（石油与天然气工程专业论文）锦150块油气层保护技术研究.pdf

摘要 保护油气层技术是一个贯穿油田勘探开发过程中的系统工程。长期的油田生产实践 发现，在油田的整个生产过程中都可能产生油气层伤害。造成油气层伤害的原因主要有 两个方面：一是油气层本身的特征；二是所实施的各种作业或工艺措施。同时这两各方 面相互作用致使地层有效渗透率降低。如果油藏一旦发生油气层损害，直接影响油藏的 开发效果。特别是低渗透油藏，更应该注重油气藏保护工作的研究和应用。本文主要研 究了油气藏伤害的主要机理。结合锦州采油厂锦1 5 0 块油藏地质情况，对地层岩石做全 岩心分析，同时对该储层进行敏感性评价。根据评价结果，在注水、作业、酸化、压裂 以及其它工艺措施时，严格要求入井流体与地层配伍，筛选应用粘土稳定剂，防止油藏 的伤害。对油气藏已经存在的伤害，实施油层伤害解除技术。应用油气层保护技术，指 导锦1 5 0 块科学高效开发，取得了较好的效果。整个区块地层压力得到恢复，日产液和 日产油上升，含水率下降，区块采油速度由2 1 3 上升到3 ，0 6 。 关键词：油气层伤害，保护油气层，相互作用，敏感性评价，锦1 5 0 块 s t u d yo fh y d r o c a r b o nr e s e n ，o i rp r o t e c t i o n t e c h n o l o g yi nt h e j i n15 0b l o c k w b ib o ( p e t r o l 伽n 锄dn a t l j r eg a se n g i i l e e 咖曲 d i r e c t e db yp r o f e s s o rq r l lz h a n - q i n g a b s t r a c t ，n l et e c l l i l o l o g ) ro fh y d r o c 甜) 0 nr e s e r v o i rp r o t e c t i o ni sas y s t c l m a t i cp r o j e c tt l l r o u 曲 o i l f i e l d e x p l o r a t o 巧d e v e l o p m e mp r o c e s s i nt l l e l o n g t e 吼p r a c t i c e ，p e o p l ef i n dt h a t h y d r o c a r b o nr e s e r v o i rc a i lb ed 锄a g e di nt 1 1 ew h o l ep r o d u c t i o np r o c e s s t h e r ea r e “v 0m a i n c a u s e so ft l l ed 锄a g e ：f i r s t l y ，t 1 1 ef e a n 玳o ft h eh y d r o c a r b o nr c s e r v o 近s e c o n d l y ，m ev 碰o u s 叩e r a t i o n sa 1 1 dt e c l u l o l o 百cm e a s u r e s m e a l l w m l e ，t 1 1 e 铆oa s p e c t si n t e r a c t 谢n le a c ho t l l e r w h i c hm 砒m ee 丘e c t i v ep e m l e 吞b i l i t yd e c r e a s e s o n c et l y d r o c a r b o nr e s e r y o i rd a m a g eo c c l l r s ， m ed e v e l o p m e me 脏c t s 晰l lb ea 舵c t e dd i r e c t l y h y d r o c 讪o nr e s e n r o i rp r o t e c t i o ns h o u l db e p a i e dm o r ea t t e 砸o ne s p e c i a l l yf o rl o wp e r m e 曲i l i 锣r e s e r v o i r t k sp 印e rs m d i e d 廿l em a i n c a u s ef o rh y d r o c a r b o nr e s e o i rd 锄a g e a s s o c i a t e dw m l 廿l er e s e r v o i rg e o l o g yo fj i n l5 0 b l o c ki l lj i i 曲o uo i lp r o d u m i o nf a c t o r c o r ea i l a l y s e sa r em a d e ，a n dm e a n w b j l e ，s e n s i b i l i t y e v a l u a t i o no ft 1 1 i sb l o c ka r em a d e a c c o r d i n gt 0m ee v a l u a t i o nr e s m t s ，w