地层损害机理

地层损害机理
地层损害机理的概述（加拿大专家的总结）
摘要:在一口井的寿命期间，随时都可能对地层造成损害，这将导致油气产层产能和注入能力的下降。

为了避免和减少地层损害，必须对地层损害机理有充分的了解，针对不同的损害机理采取相应的技术措施，来减轻各工序对地层，尤其是油气产层造成的损害，达到提高产能和注入能力的目的。

主题词: 地层损害损害机理地层损害评估
介绍
地层损害之所以成为这些天的热门话题---有其合理的原因。

因为更多的作业公司开始转向对更致密、更深、且更加枯竭条件下的更复杂油气藏的勘探。

一口油气井的产量和注入量令人失望，可能与很多难以确定的因素有关。

其中一些因素可能集中在原有的天然油气藏的质量特性不良；而另一些因素则与已钻井眼周围的机械问题和所得到的井型有关。

还有一些因素与模糊的地层损害有关，这些地层损害通常是吸收了许多项目中大部分失误，而造成不良影响。

在很多情况下，油气井的地层损害是难以定量的。

这是因为油藏工程师无能力准确地恢复岩样，也无能力在感兴趣的地层进行详细的测量，油藏工程师感兴趣的地层通常是位于地表下几千米的井壁周围的大量岩石。

然而，经过多年不断的探索，允许对各种技术进行开发，利用有用的资料来获得更多更好的显示类型和损害程度，不同的油藏可能是敏感的。

因此，调整作业方法可避免或减少渗透率降低。

这些资料包括产量和压力数据、压力传输数据、测井分析、流体及压力-体积-温度数据和岩芯、岩屑及特殊的岩芯分析数据。

这篇文章主要是提供某些类型的地层损害分析，因为对许多油气生产项目来说，一般地层损害都是自身存在问题，本文还评论一些解决这些问题的相关技术。

地层损害与有什么有关呢？
地层损害的技术定义是引起油气产层原有的自然产能下降或导致注水或注气井的注入能
力下降的过程。

虽然钻井过程中常常造成首当其冲的损害，但在一口井的寿命期间地层损害随时都可能发生，包括完井、采油、增产、关井、或修井作业过程。

由于忽视与理论上缺乏兴趣，我们不关心油藏的地层损害问题，经常通过油藏进行压裂，使地层损害问题一般都忽略了。

意想不到的是，这一借口在某种情况下却很有意义，尤其在地层原有质量很低，结果发现在普通下套管完井和射孔完井或裸眼完井的井中在采油时存在流通区域和有效的驱动压差，能保持经济可采产量是不够的，甚至对于完全无污染的井也是不够的。

在这种情况下，因为大多数与机械损害有关的钻井与完井作业在附近区域将确定，而且在压裂处理时很容易射孔，更多的技术和努力可能与设法设计适合油藏但不损害油藏的增产程序有关，而不是在开始的钻井过程中白白努力和投资。

然而，在这种情况下，附近井眼损害是十分重要的---更值得注意的是裸眼完井—附近井眼钻井与完井造成的地层损害问题显得很重要。

这个问题已由图1中图解说明。

地层损害机理
图2提供了一张图表，它总结了很多常见的地层损害机理。

是根据敏感性油藏存在大量的损害机理总结的。

在给定的油藏中，如何从大量的候选条件来区分出哪个是主要的，哪个是次要的损害机理呢？
当地层损害按损害机理进行分类时，这种感觉就会好多了。

如图2所示，地层损害机理主要有四种：
1.机械性损害
2.化学性损害
3.生物性损害
4.热力损害
每种损害都能进一步地划分，在很多情况下都有特定的技术来准确判断给定油藏容易出现的损害类型。

