油气层损害的机理

一、油气层损害的基本概念

油气层损害：任何阻碍流体从井眼周围流入井底的现象。

油气层损害的主要表现形式：油气层渗透率的降低，包括油藏岩石绝对渗透率和油气相对渗透率的降低。

发生油气层损害的主要作业环节：在钻井、完并、修井、实施增产措施和油气开采等发生油气层损害的机理：工作流体与储层之间物理的、化学的或生物的相互作用。

二、保护油气层的重要性

①在油气勘探过程中，直接关系到能否及时发现油气层和对储量的正确估算。

②保护油气层有利于提高油气井产量和油气田开发经济效益。可以大大减少试油、酸化、压裂和修井等井下作业的工作量，降低生产成本。

③有利于油气井的增产和稳产。

三、保护油气层涉及的技术范围

八方面内容：

①岩心分析、油气水分析和测试技术；

②油气层敏感性和工作液损害室内评价技术；

③油气层损害机理研究和保护油气层技术系统方案设计；

④钻井过程中的油气层损害因素分析和保护油气层技术；

⑤完井过程中的油气层损害因素分析和保护油气层技术；

⑥开发生产中的油气层损害因素分析和保护油气层技术；

⑦油气层损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折技术。

四、油气层损害机理

1油气目的潜在损害因素

1）油气层储渗空间

孔喉类型和孔隙结构参数与油气层损害关系很大

2）油气层的敏感性矿物

速敏、水敏、盐敏、酸敏、碱敏

3）油藏岩石的润湿性

4）油气层流体性质

2固体颗粒堵塞造成的损害

1）流体中固体颗粒堵塞油气层造成的损害

2）地层中微粒运移造成的损害

3工作液与油气层岩石不配伍造成的损害

1）水敏性损害

2）碱敏性损害

3）酸敏性损害

4）油气层岩石润湿反转造成的损害

4工作液与油气层流体不配伍造成的损害

1）无机垢堵塞

2）有机垢堵塞

3）乳化堵塞

4）细菌堵塞

5油气层岩石毛细管阻力造成的损害

评价油气层损害的实验方法

评价实验是指在研究油层损害问题时，在实验室内进行的定性或定量分析测定的实验。该评价实验由一系列综合性的岩心分析实验组成。

一、评价实验的目的：保护油气层。

（1）弄清储层潜在因素；

（2）弄清外因对储层的影响；

（3）在内因外因的作用下，弄清储层损害类型及程度

（4）筛选合理的防治措施。

二、评价程序

三、岩心分析

油气层的敏感性评价、损害机理的研究、对油气层损害的综合诊断和保护油气层技术方案的制定等都必须建立在岩心分析的基础之上。

主要目的：全面认识油藏岩石的物理性质及岩石中敏感性矿物的类型、产状、含量及分布特点，确定油气层潜在损害的类型、程度及原因，从而为各项作业中保护油气层工程方案的设计提供依据和建议。

1）X-射线衍射（XRD）分析

根据：晶体对X-射线的衍射特性来鉴别物质的方法。

没有任何两种结晶物质在晶胞大小、质点种类以及质点在晶胞中的排列方式方面是完全一致的。因此，当X-射线通过某一晶体时，必然会显示出该晶体特有的衍射特征值——反射面网间的距离（d）和反射线的相对强度（I/I0）。

用于：测定岩样中粒径小于4mm的粘土矿物和粒径大于4mm的非粘土矿物，尤其适于确定岩样中各种粘土矿物的类型和含量。测定时不需整块岩心。

不足之处：是不能确定各种敏感性矿物在孔隙中的产状及分布，因此必须与薄片、扫描电镜技术配套使用，才能全面揭示敏感性矿物的特征。

2）薄片分析

方法：将岩心制成薄片，置于光学显微镜下进行观测。

用于：测定油藏岩石中骨架颗粒、基质和胶结构的组成和分布，描述孔隙的类型、性质及成因，了解敏感性矿物的分布及其对油气层可能引起的损害。

薄片样品制备：将岩石顺一定方向切割成薄板，将一面磨平后用树胶将其粘在载玻片上；然后磨另一面、直至矿片厚约为0.03mm，并能透过可见光时为止，最后将盖破片粘在矿片表面即制成。