h e n 蝎e c t i o l l ， o p e r a t i o n ，a c i dt r e a t i n g ，仔a c t i l r i n ga n do m e ra p p l i c a t i o 玛蝎e c t i n gf l l l i dm i 哦c o o r d i n a t ew i t h f - o m a t i o n ，c l a yi n l l i b i t o rs h o u l db es e l e c t e d ，i l lo r d e rt 0p r e v e n tr e s e r v o i r 舶md 锄a g e t b m er e s e r v o i rt h a ta g eh a s e x i s t e d ， s o r n er e l e a l s e t e c t u l 0 1 0 西e s a r ea p p l i e d t h e h y d r o c a r b o nr e s e r v o i rp r o t e c t i o nt e d m o l o 百e sa r e 印p l i e dt 0g u i d et 1 1 ed e v e l o p m e n to f j i i l l5 0 b l o c k 鲫dm a k eb 甜e rr e s u l t s n l ef o 衄a t i o n a lp r e s s u r eo fm ee n t i r eb l o c kr e s t o r e sm ed 2 l i l y n u i dp r o d u c t i o na n d 也ed a i l yo i lp r o d u c t i o ni n c r e 嬲e s ，n l e 咖r a t i od e c l i i l e s ，t l l eo i l p r o ( 1 u c t i o nr a t eo ft h eb l o c ki i l c r e a s e s 丘o m2 13 t 03 0 6 k e y w o r d s ：r e s e r v o i rd 撇a g e ，r e s e o i rp r m e c t i o i l r e a c t i o n ，s e i l s i t i v 卸e v a l u a t i o n ， j i n 】5 0b l o c k 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了睨确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：肋嬲年石月多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：矽孑年彭月j 日 日期：2 圆影年f 月3 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 在钻井、完井、井下作业及油气田开采过程中，造成油气层渗透率下降的现象统称 为油气层伤害。油气层伤害的实质包括绝对渗透率下降和相对渗透率下降。我国石油工 作者早在上个世纪五十年代就开始注意到此问题【1 1 ，川中会战时，就提出钻井液密度不 宜过高，以免压死油气层。六十年代大庆会战时，为了减少对近井地带的油气层伤害， 对钻开油气层钻井液的密度和滤失量也提出了严格的要求。七十年代，国外开始从分析 油气层岩心入手来研究油气层伤害的机理和防治措施，并将实验室研究成果应用于油气 田钻井、完井和开发方案的设计及生产实践中，形成了保护油气层的系列技术。直到八 十年代，在引进国外保护油气层技术的基础上，我国才全面开展了保护油气层技术的研 究工作，并在“七五”期间将保护油气层钻井完井技术列为国家重点攻关项目，使我国保 护油气层技术不仅在理论研究上，而且在生产实践中均取得较大进展，形成了适合我国 的油气层系列保护技术。“八五”期间，此技术得到进一步推广应用和发展，并取得较好 的效果。 油气层保护技术是项系统工程，它贯穿在地质钻井、固井、测试、射孔、酸化、压 裂、试油、采油、修井、注水等作业全过程中f 2 】，每项作业均应重视油气层保护，否则， 均会对油气层造成伤害，严重影响油气井的产量。我国的油气田大都处于油田开采中、 后期，油田作业的频率比开采初期显著增加，显然，控制各作业环节对油气层的伤害， 实施油气层系列保护技术，必然是提高作业效率的有效途径之一。同时石油工业正面向 复杂油气藏、特殊油气藏的挑战，这势必面临着投入更多的成本，获得较少产出的难题。 因此，在油田开发生产中的每一项作业中，搞好保护油气层工作将有利于油井稳产和增 产，研究油气层伤害及保护油气层的工作日益重要。 1 1 油气层保护技术主要内容及其方法 保护油气层技术主要包括以下八方面的内容【1 4 1 ： 1 ) 岩心分析、油气水分析和测试技术； 2 ) 油气层敏感性分析和工作液伤害室内评价试验技术； 3 ) 油气层伤害机理研究和保护油气层技术系统方案设计； 4 ) 钻井过程中油气层伤害因素和保护油气层技术： 5 ) 完井过程中油气层伤害因素和保护油气层及解堵技术； 第一章前言 6 ) 油气田开发生产中的油气层伤害因素和保护油气层技术； 7 ) 油气层伤害现场诊断和矿场评价技术； 8 ) 保护油气层总体效果评价和经济效益综合分析技术。 