地層損害機理

地層損害機理地層損害機理的概述（加拿大專家的總結(jié)）摘要:在一口井的壽命期間，隨時都可能對地層造成損害，這將導致油氣產(chǎn)層產(chǎn)能和注入能力的下降。為了避免和減少地層損害，必須對地層損害機理有充分的了解，針對不同的損害機理采取相應的技術(shù)措施，來減輕各工序?qū)Φ貙?，尤其是油氣產(chǎn)層造成的損害，達到提高產(chǎn)能和注入能力的目的。主題詞：地層損害損害機理地層損害評估介紹地層損害之所以成為這些天的熱門話題---有其合理的原因。因為更多的作業(yè)公司開始轉(zhuǎn)向?qū)Ω旅?、更深、且更加枯竭條件下的更復雜油氣藏的勘探。一口油氣井的產(chǎn)量和注入量令人失望，可能與很多難以確定的因素有關(guān)。其中一些因素可能集中在原有的天然油氣藏的質(zhì)量特性不良；而另一些因素則與已鉆井眼周圍的機械問題和所得到的井型有關(guān)。還有一些因素與模糊的地層損害有關(guān)，這些地層損害通常是吸收了許多項目中大部分失誤，而造成不良影響。在很多情況下，油氣井的地層損害是難以定量的。這是因為油藏工程師無能力準確地恢復巖樣，也無能力在感興趣的地層進行詳細的測量，油藏工程師感興趣的地層通常是位于地表下幾千米的井壁周圍的大量巖石。然而，經(jīng)過多年不斷的探索，允許對各種技術(shù)進行開發(fā)，利用有用的資料來獲得更多更好的顯示類型和損害程度，不同的油藏可能是敏感的。因此，調(diào)整作業(yè)方法可避免或減少滲透率降低。這些資料包括產(chǎn)量和壓力數(shù)據(jù)、壓力傳輸數(shù)據(jù)、測井分析、流體及壓力-體積-溫度數(shù)據(jù)和巖芯、巖屑及特殊的巖芯分析數(shù)據(jù)。這篇文章主要是提供某些類型的地層損害分析，因為對許多油氣生產(chǎn)項目來說，一般地層損害都是自身存在問題，本文還評論一些解決這些問題的相關(guān)技術(shù)。地層損害與有什么有關(guān)呢？地層損害的技術(shù)定義是引起油氣產(chǎn)層原有的自然產(chǎn)能下降或?qū)е伦⑺蜃饩淖⑷肽芰ο陆档倪^程。雖然鉆井過程中常常造成首當其沖的損害，但在一口井的壽命期間地層損害隨時都可能發(fā)生，包括完井、采油、增產(chǎn)、關(guān)井、或修井作業(yè)過程。由于忽視與理論上缺乏興趣，我們不關(guān)心油藏的地層損害問題，經(jīng)常通過油藏進行壓裂，使地層損害問題一般都忽略了。意想不到的是，這一借口在某種情況下卻很有意義，尤其在地層原有質(zhì)量很低，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在普通下套管完井和射孔完井或裸眼完井的井中在采油時存在流通區(qū)域和有效的驅(qū)動壓差，能保持經(jīng)濟可采產(chǎn)量是不夠的，甚至對于完全無污染的井也是不夠的。在這種情況下，因為大多數(shù)與機械損害有關(guān)的鉆井與完井作業(yè)在附近區(qū)域?qū)⒋_定，而且在壓裂處理時很容易射孔，更多的技術(shù)和努力可能與設法設計適合油藏但不損害油藏的增產(chǎn)程序有關(guān)，而不是在開始的鉆井過程中白白努力和投資。然而，在這種情況下，附近井眼損害是十分重要的■--更值得注意的是裸眼完井一附近井眼鉆井與完井造成的地層損害問題顯得很重要。