裂缝性储层保护技术与钻井完井液

第24卷第1期油　田　化　学Vol.24　No.1 2007年3月25日Oilfield　Chemistr y25March,2007文章编号:100024092(2007)0120087206裂缝性储层保护技术与钻井完井液Ξ顾　军1,张玉广2,高玉堂2,李天府2,刘　霞2(1.中国地质大学资源学院,湖北武汉430074;2.中国石油大庆油田公司采油工程研究院,黑龙江大庆163453)摘要:综述了裂缝性储层保护技术与钻井完井液方面国内外的研究进展,论题包括裂缝性油气藏分类,应力敏感性评价、裂缝宽度预测、损害机理、暂堵机理、钻井完井液。

指出许多问题有待探索:①应力敏感性和闭合滞后效应评价方法;②有效应力条件下裂缝宽度的实用性预测模型;③损害机理和保护机理;④保护裂缝性储层的切实可行的钻井完井液体系。

参51。

关键词:裂缝性储层;应力敏感性;裂缝宽度;损害机理;暂堵机理;钻井完井液;综述中图分类号:TE344:TE258:TE254 文献标识码:A 随着近代石油工业的迅猛发展,当今勘探开发的重点不得不转向某些难度较大的油气藏,诸如裂缝性油气藏、特低渗油气藏等,且所占比例呈日益增长的趋势。

据不完全统计,裂缝性复杂油藏的储量约占总储量的50%。

我国西部地区裂缝性油藏丰富,承担着中国石油工业“稳定东部,发展西部”的战略接替任务。

全世界经济效益最好的油藏是裂缝性油藏,因为这类油藏的裂缝提供了与井筒沟通的良好渗流通道。

但人们也发现,一些裂缝性油藏在钻完井后,产量却并不象预测的那么高。

显然,这是由于在钻完井过程中,油层被工作液污染,裂缝被深度堵塞,从而使流动阻力增加造成的。

目前,一则有关裂缝性储层损害机理的论文和研究成果还较少,研究手段也较欠缺,仍需获得技术上的重大突破;二则对裂缝宽度在井下应力状态下变化规律的认识还有待进一步深入,在理论和实践上尚需取得实质性的进展,因此裂缝性油气藏的储层保护问题至今在世界范围内仍未得到根本解决。

当然,目前已有非常有效的钻井技术(如水平井钻井技术等)可大大提高裂缝性油气藏的开发效益,但真正要充分发挥水平井的效益还必须对裂缝性储层损害机理进行深入的研究,以实现“少投入,多产出”。

因此,有关裂缝性储层保护问题的研究将是本世纪提高油气勘探开发总体效益的重要课题。

1　裂缝性储层的类型裂缝性储层可分为以下6种类型[1]。

(1)纯裂缝性储层　油气的可采储量都富集在裂缝空间,裂缝既是储存油气的空间,又是油气运移和采出的通道。

(2)裂缝2孔隙型储层　油气的主要储量储存在孔隙空间,裂缝仅是起通道作用的空间。

通常在裂缝发育带可获得高产油气井。

(3)孔隙2裂缝型储层　油气的主要储量储存在裂缝空间,基质孔隙中的油气向裂缝空间可有不同程度的补偿。

裂缝也是油气流动的主要通道,孔隙中的油气先流入裂缝,然后再流入井中。

(4)孔隙2洞穴2裂缝型储层　油气的主要储量Ξ收稿日期:2006211213。

基金项目:中国石油天然气股份有限公司科技攻关项目“大庆油田复杂调整井提高固井质量技术研究”子项目资助(项目编号061282221)。

作者简介:顾军(1966-),男,副教授,西南石油大学钻井工程专业学士(1986)、成都理工大学油气田开发工程专业博士(2003),中国石油大学(北京)石油与天然气工程博士后(2005),1986～2000年曾在胜利油田、玉门油田和吐哈油田从事钻井工程生产和科研工作,其中1995～2000年任钻采工艺研究院副总工程师,2005年9月起在中国地质大学资源学院石油与天然气工程系主要从事油气井工程的教学和科研工作,通信地址:430074湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号,E2mail:gujun2199@。