上述八方面内容构成一项配套系统工程，每项内容是独立的，但彼此又是相关联的。 油气层伤害的研究方法主要有：( 1 ) 室内实验研究和现场评价研究，如油气层储渗 空间、敏感性矿物、岩石表面性质、油气层流体性质以及油气层敏感性试验和利用油气 层试井资料对油气层伤害进行综合评价；( 2 ) 利用数值模拟技术进行模型化研究；( 3 ) 油气层伤害诊断与评价的专家系统的开发。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外油气层伤害机理研究现状 最近的统计资料表明，即使采用现代化的方法和设备，在被迫放弃油田之前，平均 只能经济地采出油藏中原油储量的3 1 ，显然，由于油气层被伤害，导致采收率降低是 严重的，所以研究油气层伤害成为一个重要的问题【5 。油气层伤害既是一个过程，又 是一个结果。油气层伤害是指在钻开油气层时，由于油气层内组分或外来组分与油气层 组分发生了物理、化学作用，而导致岩石以及内部液体结构的调整并引起油气层绝对渗 透率下降的过程以及其结果。油气层伤害是一个涉及地质、钻井、固并、完井、采油、 增产措施等各个环节。其研究内容包括油气层伤害机理研究、模拟装置研制与开发、评 级方法与标准以及保护技术等。 国外从2 0 世纪5 0 年代开始油气层伤害机理研究的。但在最初的2 0 多年里，进展 缓慢，直到7 0 年代，油层保护问题才真正受到各方的广泛关注，开始从不同的角度来 研究油层保护工作，综合应用工程学、岩石学、物理学、化学等方面的理论与技术对油 气层机理进行定型和定量研究，并取得了较大的进展。8 0 年代末，开始运用数学模拟 方法进行机理研究并取得了一些成果，主要表现在以下几个方面： 1 ) c t 扫描、核磁共振成象、电子能谱、电子探针等试验分析技术，为研究油气层 伤害的原因、位置和空间分布情况提供了手段。 2 ) 油气层孔隙压力、地应力、地层坍塌、破裂压力预测和监测技术；油气层岩石 矿物的组分、结构、敏感性矿物、孔喉特征参数、孔渗特性、油气层流体性质以及油气 层敏感性分析与评价技术，为油气层保护技术奠定了可靠的资料。 3 ) 保护油气层措施效果评价与测试技术，如油气层伤害的室内评价技术，中途测 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 试、完井测试等矿场评价技术，随钻测井技术等。 4 ) 统计分析、物理模拟、数学模型等理论方法的运用，为油气层伤害规律与伤害 程度的预测提供了新方法。 大量的研究认为，油气层伤害通常是两方面作用的结果：( 1 ) 液体和固体微粒在油 气层孔道及裂缝中的运移及堵塞；( 2 ) 液一固以及液一液之间发生了化学反应和热动力 作用。国内学者从系统论的角度认为，油气层伤害是一个复杂的系统工程，它是由于内 伤害源，外伤害源和复合伤害源导致的结果。具体伤害形式有：固相微粒运移造成的油 气层伤害；外来流体与油气层岩石、油气层流体不配伍造成的伤害：如水敏性伤害、碱 敏性伤害和无机垢、有机垢堵塞等；微生物对油气层的伤害。 近十几年来，油气层伤害机理的研究，有从定性研究发展到定量研究的趋势。从解 决问题方法上，主要是引入数值模拟技术进行模型化研究。国内外学者还采用其它方法 来预测油气层伤害。比较突出的是多元统计回归、灰色理论和神经网络等专家系统的应 用。 1 2 2 国内外油层保护新措施 油层保护包括防止和解除地层伤害两方面内容二者应以预防为主，注重打开油层前 的防止污染措施，油层一旦被污染之后要解除污染是相当困难的也是相当不经济的。近 期国外油层保护技术主要有以下几方面。 ( 1 ) 射孔新技术超高压射孔【1 啦! 2 】 美国德克萨斯州o r 似能源公司经过数年的研究和实践后，推出了超高压射孔新 技术，它具有如下优点： 在射孔的同时可以完成小型压裂及酸化处理；既增加了初始产量，又降低了地 层伤害；可以使用目前可用的任何射孔器；提高了增产处理设计的能力，具有更高 的射孔密度；允许对新开采和已开采的油气层进行快速评价，改善了射孔效率。 超高压射孔的方法是在射孔前向井眼施加压力使井底压力至少等于地层破裂压力， 通常应用的压力梯度为2 4 ，8 8 3 2 9 ，4 0 7 p 如。理想情况下，最低的压力梯度应大于对所 有岩石主应力的破裂压力，此时压力梯度通常为3 1 ，6 6 9 p 加。增加井眼压力可以采用液 体( 盐水、原油、酸等) 、气体( 氮气、甲烷、二氧化碳等) 或气液混合使用的方式， 最佳的方法是在整个射孔段直至其上部的某一点为液体，此点到地面一段为气体。上部 之所以使用气体，是因为气体被压缩后可以储存一定的能量，以便达到所需的压差。 3 第一章前言 ( 2 ) 低聚合物的新型粘土稳定剂 低聚合物的新型粘土稳定剂用于处理低渗透地层。大多数油气层都含有粘土矿物， 在生产过程中，这些矿物与外来液接触可能会发生膨胀和运移，造成堵塞。使用粘土稳 定剂是防止这一伤害的主要手段。过去十几年间，最常用的粘土稳定剂是阳离子有机聚 合物。