保护储集层技术

保护储集层技术 2013年 11月 第一节 义及保护储集层的意义 在钻井、完井、井下作业及油气田开采全过程中，造成油气层渗透率下降的现象通称为 油气层损害。 石油天然气勘探开发工作者，首先要懂得保护储集层技术的重要性和必要性，认识储集层被损坏的原因危害，明确保护储集层防止污染技术的基本概念。 国内外大量的生产实践证明地层损害 导致以下恶果： 降低产能及产量 ， 影响试井与测井资料解释的正确性 ， 严重时可导致误诊 、 漏掉油气层甚至“ 枪毙 ” 油气层 ， 这还会造成储量和产能估算不准 、 影响合理制定开发方案等 。 增加试油、酸化、压裂、解堵、修井等井下作业的工作量因而提高油气生产成本；特别是在低油价时，如果井下作业费用过高就从经济上导致不能进行井下作业甚至被迫停止油井生产。 影响最终采收率，即损伤油气资源。任何一个国家，任何一个油气田，资源（即储量）总是有限的。特别是任何一个油气田随着油气藏剩余储量的减少和勘探开发成本的增加，迟早要达到或接近临界盈利状态，地层损害往往增加井下作业从而导致经济损失。 从理论上来说，储集层的损害有可能是无限的，而增产措施的效果只是有限的，且很难达到一口井原始的潜在产能。 第二节 . 油气层损害的机理 油气层损害的内因 孔隙和喉道结构； 孔隙内表面性质； 孔隙流体性质； 油气损害的外因 变温； 作业时间； 工作液液相性质； 工作液中固相性质。 油气损害的内外作用形式 外来流体与岩石矿物相互作用； 外来流体与孔隙流体相互作用； 岩石所存在的环境变化（温度压力变化）； 外来固相颗粒与岩石作用。 一 . 油气层潜在损害因素 1. 敏感性矿物 对损害的影响 敏感性矿物 在与外来流体接触过程中，容易发生化学作用而降低渗透率的矿物。 分析方法 矿物类型； 矿物产状； 矿物含量。 矿物类型对油气层的损害 水敏（盐敏）矿物 粘土矿物 粘土矿物 （按水化膨胀性大小排列）： 蒙脱石 伊 /蒙混层 伊利石 绿 /蒙混层 粘土矿物损害机理 粘土矿物水化膨胀，使孔喉缩小；分散、微粒运移堵塞喉道，从而导致渗透率下降。 粘土矿物含量越高，损害的可能性越大 碱敏矿物 与高 碱敏矿物类型 长石、微晶石英、蛋白石、粘土 碱敏矿物损害机理 碱敏矿物与高 堵塞喉道，导致渗透下降。 酸敏矿物 与外来酸液接触而导致地层损害的矿物 酸敏矿物类型 含铁矿物 对 含钙矿物、含镁矿物 酸敏矿物损害机理 酸敏矿物与外来酸液作用生成化学沉淀或释放微粒，堵塞喉道，从而导致油气层损害。 矿物产状对油气层的损害 矿物产状 矿物在岩石空间的分布位置和存在状态； 薄壳型 伊利石 和 蒙脱石 平行排列于骨架颗粒表面，呈包覆状。 粘土分布 骨架颗粒 损害影响 流道表面光滑，阻力小，不易速敏； 表面带负电，亲水性强，易水化膨胀而减小流道，甚至导致严重水锁。 栉壳型 绿泥石 呈叶片状垂直分布于骨架颗粒表面 骨架颗粒 粘土分布 损害影响 流道表面粗糙，阻力大，绿泥石易被折断形成微粒，产生速敏； 酸蚀形成 H)3胶体，和 胶体，堵塞喉道。 桥接型 伊利石 呈毛发状和纤维状搭接于骨架颗粒之间。 骨架颗粒 粘土分布 损害影响 表面积大，流动阻力大，易被冲断形成微粒堵塞，产生速敏； 易水化膨胀产生水敏。 填充型 高岭石 和 绿泥石 呈松散状填充于骨架颗粒之间。 