储存在裂缝及与之相关的洞穴中。

洞穴往往都与裂缝有关,沿着裂缝溶蚀扩大而形成,其成因大多与深部岩溶有关。

储层的基质孔隙度很低,仅起轻微的补偿作用。

(5)裂缝2洞穴2孔隙型储层　油气的主要储量储存在孔隙中,而与之匹配的裂缝空间和洞穴则起一部分储集作用,主要是作为油气渗滤的通道。

(6)裂缝2溶洞型储层　原生孔隙已完全消失,油气的主要储集空间是裂缝、次生孔隙和溶洞,大多在深埋的风化壳中出现,与之匹配的裂缝则是油气的渗流通道。

2　裂缝应力敏感性储层岩石在井下受上覆地层压力、就地应力和孔隙压力的共同作用。

上覆地层压力一般保持恒定,而储层孔隙压力的大小随某种因素的改变而变化,导致岩石受到的有效应力发生变化,引起储层渗透率的改变,这种现象称为应力敏感性[2]。

这种应力敏感性主要与储层岩石的岩性和裂缝特征等因素有关[3,4]。

研究表明[5,6],岩石的孔隙结构在应力作用下会发生变形,当其承受的有效应力升高时,裂缝会发生收缩式闭合;而当有效应力降低时,裂缝会发生相对膨胀。

油气藏在钻采过程中,储层内孔隙压力逐渐降低,岩石所承受的有效应力逐渐升高,使油气层物性参数逐渐变差,造成应力损害。

实际上,裂缝性储层岩石的应力变化主要体现在裂缝的变形上,一旦裂缝闭合,轻则影响油气的产量,重则影响油气的发现。

因此,对裂缝性储层保护而言,开展有针对性的裂缝应力敏感性室内研究是十分必要的。

李宁等[7]研究了裂缝型碳酸盐岩应力敏感性评价室内实验方法,即根据速敏实验中测定的各岩样的临界流速,把实验中的流体流速限定在临界流速以下,据此流速选择尽量低的进口压力值并在实验中保持不变,出口压力为大气压(即保持驱替压差不变),围压从预定的最低压力(密封压力)开始逐步增加到预定的最高压力,这是有效应力逐步增加过程;在围压达到预定的最高值后,再逐渐降低围压至初始压力值,这是有效应力逐渐降低过程。

这种实验方法排除了流速的影响,可同时观察到有效应力渐增和渐降两个过程中渗透率的变化,实验过程比较简单。

Vutin gDuan[8]对不经打磨的自然裂缝表面的拓扑特性进行了深入的研究,进而对自然裂缝的应力敏感性进行了数值模拟,讨论了裂缝接触的微观模型,建立了一套裂缝2孔隙型储层应力损害的分析方法和评价方法。

国内外学者[9～15]采用类似的实验方法,对储层岩石的应力敏感性进行了室内研究。

结果表明,随着有效应力的增加,裂缝性岩样的渗透率、孔隙度和裂缝宽度下降幅度比较大,但随着有效应力的进一步增加,其下降幅度逐渐减慢;裂缝性储层的渗透率和裂缝宽度与有效应力呈指数关系变化,孔隙度则随有效应力呈二次三项式关系变化;裂缝性储层存在严重的裂缝闭合滞后效应,即裂缝性储层发生了应力敏感性损害后,即使减小有效应力也不能使裂缝性储层的渗透率恢复到原来的值。

解决应力敏感性损害的关键在于保持合理的地层有效应力,使之在一个合理的范围内;同时,应注意钻井完井液与地层流体和地层岩石的配合性[16]。

尽管国内外学者对裂缝性储层岩石应力敏感性的研究已取得基本一致的一些认识,但裂缝2孔隙型砂岩储层岩石的应力敏感性尚待进一步的研究和探索,因为裂缝和孔隙都会随应力的改变而变化,只是裂缝的变化更强一些。

3　裂缝宽度预测模型裂缝宽度是裂缝性油气藏的一个重要特征参数,是研究裂缝性储层保护用钻井工作液体系的基础和依据。

为此,国内外学者对裂缝宽度的预测(或估算)进行了一些有益的探索,建立了相应的估算式。

(1)VanGolf2Racht[17]以平行板模型为基础,利用达西定律导出了裂缝宽度的计算式:W f=(12/K f/<f)1/2(1)式中,W f—裂缝宽度;K f—裂缝渗透率;<f—裂缝孔隙度。