然而h i m e s 等研究表明，这类稳定剂不能用于渗透率小于3 1 0 刁岫2 的地层，否 则造成有效渗透率的进一步减小。对此，他们对比了各种阳离子的水合半径以及它们对 粘土的相对稳定性能，研制生产出一种低分子量、阳离子型的无机分子的低聚合物。这 种新型粘土稳定剂对粘土表面有很强的吸附能力，能有效地与胶状聚合物竞争吸附粘 土，形成一种几乎不润湿的表面，成功地使渗透率很低的砂岩地层中的粘土在盐水和酸 的冲洗及高温条件下保持稳定。经这种添加剂处理后，油井能保持较高的产量。当这类 添加剂与酸化压裂一起使用时，效果更好。 ( 3 ) 砾石充填 砾石充填完井由于其粒径选择不当，会造成地层伤害。为了保护油层，必须选择合 适的砾石。目前，国外一般是以s a u c i e r 公式为标准，根据地层砂的平均粒径来选择砾 石，通常是用5 6 倍于地层颗粒平均粒径的硅石作砾石。其机理研究表明，地层砂都 是以伊利石及蒙脱石为胶结剂粘合在一起，呈团状流动，而不是以单个砂粒流动。因此 c h a i l 等认为，选择砾石时，地层砂的粒径应为砂团的平均直径，这样既起到防砂作用， 又由于渗透率提高，产量也相应提高，特别是在那些既需要压裂又需要砾石充填的情况 下，较大的砾石更合适。c l 姗等建议，在经济允可的情况下，应考虑砾石充填完井。 调查表明，7 0 的砾石充填井的表皮系数小于1 0 。 ( 4 ) 特效酶多元体处理系统 近来，有人把生物采油方面的最先进技术识别、分离各种聚合物特效酶应用到 消除伤害的处理液中，这种特效酶多元体处理系统可消除纤维素基、瓜胶基及淀粉基残 余聚合物造成的伤害。实验室评价表明，新系统能使处理过的伤害井产量提高3 倍。开 采工业用的普通酶降解剂是作用物与非特效酶的混合物，这种酶无规律地水解基本聚合 物，导致多糖部分降解为以短链多糖为主，含少量单糖和二糖的混合物。由于可交联的 短链多糖较难溶解，因而会造成渗透率明显下降。而利用聚合物特效酶新开发出来的系 统，只分解聚合物结构上的特殊键，从而将聚合物降解为非还原糖，大部分为单糖和二 糖。特效酶系统是通过鉴定每种特定聚合物的酶特效体系，并根据其水解特定聚合物链 内特殊链的能力而加以优选。每种酶表现出的性质取决于发酵过程中所用的环境条件。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对纤维素伤害处理的试验结果表明，用特效酶多元体可将聚合物滤饼及冻胶伤害完全除 去，渗透率恢复到原来的9 8 6 。 ( 5 ) 超声波 用超声波防止或解除地层伤害是近几年迅速发展起来的一种新方法。它适用范围 广、作用迅速、增产效果明显且工艺简单，适于中、晚期油田的低产、低能井及那些由 于盐堵、垢堵或者油层受到机械杂质污染而渗透率急剧下降的停产井的激励和处理。 超声波防治地层伤害的主要机理是声波的高频振荡、空化作用及很强的穿透能力。 美国达科他州的g o l l a p u d iu k 等在实验室用超声破碎装置进行了去除沥青烯沉淀 的试验。结果发现，由于声波的空化作用和爆聚振动，沥青烯在超声幅射中只要暴露 1 1 5 m i n 就可有效地破裂，但要大量地消除，则需暴露2 m i n 以上。分析超声处理沥青烯 和砂混合的岩心柱的结果看出，处理前，流动速度只有l 1 0 巧m 3 s ，处理后，流动速度 增加到l l 1 0 巧1 2 l o 巧m 3 s ，约1 0 倍。但是和没有沥青烯的砂岩相比，其流速还相差 很远，这是因为分离的沥青烯在岩心下部又重新沉淀所致。因此他们指出，现场上用超 声处理的同时应开泵抽油，以免破坏的沥青烯重新沉淀。 前苏联的老格罗兹内油田进行的清防蜡试验表明，在超声场下以比蜡熔点低得多的 温度( 2 0 3 9 ) 就可以使蜡完全熔于原油中。而不加超声场，只升高温度，则要到 5 5 6 0 时才能熔完同等量的蜡且所用时间也长得多。 ( 6 ) 防止微粒运移的方法 防止微粒的释放及运移首要的措施是控制液体在储层孔隙中的水动力以制止其释 放，使用粘土稳定剂也可起到一定效果。b 啪e 钍m l 在1 9 9 6 年召开的防止地层伤害专 家会议上指出：目前正着手研究新型添加剂，乙二醇和其它聚醇类等物质正投入使用， 最近甲酸盐成功地用于现场，减轻了粘土膨胀。 s h a n n a b g 在“控制地层伤害”国际会议上指出，过去曾使用的各种防止微粒运移 的措施有一个共同的缺点，那就是，不仅处理可能是暂时的，而且在防止高剪切速度下 微粒的机械运移方面可能是无效的。他们提出用可聚合的超薄薄膜( 厚度只有1 2 i l i l l ) 能控制孔隙表面的微粒运移。方法如下：首先将离子型表面活性剂吸附在固体物质和 介质上；注入能优先存在于表面活性剂层的单体；最后用引发剂将单体聚合在表面， 形成一非常稳定且能有效地胶粘在表面的固态超薄薄膜，因而能有效地控制微粒水化、 运移。这种处理方法有3 个特点：所选用的单体和表面活性剂柔性很好，因而形成的 这种薄膜的物理性质和化学性质能满足特殊应用的需要；用于多孔介质或微孔薄膜 5 第一章前言 时，超薄薄膜不会造成孔隙闭合，薄膜的厚度可通过单体和表面活性剂的浓度加以控制； 在本体溶液中不会发生聚合作用，因而本体溶液中聚合物形成所造成的伤害最小。 