特点：直观、费用低，常在X-射线衍射和扫描电镜前进行。

注意：只有选择有代表性的岩心制成薄片，分析结果才有实际价值。

3）扫描电镜（SEM）分析

用于：提供孔隙内充填物的矿物类型、产状和含量的直观资料。对油气层中的粘土矿物和其他敏感性矿物进行观测；获取油气层中孔喉的形态、尺寸、弯曲度以及与孔隙的连通性等资料；估算出粒径小于37mm的地层微粒的类型、含量和分布；对含铁的酸敏性矿物进行检测等。

组成：扫描电镜由电子系统、扫描系统、信息检测系统、真空系统和电源系统等部分构成。

原理：利用细聚焦的电子束在岩样上逐点扫描，激发产生能够反映样品特征的信息并调制成像。分析前应将岩样用抽提的方法洗净，然后加工出新鲜断面作为观测面。

样品直径一般不超过1cm。

特点：制样简单、分析快速。

4）其他岩心分析方法

用压汞法测定岩石的毛管压力曲线

用Amott和USBM法测定岩石的润湿性。

用红外光谱法测定岩石矿物的组成及所含元素。

用图像分析法观测孔喉的尺寸与分布等也都是岩心分析中的常用方法。

用CT扫描和核磁共振（NMR）为代表的现代影像技术已经越来越多地应用于中。

四、油气层敏感性评价

1）速敏评价实验

速敏性：油气层的速敏性是指在钻井、完井、试油、注水、开采和实施增产措施等作业或生产过程中，流体的流动引起油气层中的微粒发生运移，致使一部分孔喉被堵塞面导致油气层渗透率下降的现象。

