钻完井作业后返排与否造成的不同储层伤害对比

刘长龙 ， 张丽平 兰夕堂 孟祥海 ， 邹剑 ， 符扬洋 张璐

（1. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津300452）

钻完井作业后返排与否造成的不同储层伤害对比

刘长龙1，2， 张丽平1， 兰夕堂1， 孟祥海1，2， 邹剑1，2， 符扬洋1， 张璐1

（1. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津300452）

渤海油田主要采用注水开发模式，由于受特殊环境及紧迫时效的要求，部分注水井钻完井作业后不返排直接注水，往往造成注入压力高、严重欠注等问题。针对此问题，研究过程中立足于前期是否返排情况，从钻完井液的伤害类型及机理入手，深入剖析2种条件下产生伤害的差异性，开展钻完井液伤害实验对比，分析不同情况形成的伤害程度，同时进一步探求钻完井液伤害对后期注水产生的影响。研究结果表明，钻完井液伤害可分为滞留、吸附2种，滞留伤害可通过返排得到一定程度解除属于可逆过程，而吸附伤害为不可逆过程；对比实验表明，返排过程有利于大幅度降低钻完井液对储层渗透率的伤害；钻完井液形成的伤害并不是简单吸附滞留造成的储层渗透率降低，还与岩石表面性质发生改变有关，从而影响后期注水作业。

注水井；钻井完井液；储层伤害；返排；渗透率

随着勘探开发程度的不断加大，储层能量被大量消耗，各油田主要采用注水开发模式[1-2]，由于受特殊环境及紧迫的实效要求，部分注水井钻完井作业后不进行返排处理直接注水，但在后期注水过程中往往出现注水压力高，注水困难导致严重欠注的问题。众所周知，前期不排液储层极易受到钻完井液的伤害，通常钻完井作业后均进行返排处理，因此目前国内外关于前期未排液造成钻完井液伤害的相关研究仍处于空白阶段，比如对钻完井液产生的不同类型伤害哪些可以通过返排解除，哪些通过返排不能得到有效解除，特别是返排与否造成储层伤害的不同程度认识不清。前期未返排造成的储层伤害是一个复杂过程且存在长时间的影响，考虑到目前存在部分注水井前期未排液的实际现场问题，通过对钻完井液伤害机理的研究，结合实际现场所用钻完井液体系，对2种条件下储层岩心的伤害率实验，研究了返排与不返排条件下钻完井液造成储层伤害的差异性，为现场工艺的设计提供理论依据。

1 钻完井液对储层伤害的机理研究

近年来，各油田采用的钻完井液体系中大部分含有聚合物，对储层产生的伤害主要包括分散相造成的堵塞伤害、滤液与地层流体及岩石之间不配伍造成的伤害、聚合物造成的伤害及由于压差等工程因素而造成的储层伤害[3-4]。考虑油田实际生产过程中优选的钻完井液体系均经过系统的实验评价及严格的质量把关，钻完井作业过程中会根据储层的实际条件开展作业，因此研究过程中不再考虑由于钻完井液性能及其他工程因素造成的储层伤害。以渤海油田为例，针对前期返排与否2种客观条件，研究不同钻完井液伤害类型产生的不同影响。

1.1 分散相造成的堵塞伤害

钻完井液中分散相造成的堵塞伤害既包含固相颗粒伤害，也包括乳化液造成的液滴堵塞，通常形成的固相伤害程度与钻完井液中固相颗粒的含量、粒径等密切相关，而形成的乳化液液滴会在孔隙喉道中发生滞留吸附作用，造成储层的堵塞。一般钻完井液产生的固相伤害在返排条件下，可部分得到解除，受固相颗粒与储层喉道的匹配关系及侵入深度的影响，通常现场返排会使在储层入口端的固相颗粒部分随返排液排出，渤海油田选用的完井液隐形酸体系也能解除部分固相颗粒的伤害[5-6]。而形成的乳化液滴在岩石表面可能会造成润湿反转，一旦形成润湿反转，后期返排液处理基本不能有效解除。同时乳状液液滴在孔隙中形成油水段塞会造成渗流阻力大大增加，返排处理对其解除情况主要与返排过程中形成的作用力大小有关，通过返排处理也很难得到解除。

