十一五以来我国储层保护技术新进展

十一五以来我国储层保护技术新进展

储层破坏来自石油和天然气工业。经过20世纪70年代的研究，保护技术取得了很大进步。特别是20世纪后20年,储层保护逐渐成为油气勘探开发全过程的关键技术领域,防止储层损害的思想与保护技术理念已渗透到各个作业环节[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。我国经过多年攻关,在探井油气层保护技术、欠平衡钻井保护技术、裂缝性致密砂岩气层保护技术、酸化和水力压裂改造保护技术、开发生产及EOR保护技术等领域取得了新进展。一、1986.95为保护储户建立了10年的基础1.攻关成果的配套技术“七五”期间(1986～1990年),国家科委把“保护油层防止污染的钻井、完井技术”列为国家重点科技攻关项目,石油工业部(现中国石油天然气集团公司,CNPC)组织5个油田和5个院所共同攻关,涉及地质、钻井、完井、采油、开发、井下作业等多部门,课题设置按照系统工程思想。项目规模在世界上是史无前例的,攻关取得的成果整体达到了20世纪80年代末国际先进水平攻关对象主要是中—低渗透砂岩油气层,形成了完整的保护储层钻井完井技术系列,包括10项配套技术:(1)储层岩性测定及潜在损害因素分析技术;(2)储层敏感性和工作液损害评价技术;(3)储层损害机理研究及综合诊断技术;(4)保护储层钻井完井液技术:(5)入井流体配伍性及优选技术;(6)提高固井质量及保护储层的固井工艺技术;(7)保护储层的优化射孔完井技术;(8)完井方法优选与设计技术;(9)保护储层的酸化压裂技术;(10)储层损害矿场评价技术。2.文明清经济部关于储层屏蔽暂堵技术应用的主要成果“八五”期间(1991～1995年),是对攻关成果进行总结和推广应用的阶段。攻关研究成果汇集于砂岩储层粘土矿物与油层保护、保护储集层技术、保护油气层钻井完井技术、保护油气层技术等专著中,标志着储层保护系统工程这一综合学科的建立。联合国开发计划署(UNDP)“援建中华人民共和国油井完井技术中心”项目执行期间(1989～1994),进行了广泛的国际学术交流,开展大规模技术培训和技术推广,培养一批青年学术骨干。1995年在CNPC系统内启动3万人的技术培训计划。1998年底CNPC组织联合专家组开展屏蔽暂堵技术应用情况调研,结果显示仅在陆上石油系统应用井数就超过1万口井,平均增产10%～20%。“八五”期间,CNPC组织多个油田和院校针对水平井钻井与完井、测试技术进行国家项目攻关,并形成了水平井成套钻井技术。保护储层技术也相应地由直井延伸至水平井,并开展了裂缝性储层屏蔽暂堵技术探索研究,取得了初步的效果。这一阶段,我国的欠平衡钻井技术研究也已起步,顺应世界钻井技术发展趋势,从单纯提高钻速转变为以储层保护为主要目标。在提高采收率三元复合驱(ASP)国家攻关项目中,专列了水驱后及复合驱过程岩性物性变化、复合驱过程无机垢形成机理与控制专题。与此同时,CNPC设立重点项目“注入水与储层配伍性及水质保障体系”、“无机垢形成机理与防治技术”。“八五”期间成绩斐然,表现在:(1)编著颇具影响力的教材和专著[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],创建了储层保护工程、现代完井工程学科,构建了继续工程教育模式,设立多层次人才培养的储层保护课程体系;(2)筹建并装备了数个油气层保护实验室,培养了一批专业技术人才;(3)发展了钻井完井储层保护技术,形成了有特色的屏蔽暂堵配套技术系列,现场大面积推广应用取得显著成效;(4)形成了储层敏感性及损害评价方法和标准,研究了碱敏、盐敏、应力敏感性损害问题,发展了矿场损害评价技术;(5)启动了注水及EOR过程储层损害防治技术研究,标志着储层保护已从钻井完井为主逐步过渡、扩展到开发生产及EOR领域。