目的：一是确定导致微粒运移开始发生的临界流速；二是为后面将要进行的水敏、盐敏、碱敏和酸敏实验以及其他各种损害评价实验提供合理的实验流速。

一般情况下，要先进行速敏评价实验，所有后面评价实验的流速应低于临界流速，应控制在临界流速的0.8倍。

实验装置：速敏和其它敏感性评价的均为岩心流动试验仪。详细实验步骤可参见

SY/T5358—2002《储层敏感性流动实验评价方法》。

实验液体：对于采油井，速敏评价实验应选用煤油作为实验流体；对于注水井，则应使用地层水或模拟地层水作为实验流体。

方法：通过测定不同注入速度下岩心的渗透率，判断储层岩心对流速的敏感性。

临界流速的判定标准为：若流量Qi-1对应的渗透率Ki-1与流量Qi对应的渗透率Ki之间满足下式

[（Ki-1—Ki）/Ki-1]×100%≥5%发生流速敏感

流量Qi-1即为临界流量临界流速（vc）。

2）水敏评价实验

水敏性：指矿化度较低的钻井液等外来流体进入地层后引起粘土水化膨胀、分散和运移，进而导致渗透率下降的现象。

目的：就是对油藏岩石水敏性的强弱作出评价，并测定最终使储层渗透率降低的程度。

测定方法：首先用地层水或模拟地层水测得岩心的渗透率Kf，然后用次地层水测得岩心的渗透率Ksf，最后用蒸馏水测出岩心的渗透率Kw。

Kw/Kf≤0.3 0.3~0.7≥0.7

水敏程度强中等弱

3）盐敏评价实验

目的：测定当注入流体的矿化度逐渐降低时岩石渗透率的变化，从而确定导致渗透率明显下降时的临界矿化度（Cc）。

意义：在进行钻井液、完井液等工作流体设计时，应将其矿化度保持在临界矿化度以上，才能避免因粘土矿物水化膨胀、分散而对油气层造成损害。

实验程序：首先用模拟地层水测定岩样的盐水渗透率，然后依次降低地层水的矿化度，再分别测定盐水渗透率，直至找出Cc值时为止。

临界矿化度确定：

[（Ki-l—Ki）/Ki-1]×l00%≥±5%Ci—l

4）碱敏评价实验

碱敏性：当高pH值的工作流体进入储层后，将促进储层中粘土矿物的水化膨胀与分散，并使硅质胶结物结构破坏，促进微粒的释放，从而造成堵塞损害。

目的：确定临界pH值以及由碱敏引起油气层损害的程度。意义：在设计各类工作液时，其pH值应控制在临界pH值以下。

方法：测定时，以地层水的实际pH值为基础，通过适量添加NaOH溶液配制不同pH 值的盐水，最后一级盐水的pH值等于12，测定渗透率。

临界pH值确定：

[（Ki-l—Ki）/Ki-1]×l00%≥±5%（pH）i-1

5）酸敏评价实验

酸敏性：若酸化用酸与油气层不配伍，则会与油气层中的某些矿物、流体反应生成沉淀或释放出微粒，对孔喉造成堵塞。

目的：通过模拟酸液进入地层的过程，用不同酸液测定酸化前后渗透率的变化，从而判断油气层是否存在酸敏性并确定酸敏的程度。

评价实验的步骤：先用地层水测出基础渗透率，再用煤油正向测出注酸前的渗透率

K1；反向注入0.5~1.0倍孔隙体积的酸液，反应1~3h；最后用煤油正向测定注酸后的渗透率率K2。根据两渗透率之比（K2/K1）评价。

五、工作液对油气目的损害评价

评价实验的目的：通过测定工作液侵入油藏岩石前后渗透率的变化，来评价工作液对油气层的损害程度，判断它与油气层之间的配伍性，从而为优选工作液的配方和施工工艺参数提供实验依据。

方法：模拟地层的温度和压力条件；用地层水饱和岩样，用中性煤油进行驱替，建立束缚水饱和度，并测出污染前岩样的油相渗透率Ko；在一定压力下反向注入工作液，历时2h，若2h内不见滤液流出，可延长时间或增大驱替压力；将岩样取出并刮除滤饼，再次

用煤油正向驱替，测定污染后岩样的油相渗透率Kop

渗透率的损害率：Rs=[1—（Kop/Ko）]×100%

油气层损害的矿场评价

目的：对油气层损害进行矿场评价的范围要比室内评价大得多，可反映井筒附近几十米甚至几百米内油气层的受损程度，同时还可评估保护油气层技术在现场实施后所取得的实际效果。

方法：包括对油气层进行试井评价、产量递减分析和测井评价。

不稳定试井法：即在油气井完成之后，通过测定压降曲线或压力恢复曲线时所获得的不稳定试井数据，对油气层的损害程度作出分析和评价。

1）表皮系数法

表皮系数：是描述由于近井壁地带的油气层损害而导致流体渗流阻力增加的一个常数。

数学表达式：S=[（Ko/Kop）-1]1n（rd/rw）

S是一个无因次量。其数值越大、表示损害程度越大；若S=0，表明油气层无损害，这样的油气井可称为完善井，若S<0，则认为并底处于超完善条件下，这样的油气井可称为超完善井。

均质油气层损害程度的评价标准

损害程度轻微损害中等损害严重损害

S0~2 2~10 >10

2）条件比与产能比法

条件比（CR）：是指油气井供给半径re以内的平均有效渗透率与远离并底、末受损害油气层的有效渗透率之比值产能比（PR）：是指在相同的生产压差条件下，油气层受到损害时的原油产量与未受损害时的原油产量之比值CR和PR值越接近于1，则损害程度越小。对于同一油气层，CR和PR相等。

数学表达式：CR=PR=lg（re/rw）/[lgre/rw）十0.4342S]

3）流动效率法

流动效率表示在获得相同原油产量的条件下.油气层受到损害后的采油指数（PI）与未受损害时的理想采油指数（PI）0之比值。

计算式：Ef=（p – pf – 0.8684m0S）/（p – pf）

式中：Ef表示流动效率，p表示地层压力，pf表示井底流动压力，m0表示压力恢复曲线直线段的斜率，S表示表皮系数。由上式可知，若S值越大，则Ef值越小。当S=0时，Ef=1

