储层保护技术3

从钻井、压裂过程中常见的储层损害类型和防治措施，归纳总结国内外在这一领域内保护油（气）层技术的研究现状、存在的问题和发展趋势储层损害是指当打开储层时，由于储层内组分或外来组分与储层组分作用发生了物理、化学变化，而导致岩石及内部液体结构的调整并引起储层绝对渗透率降低的过程。

保护技术就是保护储层不受伤害所采用的措施。

作为油气井工程的一个分支，储层损害及保护技术是一个广义概念：不但在钻井，而且在完井、固井、增产压裂或酸化、以及生产等各个环节均存在储层损害和保护问题，其内容涉及到储层损害机理研究、模拟装置研制、评价方法和标准制订及保护技术研究等方面［1］。

1概述国外从50年代开始储层损害的机理研究。

随后的20多年时间里，研究工作却进展缓慢，只见到一些零星的文章报道。

直到70年代，油层保护工作才真正受到重视，开始有针对性地开展保护油层研究工作。

80年代，随着新的测试技术的发展以及对储层损害机理研究的不断加深，开始针对不同储层，应用岩类学、工程学、化学及物理学等方面的知识对储层的损害机理进行定性和定量的研究，并取得很大的进展。

80年代末到90年代，开始用数学模拟方法进行机理研究并取得重大进展，其间形成的主要技术有以下两方面。

1 .1钻井保护储层所需基础资料的取得技术(l)储层孔隙压力、地应力、地层坍塌和破裂压力的预测和监测技术，可为合理的钻井液密度确定提供依据。

(2)储层岩石矿物的组成结构、储层敏感性矿物、孔喉特征参数、孔渗特性、储层流体性质等分析技术，可为保护储层的钻井液研究提供储层特性资料。

(3)常温和模拟地层条件下的储层敏感性等潜在损害评价技术，可为保护储层的钻井液研究提供敏感性资料。

1 .2 储层损害机理研究技术1.2.1 CT扫描、核磁共振成象、电子能谱、电子探针、冷冻干燥升华等实验分析技术可以研究储层损害的原因、损害位置和损害带的空间分布情况。

1 .2.2统计分析、物理模型、数学模型等理论方法可用这些方法通过计算机研究储层损害规律、预测储层的损害程度。

1 .2.3保证储层措施效果评价和测试技术(1)模拟地层条件和施工情况下钻井液的静态、动态损害的室内评价技术，可用于室内评价研究工作液保护储层的效果。

(2)中途测试、完井测试、时差测井等矿场评价技术，可用于评价保护储层措施和现场效果。

(3)随钻测井技术以及随钻地震技术，前者可在储层刚打开、基本还没有受到损害时，对储层参数进行测定；后者可在钻井时随时提供地震资料。

(4)建立了室内评价标准与方法：有API标准和美国岩心公司制订的《常规岩心分析法》和《特殊岩心分析技术》。

下面分别就主要方面进行阐述。

2储层损害机理储层损害机理就是储层损害的原因。

目前常规公认的储层损害机理有物理的、化学的和生物的三个方面。

具体伤害方式有：(1)微粒的运移、粘土膨胀造成的储层损害;(2)外来流体与储层岩石、储层流体不配伍所造成的损害：如水敏性损害、碱敏性损害和无机垢、有机垢堵塞等；(3)微生物对储层的损害。

近十几年来，常规储层损害方面的文章较多。

从解决问题的方法上，主要是引入数值模拟技术：根据物理模拟试验所得到的数据，建立数学模型来研究储层损害问题，并越来越受到人们的重视。

代表性的人物有：GruesbeCk、Khilar、Sharrna、Qrda、Ohen、Civan。

具有代表性的数学模型有：GruesbeCk和Cblins模型(1982年)、Khilar和Fogler模型(1983)、Ohen和Ovan模型(1987)、Sharma和Ydrston模型(1987)、Reger和Fogler模型(1988)、Chang和Civan模型(1992)、Liu和Civan模型(1996)、H.Chen模型(1996)等。