這個問題已由圖1中圖解說明。圖2提供了一張圖表，它總結(jié)了很多常見的地層損害機理。是根據(jù)敏感性油藏存在大量的損害機理總結(jié)的。在給定的油藏中，如何從大量的候選條件來區(qū)分出哪個是主要的，哪個是次要的損害機理呢？當?shù)貙訐p害按損害機理進行分類時，這種感覺就會好多了。如圖2所示，地層損害機理主要有四種：機械性損害化學性損害生物性損害熱力損害每種損害都能進一步地劃分，在很多情況下都有特定的技術(shù)來準確判斷給定油藏容易出現(xiàn)的損害類型。機械性地層損害機械性損害機理是指鉆井所用的設備或液體、完井、停井或一口井增產(chǎn)時與地層之間沒有發(fā)生化學反應，導致地層滲透率下降。在某些情況下，在采油期間，油藏內(nèi)流體本身性質(zhì)的變化也會產(chǎn)生一定類型的機械性損害。一般的機械性損害機理主要有：微粒運移微粒運移是指由高剪切速率流體所引起的孔隙內(nèi)天然存在的顆粒移動。這包括很多種非粘稠性的頁巖（主要是高嶺石和伊利石、石英石或碳酸巖微粒和巖屑、云母、石膏、焦瀝青等）。一般地，一般在碎裂地層中可能存在微粒運移問題，這是由于潛在的可運移物質(zhì)的濃度較高（如頁巖）。這個問題在碳酸鹽地層中也存在，因此，對孔隙內(nèi)可移顆粒的濃度和成份進行認真評估是很必要的。一般只有在油藏中的濕相（濕而包膠的微粒的相）運動時，才出現(xiàn)微粒運移（圖3）。例如，如圖3中所示，在足夠水濕地層中出現(xiàn)殘余的飽和水，在微粒運移受限或微粒不運移時，油或氣以較高的速度開采。這是因為包膠微粒的這一相沒有運動，所以沒有微粒運移的動力。只有在濕相飽和度增加到能運移（例如水錐或水竄）時才造成微粒運移問題。如果地層沒有水濕，微粒迅速產(chǎn)生明顯運移（這種情況下濕相油迅速可動）。外部固體顆粒的攜帶外部固體顆粒攜帶是指在過平衡條件下注入或暴露于井壁周圍巖石基質(zhì)中的鉆井液或其他液體中懸浮的顆粒性物質(zhì)的侵入。這種顆粒性物質(zhì)通常是由鉆井液中多種懸浮物（加重劑、降失水劑、橋堵劑、堵漏劑、自然產(chǎn)生的巖石片或鉆屑）組成的。在大多數(shù)地層中，除了滲透率很高（大裂縫和孔洞，或達西滲透率）或過平衡壓力過大以外（超過7-10MPa），大多數(shù)損害限定在井眼周圍很近的區(qū)域（1-2cm深）。若計劃射孔完井或壓裂完井這種損害就不重要。然而，如上所述，在裸眼或尾管未固的情況下，這種損害可能很嚴重。當開采薄油層時，這種損害尤為嚴重。因為大多數(shù)水平井都屬于這種類型，所以這種損害是減少損害過平衡鉆井液方面合理設計主要關(guān)心的問題之一。這些鉆井液中可能包含各種大小顆粒的橋堵劑和其他材料以快速克服地層中泥餅橋堵問題。在過去幾年里，在開發(fā)無侵入泥餅鉆井液領(lǐng)域中已進行了有價值的研討。合適粒度的橋堵準則主要取決于顆粒大小和孔隙系統(tǒng)的幾何形狀、濕度、流態(tài)。一般地在紊流狀態(tài)下（高速流動），顆粒大小比其要流經(jīng)的孔隙最小部位大25-30%就有橋堵能力，并導致滲透率嚴重下降。在流速低時（層流狀態(tài)），很多較小的顆粒（比孔隙最小部位小5-7%）已被證明有能力形成亞穩(wěn)橋堵，能大大降低滲透率。