二、1996.2005年为保护和快速发展初期的储层保护“九五”以来,我国开创了储层保护的新局面,已形成自己的特色和优势[22,23,24,25,26,27,28]。1.地质及地质学技术研究“探井保护油气层技术”是中国石油天然气集团公司“九五”科技工程项目,设4个课题。经过4个攻关集团的努力,在下列技术领域取得重要进展。(1)探井岩性、物性、敏感性、地层孔隙压力、破裂压力钻前预测技术。从关键井出发,对地震资料进行高分辨率处理,达到平面预测,实现对目标井的预测分析。形成了分形和地质统计学预测储层孔隙度和渗透率技术、岩石力学和计算机模拟技术预测原地裂缝宽度技术、成岩作用和地球化学预测敏感性矿物及潜在损害因素技术等。创建了地质统计学法大地电磁岩性探测预测法地震层速度预测法等,编制了计算机软件。(2)探井地层压力、物性、岩性及流体性质随钻监测技术。由现场实时钻井数据评价所钻地层的岩石强度、岩性、孔隙度。研制录井数据通讯接口,监测、跟踪评价储层类型和流体性质。开发了地层压力随钻监测与地层压力剖面控制软件。建立了一套碳酸盐岩、裂缝—孔隙型砂(砾)岩油气层岩性及流体性质随钻监测技术。(3)裂缝性油气藏损害机理及屏蔽暂堵保护技术。研究了裂缝型、裂缝—孔隙型油气藏应力损害规律,形成了裂缝性储层损害的室内评价方法和程序,发现纤维状颗粒比球形颗粒更容易在裂缝入口端沉积和架桥,完善了钻井完井及试油中的油气层保护措施决策程序。基于裂缝分形模型、裂缝宽度随储层埋深的变化规律来描述裂缝状态。研究获得了裂缝架桥规律、架桥粒径与缝宽、渗透率恢复值的关系,开发了系列暂堵剂,形成裂缝屏蔽暂堵技术配套方案。研制了两性树脂防塌剂、复合金属两性离子聚合物处理剂、水泥浆降失水剂和适应特殊油气藏的钻井完井液体系。经攻关研究,初步形成了一套欠平衡钻井、钻井完井液和完井技术。(4)探井油气层保护射孔与矿场评价技术。形成了保护裂缝性油气藏的负压射孔工艺技术、定方位射孔工艺技术、超正压射孔工艺、射孔与测试联作的工艺技术、气垫或混气液垫的射孔测试工艺技术。TCP+MFE或TCP+APR联作减少了作业环节,有效地保护了油气层,促进了油气层的发现。2.特殊钻井作业技术欠平衡钻井与屏蔽暂堵技术作为钻井完井储层保护的两条路径,互为支持、互为补充,大大提高了储层保护的技术覆盖能力。随着低渗透、致密油气藏开采的增多,欠平衡钻井保护及配套技术将以全新的理念为勘探开发注入新的活力。(1)流体体系及性能。形成了包括天然气、空气、雾、泡沫、油基、充气水基钻井完井液体系,开发了三抗(抗油、抗盐、抗高温)泡沫主剂及辅剂、空气钻井壁成膜剂、泡沫循环使用技术等,室内实验了各种气基流体中井下作业的安全性、含氧量井下燃爆限、有害气体及处理等技术。(2)设备及工艺设计。实施上述特殊钻井作业涉及到一些特殊地面设备,目前在井口旋转防喷器、现场惰性气体发生器、地面多相分离器、井下马达方面己形成国产化能力,部分己在现场实施。(3)随钻油气层识别及试井油气藏工程参数评价。欠平衡钻井中,依据精心研究的地层—井筒—地面一体化多相流模型,在地面设置参数监测系统、密闭取样及样品分析系统,按照设定的测试步骤,可以进行随钻油气层识别和油气藏工程参数评价。