Svoboda, M-I L.L.C., and M. Aston, BP
4、Amoco This paper was prepared for presentation at the 2000 SPE International Symposium on Formation Damage held in Lafayette, Louisiana, 2324 February 2000.,保护储层钻井液暂堵粒子的优选（提出理想充填理论）,国内外研究现状及分析,屏蔽式暂堵技术：暂堵剂颗粒应由架桥颗粒、充填颗粒以及可变形颗粒所组成。在一定正压差下，当架桥颗粒粒度中值约等于储层平均孔径的2/3，充填粒子和可变形粒子的粒径约等于储层平均孔径的1/31/4时，暂堵效果最佳。按“3
5、%刚性粒子 + 1.5%充填粒子 + 1%2%软化粒子”的比例，来确定各暂堵剂在钻井液中的加量。使用该项技术形成的内、外泥饼的渗透率接近于零，因此可有效地防止钻井液侵入储层泥饼很薄，可在完井时通过射孔实现解堵。,国内外研究现状及分析,屏蔽暂堵首次提出了暂堵剂应由3种分别起不同作用的颗粒复配而成的新观念，是一种保护储层的效果明显优于Abrams架桥规则的暂堵方案优选方法，也是目前我国各油田在钻井、完井作业中实施保护油气层技术的首选方法。该方法的不足之处在于，在确定暂堵剂的粒度分布时，仍是以储层的平均孔径与暂堵剂的粒度中值的匹配关系为依据，这与储层孔喉尺寸的实际分布状况不符。从原理上进行分析，尚不
6、能达到最佳的暂堵效果。,国内外研究现状及分析,随着保护油气层技术的进一步发展，近年来国外一些研究者认为在某些情况下，特别是对于渗透率和孔隙度较高的储层，采用“1/3架桥准则”并不能达到一种理想的保护效果，于是提出新的架桥原理和暂堵方法取而代之。例如，国外M-I钻井液公司和BP Amoco公司应用“理想充填”理论，已初步建立和发展了一种新的优选暂堵剂的方法和技术，并已开始应用于生产现场。,国内外研究现状及分析,在连续尺寸颗粒堆积理论基础上，国外研究者首先提出了理想充填理论和d90规则，力求达到理想的暂堵和保护储层的效果。Kaeuffer首先将涂料工业的前期研究成果推广应用于石油工业中，提出了暂堵
7、剂颗粒的“理想充填理论”（Ideal Packing Theory）。他假设钻井液中的暂堵颗粒服从Gaudin-Schuhmann粒度分布模型。通过计算机模拟计算，得出当模型参数n=0.5时有最高的堆积效率。也就是说，当暂堵剂颗粒累积体积分数与粒径的平方根（即d1/2）成正比时，可实现颗粒的理想充填。,国内外研究现状及分析,“理想充填”的含义： 对于保护储层的钻井液，需要根据孔喉尺寸加入具有连续粒径序列分布的暂堵剂颗粒来有效地封堵储层中大小不等的各种孔喉，以及暂堵颗粒之间形成的孔隙。只有形成这种合理的粒径序列分布，才能确保形成滤失量极低的致密泥饼。,国内外研究现状及分析,Hands等人依据“理
8、想充填理论”，提出了便于现场实施的d90规则，即当暂堵剂颗粒在其粒径累积分布曲线上的d90值（指90%的颗粒粒径小于该值）与储层的最大孔喉直径或最大裂缝宽度相等时，可取得理想的暂堵效果。Dick等人 则进一步以图解方式，首先提出了能在一定程度上表征储层孔喉尺寸分布特征的目标线 (Target line) 的概念，并初步建立了一种便于现场操作的优选复配暂堵方案的新方法。,理想充填暂堵优选方法的特色,该方法是根据孔喉尺寸及其分布，是利用一组完整的暂堵剂粒径分布序列对各种尺寸的孔喉实施暂堵和保护，尤其充分考虑了对较大尺寸孔喉的暂堵和保护，这样可确保钻井液在井壁上形成优质泥饼，最大限度地降低钻井液的滤
9、失量和减轻对储层造成的损害。所建立的方法利用其配套软件，具有很强的实用性，便于生产现场应用。,当暂堵剂颗粒累计体积百分数与d1/2成正比时，可实现颗粒的理想充填。 （ d1/2是颗粒粒径的平方根） 该理论依据涂料工业的前期研究成果。,理想充填理论(Ideal Packing Theory),使用CaCO3作为暂堵剂的钻井液的常规颗粒粒度分布曲线,几种CaCO3产品的颗粒粒度分布曲线,Drilling-in Fluid Reduces Formation Damage, Increase production Rates N. Hands, et al. Oil & Gas Journal, J
10、uly 13, 1998.,能减轻损害、提高产能的钻进液（提出D90规则）,d90规则及目标线的绘制,d90规则：当储层最大孔喉尺寸与暂堵剂颗粒的d90相匹配时，可取得理想暂堵效果。目标线（target line)：根据储层最大孔喉尺寸确定d90，在暂堵剂粒径分布曲线上，以 (d90)1/2与坐标原点的连线作为目标线。例：已知某砂岩储层最大孔喉为133mm，则 (d90)1/2 = 11.53mm，其目标线如下图所示。,d90,(133)1/2 = 11.53mm,最大孔喉尺寸133mm储层的理想暂堵剂粒径分布（与几种CaCO3暂堵剂产品粒度分布曲线的比较）,绘制“累计体积%” “d1/2”坐