用这种方法进行的b e r e a 砂岩对淡水的敏感度实验表明，加热后盐水渗透率稍有下 降，这可能是由于超薄薄膜占据部分孔隙空间所致；产出液内未见微粒，这表明微粒表 面的薄膜涂层使微粒保持稳定，因此原始渗透率无明显改变。另外，实验室岩心实验还 证明，因淡水注入和高流速造成的微粒运移在长达6 个月的试验期间完全消除，说明这 种薄膜的稳定性比较好。 ( 7 ) 细菌清蜡解堵措施 细菌清蜡技术是目前最新的一种清蜡解堵方法。其基本机理就是细菌对蜡分子的高 速代谢作用。近年来，细菌清蜡技术已在很多油田应用，获得良好效果。k i s e k i 公司在 1 9 9 0 年用3 种微生物配方处理了5 0 0 口井，每口井生物处理的时间长短不同，从几个 月到两年都有。从对部分井的统计资料看，有3 0 的井处理后产量明显增加，且不会使 油的性质有明显改变，也不会造成硫酸盐还原菌数目的明显增加。 生物清蜡技术的应用条件为； 1 ) 油井含水率要大于1 ； 2 ) 不适合在自喷井中应用； 3 ) 油藏温度应低于8 2 ； 4 ) 硫化氢含量要低于6 ； 5 ) 对于液态细菌混合物含盐量不应大于1 0 ，对粉状细菌含盐量不应大于2 2 。 实践表明，生物清蜡避免了热油洗井造成的地层伤害，是一种很有发展前景的技术。 ( 8 ) 钻井液与屏蔽暂堵技术 1 ) 保护油气层钻井液 保护油气层钻井液有：水基钻井完井液、油基钻井完井液、气体型钻井完井液和合 成基钻井完井液等几种类型。各种钻井液各有其优缺点。研究者认为，综合了水基和油 基而发展起来的合成基钻井液，具有保护油气层效果好、环保性能好、热稳定性好和成 本适中等优点，很可能成为未来钻井液的主流。 2 ) 屏蔽暂堵技术 在常规钻井液基础上改造的屏蔽暂堵技术，是保护油气层的一项简单易行而效果显 著的好方法，近年来得到广泛应用。它是利用了一定尺寸的固相颗粒会堵死孔道的特点， 使钻井液中的固相颗粒在打开油气层后的较短时间堵死油气层，防止固相、液相向油气 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 层深部渗透。所以，实施该项技术的关键，在于油气层孔隙与钻井液中暂堵剂颗粒在尺 寸大小和分布上的合理匹配，即根据油气层孔隙特性优选暂堵剂。暂堵剂优选，起初主 要是凭经验决定颗粒尺寸大小，然后通过多次岩心驱替试验进行选择。后来a b 眦l s 等 人通过研究表明如果钻井液中含有足够量粒径大于l 3 油气层孔隙平均直径颗粒时，这 些颗粒便会通过架桥作用在岩石表面附近形成滤饼，阻止钻井液渗人油气层深部。这一 结论被称为“三分之一粒径架桥规则”。国内学者在此基础上进一步研究表明，暂堵颗粒 应由起桥堵效果的刚性颗粒和起充填作用的充填粒子及软化粒子组成，当刚性颗粒直径 等于油气层孔隙平均直径的2 3 时，桥堵效果最佳、最稳定，软化粒子和充填粒子的粒 径应等于油气层孔隙平均直径的1 3 到l 4 。实际施工中，可按“3 的刚性粒子+ 1 5 的 充填粒子+ l 2 软化粒子”的规则，来确定各暂堵剂的比例。这一理论初步给出了选择 暂堵剂的原则，但油气层平均孔隙直径并不能反映油气层孔隙尺寸和暂堵剂颗粒尺寸空 间的分布情况。m e i w e n r o n g 等人把油气层砂岩视为一种具有规则的，且互相连通网络 的多孔介质来描述，采用m o n 卜a r l 法进行模拟试验，并以被堵塞喉道数目和堵塞深 度来选择暂堵剂，收到了较好的效果。但实际上，经过复杂的地质作用形成的天然砂岩 油气层通常没有规则的拓朴学结构，采用符合欧式几何的模型描述其孔隙分布往往和实 际相差较远。所以没有必要进一步探索更符合油气层及颗粒实际情况的暂堵理论。 ( 9 ) 低压钻井技术 低压钻井技术最早以空气钻井的出现为标志，开始于2 0 世纪5 0 年代。在6 0 年代 达到第一个发展高峰，当时这种钻井方法不提倡钻开油气层，主要考虑安全问题。在近 几年出于开发低渗抽气藏和保护油气层的需要，以及低压设备的配套完善，人们开始又 重视此项技术。近年来的实践证明，低压钻井技术是解放油气层，有效保护油气层的有 效方法。 1 3 本论文的主要内容 本文在阐述了油气层伤害机理研究现状以及油气层伤害机理综述的基础上，重点对 辽河油田锦州采油厂1 5 0 块油气层进行了速敏、水敏、盐敏、酸敏、温敏、注入水配伍 性以及酸化液配伍性进行了室内评价实验。并结合现场，提出了油气层保护技术在锦 1 5 0 块的具体应用。 7 第二章油气层伤害机理研究 第二章油气层伤害机理研究 油气层伤害机理研究实质上研究油气层伤害的成因问题。油气层伤害在油田中是普 遍存在的现象，其成因具有复杂性。油气层伤害是内、外因相互作用的结果。内因是油 气层被伤害的客观条件，称之为油气层的潜在因素或潜在可能性因素，内因是由油气层 环境、油气层岩石、油气层流体等决定的。外因是指在施工作业中任何能引起油气层微 观结构原始状态发生改变，并使得油气层的原始渗透率有所下降的各种外部条件，即破 坏油气层原始物理的、化学的和水动力学的平衡状态的诸因素，主要包括作业措施在井 下造成的压差、温度、作业时间和外来流体的性质等。 造成油气层伤害的机理很多，主要包括四方面： 1 ) 外来流体与储层岩石矿物不配伍造成的伤害： 2 ) 外来流体与储层流体不配伍造成的伤害； 3 ) 毛细管现象造成的伤害； 4 ) 固相颗粒堵塞造成的伤害。 