现己完成相关理论研究和软件开发,并投入现场试验。据2003年4月统计,我国油田已引进各类旋转防喷器40套,共进行了107口欠平衡钻井试验。应用欠平衡钻井发现了千米桥古潜山亿吨级油田。在欠平衡钻井和气体钻井技术方向,我国已成为该领域的技术源头之一。代表欠平衡钻井技术最高水平的气体钻井技术在四川、鄂尔多斯盆地致密砂岩天然气勘探开发上发挥了独到的作用。继2000年在陕242井进行天然气欠平衡钻井,2002年又在苏35-18井进行了天然气欠平衡钻井,平均机械钻速18m/h,天然气欠平衡钻井机械钻速是钻井液钻井的9倍多。该技术在川西邛西构造的应用,实现了天然气产量的根本突破。3.技术攻关方向基于川西天然裂缝比较发育,且当钻井完井条件有利时就可以获得高产量气井的事实,我们从一开始就立足于钻井完井中有效地保护天然裂缝,以屏蔽式暂堵技术思想作指导,研究地下裂缝参数的变化规律,评价裂缝性致密储层的敏感性和损害规律,建立适用于裂缝性储层特点的钻井完井保护技术方案。大面积推广应用证明,这套技术路线是正确和行之有效的。经过“八五”以来的3轮国家项目攻关,形成了原地裂缝宽度预测与评价技术系列、裂缝性储层敏感性及损害评价方法、裂缝性应力敏感储层损害矿场评价技术、裂缝屏蔽暂堵数学和物理模型、系列保护裂缝性油气层处理剂、裂缝性储层保护屏蔽暂堵钻井完井液技术、裂缝性储层优化射孔技术、裂缝性储层保护射孔液及压井液技术。以川西坳陷致密砂岩天然气开发为目标的钻井完井保护技术研究具备良好的基础,形成了理论研究基地和新技术试验场所,造就了的一批高素质攻关技术队伍。“十五”期间,围绕鄂尔多斯盆地北部致密砂岩气田、川西及川中致密砂岩气藏和我国丰富的煤层气资源开发中遇到的关键技术难题开展了攻关,使川西、鄂尔多斯盆地大牛地气田的勘探开发取得了显著经济效益和社会效益。从川西致密砂岩气层保护实践中概括出“保护与改造并举,二者相得益彰”的重要观点,并陆续在其他地区得到进一步验证[29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]4.压裂水基岩石气藏水基凝胶压裂液气藏开放系统优化设计技术储层增产改造可以解除、弱化钻井完井及生产作业造成的损害,然而增产改造作业本身还有可能带来损害,如何减小储层损害就成为增产改造的重要的发展方向。国外近年在致密砂岩、煤层甲烷、泥页岩气藏压裂方面进展较快,成为水力压裂增产改造的研究热点,这对我国增产改造保护技术发展产生了积极的影响。在降低压裂液损害方面有3条路径:(1)选用新型易破胶的硼交联压裂液体系、对于高温深井硼锆复合交联剂、在裂缝的前缘用有机锆交联剂随后采用硼交联剂的多段分级压裂方式,减少对裂缝导流能力的影响。根据低、中、高温的不同,选用低温酶或催化氧化破胶体系、中温胶包裹酶或氧化剂破胶剂、高温破胶剂等,研究氧对压裂液流变性能和破胶性能的影响以及破胶剂特性对聚合物残渣、颗粒大小分布的影响等。(2)考虑到水基凝胶压裂液的弊端,泡沫压裂液(CO2泡沫,N2泡沫)、气体(液CO2,液N2)工作流体等陆续投入使用。(3)清洁压裂液,国内已经进入试验阶段。(1)八角场气田香四致密砂岩气藏大型水力压裂增产改造技术。自1981年以来,该气藏应用过酸化、一般压裂(平均加砂量25m3),单井产量一直未达到商业性生产水平,有的井还压后减产。气藏渗透率平均为0.507×10-3μm2,厚度36.3～70.1m不等,井深3000～3200m,就地应力梯度0.025MPa/m,裂缝延伸压力梯度0.028MPa/m。