骨架颗粒 粘土分布 损害影响 微粒易冲掉，发生速敏； 与液相接触面积大，易酸敏。 矿物含量对油气层的损害 矿物含量 粘土矿物总含量（泥质总含量）粘土矿物重量百分数 粘土矿物总含量 10% 容易损害。 粘土矿物总含量越高、与液相接触面积越大，损害的可能性就越大。 2 . 孔隙和喉道结构 对损害的影响 孔隙、喉道结构 孔隙和喉道的几何形状、大小、分布、连通性。 喉道结构 与损害的关系 缩径喉道： 孔隙和喉道尺寸相差不大，不易堵塞，外来固相易侵入；粒间胶结物少，固结松散，易出砂和井壁坍塌， 点状喉道： 孔隙与喉道差异大，喉道小，易出现微粒堵塞、水锁和贾敏损害 片状喉道： 喉道长而细小、弯曲、粗糙，渗透率低，易出现微粒堵塞、水锁和贾敏损害。 管束状喉道： 喉道细小、弯曲交叉，易导致紊流；微粒在喉道交叉处易沉积堵塞；易水锁、贾敏和乳化堵塞损害。 孔隙结构参数 与损害的关系 孔隙结构参数： 孔喉大小分布 孔喉弯曲程度 孔隙连通性 孔喉大小分布 孔喉大小主要参数： 主流 喉 道半径， 最大连通喉道半径， 喉道平均半径 , 孔喉中值半径， 喉参数对损害的影响 参数越大，孔喉就越大，外来固相颗粒侵入的可能性就越大，侵入深度越深，损害程度就越大。但水锁和贾敏的可能性就小。 孔喉弯曲程度对损害的影响 弯曲程度越大，喉道越易被堵塞，损害的可能性就越大。 孔喉连通性对损害的影响 孔隙连通程度用以下参数描述： 最小未饱和孔隙体积百分数（ 小，连通性越好； 退汞率；退汞率越高，连通性越好。 孔隙配位数，即一个孔隙与喉道的连通数，配位数越小，喉道的连通性越差。 孔隙连通性越差，越易受到损害。 孔隙结构 、 渗透率 、 损害程度 之间的关系 孔隙度与渗透率间的关系 孔隙度与渗透率一般成正相关关系，渗透率高的岩石，其孔隙度也高。渗透率主要取决于喉道尺寸、连通性和孔隙度。 孔喉与渗透率间的关系 渗透率大小直接受孔喉大小、孔隙的均匀性和连通性控制。孔喉大、均匀、连通性好，渗透率就高。 胶结物与渗透率间的关系 胶结物（泥质胶结、碳酸盐岩胶结）含量越高，渗透率就越低。 孔隙结构、渗透率、损害程度的关系 孔喉大、均匀性和连通性好，交结物含量低，渗透率就高，易出现外来固相堵塞损害。 孔喉小、连通性差，胶结物含量高，渗透率低，易发生粘土矿物水化膨胀、分散、脱落、微粒运移堵塞，以及水锁和贾敏损害。 3 . 岩石表面性质 对损害的影响 岩石表面性质 孔隙和喉道内表面的性质 岩石比表面 岩石表面润湿性 表面粗糙度 岩石比表面积 与损害的关系 比表面积越大，流体接触面越大，接触越充分，损害的可能性就越大 岩石表面润湿性 与损害的关系 润湿性与以下因素有关： 岩石矿物组成，流体化学性质，表面粗糙度，环境温度、压力。 润湿性决定着油气水的空间分布、毛管力大小和方向、微粒的运移； 亲水岩石会降低油相渗透率，有利于微粒运移堵塞喉道，造成损害。 岩石表面粗糙度 与损害的关系 表面粗糙度取决于粘土矿物的产状。 表面越粗糙，流动阻力越大，表面颗粒越易脱落堵塞喉道，损害油气层。 4. 孔隙流体 对损害的影响 孔隙流体 孔隙中的油气水。其中对损害关系密切的是 地层水性质 、 原油性质 、天然气性质 。 地层水性质 与损害的关系 地层水性质： 矿化度含盐量的多少 类型 、 离子成分 : 、 、 、 、 阳离子； 、 、 F 阴离子。 