机械性地层损害
机械性损害机理是指钻井所用的设备或液体、完井、停井或一口井增产时与地层之间没有发生化学反应，导致地层渗透率下降。

在某些情况下，在采油期间，油藏内流体本身性质的变化也会产生一定类型的机械性损害。

一般的机械性损害机理主要有：
微粒运移
微粒运移是指由高剪切速率流体所引起的孔隙内天然存在的颗粒移动。

这包括很多种非粘稠性的页岩（主要是高岭石和伊利石、石英石或碳酸岩微粒和岩屑、云母、石膏、焦沥青等）。

一般地，一般在碎裂地层中可能存在微粒运移问题，这是由于潜在的可运移物质的浓度较高（如页岩）。

这个问题在碳酸盐地层中也存在，因此，对孔隙内可移颗粒的浓度和成份进行认真评估是很必要的。

一般只有在油藏中的湿相（湿而包胶的微粒的相）运动时，才出现微粒运移（图3）。

例如，如图3中所示，在足够水湿地层中出现残余的饱和水，在微粒运移受限或微粒不运移时，油或气以较高的速度开采。

这是因为包胶微粒的这一相没有运动，所以没有微粒运移的动力。

只有在湿相饱和度增加到能运移（例如水锥或水窜）时, 才造成微粒运移问题。

如果地层没有水湿，微粒迅速产生明显运移（这种情况下湿相油迅速可动）。

外部固体颗粒的携带
外部固体颗粒携带是指在过平衡条件下注入或暴露于井壁周围岩石基质中的钻井液或其
他液体中悬浮的颗粒性物质的侵入。

这种颗粒性物质通常是由钻井液中多种悬浮物（加重剂、降失水剂、桥堵剂、堵漏剂、自然产生的岩石片或钻屑）组成的。

在大多数地层中，除了渗
透率很高（大裂缝和孔洞，或达西渗透率）或过平衡压力过大以外（超过7-10MPa），大多数损害限定在井眼周围很近的区域（1-2cm深）。

若计划射孔完井或压裂完井这种损害就不重要。

然而，如上所述，在裸眼或尾管未固的情况下，这种损害可能很严重。

当开采薄油层时，这种损害尤为严重。

因为大多数水平井都属于这种类型，所以这种损害是减少损害过平衡钻井液方面合理设计主要关心的问题之一。

这些钻井液中可能包含各种大小颗粒的桥堵剂和其他材料以快速克服地层中泥饼桥堵问题。

在过去几年里，在开发无侵入泥饼钻井液领域中已进行了有价值的研讨。

合适粒度的桥堵准则主要取决于颗粒大小和孔隙系统的几何形状、湿度、流态。

一般地在紊流状态下（高速流动），颗粒大小比其要流经的孔隙最小部位大25-30%就有桥堵能力，并导致渗透率严重下降。

在流速低时（层流状态），很多较小的颗粒（比孔隙最小部位小5 -7%）已被证明有能力形成亚稳桥堵，能大大降低渗透率。

注水和洗井作业可能也属于这种类型的损害，因为很多注入液中存在悬浮固体颗粒（产生的微粒、防腐剂、水垢和沉淀物、死的和活的细菌等）造成固体颗粒侵入。

常见的主要问题是因为悬浮颗粒的注入，需要多大的失水量才能避免大大降低注入量呢？一般地（取决于水质），因悬浮颗粒堵塞问题，为了避免注入能力快速而大量地降低，滤失到中等孔隙最小部位直径（D50）的20%通常就足够了。

相圈闭和相锁定
相圈闭和相锁定关系到毛细管反向压力和相对渗透率之间的综合作用。

图4以低渗透率气藏为例作了解释。

相圈闭的基础是井眼周围孔隙中已圈闭流体（水或气或碳氢化合物）的饱和度在缓慢或持久地增加，导致相圈闭的相对渗透率下降到我们希望开采或自喷点。

导致相圈闭不断发生的原因有：
1、水基泥浆或滤液侵入低水饱和区并导致圈闭效果续发下降。

相当低渗透率的气藏和一些油湿油藏常出现这种趋势。

2、油基泥浆或滤液侵入油饱和度很低或为0的地层，导致圈闭效果随后下降—一般发生在一些气藏区或注水区，注水区中堵塞物或轻质油无意中注入用于干气藏或注水井的水或油基泥浆明显高的饱和地层。