注水和洗井作業(yè)可能也屬于這種類型的損害，因為很多注入液中存在懸浮固體顆粒（產(chǎn)生的微粒、防腐劑、水垢和沉淀物、死的和活的細菌等）造成固體顆粒侵入。常見的主要問題是因為懸浮顆粒的注入，需要多大的失水量才能避免大大降低注入量呢？一般地（取決于水質(zhì)），因懸浮顆粒堵塞問題，為了避免注入能力快速而大量地降低，濾失到中等孔隙最小部位直徑（D50）的20%通常就足夠了。相圈閉和相鎖定相圈閉和相鎖定關(guān)系到毛細管反向壓力和相對滲透率之間的綜合作用。圖4以低滲透率氣藏為例作了解釋。相圈閉的基礎(chǔ)是井眼周圍孔隙中已圈閉流體（水或氣或碳氫化合物）的飽和度在緩慢或持久地增加，導致相圈閉的相對滲透率下降到我們希望開采或自噴點。導致相圈閉不斷發(fā)生的原因有：1、 水基泥漿或濾液侵入低水飽和區(qū)并導致圈閉效果續(xù)發(fā)下降。相當?shù)蜐B透率的氣藏和一些油濕油藏常出現(xiàn)這種趨勢。2、 油基泥漿或濾液侵入油飽和度很低或為0的地層，導致圈閉效果隨后下降一一般發(fā)生在一些氣藏區(qū)或注水區(qū)，注水區(qū)中堵塞物或輕質(zhì)油無意中注入用于干氣藏或注水井的水或油基泥漿明顯高的飽和地層。3、 在低于露點壓力下豐富的反凝析氣體的開采導致靠近井壁區(qū)臨界反凝析飽和度積累并圈閉。4、 低于泡點瀝青基原油的開采導致圈閉了臨界氣體飽和度的溶液及地層中氣體的釋放。5、 自由氣體（在欠平衡作業(yè)中混氣液和泡沫、未脫氧鹽溶液、氮增能液等）注入到液體飽和的地層中導致圈閉臨界氣體的產(chǎn)生。相圈閉問題的嚴重性在于強有力地增加圈閉的飽和度和浸入深度，油藏壓力得以下降，更重要的是，巖石的相對滲透率曲線形狀在考慮之中。很多地方都論述過相圈閉能導致產(chǎn)量嚴重地下降或整個產(chǎn)量下降，是導致滲透率100%下降的幾種地層損害形勢之一。這就是這種損害機理的問題所在。一般地，即使在計劃壓裂處，在典型的壓裂處理過程中，都產(chǎn)生大的流通面積，所以，通常都允許相當大的裂面損害產(chǎn)生。相圈閉問題通常以預防的方式處理，在油藏中盡量避免使用易被圈閉的液體。即使在欠平衡鉆井作業(yè)中也已證明它受相圈閉的影響，這是因為在一些油藏環(huán)境中有反循環(huán)毛細管自吸作用。其他技術(shù)通常是用來排除或減少相圈閉作用，包括使用表面張力降低劑以降低毛細管壓力效應，這一效應是相圈閉的基礎(chǔ)。這些界面張力降低劑包括各種表面活性劑、酒精和二氧化碳。用水阻止運移的機械技術(shù)除了地熱處理和其他更新的增產(chǎn)技術(shù)以外，還有注入脫水氣體以汽化圈閉中的水。為了去除被圈閉的碳氫化合物液體，必須考慮各種類型貧氣或富氣的注入，除了更新的技術(shù)如注入空氣就地燃燒以外，混溶能力去除吸入的液體。研磨或磨碎研磨或磨碎是指對井壁產(chǎn)生的直接損害，這種損害是由于鉆頭或熱反應（磨）或偏心旋轉(zhuǎn)及在井眼清潔不良的情況下滑動鉆桿，從而導致微?；驇r屑進入地層中而產(chǎn)生的。這種損害機理在實驗室內(nèi)難以模擬，但從井壁取芯和常規(guī)滿眼取心樣品中已清楚地看到了井下的基本情況，一般在鉆頭上使用適當?shù)臐櫥瑒┚涂蓪⑦@種影響減小到最小程度（因為熱效應與純氣相比液相熱量傳遞的能力差有關(guān)，所以要減少磨擦，用純氣體或空氣鉆井最有優(yōu)勢）。