当外来液与地层水不配伍时或环境温度和压力降低时， 生成 H)2 无机沉淀 ，堵塞孔喉损害油气层； 当含有高分子处理剂的外来液进入高矿化度盐水层时，会产生 盐析 ， 生成有机沉淀 ，堵塞孔喉，损害油气层。 原油性质 与损害的关系 原油性质 ：含蜡量、胶质、沥青、含硫量、凝固点、粘度。 与油层损害的关系 石蜡、胶质、沥青、可能形成有机沉淀堵塞； 原油与不配伍的外来液作用，形成高粘度乳状液，阻碍渗流； 原油还可与酸液反应生成酸渣，损害油气层。 天然气性质 与损害的关系 与油气损害有关的性质： 与油层损害的关系 腐蚀设备造成微粒（ 塞。 二 主要内容 外来液固引起的损害 外来固相颗粒堵塞； 外来液与岩石不配伍； 外来液与孔隙流体不配伍； 外来液引起的毛细管阻力。 工程因素和环境条件改变导致的损害 作业压差； 温度变化； 作业时间。 1. 外来液固导致的损害 外来固相颗粒导致的损害 固相颗粒损害机理 当工作液压力大于地层压力时，固相颗粒就会随液相一起进入地层，并在孔喉处被阻而沉积下来，形成堵塞，造成损害。 影响固相侵入深度和损害程度的因素 固相颗粒与孔喉的尺寸匹配关系 固相含量和大小级配 压差 作业时间 外来液相与岩石不匹配导致的损害 损害机理 归结为水（盐）敏、碱敏、酸敏损害。 水（盐）敏损害 损害机理 外来液与地层粘土矿物不配伍时，导致粘土矿物水化膨胀、分散脱落，损害油气层。 损害规律 粘土含量越高，水敏损害越严重； 粘土矿物种类不同，损害程度也不同 ; 孔喉尺寸越小，越易损害； 外来液与地层的矿化度差别越大，水化膨胀越快，水敏损害越严重。 外来液的高价和水化半径小的阳离子越多，引起水敏损害越弱。 碱敏损害 损害机理 高 致分散脱落，以及形成新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，堵塞喉道。 损害规律 碱敏矿物含量越高，外来液 入量越大，损害程度就越严重。 酸敏损害 损害机理 地层中的某些酸敏矿物（碳酸盐矿物、粘土矿物、含铁矿物、硅酸盐矿物）与酸液接触后，会释放大量微粒和生成沉淀，堵塞喉道，导致损害。 岩石与酸的溶解反应 与 酸盐矿物金属阳离子二氧化碳和水 硅酸盐矿物 (部分 )金属阳离子硅酸； 含铁矿物氢氧化铁沉淀 与 溶解不与 质矿物 (石英、长石、粘土 ) 沉淀形式 H)2： 3 =H)3(沉淀 ) 2 =H)2(沉淀 ) H)3(沉淀 )胶体在流动过程中由小变大。 ： 粘土及一些含硅酸盐的矿物与酸反应释放出 离子，当残酸 3 4时，形成 沉淀。 氟化物沉淀 ： 2F =淀 ), 2F =淀 ) 氟硅酸盐、氟硅酸铝盐 ： 粘土、石英、长石 2 沉淀 )+2H+ K+= 沉淀 )+2H+ 沉淀 )+2H+ 沉淀 )+3H+ K+= 沉淀 )+3H+ 以上沉淀吸附在孔隙表面上，堵塞喉道。 硅酸凝胶： 硅酸盐矿物、氧化硅矿物 2 234 H+ +2 开始形成的正硅酸可溶于水，当单分子逐渐聚集成多聚硅酸时 ,形成含水量和体积较大的硅酸凝胶 . 分解 水解 酸化微粒： 酸化释放微粒及剩余残渣，堵塞孔喉。 润湿反转损害 损害机理 由于某些矿物（石英、长石）表面带负电，容易吸收阳离子表面活性剂，破坏岩石表面水化膜，使亲水端吸附在矿物表面，亲油端朝向孔隙流体端，在岩石表面形成单分子层，将亲水变为亲油，从而改变油相渗透率，损害油气层。 