2 1 油气层本身潜在的伤害因素 凡是受外界条件影响而导致油气层渗透性降低的油气层内在因素，均属油气层潜在 伤害因素1 3 1 ，它包括油气层岩石、油气层流体的性质和油气层环境。 2 1 1 油气层岩石性质的影响 ( 1 ) 油气层岩石组分 砂岩的矿物成分主要有碎屑颗粒和胶结物两部分。碎屑颗粒的主要矿物成分为石 英、长石、岩石碎屑，还有少量云母、重矿物等，其含量占整个岩石重量的5 0 以上， 它们是组成岩石的骨架物质，所以又称骨架颗粒。把松散的碎屑物胶结起来的化学成因 物叫胶结物。常见的胶结物质有泥质、钙质、铁质和硅质。其次，还有白云石、菱铁矿、 海绿石、鲡绿泥石、黄铁矿、硬石膏、石膏、重晶石、费石等。此外，在碎屑岩中还常 含有一些与碎屑颗粒一起沉积下来的微细粒状物质，成为基质，如高岭石、水云母、蒙 脱石、石英、长石等。在许多情况下，把胶结物与基质分开是困难的，因此，常把它们 归在胶结物中。碳酸岩是方解石、白云石等碳酸岩矿物组成的沉积岩。此外，碳酸岩中 还常有菱镁矿、菱锰矿、菱铁矿、铁白云石等碳酸岩矿物，以及长石、石英、蛋白石、 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿、石膏等非碳酸岩矿物。以上矿物中，易在流体作用下发生物 理及化学变化，引起油气层渗透率降低的矿物，称为油气层敏感性矿物。敏感性矿物分 为粘土矿物和非粘土矿物。 1 ) 粘土矿物 粘土矿物是细分散的含水层状构造和层链状构造的硅酸盐矿物及含水的非晶质硅 酸盐矿物的总称。其中，大部分粘土矿物都是层状的水铝硅酸盐矿物。绝大部分油气油 气层中都含有粘土矿物，由于粘土矿物易于水化膨胀和分散运移，当外来流体的矿化度 比地层水低，并且液体的运移速度较快时，它们就可水化膨胀和分散运移1 3 。1 刀堵塞油气 层，从而导致油气产量下降。 粘土含量对油气层伤害的影响。一般认为，粘土总量小于5 的砂岩为干净砂岩 或称较好油气层，粘土总量超过1 0 的油气层为较差油气层，粘土总量越高，由粘土造 成的油气层伤害的可能性越大。但是，必须注意，粘土对油气层的伤害并不完全取决于 粘土总量的多少，而与粘土矿物在油气层中的分布状态、在孔隙中的存在形式，以及粘 土的种类与粘土相对含量等因素均有很大的关系。 粘土矿物在油气层中分布位置与形态对油气层伤害的影响。尽管有些油气层粘土 矿物含量不很高( 小于1 0 ) ，但这些粘土分布在孔隙中，与孔隙中流体接触的面积较 大，所以易受到流体性质的影响，而造成油气层的严重伤害。而有些粘土矿物在骨架颗 粒表面形成包被或呈薄膜衬垫状，以这种形态存在的粘土易与外来流体充分接触，而严 重影响油气层的渗透性。 粘土类型对油气层伤害的影响。一般来说，砂岩中常见的粘土矿物主要有四种类 型，即高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石。它们的潜在伤害特征为：高岭石易发生微粒 运移堵塞孑l 喉；蒙脱石易发生水化膨胀和分散运移；伊利石易发生水化膨胀和分散运移 且增大束缚水饱和度；绿泥石易发生运移酸敏。 2 ) 非粘土矿物 非粘土矿物微粒的成分主要有：石英、长石、方解石、白云石、云母、铁方解石、 铁白云石及其它一些重矿物和非晶形物质等。这些非粘土矿物在外来因素的作用下，可 能发生物理的、化学的变化，造成油气层堵塞。流速敏感性矿物。粒径小于3 7 岬的非 粘土矿物微粒，只要在孔壁上固结不紧，均有可能在高流速流体作用下发生运移，堵塞 喉道，引起渗透率降低。一些较易溶于酸的含铁矿物对盐酸及含氧量高的流体较为敏感， 当液体p h 升高到一定程度时，会生成铁絮状沉淀而堵塞喉道，造成油层伤害。一些高 9 第二章油气层伤害机理研究 含钙和镁的矿物对氢氟酸较为敏感，与氢氟反应后，矿物溶解释放出的钙和氟离子作用 生成不溶解的氟化物，并能滞留在孔隙中降低渗透率。一些隐晶质类石英和蛋白石可溶 于强碱并在一定条件下形成硅凝胶，堵塞油气流通道，造成伤害。 ( 2 ) 油气层构造 岩石的储渗空间决定了油气层岩石【1 8 】的开发性和渗透性。储渗空间不同的岩石，存 在的潜在伤害程度也不同。岩石的储渗空间主要是孔隙、溶洞与裂缝。砂岩油气层的储 渗空间主要为孔隙空间，孔隙空间的主要构成是孔隙和喉道。岩石孔隙的类型分为：大 孔隙、中孔隙、小孔隙、微孔隙。岩石孔道类型分为：粗喉道、中喉道、细喉道、微喉 道。对于一个渗透性很好的油气层来说，它的孔喉较大或较均匀，连通性好、胶结物含 量偏低，这种油气层受外来固相颗粒堵塞的可能性较小。相反，对于一个渗透性较差的 油气层来说，它的孔喉偏小或连通性差，胶结物含量偏高，这种油气层易发生粘土膨胀、 分散运移及水锁伤害。 ( 3 ) 岩石的表面性质 当油气层中流体与岩石相互接触时，岩石表面性质就显得十分重要，因为它直接影 响着流体在孔隙中的分布与渗流。与潜在伤害因素有关的表面性质有岩石比表面、润湿 性及毛细现象等。其中重要的是岩石的润湿性。岩石的润湿性是指岩石表面与流体相互 作用的一种性质，是控制孔隙中油( 气) 水分布的重要因素，对于亲水性岩石，水通常 吸附于颗粒表面或占据小孔隙角隅，油气则占据孔隙中间部位；对于亲油性岩石，刚好 出现相反的现象。