通過好的井眼清潔可以減少磨損從而避免井內(nèi)存在大量的固體顆粒。地質(zhì)力學在油藏基質(zhì)（通過鉆井）中真空的產(chǎn)生移走了承載巖，常常導致井壁周圍地質(zhì)應力的變化。盡管變化的區(qū)域較小，其大小取決于井眼的方位和所考慮的油藏應力區(qū)，不管是可收縮的應力區(qū)還是壓縮應力區(qū)，都能導致井眼周圍巖石孔隙幾何形狀和滲透性發(fā)生變化。射孔損害引爆射孔炸藥能導致地層破碎，并在所射的孔道附近產(chǎn)生可移動的微粒，這將導致該區(qū)域滲透率下降。若是過平衡射孔，射孔液的成份也會加重損害程度。支撐劑的破碎與置入這是一種能減少人為創(chuàng)造液壓裂縫有效傳導性的損害機理。正常的，在破裂壓力釋放后，將支撐劑（石頭或合成物）放入裂縫中以支撐裂縫，來維持油藏新的開采段的高滲透率。在高的閉合應力區(qū)，傳統(tǒng)的砂粒支撐劑被機械地壓碎，釋放出微粒，減小裂縫尺寸，并嚴重地降低滲透率。置入與塑性地層高閉合應力有關(guān)，或是與容納面最小的尖而粗的支撐劑有關(guān)。在這兩種情況下，支撐劑進入地層孔隙后發(fā)生的塑性擠壓，再次減小了有效裂縫的尺寸及滲透率。一般地，通常用高強度（hauxite、carbolite等）球形支撐劑來克服這兩種不良影響。化學損害機理化學損害機理分為以下三種類型:巖石與流體之間有害的反應。流體與流體之間有害的反應。井眼附近區(qū)域濕度的改變。頁巖膨脹這是另一種典型的地層損害機理，它包括親水材料之間的相互反應水化，如蒙脫石或混合層狀頁巖，與淡水或低礦化度水之間可產(chǎn)生反應。這些頁巖的膨脹與剝落能導致滲透率嚴重下降，下降程度取決于孔隙體系中頁巖地層的數(shù)量和位置。若頁巖位于孔隙的最小部位，只要稍微膨脹就能導致滲透率大幅度下降，問題尤為嚴重。高礦化度溶液，如乙二醇、陽離子聚合物和胺，及其他抑制劑常用來維持此類型頁巖處于收縮狀態(tài)或脫水狀態(tài)。頁巖抗絮凝作用頁巖膨脹不難理解，而是經(jīng)常發(fā)生，除了粘合或絮凝狀態(tài)下井壁孔隙之外，破壞單個頁巖顆粒之間相互吸引的表面靜電引力將使頁巖抗絮凝。一種快速礦化度變化法，將二價陽離子的濃度由高變低，或使PH值（一般轉(zhuǎn)到更堿性狀態(tài)）快速改變都可發(fā)生抗絮凝作用。高嶺土是無水敏感頁巖的代表，在一定情況下能抗絮凝。避免陽離子和PH值變化就能抑制抗絮凝作用?；瘜W吸附作用在某些液體中存在聚合物和其它高分子加重材料，它們能粘合或吸附在地層基質(zhì)及頁巖表面，在流通孔隙內(nèi)產(chǎn)生阻力，降低滲透率，尤其是大分子顆粒。圖5說明了在低產(chǎn)地層中這是一個基本問題。氧化劑常用來減少并吸附處于這些狀態(tài)下的聚合物，如特意配制次氯酸鈉或酶溶液來破壞給定的聚合物基質(zhì)。地層溶液某些特定的地層組份（如碳酸巖鹽、各種頁巖、石膏等）在水基流體中有相當高的溶解度。在這種條件下，地層沖蝕或垮塌將導致井徑不規(guī)則，除此之外，還釋放出可移動并能潛在損害地層的微粒。常用油基溶液、抑制液或標準的離子體系來解決這些問題。石蠟和蠟制品很多原油顯現(xiàn)出始凝點溫度很低，這個溫度可導致從石油溶解物中分解出來的無烷烴固態(tài)碳氫化合物晶體或石蠟晶體的沉淀。