4）污染系数法

污染系数等于1与产能比的差值，即DF=1 –PR显然，当油气层末受损害时，DF=0；受到损害时DF>0

5）井底污染半径法

井底污染半径（rd）反映钻井液等外来流体侵入油气层的深度，是表示损害程度的一项重要指标。

以上方法所确定的指标分别从不同角度反映油气层损害的程度，其中表皮系数是最基本的参数。采用中途测试的方法.也可测得表皮系数。

保护油气层的钻井液技术

一、对钻井液的要求

1）必须与油气层岩石相配伍

2）必须与油气层流体相配伍

3）尽量降低固相含量

4）密度可调，以满足不同压力油气层近平衡压力钻井的需要

二、保护油气层的水基钻井液

1）无固相清洁盐水钻井液

无机盐：NaCl、CaCl2、KCl、NaBr、KRr、CaBr2和ZnBr2等

（1）NaCl盐水体系

密度可达1.18g/cm3 ，添加剂为HEC（羟乙基纤维素）和XC生物聚合物。

（2）KCl盐水体系

密度范围为1.00~1.17g/cm3，KCl常与NaCl、CaCl2复配，组成混合盐水体系。只要KCl质量分数保持在3%~7%，其抑制作用就足以得到充分的发挥。

（3）CaCl2盐水体系

密度可达1.39g/cm3，CaCl2也可与NaCl配合使用

（4）CaCl2-CaBr2混合盐水体系

密度在1.4~1.8g/cm3范围，只需加入较少量的聚合物。

（5）CaBr2-ZnBr2与CaCl2-CaBr2-ZnBr2混合体系

密度均可高达2.30 g/cm3。

优点：可避免因固相颗粒堵塞而造成的油气层损害；可在一定程度上增强钻井液对粘土矿物水化作用的抑制性，减轻水敏性损害；机械钻速可显著提高。

缺点：成本高，工艺较复杂，固控要求严格，对钻具、套管腐蚀较严重和易发生漏失等问题，因此在使用上受到较大的限制。目前，国内外主要将无固相清洁盐水液用做射孔液和压井液。

有室内试验表明，高矿化度盐水钻井完井液对气层的渗透率产生严重损害，损害率在90%以上；无固相的高矿化度盐水压井液对气层渗透率的损害率达80%左右。其损害机理主要原因是高矿化度盐水钻井液完井液中的盐组分在干气返排过程中的结晶堵塞问题。

（6）甲酸盐钻井液

甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯等配制而成。

特点：低腐，高密度2.20g/cm3，150 ℃性能稳定；易于泵送，环空压耗低；易生物降解，有利于环境保护。

2）水包油钻井液

油（通常选用柴油）分散在淡水或不同矿化度的盐水中，形成的一种以水为连续相、油为分散相的无固相水包油乳状液。以及增粘剂、降滤失剂和乳化剂等。最低密度可达0.89g/cm3 。

特别适用于技术套管下至油气层顶部的低压、裂缝发育、易发生漏失的油气层。同时，也是欠平衡钻井中的一种常用钻井液体系。

3）无膨润土暂堵型聚合物钻井液

组成：水相+聚合物+暂堵剂固相颗粒，密度通过加入NaCl、CaCl2等活性盐进行调节。

聚合物添加剂有高粘CMC、HEC、HPAM和XC生物聚合物等。

原理：在一定的正压差作用下，所加入的暂堵剂在近井壁地带形成内泥饼和外泥饼，可阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入。

（1）酸溶性暂堵剂

常用的酸溶性暂堵剂为不同粒径范围的细目CaCO3。选用时应注意其粒径必须与油气层孔径相匹配，使其能通过架桥作用在井壁形成内、外泥饼，从而能有效地阻止钻井液中的固相或滤液继续侵入。

如果已知储层的平均孔径，可按照“三分之一架桥规则”选择暂堵剂颗粒的大小。

不能在酸敏储层使用。

（2）水溶性暂堵剂

通常称为悬浮盐粒钻井液体系。它主要由饱和盐水、聚合物、固体盐粒和缓蚀剂等组成，密度范因为1.04~2.30g/cm3。由于盐粒不再溶于饱和盐水，因而悬浮在钻井液中，常用的水溶性暂堵剂有细目氯化钠和复合硼酸盐等。这类暂堵剂可在油井投产时，用低矿化度水溶解盐粒而解堵。