3、在低于露点压力下丰富的反凝析气体的开采导致靠近井壁区临界反凝析饱和度积累并圈闭。

4、低于泡点沥青基原油的开采导致圈闭了临界气体饱和度的溶液及地层中气体的释放。

5、自由气体（在欠平衡作业中混气液和泡沫、未脱氧盐溶液、氮增能液等）注入到液体饱和的地层中导致圈闭临界气体的产生。

相圈闭问题的严重性在于强有力地增加圈闭的饱和度和浸入深度，油藏压力得以下降，更重要的是，岩石的相对渗透率曲线形状在考虑之中。

很多地方都论述过相圈闭能导致产量严重地下降或整个产量下降，是导致渗透率100%下降的几种地层损害形势之一。

这就是这种
损害机理的问题所在。

一般地，即使在计划压裂处，在典型的压裂处理过程中，都产生大的流通面积，所以，通常都允许相当大的裂面损害产生。

相圈闭问题通常以预防的方式处理，在油藏中尽量避免使用易被圈闭的液体。

即使在欠平衡钻井作业中也已证明它受相圈闭的影响，这是因为在一些油藏环境中有反循环毛细管自吸作用。

其他技术通常是用来排除或减少相圈闭作用，包括使用表面张力降低剂以降低毛细管压力效应，这一效应是相圈闭的基础。

这些界面张力降低剂包括各种表面活性剂、酒精和二氧化碳。

用水阻止运移的机械技术除了地热处理和其他更新的增产技术以外，还有注入脱水气体以汽化圈闭中的水。

为了去除被圈闭的碳氢化合物液体，必须考虑各种类型贫气或富气的注入，除了更新的技术如注入空气就地燃烧以外，混溶能力去除吸入的液体。

研磨或磨碎
研磨或磨碎是指对井壁产生的直接损害，这种损害是由于钻头或热反应（磨）或偏心旋转及在井眼清洁不良的情况下滑动钻杆，从而导致微粒或岩屑进入地层中而产生的。

这种损害机理在实验室内难以模拟，但从井壁取芯和常规满眼取心样品中已清楚地看到了井下的基本情况，一般在钻头上使用适当的润滑剂就可将这种影响减小到最小程度（因为热效应与纯气相比液相热量传递的能力差有关，所以要减少磨擦，用纯气体或空气钻井最有优势）。