岩石润湿性还决定着岩石孔道中毛管力的大小与方向。毛管力的方向 总是指向非湿相一方。当岩石表面亲水时，毛管力是水驱油的动力；当岩石表面亲油时， 毛管力则是水驱油的阻力。 ( 4 ) 岩石的敏感性 1 ) 油气层水敏性 若进入油气层的外来液体的矿化度与油气层的粘土矿物不配伍时，将会引起粘土矿 物水化膨胀和分散，导致油气层渗透率降低，这就是油气层的水敏性。不同的粘土矿物 对油气层水敏性的影响不同。蒙脱石：晶层间只靠分子间力结合，结合力弱，水分子易 进入层间，而且表面积大，阳离子交换容量高，属于易水化膨胀分散矿物，它的存在对 油气层水敏性的影响最大。伊利石不易发生晶层膨胀，但降解的伊利石，由于k + 被其 它水化的离子取代，水分子仍可进入晶层，而引起膨胀，对油气层水敏性影响低于蒙脱 石。绿泥石层间作用力较强，比表面积小，不易水化膨胀，但是降解绿泥石也可发生膨 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 胀，对油气层水敏性影响较小。高岭石晶层间以氢键连接，引力强，颗粒大，表面积小， 阳离子交换容量低，水化作用极弱高岭石对油气层水敏性的影响不大。 总的来说，油气层中常见的粘土矿物对油气层的水敏性强弱影响顺序为： 蒙脱石 伊利石 高岭石和绿泥石 2 ) 油气层酸敏性 油气层酸处理后，由于溶解掉胶结物会放出大量微粒，矿物溶解释放出的离子还可 能再次生成沉淀，则这些微粒和沉淀将堵塞油气层的渗流通道，轻者可削弱酸化效果， 重者导致酸化失败。这种酸化后导致油气层渗透率降低的现象称为油气层的酸敏性。 酸化过程中岩石的溶解反应 a 盐酸与岩石的反应。盐酸可有效地溶解碳酸岩矿物，产物为金属离子、二氧化碳 和水。反应式如下： c 时订g ( c 0 3 ) 2 + 4 h c m a c l 2 钾订g c l 2 + 2 h 2 0 + 2 c 0 2 个 c 出v i g ( c 0 3 ) 2 + 4 h c i 尸c a c l 2 + m g c l 2 + 2 h 2 0 + 2 c 0 2 个 盐酸与硅酸盐的反应能力远不如与碳酸岩的反应能力，但在某种程度上仍可溶解一 些硅酸盐矿物。某些粘土矿物，如蒙脱石、高岭石、绿泥石等可与盐酸发生反应，其中 绿泥石在盐酸中的溶解能力大于高岭石。盐酸不易与伊利石发生反应。盐酸还可溶解某 些铁矿石，其中最易溶解的是菱铁矿，赤铁矿、硫化亚铁也易与盐酸发生反应，磁铁矿 与盐酸反应弱，黄铁矿则不与盐酸起反应。 b 土酸与岩石的反应。土酸最大的特点是可以溶解一些不溶于盐酸的硅质矿物，如 石英、长石和粘土矿物等，反应式为： s i 0 2 + 6 h f = h 2 s i e + 2 h 2 0 n 副、l s i 3 0 8 + 2 5 h f = 3 h 2 s i 圪+ h 3 a l f 6 + n a f + 8 h 2 0 a l 2 s i o l o ( o h ) 2 + 3 6 髓= 4 h 2 s i f 6 + 1 2 h 2 0 + 2 h 3 a l 圪 造成油气层酸敏性的原因 a 铁的氢氧化物沉淀。酸与岩石反应之后，孔隙流体的p h 值将逐渐升高，当p h 升高到某一值，含铁矿物溶解释放出的铁离子将生成不溶性的氢氧化物沉淀。反应式如 下： 第二章油气层伤害机理研究 f e 3 + + 3 0 h 。= f e ( o h ) 3j ， f e 2 + + 2 0 h 。- f e ( o h ) 2 上 b 氢氧化铝沉淀的生成。粘土及其它一些含铝硅酸盐矿物与酸反应后，将释放出一 定量的a 1 3 + 。当残酸中p h 值上升到3 _ 4 左右时，将生成m ( o h ) 3 沉淀。 c 氟化物的沉淀。土酸中的氟离子与钙和镁反应可生成不溶性的氟化钙和氟化镁沉 淀，反应式为： c a 2 + + 2 f = c a f 2 山 m 9 2 + + 2 f 。= m g f 2 上 d 氟硅酸盐与氟铝酸盐的沉淀。粘土、石英、长石与h f 因素，均属油气层潜在伤 害因素，它包油气层岩石、油气层流反应生成的氟硅酸与氟铝酸，若与地层水或矿物酸 化释放出的n a + 、k + 、b a 等离子反应，能生成不溶性氟硅酸盐与氟铝酸盐沉淀。这些 沉淀物可吸附在岩石表面上并堵塞渗流通道。 e 硅酸凝胶的生成。硅酸盐矿物和氢氧化硅矿物与h f 反应生成的氟硅酸在h f 浓 度很小的残酸中会分解，并水解生成正硅酸，这些单分子正硅酸逐渐聚合成多具硅酸时， 就形成硅酸凝胶，这些硅酸凝胶很容易堵塞孔喉，导致渗透率降低。 酸化释放出的矿物微粒引起的伤害。在酸化过程中，常常释放出一些不溶于酸的 颗粒及反应残渣，这些颗粒残渣的释放，使流动介质中固相颗粒浓度增加，这些颗粒运 移堵塞喉道，可导致渗透率降低。 综上所述，油气层酸化的效果好坏，要看有利的溶解反应与不利的沉淀反应哪个起 主导作用，若有利因素起主导作用，则酸化有效。 3 ) 油气层碱敏性 从理论上来分析，碱与矿物反应造成伤害的原因主要有以下两个方面： a 粘土矿物在碱性溶液中易于分散而造成伤害。粘土矿物晶体中铝氧八面体的 a 1 键是两性的，在强酸环境中易电离出o h _ ，使粘土表面正电荷增多；在碱性 环境中易电离出h + ，使粘土表面负电荷增加。