不宜在强水敏性的储层中使用。

（3）油溶性暂堵剂

油溶性树脂。一类是脆性油溶性树脂，在钻井液中主要用于架桥颗粒，如油溶性的聚苯乙烯、改性酚醛树脂和二聚松香酸等；另一类是可塑性油溶性树脂，其微粒在一定压差作用下可以变形，主要作为充填颗粒。

油溶性暂堵剂可被产出的原油或凝析油自行溶解而清除，也可通过注入柴油或亲油的表而活性剂将其溶解而解堵。

4）低膨润土暂堵型聚合物钻井液

低膨润土暂堵型聚合物钻井液的特点是，在组成上尽可能减少膨润土的含量，使之既能使钻井液获得安全钻进所必须的性能，又不对油气层造成较大的损害。

其流变性和滤失性可通过选用各种与油气层相配伍的聚合物和暂堵剂来控制。除了含适量膨润土外，其配制原理和方法与无膨润土暂堵型聚合物钻井液相类似。

5）改性钻井液

裸眼钻开油气层的井，为了减轻油气层损害，在钻开油气层之前，对钻井液进行改性，以满足保护油气层对钻井液的要求。

（1）废弃一部分钻井液后用水稀释，以降低膨润土和无用固相含量。

（2）根据需要调整钻井液配方，尽可能提高钻井液与油气层岩石和流体的配伍性。

（3）选用适合的暂堵剂，并确定其加量。

（4）降低钻井液的API和HTHP滤失量，改善其流变性和泥饼质量。

6）屏蔽暂堵钻井液

原理：

利用正压差，短时间内，使钻井液中起暂堵作用固体颗粒在井壁附近形成渗透率接近于零的屏蔽暂堵带（或称为屏蔽环），从而可以阻止钻井液以及水泥浆中的固相和滤液继续侵入油气层。

由于屏蔽暂堵带的厚度（一般不应超过3cm。）远远小于油气井的射孔深度，因此在完井投产时，可通过射孔解堵。

其技术要点：

（1）测出油气层孔喉分布曲线及孔喉的平均直径。

（2）按平均孔喉直径的1/2~2/3选择架桥颗粒（通常用细目CaCO3）的粒径，并使这类颗粒在钻井液中的含量大于3%。

（3）选择粒径更小的颗粒（大约为平均孔喉直径的1/4）作为充填颗粒，其加量应大于1.5%。

（4）再加入1%~2%可变形的颗粒，其粒径应与充填颗粒相当，其软化点应与油气层温度相适应。这类颗粒通常从磺化沥青、氧化沥青、石蜡、树脂等物质中进行选择。

效果：

通过实施屏蔽暂堵保护油气层钻井液技术（简称屏蔽暂堵技术），可以较好地解决裸眼井段多套压力层系储层的保护问题。

吐哈油田在陵10-18井使用屏蔽暂堵钻井液钻开油层，并通过取心进行检测。检测结果表明，屏蔽环的渗透率均小于l×10-3mm2，暂堵深度在0.58~2.09cm之间。当切除岩心的屏蔽环后，渗透率基本上可完全恢复。