除了在油管內(nèi)或地面設備以外，這些相態(tài)的物質(zhì)都能導致地層在射孔（因為焦耳-湯姆遜效應，局部冷卻了射孔附近區(qū)域，所以一般上升氣油比的井都出現(xiàn)大的回落）處或附近形成石蠟橋堵。一般用溶劑、稀釋劑、加熱或抑制結(jié)晶劑來處理，石蠟沉積物在很多情況下極易造成損害。雖然石蠟沉積物通過加熱可以復原，但所需的溫度比其當初沉淀時的原始溫度要高很多。其它固體顆粒還有大量的有機固體顆粒和無機固體顆粒從油藏流體中沉淀出來，并造成井眼、油管、地面設備或注入設備堵塞。有機固體顆粒包括像瀝青烯這樣的材料，是高分子重有機物，溫度或壓力降低就能從油中沉淀出來，或與不相容的油、酸或酒精混合也能產(chǎn)生沉淀。類似鉆石的物質(zhì)是氣藏中等同于瀝青烯、水化物、及硫分子的物質(zhì)，它可以從氣體或油中沉淀出來的另一種固體顆粒。大量的無機固體顆粒和水垢是通過混入不相溶的水或改變溫度和壓力及正在注入或開采的給定地層水蒸氣的PH值而形成的。水垢具有酸溶性或不溶性，且在一定條件下有毒并具有放射性。用多種化學抑制劑和溶劑來解決各種固體顆粒沉淀問題，對于特定油藏來講，選擇合理的處理技術(shù)往往是很特殊的情況。乳化液在油田作業(yè)中常產(chǎn)生乳化液。最常見的有害乳化液是油包水乳化液，這種乳化液是指小水滴懸浮在油中（圖6）。這些乳化液粘度很高（比干凈的、未乳化的油高出2-4倍），因此能產(chǎn)生抑制滲透率的“乳化塊”地層。因此，在這種地區(qū)使用不符合設計要求的殘酸通常是造成事故的原因。泡沫油也屬于一種穩(wěn)定的乳化劑，其中油形成外相，被圈閉的氣泡形成內(nèi)相。這些流體通常與高粘度的重油有關(guān)，已證明它比非泡沫液體粘度穩(wěn)定性更高。濕度變化對于現(xiàn)場流體來說，很多添加劑，尤其是很多表面活性劑、消泡劑、防腐劑及一些殺蟲劑，都有一定的吸附作用，這些添加劑可在他們侵入的油藏中形成油濕條件。圖7說明了附近井眼濕度變化的現(xiàn)象。水濕潤巖石，因為表面摩擦阻力的影響與水相的運動有關(guān)，端點相對滲透率往往會相當?shù)?。相反，若是巖石是油濕的，水很容易在孔隙體系的中心部分流動，有效的端點相對滲透率一般很高和水流動性通常都很好。若地層最初被水濕潤，轉(zhuǎn)變成油濕條件則類似于在井眼周圍放了一層半滲透性薄膜，以控制油回流，并擇優(yōu)地讓水流過。若基石中存在可流動的飽和水，將導致采出的水油比增加。盡管這種現(xiàn)象對于水濕開采井來說，人們不希望如此，但進行有意的濕度轉(zhuǎn)變，可增加水濕注入井的注水能力。圖8對此做了解釋。注入井周圍溫度的改變（例如，通過表面活性劑或有機硅烷處理）可在井眼周圍近距離內(nèi)形成水滲透率加強了薄層，這樣，在相同注入壓力下，注水速度會較高。在低滲透率的砂巖地層注水井中，這是一種普遍的處理方法。在注水和處理井中，更多的油濕狀態(tài)濕度的變化在非移動的碳氫化合物相中也有利于隔離活性或可移動頁巖的反應。這將大大減少圖9所示附近井區(qū)頁巖的反應與移動。生物損害這種損害是指活細菌和營養(yǎng)蒸汽侵入油藏所造成的損害。盡管大多損害都與注水作業(yè)有關(guān)，但細菌污染有潛力隨時使水基流體侵入地層。大多數(shù)細菌在90°C以下生長最快。然而，長期大量注水到深而熱的地層，可能會導致井底溫度下降，從而適合細菌生存和繁殖。