1.2 滤液与地层流体对储层的伤害

钻完井过程中必定会造成液体的滤失，滤液与储层流体之间产生不配伍形成沉淀，对低孔、低渗气层也可能存在水锁的伤害，但对渤海油田高孔高渗的疏松砂岩储层基本不考虑水锁影响。钻完井液滤液与储层岩石不配伍也可能存在水敏、盐敏、碱敏及润湿反转等伤害。当滤液与储层流体、岩石之间由于不配伍产生了沉淀及敏感性伤害，很难通过返排处理得到有效解除，尤其是敏感性伤害，部分形成的沉淀及悬浊物滞留在储层喉道中，通过返排能得到一定的解除，返排作业将滤失的大量液体排出，有利于降低后期对储层产生的伤害，这与钻完井液的吸附滞留伤害密切相关。

1.3 钻完井液中聚合物对储层的伤害

目前多数钻完井液体系中均含有聚合物，聚合物造成的储层伤害是钻完井液产生的主要伤害之一，在储层多孔介质中会发生吸附滞留作用而造成伤害[7]。通常滞留伤害主要由于高分子聚合物在孔喉中发生了渗滤作用及机械捕集作用，在机械力作用下，分子尺寸相对较小的聚合物分子在多孔介质中发生滞留，滞留量与钻完井液性质、储层多孔介质特征均相关，滞留伤害通过前期返排处理可得到解除，属于可逆过程。聚合物钻完井液体系产生的另一种伤害为吸附伤害，聚合物钻完井液进入储层后，在多孔介质中聚合物分子与储层岩石表面物质发生作用，主要受氢键的作用，同时也受到静电力的影响，使得聚合物分子滞留在岩石表面，形成吸附伤害，但与滞留伤害不同的吸附伤害属于一种不可逆的过程，并不能通过返排得到有效解除[8-10]。吸附伤害可根据聚合物的分子性质与流速间的相互关系分为层吸附及桥吸附，当聚合物分子的链长小于孔隙直径或携带液的流速小于聚合物发生剪切伸长的临界流速时，聚合物在孔隙表面的吸附为层吸附；桥吸附主要当聚合物分子的链长大于孔隙直径或携带液的流速大于聚合物发生剪切伸长的临界流速时，聚合物分子横跨孔隙发生桥吸附。吸附伤害一旦发生很难解除，可能会导致岩石润湿性等发生改变[11]。

钻完井作业结束后，开展返排处理使滞留在孔喉中的滤液得到有效排出，降低产生的伤害程度，而吸附伤害通过排液处理很难得到有效解除，因此对前期不排液井，受到吸附及滞留伤害的双重影响。选用相同钻完井液体系条件下，从机理研究认为，前期不排液造成的储层伤害要远大于返排处理井，总体上储层伤害程度与钻完井液的性能密切相关。

根据聚合物Langmuir吸附定律及质量守恒定律[12-13]，聚合物在孔隙介质中流动时，聚合物的质量浓度可表示为。

式中， Ci，1为聚合物质量浓度，g/cm3； t 为接触时间，h；r为流动半径，cm；φ为地层孔隙度；v1为液体流动速度，m/h；As1为单位质量岩石骨架中能发生层吸附的孔隙表面积，m2/g；ρs为岩石骨架密度，g/cm3；Г1为岩石骨架单位表面积上不同种类聚合物的层