此外，溶液o r 增多，相应在粘土表面 吸附增大，使粘土表面的负电荷增多，从而使晶层间斥力增大，导致粘土更易水化膨胀 分散，堵塞油气层孔道，降低渗透率。 b 碱可以与酸性氧化物反应生成堵塞孔道的硅凝胶。如隐晶质类石英( 石髓) 和蛋 白石等较易与氢氧化物反应生成可溶性硅酸盐，这种硅酸盐可在适当的p h 范围内形成 硅凝胶而堵塞渗流通道。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 ) 油气层盐敏性 油气层被打开后的渗透率下降，与施工用水大大低于原生水的盐度有关。这类伤害 是由于淡水引起了粘土矿物膨胀和分散。由于粘土矿物表面的负电荷中心与地层流体中 的阳离子之间的相互吸引，使这些离子水化，并在负电性的粘土表面形成了正电性的“离 子层”。这些交换性阳离子之间存在着斥力，使粘土颗粒具有分散的倾向。在原始地层 条件下，这个“离子层”受到溶液中其它离子的屏蔽，这种斥力相对较小并已达到了一种 平衡。溶液盐度的急剧变化使这一平衡迅速破坏，此时粘土层可立即分离，结构的稳定 性减弱。这就是盐度变化引起渗透率伤害的主要机理。 5 ) 油气层速敏性 速敏是指因流体流动速度变化引起地层微粒运移堵塞喉道，导致渗透率下降的现 象。地层微粒是指地层中包括粘土微粒和其它矿物的碎屑微粒在内的所有可移动微粒， 它的存在是引起速敏性的内因。地层微粒的运动受润湿性和孔隙系统中流动相的影响。 在大多数情况下，尤其在地层开采初期，油气层为水湿。水与基质及地层微粒接触，油 从孔隙中间部分流过，此时控制注水速度非常重要。而对于采油井，水的饱和度较低时， 水相几乎是不流动的，故采油过程中通常不会产生较强的速敏性。但当外来流体的侵入 使地层微粒变为油湿或部分油湿时，或者当油层水饱和度较高时，地层微粒有可能随流 体一起流动。此时，采油速度过快也可导致油层堵塞或出砂。 2 1 2 油气层流体性质的影响 油气层流体包括油、气和水三种。与油层伤害关系最为密切的是地层水的性质、原 油性质和天然气的性质。 ( 1 ) 地层水的性质 地层水性质包括矿化度、离子成分、水的类型和p h 值。矿化度用来表示地层水中 含盐量多少。当地层水的矿化度比外来流体的矿化度高时，这种外来液体进入地层与粘 土接触后，将使粘土矿物水化膨胀及分散，导致孔喉缩小，渗透率降低。外来液体的矿 化度越低，引起油气层的水敏性越强。 ( 2 ) 原油的性质 原油的一般性质包括含蜡量、胶质、沥青、含硫量、凝固点、粘度等等。如果原油 中的蜡及胶质一沥青含量较高，则有形成有机垢的可能性。凝固点越高，则有形成有机 垢的可能性大大增加。这类原油还可与酸化液反应形成酸渣，伤害地层。如果原油性质 1 3 第二章油气层伤害机理研究 与入井液的性质不配伍，还可形成乳状液等，阻碍渗流。 ( 3 ) 天然气性质 天然气的主要成分是气态烃类，并含少量非烃类气体。如果天然气中含有大量的 h 2 s 、c 0 2 等气体，则很易腐蚀管壁，造成损失。 2 1 3 油气层环境的影响 油气层环境主要是指油气层的温度和压力。油气层的温度直接影响着开发岩和其中 所含流体的性质及物理化学变化。油气层压力是影响油、气产能的关键，也是钻井过程 防止井漏、井喷及防止油气层污染的重要参数。 2 2 外界因素作用下引起的油气层伤害 2 2 1 钻井过程对油气层的伤害 在钻井过程中【1 9 埘】，造成油气层伤害的主要因素，有压差、浸泡时间、环空流速和 完井方式。压差是造成油气层伤害最主要的因素之一。在一定压差下，钻井液的滤液和 固相就会渗入地层内，造成固相堵塞和粘土水化等问题。井底压差越大，对油气层伤害 的深度越深，对油气层渗透率的影响也更为严重。在钻进油气层过程中钻井液滤失到油 气层的数量随钻井液浸泡时间的延长而增加浸泡过程中除滤液进入地层外，钻井液的固 相在压差作用下也逐步侵入地层，其侵入地层的数量及深度随时间增加，浸泡时间越长 侵入越多，对地层伤害越严重。在钻井中，环空流速设计不合理，也将伤害油气层的渗 透率。高的环空流速，即环空流态为紊流时，井壁被冲刷，使井眼扩大，造成井内固相 含量增加。高环空流速在环空产生的循环压降将增大对井底的有效液柱压力，即增大对 井底的压差。完井方式方面有裸眼完井、衬管完井、砾石充填完井和射孔完井。不同的 完井方式，对油气层的伤害也会产生不同的影响。 在钻开油层时，使用钻井液肯定对油层会造成一定程度的固相粒子堵塞【2 2 之3 1 ，钻井 液中固相含量愈高，对油层伤害愈大。油层中粘土的水化膨胀、分散、运移是油层水敏 伤害的根本原因，钻井液对粘土水化的抑制性愈强，则地层水水敏伤害愈小。钻井液相 与地层流体，若经化学作用产生沉淀或形成乳状液，都会堵塞油层，其中水基钻井液与 地层水的不配伍性形成各类沉淀，是最常见的伤害。钻井液的p h 值、滤失性、比重的 不同也会对地层造成伤害。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 2 注水泥作业对油气层的伤害 水泥浆对地层的伤害有如下特点：( 1 ) 压差大( 2 ) 固相含量高( 3 ) 滤失时间短滤 失率高( 4 ) 滤液离子浓度高，很可能在地层中结晶沉淀。注水泥时的压差、排量、作 业时间、固井质量等不当对地层伤害都有影响。 2 2 3 射子l 对油气层的伤害 在一