與細菌侵占相關(guān)的地層損害機理主要有三種，分別敘述如下：堵塞一大多數(shù)細菌分泌一種粘的多糖聚合物，以維持其生命的循環(huán)，該聚合物可以吸附在巖石上并逐漸地堵塞地層。腐蝕一某些細菌建立動電氫還原反應，這將導致井下油管或設備的金屬表面產(chǎn)生蝕痕和氫應力裂痕。毒性一某種厭氧菌，一般指硫酸鹽還原菌可以減少地層水或注入水中存在的硫元素，產(chǎn)生有毒的硫化氫氣體。細菌問題通常用氧化劑來處理，如次氯酸鈉能減少排泄的聚合物而消滅細菌。通常還使用各種類型的殺蟲劑。如果細菌侵入得很深，想徹底清除很困難，所以，在所有注入的水溶液中，加入適當?shù)纳锟刂苿┻M行預防，在大多數(shù)情況下都是可行的。目前，用快速檢測儀測量氫化酶的值，以監(jiān)測硫酸鹽的殺菌效果。這種儀器通常用來實時監(jiān)測井下細菌的活動量，并決定是否在問題變得嚴重前，通過改變殺蟲劑的濃度或類型來加以控制。熱力損害熱力損害機理是指那些與高溫注入作業(yè)有關(guān)的損害（如蒸汽注入、就地燃燒等）。這些損害包括：礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變一溫度在180C以上，非活性頁巖類被催化，形成水化反應產(chǎn)物，這些產(chǎn)物可能膨脹、凝聚從而降低了滲透率。這些反應在250C以上時最明顯。溶解一礦物質(zhì)溶解度隨溫度的升高而增加。當熱溶液進一步地流入油藏或生產(chǎn)井中并冷卻時，長期的溶液可導致被封閉的微粒釋放或溶解的物質(zhì)隨時沉淀。濕度變化一隨著溫度的增加，地層一般變得更水濕。然而，將超熱蒸汽注入地層，就能產(chǎn)生轉(zhuǎn)變成油濕狀態(tài)的隔離環(huán)境。降低絕對滲透率一這一點在超高溫時，在超載條件下發(fā)生的這種現(xiàn)象已論述過了。我們確信這是因為熱力而引起顆粒膨脹，隨后孔隙又收縮造成的。在某些隔離研究中，高溫隔離時還發(fā)現(xiàn)熱應力裂解，產(chǎn)生可移動且有損害的微粒。熱力遞減一在200C以上，除了碳酸鹽巖反應以外，油和巖石中的含硫組份的熱反應也將導致高濃度硫化氫、二氧化碳和硫醇的產(chǎn)生。這些產(chǎn)物的腐蝕性和毒性在大多數(shù)情況下都很成問題。水平井中的地層損害在水平井中地層損害的影響可能更嚴重。這是由許多原因引起的。分別是：1、 鉆一口典型的水平井，需要較長的時間，這將導致侵害深度較大（尤其在井眼初始段（第一段）附近）。2、 大多數(shù)水平井都是裸眼完井或未固尾管完井。一般情況下，這就是說在典型的下套管完井和射孔完成井中不太在意淺層機械性地層損害，現(xiàn)在它在水平井裸眼井內(nèi)嚴重地阻礙液體流動。3、 因為典型的水平井裸眼井段較長，所鉆遇地層的滲透性不斷變化，所以井眼清潔情況不很均勻。這可能導致大部分產(chǎn)量來自一小段水平井眼，不能用足夠的壓差來清除其余段的侵害。4、 U形管效應產(chǎn)生足夠高的回壓，在高滲透率、壓差低的地層限制了流體流動。5、 在直井中進行非常的侵入性增產(chǎn)措施如水力壓裂、基巖酸化擠壓等作業(yè)成本相對不太貴，而水平井中在類似深度的裸露面上采取的增產(chǎn)措施，費用則是昂貴的。因此，大多數(shù)水平井的增產(chǎn)措施通常包括用酸或其它完井液來沖洗井眼附近的輸油管