1，i吸附量，g/m2；Гb1，i为岩石骨架单位表面积上不同种类的桥吸附量，g/m2。其中上角标1指层吸附，b指桥吸附；下角标i表示溶液中聚合物的种数。

通过上述吸附公式可知，形成的吸附伤害与钻完井液中的聚合物浓度、流速、岩石表面积等参数相关，而形成的2种吸附伤害的吸附速率及吸附量如式（2）～式（5）。

层吸附速率：

桥吸附速率：

式中，ka1为总的层吸附速率，cm3/（gh）；kd1为层吸附聚合物层脱附速率，cm3/h；Г∞b，i为岩石骨架单位表面积上的最大层吸附量，g/cm2；Гb，i为岩石骨架单位表面积上的桥吸附量，g/cm2；Гb1，i为岩石骨架单位表面积上不同种类的桥吸附量，g/m2；Ci,1为聚合物质量浓度，g/cm3；Pi,1为能在孔隙中发生桥吸附的聚合物质量分数，%；kab为总的桥吸附速率，cm3/（gh）；kdb为桥吸附聚合物脱附速率，cm3/h。

吸附平衡时的层吸附量：

吸附平衡时的桥吸附量：

同时钻完井液中聚合物的吸附量也受到渗透率的影响，计算见式（6）。

钻完井液产生的伤害主要在近井地带，广义上认为滞留伤害既包括聚合物的滞留，也包括固相及钻完井液滤液的滞留，因此返排作业不仅能有效降低聚合物的滞留伤害，也能大幅度降低其他原因造成的滞留伤害。钻完井液产生的伤害与钻完井液的性质有关，如聚合物的浓度、聚合物分子的结构及大小、固相颗粒含量等，也与储层条件密不可分。储层的渗透率、启动压力、孔喉表面积等均会影响钻完井液的伤害程度及范围，同时施工过程也会影响钻完井过程中产生的伤害。总体上，钻完井作业后进行返排处理，可大幅度降低对储层的伤害。选用不同的钻完井液体系，对不同的储层条件产生的伤害程度也不同。为此，后期研究过程中主要针对钻完井液对储层岩心和后期注水的伤害，选用现场钻完井液和储层岩心开展针对性的研究。

2 钻完井液对储层岩心的伤害情况

根据渤海油田现场的实际情况，选用现场所用JFC钻井液、PRD完井液及隐形酸射孔液体系，岩心为未经污染过的天然岩心。为深入研究在返排及未返排条件下，钻完井液产生的不同程度伤害，开展不同情况下的室内实验模拟研究。

2.1 返排条件下钻完井液对储层岩心的伤害

室内实验研究过程中以SY/T 6540—2002为参考依据，结合现场系列流体工作顺序，开展系列流体对天然岩心动态污染实验，实验过程见图1。

图1 根据行业标准顺序工作液实验流程图（实施返排）

目前行业标准中关于钻完井液的评价方法均考虑返排过程，实验根据行业标准开展，在JFC钻井液、PRD射孔液作业后进行返排处理，流体对天然岩心伤害评价实验结果见表1。由表1可知，渗透率恢复值与岩心渗透率大小成正相关，2块岩心经过钻完井液污染后进行返排处理，渗透率恢复值均小于85%，平均渗透率恢复值为78.95%，钻完井液体系对岩心造成了一定的伤害，返排作业后仍有部分伤害不能得到有效的解除；实验岩心通过隐形酸解堵处理后，渗透率得到大幅度恢复，最终渗透率恢复值分别达到了92.1%、116.2%，隐形酸具有解除钻完井液伤害的功能，有利于降低钻完井液产生的伤害，甚至恢复率超过100%。

表1 岩心动态污染实验结果

2.2 未返排条件下钻完井液对储层岩心的伤害

目前关于钻完井液未返排对储层产生的伤害程度并没有相关的理论及实验研究，为深入了解钻完井液不返排条件下对储层的伤害程度，根据现场实际作业过程开展实验流程设计，实验流程见图2。考虑现场实际情况，实验针对未返排注水井并考虑射孔过程，通过切除岩心的方式模拟射孔过程，实验结果见表2。