通过好的井眼清洁可以减少磨损从而避免井内存在大量的固体颗粒。

地质力学
在油藏基质（通过钻井）中真空的产生移走了承载岩，常常导致井壁周围地质应力的变化。

尽管变化的区域较小，其大小取决于井眼的方位和所考虑的油藏应力区，不管是可收缩的应力区还是压缩应力区，都能导致井眼周围岩石孔隙几何形状和渗透性发生变化。

射孔损害
引爆射孔炸药能导致地层破碎，并在所射的孔道附近产生可移动的微粒，这将导致该区域渗透率下降。

若是过平衡射孔，射孔液的成份也会加重损害程度。

支撑剂的破碎与置入
这是一种能减少人为创造液压裂缝有效传导性的损害机理。

正常的，在破裂压力释放后，将支撑剂（石头或合成物）放入裂缝中以支撑裂缝，来维持油藏新的开采段的高渗透率。

在高的闭合应力区，传统的砂粒支撑剂被机械地压碎，释放出微粒，减小裂缝尺寸，并严重地降低渗透率。

置入与塑性地层高闭合应力有关，或是与容纳面最小的尖而粗的支撑剂有关。

在这两种情况下，支撑剂进入地层孔隙后发生的塑性挤压，再次减小了有效裂缝的尺寸及渗透率。

一般地，通常用高强度（hauxite、carbolite等）球形支撑剂来克服这两种不良影响。

化学损害机理
化学损害机理分为以下三种类型：
1.岩石与流体之间有害的反应。

2.流体与流体之间有害的反应。

3.井眼附近区域湿度的改变。

页岩膨胀
这是另一种典型的地层损害机理，它包括亲水材料之间的相互反应水化，如蒙脱石或混合层状页岩，与淡水或低矿化度水之间可产生反应。

这些页岩的膨胀与剥落能导致渗透率严重下降，下降程度取决于孔隙体系中页岩地层的数量和位置。

若页岩位于孔隙的最小部位，只要稍微膨胀就能导致渗透率大幅度下降，问题尤为严重。

高矿化度溶液，如乙二醇、阳离子聚合物和胺，及其他抑制剂常用来维持此类型页岩处于收缩状态或脱水状态。

页岩抗絮凝作用
页岩膨胀不难理解，而是经常发生，除了粘合或絮凝状态下井壁孔隙之外，破坏单个页岩颗粒之间相互吸引的表面静电引力将使页岩抗絮凝。

一种快速矿化度变化法，将二价阳离子的浓度由高变低，或使PH值（一般转到更碱性状态）快速改变都可发生抗絮凝作用。

高岭土是无水敏感页岩的代表，在一定情况下能抗絮凝。

避免阳离子和PH值变化就能抑制抗絮凝作用。

化学吸附作用
在某些液体中存在聚合物和其它高分子加重材料，它们能粘合或吸附在地层基质及页岩表面，在流通孔隙内产生阻力，降低渗透率，尤其是大分子颗粒。

图5说明了在低产地层中这是一个基本问题。

氧化剂常用来减少并吸附处于这些状态下的聚合物，如特意配制次氯酸钠或酶溶液来破坏给定的聚合物基质。

地层溶液
某些特定的地层组份（如碳酸岩盐、各种页岩、石膏等）在水基流体中有相当高的溶解度。

在这种条件下，地层冲蚀或垮塌将导致井径不规则，除此之外，还释放出可移动并能潜在损害地层的微粒。

常用油基溶液、抑制液或标准的离子体系来解决这些问题。

石蜡和蜡制品
很多原油显现出始凝点温度很低，这个温度可导致从石油溶解物中分解出来的无烷烃固态碳氢化合物晶体或石蜡晶体的沉淀。

除了在油管内或地面设备以外，这些相态的物质都能导致地层在射孔（因为焦耳-汤姆逊效应，局部冷却了射孔附近区域，所以一般上升气油比的井都出现大的回落）处或附近形成石蜡桥堵。