三、保护油气层的油基钻井液

原理：

主要是油包水乳化钻井液，由于这类钻井液以油为连续相，其滤液是油，因此能有效地避免对油气层的水敏损害。与一般水基钻井液相比，油基钻井液的损害程度较低。

但是，使用油基钻井液钻开油气层时应特别注意防止因润湿反转和乳化堵塞引起的损害，同时还应防止钻井液中过多的固相颗粒侵入储层。

一般来讲，对于砂岩储层，应尽量避免使用亲油性较强的阳离子型表面活性剂，最好是在非离子型和阴离子型表面活性剂中进行筛选。

四、保护油气层的气体类钻井流体

原理：对于低压裂缝性油气层、稠油层、低压强水敏或易发生严重井漏的油气层，由于其压力系数低（往往低于0.8），要减轻正压差造成的损害，需要选择密度低于

l.0g/cm3的钻井流体来实现近平衡或欠平衡压力钻井。

分类：空气、雾、充气钻井液和泡沫。

特点：密度小，钻速快，通常在负压条件下钻进，因而能有效地钻穿易漏失地层，减轻由于正压差过大而造成的油气层损害。

1）空气

组成：空气（有时亦使用天然气）、缓蚀剂和干燥剂等。

适用：常用于钻开已下过技术套管的下部易漏失地层、强水敏性油气层和低压油气

层。

特点：此种流体密度最低，负压钻进，本身又不含固相和液相，因而可最大限度地减轻对油气层的损害。使用空气钻井时机械钻速可增大3~4倍，具有钻速快、钻时短、钻井成本较低等特点。

限制：受到井壁不稳定和地层出水等问题的限制。并且需在井场配备大排量的空气压缩机等专用设备。

2）雾

组成：空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成。

适用：适用于钻开低压、易漏失和强水敏性的油气层。

特点：使用这种流体钻井是空气钻井和泡沫钻井之间的一种过渡。当钻遇地层液体（如盐水层）而不宜再继续使用于空气作为循环介质时，则可转化为此种钻井流体。

其保护油气层的原理与空气钻井流体类似。

3）泡沫

组成：其液相（分散介质）是发泡剂和水，气相是空气。

特点：

（1）密度范围一般为0.03~0.09g/cm3，钻井时呈负压状态，再加上泡沫中液体含量少，因此可大大减少滤液和固相进入储层的机会。

（2）由于钻进时其环空流速高达30~100 m/min，又由于泡沫自身具有较高的粘度，其携屑能力是水的10倍，是常规钻井液的4~5倍。这样可保证井内的岩屑颗粒能及时地携出井口，从而减少了固相颗粒进入储层的机会。

（3）与储层有较好的配伍性，能有效地对付地层水，并且抗污染能力强。

（4）泡沫作为循环流体只能使用一次，因此所携出的岩屑颗粒不可能重新进入地层。

（5）机械钻速高，泡沫与储层的接触时间短。

以上特点使稳定泡沫成为比较理想的保护油气层的钻井流体，特别适于钻低压油气层，也是目前欠平衡钻井中常使用的一种钻井流体。

不足：配制成本较高，对气液比要求严格，废泡沫的排放问题。需配置一整套专用设备。

4）充气钻井液

组成：将空气注入钻井液所形成的钻井液体系。

改变充气量，可调整钻井液的密度以平衡地层压力，从而为实现平衡压力钻井创造更为有利的条件。充气钻井液的最低密度一般可达0.7g/cm3，钻井液与空气的混合比一般为10：1。

适用：钻开压力系数为0.7~l的储层，并经常在欠平衡压力钻静是使用。

密度计算：rm=（102.4pm）/H+rDm

技术关键在于：

（1）基液应具有较好的质量，粘度、切力切勿过高，以利于充气和脱气；能够抗水泥、钻屑污染，并具有较强的抑制泥页岩水化膨胀与分散的能力。

（2）装备准备充分，如配齐混气器、携砂液混气器（先期防砂并使用）、计量仪表和除气器等。

（3）充气后气泡应均匀稳定，气液不分层，以确保其基液的反复泵送、满足钻井工艺的要求。

（4）应具有良好的流变性能，特别是流性指数n值的范围要适当，以确保携屑能力。应注意充气钻井液属于塑性流体，其塑性粘度和动切力均随气液比增加而有所增加。

保护油气层的钻井液还必须与保护油气层的钻井工艺技术紧密结合起来。应尽可能通过建立孔隙压力、坍塌压力、破裂压力和地应力等四个压力剖面，进行合理井身结构和钻井液密度设计，在此基础上实现近平衡压力钻井。

此外，还应通过减少钻井液浸泡时间，优选环空返速，防止井漏、井喷等措施来减轻对油气层的损害。