渗透率越低，润湿反转导致的损害越严重。 影响润湿反转性的因素有 改变表面电荷性质； 阳离子 增强亲油性 （活性剂溶解性降低、活性增 强、络合反应）； 温度 温度升高，水润湿增强，油润湿减弱。 外来液相与孔隙流体不配伍导致的损害 损害机理 发生化学反应，生成化学沉淀（ 无机沉淀 ， 有机沉淀 ， 乳化物 ， 细菌 ），沉淀吸附在孔喉表面，使流道缩小，或堵塞喉道、以及增大液流粘度，降低渗透率。 无机沉淀 主要有： 无机沉淀的生成： * H 淀 ) = 淀 ) ?S = 沉淀 ) 沉淀 ) = 沉淀 ) 沉淀 ) 吸热 吸热 放热 影响无机沉淀生成的因素： 高 *H ，使离子浓度增加，有利于碳酸盐和氢氧化钙沉淀生成 温度 温度升高有利于吸热沉淀反应 ,温度降低 ,有利于放热沉淀反应，沉淀增加。 压力 压力降低 ,使地层中 浓度增加，有利于 接触时间 接触时间越长生成的沉淀颗粒越大 , 数目越多，损害越严重。 总矿化度 总矿化度升高有利于沉淀溶解 有机沉淀 主要有：石蜡、沥青质、胶质沉淀； 导致有机沉淀因素： 导致沥青絮凝； 与酸反应 形成胶状污泥； 气体进入 不容性烃类衍生物增多 (，沥青质沉淀（ ; 表面张力降低 沥青质沉淀形成； 温度降低 温度于石蜡初凝点时，石蜡析出； 轻质组分和溶解气 使石蜡溶解能力和初凝点降低，出现析蜡； 晶核量的增多 微粒形成和外来固相颗粒侵入，为蜡析出提供了结晶中心。 乳化损害 主要机理 ：外来液与油层流体混合形成乳状液。 当乳状液液滴尺寸大于孔喉尺寸时，形成液滴堵塞和增加附近毛管阻力； 乳状液的粘度高，流动阻力大，导致液体堵塞。 细菌损害 主要机理 ： 地层中细菌生长繁殖，产生体积较大的菌络、高粘液、以及代谢导致无机沉淀，造成堵塞和流动困难。 细菌繁殖和损害随 矿化度 、 温度 、 含油饱和度 的降低而增加。 细菌类型： 硫酸盐还原菌 ：厌氧菌，体积小，繁殖快；通过氧化有机物和气态氢将硫酸盐还原成二价硫获取繁殖能量。 腐生菌 ：好氧菌，通过氧化有机质获取新陈代谢能量。 铁细菌： 好氧菌，将 氧化成 ，生成 H)3 沉淀。 细菌新陈代谢产生 、 与、 子反应生成 e(无机沉淀。 外来液影响油水分布导致损害 损害机理 : 外来液相进入，降低含油饱和度，增加油流阻力，导致油相渗透率降低。产生水锁和贾敏损害。 2. 工程因素和环境改变导致的损害 作业压差导致的损害 导致微粒运移堵塞 作业压差是液相和固相颗粒进入油层的驱动力。正压差驱使井内液固进入地层，负压差驱使地层流体和微粒向井内流动。 压差越大，流速越快，容易速敏。 正压差越大，外来固相颗粒进入越深，进入的液相越大，外来液固损害越严重。 导致无机和有机沉淀堵塞 正压差： 液相进入油层，与孔隙流体作用生成无机和有机沉淀。 负压差： 地层压力降低，使 分解， 浓度增加，导致 石蜡溶解度降低，形成石蜡有机沉淀。 导致应力敏感损害 除原地应力外，井眼周围应力取决于井内压力。近井壁的切向压应力随井内压力增大而减小，径向应力随井内压力增大而增大。因此，井内压力增大使径向孔喉直径增大，切向孔喉缩小，有利于井内流体和固相进入地层； s3 s1 s1 m Po sr sq sr sr sq 压漏地层导致损害 井内压力增大使径向应力增大，切向压应力减小；当井内压力增大到某一值时，切向应力变为拉应力。