近几年，人们还采用各种方法来预测储层损害。

比较突出的是灰色理论和神经网络等专家系统的应用。

人们对储层损害问题已经进行了大量的研究工作，但应该指出的是，人们取得的成果很多时候是针对油层而不是气层的。

气层与油层相比，有很多不同之处。

自然界中存在的气藏大多数是低渗气藏，储层普遍具有低孔、低渗、强亲水、大比表面积、高含束缚水饱和度、高毛细管力和低储层压力特点。

这些特点决定了气层易受到损害，并且一旦损害，解除比较困难。

因此研究气层损害机理也是十分重要的。

与油层损害相比，对气层损害的研究深度远远不够。

从历史上看，国内外长期有“重油不重气”的倾向，所以低渗气藏的研究得不到重视；另一方面从渗流力学的观点分析，气体本身具有可压缩性，在储层中渗流时，因滑脱效应而表现出与液体不同的渗流行为，特别是在低渗储层中，有些学者认为，气体渗流具有非达西特性，这些均增加了渗流行为的复杂性。

另外，气层表面绝大多数是水湿的，亲水现象严重，增加了渗流行为的不定性。

这些都增加了气层研究的难度。

从储层损害的角度看，气层损害的研究内容与油层类似，但至今仅停留在对损害机理的定性研究上。

近几年来，D.Bennion等人对气层损害机理进行了比较系统的概括性总结，对钻井过程中的气层损害机理总结为：(1)储层本身质量问题；(2)水锁效应；(3)欠平衡钻井中的反向自吸；(4)钻井液固相侵人；(5)钻具在孔壁的磨光和压碎现象；(6)岩石一流体间相互作用；(7)流体一流体间相互作用等。

至今没有发现引入数字模拟技术进行气层研究的资料，说明气层损害研究尚未进入定量研究阶段。

3 钻井过程中储层损害的机理和相应的保护措施3.1钻井液与屏蔽暂堵技术3.1.1保护储层钻井液现比较成熟的保护储层钻井液已形成：水基钻井完井液、油基钻井完井液、气体型钻井完井液和合成基钻井完井液等几种类型。

各种钻井液均有其优缺点，国内有关此方面的综述性文章较多，在此不作详述。

有的研究者认为，综合了水基和油基而发展起来的合成基钻井液，具有保护储层效果好、环保性能好、热稳定性好和成本适中等优点，很可能成为未来钻井液的主流。

3.1.2屏蔽暂堵技术在常规钻井液基础上改造的屏蔽暂堵技术，是保护储层的一项简单易行而效果显著的好方法，近年来得到广泛应用。

它是利用了一定尺寸固相颗粒会堵死孔道的特点，使钻井液中的固相颗粒在打开储层后的较短时间堵死储层，防止固相液相向储层深部渗透。

所以，实施该项技术的关键，在于储层孔隙与钻井液中暂堵剂颗粒在尺寸大小和分布上的合理匹配，即根据储层孔隙特性优选暂堵剂。

暂堵剂优选，起初主要是凭经验决定颗粒尺寸大小，然后通过多次岩心驱替试验进行选择。

后来，Abrarns等人通过研究表明，如果钻井液中含有足够量粒径大于1/3储层孔隙平均直径颗粒时，这些颗粒便会通过架桥作用在岩石表面附近形成滤饼，阻止钻井液渗人储层深部。

这一结论被称为“三分之一粒径架桥规则”。

国内学者在此基础上进一步研究表明，暂堵颗粒应由起桥堵效果的刚性颗粒和起充填作用的充填粒子及软化粒子组成，当刚性颗粒直径等于储层孔隙平均直径的2/3时，桥堵效果最佳、最稳定，软化粒子和充填粒子的粒径应等于储层孔隙平均直径的1/3到1/4。

实际施工中，可按“3%的刚性粒子+1.5%的充填粒子十1%-2%软化粒子”的规则，来确定各暂堵剂的比例。

这一理论初步给出了选择暂堵剂的原则，但储层平均孔隙直径多不能反映储层孔隙尺寸和暂堵剂颗粒尺寸空间的分布情况。

Mei wenrong等人把储层砂岩视为一种具有规则的，且互相连通网络的多孔介质来描述，采用Monte-Carlo法进行模拟试验，并以被堵塞喉道数目和堵塞深度来选择暂堵剂，收到了较好的效果。