一般用溶剂、稀释剂、加热或抑制结晶剂来处
理，石蜡沉积物在很多情况下极易造成损害。

虽然石蜡沉积物通过加热可以复原，但所需的温度比其当初沉淀时的原始温度要高很多。

其它固体颗粒
还有大量的有机固体颗粒和无机固体颗粒从油藏流体中沉淀出来，并造成井眼、油管、地面设备或注入设备堵塞。

有机固体颗粒包括像沥青烯这样的材料，是高分子重有机物，温度或压力降低就能从油中沉淀出来，或与不相容的油、酸或酒精混合也能产生沉淀。

类似钻石的物质是气藏中等同于沥青烯、水化物、及硫分子的物质，它可以从气体或油中沉淀出来的另一种固体颗粒。

大量的无机固体颗粒和水垢是通过混入不相溶的水或改变温度和压力及正在注入或开采
的给定地层水蒸气的PH值而形成的。

水垢具有酸溶性或不溶性，且在一定条件下有毒并具有放射性。

用多种化学抑制剂和溶剂来解决各种固体颗粒沉淀问题，对于特定油藏来讲，选择合理的处理技术往往是很特殊的情况。

乳化液
在油田作业中常产生乳化液。

最常见的有害乳化液是油包水乳化液，这种乳化液是指小水滴悬浮在油中（图6）。

这些乳化液粘度很高（比干净的、未乳化的油高出2-4倍），因此能产生抑制渗透率的“乳化块”地层。

因此，在这种地区使用不符合设计要求的残酸通常是造成事故的原因。

泡沫油也属于一种稳定的乳化剂，其中油形成外相，被圈闭的气泡形成内相。

这些流体通常与高粘度的重油有关，已证明它比非泡沫液体粘度稳定性更高。

湿度变化
对于现场流体来说，很多添加剂，尤其是很多表面活性剂、消泡剂、防腐剂及一些杀虫剂，都有一定的吸附作用，这些添加剂可在他们侵入的油藏中形成油湿条件。

图7说明了附近井眼湿度变化的现象。

水湿润岩石，因为表面摩擦阻力的影响与水相的运动有关，端点相对渗透率往往会相当低。

相反，若是岩石是油湿的，水很容易在孔隙体系的中心部分流动，有效的端点相对渗透率一般很高和水流动性通常都很好。

若地层最初被水湿润，转变成油湿条件则类似于在井眼周围放了一层半渗透性薄膜，以控制油回流，并择优地让水流过。

若基石中存在可流动的饱和水，将导致采出的水油比增加。

尽管这种现象对于水湿开采井来说，人们不希望如此，但进行有意的湿度转变，可增加水湿注入井的注水能力。

图8对此做了解释。

注入井周围温度的改变（例如，通过表面活性剂或有机硅烷处理）可在井眼周围近距离内形成水渗透率加强了薄层，这样，在相同注入压力下，注水速度会较高。

在低渗透率的砂岩地层注水井中，这是一种普遍的处理方法。

在注水和处理井中，更多的油湿状态湿度的变化在非移动的碳氢化合物相中也有利于隔离活性或可移动页岩的反应。

这将大大减少图9所示附近井区页岩的反应与移动。

生物损害
这种损害是指活细菌和营养蒸汽侵入油藏所造成的损害。

尽管大多损害都与注水作业有关，但细菌污染有潜力随时使水基流体侵入地层。

大多数细菌在90℃以下生长最快。

然而，长期大量注水到深而热的地层，可能会导致井底温度下降，从而适合细菌生存和繁殖。

与细菌侵占相关的地层损害机理主要有三种，分别叙述如下：
堵塞—大多数细菌分泌一种粘的多糖聚合物，以维持其生命的循环，该聚合物可以吸附在岩石上并逐渐地堵塞地层。

腐蚀—某些细菌建立动电氢还原反应，这将导致井下油管或设备的金属表面产生蚀痕和氢应力裂痕。

毒性—某种厌氧菌，一般指硫酸盐还原菌可以减少地层水或注入水中存在的硫元素，产生有毒的硫化氢气体。

细菌问题通常用氧化剂来处理，如次氯酸钠能减少排泄的聚合物而消灭细菌。

通常还使用各种类型的杀虫剂。

如果细菌侵入得很深，想彻底清除很困难，所以，在所有注入的水溶液中，加入适当的生物控制剂进行预防，在大多数情况下都是可行的。

目前，用快速检测仪测量氢化酶的值，以监测硫酸盐的杀菌效果。

这种仪器通常用来实时监测井下细菌的活动量，并决定是否在问题变得严重前，通过改变杀虫剂的浓度或类型来加以控制。

热力损害
热力损害机理是指那些与高温注入作业有关的损害（如蒸汽注入、就地燃烧等）。

这些损害包括：