11、标图。选用具有代表性岩样进行铸体薄片分析或压汞实验，测出储层最大孔喉直径（即d90）。 d90也可从孔喉尺寸累计分布曲线上读出。( d90 )1/2与坐标原点的连线即为对该储层实施暂堵的目标线。若无法得到最大孔喉直径，可用储层渗透率上限值进行估算，即 (kmax)1/2 d90 。若已知储层平均渗透率，可先确定d50 ，即(k平均)1/2 d50 。然后将( d50 )1/2与坐标原点的连线延长，可外推出d90 。,目标线的确定方法,如何实施有效暂堵？,具有某种粒度分布特征的单一暂堵剂很难与目标线相匹配。将几种不同粒径的暂堵剂复配使用，比较容易得到给定储层的理想暂堵方案。复配暂堵剂的颗粒粒度分
12、布曲线应与储层目标线的斜率相接近。考虑到暂堵剂在环空的剪切磨损，复配暂堵剂的最优粒度分布曲线可略靠储层目标线的右侧（宁右勿左）。在储层钻进过程中，应适量补充一些粗颗粒以保持粒度分布曲线的位置和斜率。参见下图。,对最大孔喉直径133mm储层实施封堵的CaCO3粒径最佳组合,d*(1/3)d,滤液侵入,(1/7)dd*(1/3)d,固相颗粒,滤液,油相,d*:,颗粒平均直径,d :,平均孔径,Abrams提出的1/3架桥规则,形成暂堵带,新、旧架桥规则暂堵示意图,颗粒粒度分布的选取,Abrams,架桥规则,d1/2,理想充填架桥规则,SPE 36430 Drilling Fluid Design
13、to Prevent Formation Damage in High Permeability Quartz Arenite Sandstones P. S. Smith, et al. This paper was prepared for presentation at the 1996 SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver, Colorado, 5-9 October 1996.,保护高渗砂岩储层的钻井液设计,储层的孔隙尺寸累计分布与渗透率累计分布曲线,0,10,20,30,40,50,60,70,8
14、0,90,100,0.01,0.1,1,10,100,1000,孔隙尺寸，mm,累计百分数，,孔隙尺寸分布,渗透率分布,中、高渗储层暂堵技术,几点认识： 大孔隙对渗透率的贡献是主要的，30%的大孔隙对渗透率的贡献大约为85%。因此，尤其应对大孔隙进行暂堵保护以尽可能减轻损害。加入较大尺寸的架桥颗粒是对大孔隙进行保护的主要措施。作为高渗储层的暂堵剂，对CaCO3的要求是，维持较大的粒度中值（d50）以及较窄的颗粒尺寸分布。,中、高渗储层暂堵技术,某地区储层渗透率与孔喉半径之间关系,现场应用实例,暂堵剂粒径分布图,方案一：按照1223架桥规则 暂堵剂d506.3848.512m。 选择600目超钙
15、。加量5。方案二：按屏蔽暂堵技术要求 屏蔽暂堵剂：1400目 1.5600目超钙 1.51000目超钙 1FB-2方案三：按理想充填理论及D90规则 理想充填暂堵剂-1: WC-1C 20 600目超钙70 1000目超钙10）方案四：按理想充填理论及D90规则并考虑加入可变形颗粒 理想充填暂堵剂-2: WC-1C 20 600目超钙60 1000目超钙10 10FB-2）,各种暂堵方案,按1/22/3架桥规则,按理想充填理论,理想充填暂堵剂1粒径分布图,1 # ：有机正电胶基浆； 2 # ：1# 600目碳酸钙；3 # ：1# 广谱屏蔽暂堵剂； 4 # ：1# 理想充填暂堵剂-1；5 # ：
16、1# 理想充填暂堵剂-2,不同暂堵方案的实验结果,不同暂堵方案的岩心渗透率恢复值,根据邻井的孔喉资料，储层的r50约等于5.45m。由此利用“暂堵剂优化设计软件”进行计算，得到两种暂堵剂选择方案。方案一：不考虑可变形颗粒（总加量5） 20WC-1C70600目超钙101000目超钙方案二：加入可变形颗粒（总加量5） 20WC-1C60600目超钙101000目超钙10FB-2,某油田一口井钻井液暂堵方案设计,储层基线与三种暂堵剂粒径分布图,理想充填暂堵方案（1）粒径分布图,理想充填暂堵方案（2）粒径分布图,结 论,“理想充填理论”和d90规则是近年来保护油气层钻井液暂堵技术取得的新进展。新方法的主要特点是“复配暂堵”和“广谱暂堵”。与传统架桥规则相比，使用该方法可取得更好的暂堵效果。新方法充分考虑了暂堵剂对储层大尺寸孔喉的暂堵作用，因此，特别是对于中、高渗储层，建议使用新方法确定暂堵方案。实施新方法的前提是：储层孔喉尺寸或储层原始渗透率的数据必须准确、可靠。新方法便于现场实施和推广应用。,谢 谢！,