如果拉应力超过岩石的抗拉强度，井壁岩石被拉裂，形成裂缝，导致井内液体漏失。井内液相和固相漏入地层会导致严重的损害。 sr sq sq 地层出砂和井壁坍塌导致损害 负压差不当，使松散地层出砂和井壁坍塌。出砂使近井壁喉道被堵，降低渗透率；同时容易导致井壁坍塌。 温度变化导致的损害 增加损害程度 温度升高，各种敏感性损害程度增加；流体粘度降低，工作液容易进入地层，使损害深度加深。 导致沉淀生成 温度降低：放热沉淀反应生成无机沉淀 (；使石蜡析出，生成有机沉淀。 温度升高：吸热沉淀反应生成无机沉淀 ( 导致变温应力敏感 温度升高：产生切向变温压应力，使径向喉道缩小； 温度降低：产生切向变温拉应力，使径向喉道增大或形成微裂纹，有利于液相进入，导致损害。 工作液接触时间越长损害越严重 细菌损害随时间增加； 进入液随时间增加。 作业时间对损害的影响 第三节 一 酸化作用：洗井、解堵、基质酸化扩大渗流通道 1. 酸化作业中的油层损害因素 酸液与油层流体不配伍 与地层水不配伍 地层中 K+、 、 离子与，生成氟硅酸盐沉淀。 与原油不配伍 形成泥青烯淤泥（酸渣）颗粒永久性损害 影响酸渣形成的主要因素 ： 泥青质原油与盐酸作用 原油与含铁酸作用 铁离子起催化剂作用 使用土酸 比盐酸严重 使用低表面张力液体 （柴油）软泥青胶质分解 不配伍酸液添加剂 防乳化剂、润湿剂 酸液与岩石矿物不配伍 铁质沉淀 含铁矿物或含铁污染物与酸作用 H)3 钙盐沉淀 钠盐和钾盐沉淀 氟硅酸盐 () 氟铝酸盐 ( 水化硅沉淀 H)4+18 2i(4(沉淀 )+6 酸化产生水锁和润湿性改变 酸液冲刷及溶解作用造成微粒运移 添加剂选择不当 酸化设计和施工不当 施工参数选择不当 酸浓度、酸液用量 腐蚀管道，引入铁离子；破坏骨架强度，导致出砂和油层坍塌 施工泵压 形成裂缝，酸液沿裂缝流动，不能有效清洗井壁附近损害带；酸化后不能排除堵塞物 排量 导致速敏 关井时间 酸液中固相颗粒和溶解氧进入地层 2. 酸化作业中的油层保护技术 选择与油层岩石和地层流体相配伍的酸液和添加剂 酸液 有效解除损害，提高渗透率，附加损害小 添加剂： 粘土稳定剂 ：抑制粘土水化膨胀 助排剂 ：降低表面张力，调整润湿性，帮助返排 络合剂 ：抑制 离子浓度，减 少无机盐沉淀 还原剂 ：将 离子还原为 离子，防止 H)3 沉淀生成 缓蚀剂 ：防止铁离子进入地层 抗淤渣剂 ：防止泥青质原油与酸作用形成酸渣 使用合适的酸液浓度 不破坏岩石结构强度，又能有效扩大孔隙 优选施工参数 注入压力 ：不压漏地层 注入量 ： 3倍于孔隙体积 前置液 防止地层水与酸作用生成无机沉淀 溶解含铁和钙胶结物，防止氟化钙沉淀形成 改变孔隙表面为水润湿，减少乳化和流动阻力 保持酸度，防止 H)3、 H)4沉淀 后置液 （盐酸或柴油）：将残酸与顶替液隔开 排液技术 ：及时排除残酸，防止有害反应产物（氢氧化物和氟化物）沉淀堵塞 二 . 修井作业中的油层损害及保护措施 在修井过程中 ， 随着修井液也进入井内 ， 必然会造成一定得储集层损害 。 有时因为修井作业引起的储集层损害 ， 将导致修井作业的失败 ， 甚至是油井生产状况更加恶化 。 因此 ， 必须重视修井给储集层造成损害的问题 ， 采取适当的防护措施 。 一 一 一般来说 ， 钻井 、 完井 、 注水压裂及酸化过程中造成的储集层损害 ， 在修井过程中也会发生 。 