但实际上，经过复杂的地质作用形成的天烈砂岩储层通常没有规则的拓扑学结构，采用符合欧式几何的模型描述其孔隙分布往往和实际相差较远。

所以有必要进一步探索更符合储层及颗粒实际情况的暂堵理论。

3.2 储层损害保护工艺—低压钻井技术低压钻井技术最早以空气钻井的出现为标志，开始于20世纪50年代。

经过一段时间孕育和理解，在60年代达到第一个发展高峰，当时这种钻井方法避免、不提倡钻开储层，主要考虑安全问题。

这种状态一直持续到90年代初。

之后又经过若干次的起伏波折，最终在1989年和1990年跌到最低点。

只是在近几年出于开发低渗油气藏称保护储层的需要，以及低压设备的配套完善，人们开始又重视此技术。

近年来的实践证明，低压钻井技术是解放储层，有效保护储层的手段。

低压钻井和储层损害的理论研究国外亦是刚刚起步，值得注意的是，国外现已着手通过室内流动试验来研究低压钻井对储层的损害问题。

4 压裂过程中储层损害的机理和相应的保护措施4.1 常见的损害类型［2］4.1.1 液体损害在压裂施工中，压裂液在足够高的压力下被挤入地层，滤液进入地层孔隙介质内与储层流体和粘土矿物发生物理和化学反应，导致地层损害。

(1)粘土水化膨胀、分散运移几乎所有产油砂岩颗粒或粒间均含有某些粘土矿物，其含量在1%~20%。

压裂液与地层粘土矿物的作用，包括地层粘土水化膨胀和地层细微颖粒分散、运移，堵塞地层，降低地层渗透率。

稳定粘土矿物的作用机理主要是无机盐抑制粘土水化，以及利用高分子材料的长链对粘土颗粒表面的“包被”作用，阻止水分子进入，使粘土的完整性不受到破坏。

在压裂施工前，根据地层粘土矿物的成分及含量选用不同类型的粘土稳定剂。

压裂液通常在碱性条件下，pH值为8~10.5时发生交联反应。

提高溶液pH值可以改善压裂液的热稳定性能和延迟交联时间，特别适用于高温深井压裂施工。

由此引起的地层损害可以通过在压裂液中加入氯化钾(l%~2%)消除。

氯化钾廉价易得，而且其岩心流动试验渗透率损害率低于某些阳离子聚合物。

因此在水基压裂液中，推荐使用氯化钾作为粘土稳定剂，同时也可使用低分子量的阳离子聚合物稳定粘土。

(2)水锁相对渗透率是指二相或二相以上的流体共存时每一相的有效渗透率与其绝对渗透率的比值，它反映了该相流体通过岩石能力的大小。

从油水两相体系典型相对渗透率曲线可知，水相饱和度稍有增大，油相的相对渗透率就迅速下降［3］。

在压裂施工过程中，侵入区滤液以“指进”替换地层流体而使水的饱和度增加。

施工结束后开井返排，由于地层低渗透性和孔隙性差，毛管力作用使部分水被束缚在储层中，排液困难，导致地层损害。

损害程度受地层压力降、粘滞力和毛细管力影响，地层压力降越慢，排液压差越大，损害越小；粘滞力与地层孔隙大小、压裂液粘度和流速有关。

在致密低渗油气层压裂改造施工中，毛管阻力较高，可达1.4MPa。

排液困难，可能造成永久性堵塞，严重损害地层。

为了减少水锁对地层的损害，可采取以下措施：①在水基压裂液中加入表面活性剂即助排剂，降低油水界面张力，增大接触角，减少毛细管力。

②改善压裂液破胶性能，实现压裂液在地层中的彻底水化破胶，减小压裂液在地层介质中流动的粘滞阻力。

③压裂液快速破胶，并在压裂结束后采用小油嘴，利用余压强制裂缝排液，减少压裂液在地层的滞留时间。