图2 根据现场实际情况顺序工作液实验流程图（未返排）

表2 系列流体未返排对岩心动态污染实验结果

由表2可知，3块岩心经钻完井液污染过后虽然经过隐形酸处理，但渗透率下降较快，渗透率恢复率在19.4%～40.6%之间，均小于85%，通过岩心切除即模拟实际作业过程中的射孔过程，岩心渗透率得到了一定程度上的恢复，最终未返排岩心的平均渗透率恢复率可达到34.6%～67.7%。与表1对比分析可知，前期是否进行返排处理对储层的伤害程度影响较大。目前渤海油田常用钻井液体系、完井液体系、射孔液体系，在前期返排条件下对储层的伤害较小甚至基本不伤害，符合行业中对钻完井液体系的性能要求；前期未返排条件下，对储层的伤害严重，导致渗透率大幅度降低，即使进行射孔作业也只能部分解除钻完井液产生的伤害。因此在允许条件下应尽量进行返排处理。

3 钻完井液伤害对后期注水的影响

钻完井作业后通过返排处理可大大降低对储层的伤害，甚至通过返排、射孔及隐形酸处理后岩心渗透率的恢复率可达到100%。但如果钻完井作业过程中发生吸附等伤害，很难解除，可能影响储层岩石表面性质，进而影响后期注水过程。为深入剖析钻完井液产生的伤害，探索了钻完井作业对后期注水产生的影响。

3.1 未伤害岩心对注水的影响

选用实际储层岩心及现场注入水开展相关实验研究，实验过程中考虑储层渗透率对注入水的适用性，选用不同渗透率的天然岩心，其中004A号岩心气测渗透率为536.6 mD，005A号岩心气测渗透率为117.0 mD，注入水对岩心渗透率的影响见图3。

图3 现场注入水对天然岩心渗透率保留率的影响

由图3可知，注入水对渗透率较高（＞500 mD）的岩心基本不产生伤害，随注水的进行渗透率曲线呈现平稳状态；而对渗透率较低（＜150 mD）的岩心伤害较大，随着注水量的增加渗透率不断降低，渗透率曲线呈现缓慢下降状态，当注水量达到50 PV时，渗透率为117 mD的岩心渗透率下降幅度接近50%。因此当渗透率高于500 mD时现场注入水对岩心基本不产生影响，符合渤海油田对注入水水质指标的要求。

3.2 钻完井液伤害后岩心对注水的影响

钻完井液形成的伤害会长期吸附、滞留在储层中，影响后期注水作业，为对比分析钻完井液伤害对岩心后期注水的影响，开展相关实验研究。实验以SY/T 6540—2002为参考标准，系列工作液正向污染岩心后，进行模拟地层水返排测定渗透率，此后考虑注入现场所用注入水，观察钻完井液伤害后的注水情况。所选006A号岩心气测渗透率为691.8 mD，属于高渗透率岩心，根据上述研究成果表明目前现场所用注入水对渗透率高于500 mD岩心基本不产生影响，006A号岩心在此范围内，实验过程见图4。