矿物质转变—温度在180℃以上，非活性页岩类被催化，形成水化反应产物，这些产物可能膨胀、凝聚从而降低了渗透率。

这些反应在250℃以上时最明显。

溶解—矿物质溶解度随温度的升高而增加。

当热溶液进一步地流入油藏或生产井中并冷却时，长期的溶液可导致被封闭的微粒释放或溶解的物质随时沉淀。

湿度变化—随着温度的增加，地层一般变得更水湿。

然而，将超热蒸汽注入地层，就能产生转变成油湿状态的隔离环境。

降低绝对渗透率——这一点在超高温时，在超载条件下发生的这种现象已论述过了。

我们确信这是因为热力而引起颗粒膨胀，随后孔隙又收缩造成的。

在某些隔离研究中，高温隔离时还发现热应力裂解，产生可移动且有损害的微粒。

热力递减—在200℃以上，除了碳酸盐岩反应以外，油和岩石中的含硫组份的热反应也将导致高浓度硫化氢、二氧化碳和硫醇的产生。

这些产物的腐蚀性和毒性在大多数情况下都很成问题。

水平井中的地层损害
在水平井中地层损害的影响可能更严重。

这是由许多原因引起的。

分别是：
1、钻一口典型的水平井，需要较长的时间，这将导致侵害深度较大（尤其在井眼初始段（第一段）附近）。

2、大多数水平井都是裸眼完井或未固尾管完井。

一般情况下，这就是说在典型的下套管完井和射孔完成井中不太在意浅层机械性地层损害，现在它在水平井裸眼井内严重地阻碍液体流动。

3、因为典型的水平井裸眼井段较长，所钻遇地层的渗透性不断变化，所以井眼清洁情况不很均匀。

这可能导致大部分产量来自一小段水平井眼，不能用足够的压差来清除其余段的侵害。

4、U形管效应产生足够高的回压，在高渗透率、压差低的地层限制了流体流动。

5、在直井中进行非常的侵入性增产措施如水力压裂、基岩酸化挤压等作业成本相对不太贵，而水平井中在类似深度的裸露面上采取的增产措施，费用则是昂贵的。

因此，大多数水平井的增产措施通常包括用酸或其它完井液来冲洗井眼附近的输油管，因此，只能在非常有限的局部清除地层损害。

6、井壁坍塌和地质力学问题可能导致整个水平井报废或井漏，或者水平井的有效井段局部报废或井漏。

7、由于横向与纵向渗透率比的变化而引起的非均质流量效应影响水平井的流量（而直井流量只受横向渗透率影响）。

横向和纵向渗透率比越相反，损害程度往往会越严重。

图10和图11对此作了相应的解释。

相反，较高的自然纵向渗透率往往会减少对水平井的损害效果。

评估地层损害
对于大多数油藏来说，可通过对油藏增加了解来确定地层损害敏感性的潜在区域。

这可从现场资料、流体样品、岩心分析中获得的资料来完成。

这包括：
1．湿润性
2．毛细管压力
3．初始流体饱和度和残余流体饱和度
4．相对渗透率特性
5．基岩和页岩的成分及位置
6．孔隙尺寸及最小孔隙尺寸分布
7．临界速度（微粒运移试验）
8．整个泥浆侵蚀试验（还原渗透率试验）
9．临界滤失试验
10．矿化度及矿化度反弹试验
11．水与水、油与水及乳化剂试验
12．通过对流体的地质力学分析，进行水垢与沉淀的模拟
13．适当地了解油藏流体的沸点与结露点
14．评估始凝点和孔点（pore point）
15．所采用的地层流体的潮湿性进行试验
16．对注入的流体进行细菌总数及类型测试
17．高温下潜在的热损害效应
所有的这些问题都可以在试验室内通过合适的扫描工作加以评估。

图12显示了加拿大C algary的Hycal能源研究实验室典型的室内岩心置换实验仪器。

总结
只有在着重考虑地层损害的主要机理是什么时才能看到，在特定的油藏中存在大量的隐患。

然而，各种各样的隐患不是在每个油田都存在。

某些地层明显地复原，甚至顽固地抵制大多数专用方法的治理效果。

而其它地层对最轻的地层损害却很敏感。

对岩芯、液体和在特定情况下所用的特别粒子进行现场和室内进行综合有效的分析，在大多数情况下，都能导致风险明显降低，增加项目井的产能。

由于大多数事情与地层损害有关，了解一点地层损害知识就能大大有利于在作业中作出好的的决策，选择最好的钻井、完井和采油方案。

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