(2)王新建等[18]通过岩石人工裂缝试验建立了人工裂缝宽度与渗透率的回归式:lg K f∞=1.694+2.116lg-W f(2)式中,K f∞—裂缝克氏渗透率;-W f—裂缝平均宽度。

(3)张绍槐等[19]报道了裂缝宽度与水平渗透率之间的经验关系式:K H=K m+8.44×107W3f cos2α/L(3)式中,K H—水平渗透率;K m—基质渗透率;α—裂缝与水平线的交角;L—裂缝之间的距离。

(4)张旭[20]采用实验室构成裂缝宽度和裂缝渗透率相关关系的方法,建立了二者之间的拟合关88油　田　化　学2007年系式:K f=8.22185×105<f W1.596f(4)(5)练章华等[21]用断裂力学有限元法,通过大量的计算机模拟,找出了裂缝宽度变化与压裂压力的关系,建立了裂缝宽度与压裂压力、地层岩石力学特性参数和裂缝长度的预测模型,有助于确定油田压裂增产措施。

但是,天然岩石裂缝并不是一对光滑的平行板,平行板模型所假设的裂缝几何宽度当然也不会是裂缝流动宽度。

此外,由于裂缝的应力敏感性很强,当含有裂缝的岩心取到地面后,应力被释放,裂缝在地面的宽度不能反映裂缝在井下的实际宽度。

因此,准确预测井下裂缝宽度仍然是钻井过程中保护裂缝性油气藏的关键问题。

4　裂缝性储层损害机理储层损害机理是指在油气井作业中,油气层受到损害的原因及物理化学变化过程,是制定和实施保护油气层技术的基础[22]。

储层损害的原因是复杂的,它涉及黏土矿物学、岩相学和岩类学、有机和无机化学、储层地质学、物理化学、胶体和界面化学、油层物理学、流体力学、渗流力学等诸多学科,以及钻井、固井等专业知识。

国外自20世纪50年代就开始了储层损害机理的研究,国内则始于80年代初期,目前对孔隙性储层损害机理已比较清楚,而对裂缝性储层的损害机理问题,国外研究很少,国内则主要集中在裂缝性碳酸盐岩储层。

欲认识储层损害机理,得先搞清储层的潜在损害因素。

国内外学者研究表明[23～27],裂缝性储层损害的主要因素是固相颗粒及微粒、黏土矿物、岩石的水敏及速敏等。

张振华等[28]通过对四川石炭系碳酸盐岩储层的完井模拟实验表明,钻井工作液对储层的损害主要是滤液侵入和固相颗粒堵塞,其中固相颗粒和滤饼是造成裂缝性储层损害的主要因素,水锁和滤膜是造成孔隙性储层损害的主要因素。

根据滤失量计算,孔隙性储层滤液损害深度为0.3～0.6 m,固相颗粒损害深度为2～3cm,而裂缝性储层滤液和固相颗粒的损害深度为1～5m[22]。

在实钻条件下,固相颗粒、微粒与钻井工作液中各种组分的泥饼、滤饼及泥膜,是裂缝2孔隙型碳酸盐储层的主要伤害因素。

泥饼以嵌入井壁部分孔、洞、缝的形式附着在井壁上,滤饼则以侵入裂缝方式深入裂缝[29]。

通过扫描电镜和能谱分析证明[27],泥膜普遍存在于碳酸盐岩储层的孔隙、喉道和裂缝壁,是裂缝2孔隙型碳酸盐岩储层最普遍、最重要的损害因素之一。

向阳等[30]对平落坝气田须二段气藏岩心钻井液损害的研究表明,造成损害的原因一是钻井液滤液进入地层增大了水膜厚度,二是钻井液颗粒侵入岩心堵塞了渗流通道。

裂缝性储层的应力敏感性是众所周知的,石油工程领域对这一问题的研究几乎都集中于实际测量应力对裂缝渗透率的影响[31～33]。