图4 岩心驱替及污染实验顺序

通过实验得到注入压力与注水量的关系曲线如图5所示。由图5可知，钻完井液伤害后进行返排处理，反向驱替地层水，注入压力随着注水量先增大后降低，然后略有增大，最后趋于平稳，中间明显存在一个突破压力，这可能由于一系列钻完井液流体污染过程中在岩心端口形成封堵所致，钻完井液伤害后进行返排处理可有效恢复渗透率，恢复率最终达到103.4%，返排后渗透率为715.3 mD，这与1#、2#岩心实验数据相一致。可能造成岩心渗透率恢复率超过100%的原因如下：①返排作业可很大程度地降低钻完井液产生的伤害，通过理论分析及实验研究均表明，返排作业对保护储层具有重要的现实意义；②隐形酸能够部分溶解岩石矿物，达到提高岩石渗透率的作用，返排作业与隐形酸双重作业、协同增效导致渗透率高效恢复，甚至高于初始渗透率；③同时由于实验岩心较短、且孔喉粗大，随着注水的进行，胶结疏松的粒间填隙物被不断驱替出岩心，因此微粒运移也可能导致渗透率略有升高。根据上述实验研究认为返排后渗透率为715.3 mD的006A号岩心在理论上基本不受现场注入水的影响。但实验研究表明，经返排后注入水导致注入压力略有升高，渗透率略有降低，呈现波浪状变化，渗透率恢复率由103.4%下降到95.4%，最终渗透率在659.9 mD左右。由此可知，尽管返排处理能有效降低钻完井液对储层岩心产生的伤害，有效恢复渗透率，甚至使渗透率恢复率高于100%，使岩心渗透率处于基本不受注水影响的范围之内，但可能由于钻完井液伤害后的储层岩心物性发生改变，对注入水更为敏感而容易产生伤害。钻完井液产生的伤害通过返排可得到有效解除，宏观上表现为渗透率的恢复、升高，但钻完井液产生的某些伤害一旦形成就很难解除，微观上已经导致了岩心内部表面性质发生了一定的改变，如润湿性、岩石孔隙的毛细管力等，因此尽管返排作业后，岩心渗透率高于伤害前，处于不受注水影响的范围，由于注水与钻完井液的双重影响，而导致注水对岩心渗透率产生了影响，加剧了钻完井液产生的伤害。

图5 系列流体与现场水样对天然岩心伤害实验曲线（驱替速度为0.091 mL/min）

在返排条件下钻完井液对储层的伤害并非简单的吸附伤害，而造成了储层岩石孔隙喉道的微观性质发生了改变，对后期注水存在一定的影响。在不返排条件下不仅存在吸附于岩石孔隙表面的钻完井液伤害，同时大量钻完井液滞留于储层近井地带，造成对后期注水井产生的伤害更大，影响更深。

4 结论与认识

1.分析认为钻完井液可产生多种类型伤害，根据伤害物在储层中的存在状态广义上可分为滞留伤害及吸附伤害。滞留伤害是可逆过程，返排处理能有效解除滞留伤害，而吸附伤害是不可逆过程，一旦形成很难解除，钻完井作业后不排液处理，既存在滞留伤害，也存在吸附伤害。

2.理论研究表明，钻完井液产生的伤害与聚合物的浓度、聚合物分子的结构及大小、固相颗粒含量等钻完井液性能密切相关，同时也受储层渗透率、启动压力、孔喉表面积等储层条件的影响。

3.渤海油田所选钻完井液体系在返排条件下使得储层岩心渗透率恢复值达90%以上，而不返排条件下对岩心伤害较大，岩心渗透率恢复值低于70%，因此在条件允许下应尽量进行前期排液处理。

4.钻完井液产生的伤害不仅是单纯滞留吸附作用而造成的渗透率降低，微观上会导致储层岩石表面性质发生改变，影响后期注水作业。岩石表面性质的改变，对符合注水指标的注入水也会造成一定的伤害。在钻完井液与注入水的双重影响下，可能造成伤害加剧，因此钻完井作业后要进行返排处理，尽量降低对储层的伤害。

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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

刘长龙，张丽萍，兰夕堂，等.钻完井作业后返排与否造成的不同储层伤害对比[J].钻井液与完井液，2017，34（5）：123-128.

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TE258

A

1001-5620（2017）05-0123-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.023

国家科技重大专项“渤海油田高效开发示范工程”课题（2016ZX05058-003）资助。

刘长龙，1981年生，现在主要从事与油田增产措施相关研究工作。电话 15822902973；E-mail：jianghaike007@qq.com。

2017-7-2；HGF=1704C7；编辑 王超）