J58E、J41、J59E等3口井采用套管注入方式,低摩阻高粘度瓜胶有机硼冻胶压裂液与中强的美国CARBO-PROP陶粒支撑剂,同时采用配套的破胶剂加入技术,压后产量获得大幅度增加。八角场大型水力压裂较满意地解决了粘度保持与快速破胶、降低滤失与减少滤饼损害、增加聚合物用量保证长时间施工携砂与减少残渣之间的矛盾。实现了大排量、高粘度(室内剪切180min,压裂液粘度200mPa·s以上)、低滤失、高效率、低残渣,压裂液不乳化、不沉淀、不絮凝、与地层水配伍,快速彻底破胶,强制裂缝闭合排液。大排量、快速破胶、迅速排液减少了进入气层的液量,从而缓解了液相圈闭损害。基于低损害压裂液的大型水力压裂在八角场的成功,证明了有效实施储层保护和大型水力压裂是致密砂岩气藏增产的关键与出路。(2)苏里格气田上古生界致密砂岩气藏增产改造技术。提高致密气藏改造效果的关键因素之一是降低压裂液损害。CO2泡沫压裂适用于低压致密、严重潜在水敏、水相圈闭损害的储层。笔者研发了CO2泡沫压裂技术体系,包括酸性交联剂、FL-36起泡剂,同时形成了低泡沫质量和高泡沫质量的泡沫压裂液工艺设计方法。施工泡沫质量40%～50%,设计半缝长100m左右,导流能力30μm2·cm以上,压后返排20h,返排率达85%以上。CO2泡沫压裂技术在长庆上古生界致密砂岩气藏应用近20井次,取得了明显的增产效果。如苏6井和陕28井,CO2泡沫压裂后无阻流量分别达到120.2×104m3/d和56.6×104m3/d。5.储层保护技术(1)开发生产及注水储层保护技术通过研究注入水与油藏配伍性、孔喉内粘土矿物损害、有机垢和无机垢形成趋势,确定了注水开发油层物性的界限,建立注入水水质标准、水质控制与保障体系。辽河油田采取矿化度梯度注水、加入粘土稳定剂等措施保持地层长期吸水能力,避免泥页岩长期吸水导致的应力场改变、裂缝闭合和套管损害发生等方面获得了成功经验。对于低—特低渗透油藏开展了注气开发研究与试验,探索解决水敏、微粒运移、固相颗粒沉积、无机垢损害的新途径。但注气过程还会加剧石蜡、沥青沉积,这方面研究已引起高度重视。在气藏开发方面,特别是裂缝性致密气藏、凝析气藏、有水气藏的高效开发,充分考虑了应力敏感性、速敏性、水相圈闭损害、反凝析引起的油相圈闭损害、地层出砂等问题,在四川、鄂尔多斯、青海、新疆、塔里木盆地气藏开发中得到具体应用。对于油水井管理中的储层保护,大港油田的实践提供了良好范例。研究使用优质入井液、防漏失管柱、抽砂泵捞砂等技术,解决了配伍性差、液相和固相侵入损害问题。采用空心杆清蜡、防蜡管自动清蜡器及强磁防蜡技术避免了压(修)井作业的漏失损害。应用自生热油清蜡技术,并与化学清蜡相结合,使清蜡速度大幅度提高。笔者还试验了油水井带压作业。缩膨技术和连续防膨技术为敏感性油藏降压增注提供了借鉴。(2)稠油热采开发储层保护技术注蒸气过程会引起矿物溶解、矿物转化、储层物性和孔隙结构变化,热应力与热膨胀引起的损害研究了热采井完井方式优化设计与防砂、高温粘土稳定剂的作用机理。为避免高温注蒸气形成膨胀性粘土矿物的不利现象,在南阳油田试验了稠油冷采技术江苏油田稠油油藏保护研究中开展了不同温度条件下热采后原油组分、矿物成分及类型、岩石孔隙结构实验研究,确认蒙皂石形成及伊/蒙间层矿物的间层比增加,推荐了临界注蒸气温度250℃、pH值9左右对保护储层有利。筛选、研制了保护油层的钻井完井液体系、修井液体系、耐高温防膨剂。(3)化学驱过程储层保护技术对于ASP复合驱中的碱耗和结垢问题给予特别关注,已形成了室内及现场检测技术。“八五”以来国家攻关