1. 修井液对储集层的损害 使用钻井液或未过滤的油或水压井或循环时 ， 会堵塞射孔孔眼 、 地层空隙 、 空洞及裂缝 。 使用的修井液与地层岩石及地层流体不配伍 。 现场有时使用的修井液是当地的水 、 油田产出的油 、 加油化学剂的水 、 混合油或精制油等 。 这类液体的质量极易改变 ， 从而大大影响作业效果 。 微粒 、 乳化油 、 化学添加剂 、 沉淀的有机物和无机物均会损害储集层的渗透率 。 滤液侵入底层 ， 可能引起水堵和乳化液堵 ，使底层变为油湿；水敏性地层由于滤液的侵入造成粘土膨胀 ， 微粒运移等 。 滤液可能与地层流体发生反应， 引起沉淀 、 结垢 。 在需要起出封隔器时 ， 封隔器上面的钻井液或其它能引起储集层损害的液体可能进入地层 。 若在修井液中不加杀菌剂，则可在注入管线及井筒附近储集层带造成复杂的微生物发育环境。这是因为：（ ）某些修井液的盐度较低，使储集层水稀释，有利于硫酸盐还原菌的发育；（ ）修井液中的氧气为腐生菌创造了良好的繁殖条件；（ ）修井液中含的一些有机和无机添加剂为细菌提供了良好的营养；（ ）各种微生物之间的协调作用。如腐生菌产生的粘液为硫酸盐还原菌提供了良好的隔氧覆盖层，硫酸盐还原菌产生的 温度适宜时，井底环境中的微生物大量繁殖。因而带来腐蚀、堵塞等许多问题。细菌活动不仅产生硫化氢（硫酸盐还原菌），而且也产生 生菌），氢氧化铁（铁细菌）元素硫（硫细菌）等。这些产物之间又可能互相反应而产生出多种堵塞物质，如硫化铁、元素硫、各种水垢、粘液沉积等。它们混在一起形成难以处理的堵塞物。例如 若 使 1. 修井作业时的微粒损害 如果井预先进行了水力压裂形成了支撑裂缝 ，则进入裂缝的任何固体颗粒都可能在砂粒或其他支撑剂间形成桥拱 ， 并造成裂缝导流能力的永久性降低 。 粘土 、 重晶石或其它碎块进入裂缝也会堵塞碳酸盐岩中先前被酸蚀的裂缝 。 2. 修井作业时的其他损害 当处理射孔完成的井时 ， 修井造成的深穿透损害将类似于射孔不能穿透前已形成的损害带一样 ，可使油井产能很容易下降到未受损害产能的几分之一 。 . 对修井液应进行认真选择 ， 而不是凑合了事 。 依据处理目的的和所用修井液的不同类型 ， 在修井过程中 ， 借助于下列措施可使产层损害减至最小： 适用于储集层岩石及储集层流体都配伍的液体； 经地面过滤得到的清洁液体； 使用能桥堵在储集层表面 ， 而当油井投产时易于除去或溶解的降滤失剂控制失水； 在井筒和储层之间建立小压差 ， 减少失水 。 第四节 油气层损害的矿场评价技术 油井复合油藏模型 表皮系数 一 井损害模型 S w 1 rd 000: ;近井壁损透率增高；无损害；有损害 越大，损害程度就越高pd p rd rw po 效损害区压力分布 油井有效半径模型 引入井眼有效半径 即假设井径为 pd p rc rw po 无损害 ： 损害 ： rc 想平面径向流 m ln(re/ 别为油层压力和井底压力 分别为井径和供油半径 损害井平面径向流 m ln(re/ 评价判断式： 无损害 ： rc= 有损害： rc . 产能比 (油层损害后与损害前的产量比 PR=ln(re/ ln(re/评价判断式： 无损害 ： rc= 有损害： rc 3. 产率比 (油层损害后与损害前的产率（采油指数）比。 采油指数：单位生成压差下的产量 a /Jt