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保护油气层技术

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保护 油气 技术
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保护油气层技术(徐同台、赵敏、熊友明等编)目  录第一章 绪论……………………………………………………(1)第一节 保护油气层的重要性及主要内容…………………(2)第二节 保护油气层技术的特点与思路……………………(6)第二章 岩心分析……………………………………………(10)第一节 岩心分析概述……………………………………(10)第二节 岩心分析技术及应用……………………………(14)第三章 油气层损害的室内评价……………………………(29)第一节 概述………………………………………………(29)第二节 油气层敏感性评价………………………………(30)第三节 工作液对油气层的损害评价……………………(40)第四节 储层敏感性预测技术……………………………(44)第四章 油气层损害机理……………………………………(49)第一节 油气层潜在损害因素……………………………(50)第二节 外因作用下引起的油气层损害…………………(55)第五章 钻井过程中的保护油气层技术……………………(68)第一节 钻井过程中造成油气层损害原因分析…………(68)第二节 保护油气层的钻井液技术………………………(73)第三节 保护油气层的钻井工艺技术……………………(90)第四节 保护油气层的固井技术………………………(100)第六章 完井过程中的保护油气层技术……………………(107)第一节 完井方式概述……………………………………(107)第二节 射孔完井的保护油气层技术……………………(111)第三节 防砂完井的保护油气层技术……………………(125)第四节 试油过程中的保护油气层技术…………………(140)第七章 油气田开发生产中的保护油气层技术……………(143)第一节 概述………………………………………………(143)第二节 采油过程中的保护油气层技术…………………(147)第三节 注水中的保护油气层技术………………………(149)第四节 增产作业中的保护油气层技术…………………(156)第五节 修井作业中保护油气层技术……………………(164)第六节 提高采收率中的保护油气层技术………………(168)第八章 油气层损害的矿场评价技术………………………(175)第一节 油气层损害的矿场评价方法……………………(175)第二节 油气层损害的评价参数…………………………(181)第三节 油气层损害的测井评价…………………………(186)第九章 国外保护油气层技术发展动向……………………(198)参考文献………………………………………………………(213)张绍槐 ,罗平 亚.保护储 集层技 术.北京:石 油工业 出 钟松定 ,张人和 ,樊世忠.油气层保护技术及其矿场管 理实例.北京:石油工业 出版社 ,1999第一章 绪  论在钻井、完井、井下作业及油气田开采全过程中,造成油气层渗透率下降的现象通称为油气层损害。油气层损害的实质包括绝对渗透率下降和相对渗透率下降。我国石油工作者早在50年代就开始注意到此问题,川中会战时,就提出钻井液密度不宜过高,以免压死油气层。60年代大庆会战时,为了减少对近井地带的油气层损害,对钻开油气层钻井液的密度和滤失量也提出了严格要求。70 年代,国外开始从分析油气层岩心入手来研究油气损害的机理和防治措施,并将试验室研究成果应用于油气田钻井、完井和开发方案的设计及生产实践中,形成了保护油气层的系列技术。长庆油田在 70 年代开始进行了岩心分析和敏感性分析,但由于受到仪器与技术条件限制,再进一步深入下去有困难。直到 80 年代,在引进国外保护油气层技术的基础上,我国才全面开展了保护油气层技术的研究工作,并在“七五”期间将保护油气层钻井完井技术列为国家重点攻关项目,原中国石油工业部科技司、开发司、钻井司共同组织辽河、华北、长庆、四川、中原等五个油田和石油大学、西南石油学院、江汉石油学院、石油勘探开发科学研究院、工程技术研究所等单位共同进行攻关,使我国保护油气层技术不仅在理论研究上,而且在生产实践中均取得较大进展,形成了适合我国的保护油气层系列技术。 “八五”期间,此项技术得到进一步推广应用和发展,并取得较好的效果。第一节 保护油气层的重要性及主要内容一、保护油气层的重要性保护油气层是石油勘探开发过程中的重要技术措施之一,此项工作的好坏直接关系到勘探、开发的效果。保护油气层的重要性有以下几方面。1.勘探过程中,保护油气层工作的好坏直接关系到能否及时发现新的油气层、油气田和对储量的正确评价探井钻井完井过程中,如没有采取有效的保护油气层措施,油气层就可能受到严重损害,使一些有希望的油气层被误判为干层或不具有工业价值,延误新的油气田或油气层的发现。例如辽河荣兴油田,1980 年之前先后钻了9口探井,均因油气层受到损害而误判为没有工业价值。1989 年,重新钻探此构造,采用保护油气层配套技术,所钻 17 口井均获得工业油流,明原油储量上千万吨,天然气几十亿立方米。此外,在钻井完井过程中,如果油气层受到钻井液、完井液的损害,往往会影响测井资料与试油结果对油气层渗透率、孔隙度、油水饱和度等参数的正确解释,从而影响油气层的判别,有时误把油气层判断为水层,从而影响油气储量的正确计算。例如华北油田岔 37 井,见图1-1。该井的 16 层,井深 2689.2~2695m,电测解释为水层。射孔试油过程中排出钻井液滤液 59才出纯油,试油结果日产油 井的第 19 层,井深2801~2810m,电测解释也是水层。射孔试油过程中排出钻井液37m3后基本上出纯油,日产油 论为含水油层。又如新疆夏子街油田,勘探初期采用普通钻井液钻进,油井产量较低,仅3~6t/d。该油田投入开发时,采用与油气层特性相匹配的低密度两性离子聚合物水包油屏蔽暂堵钻井液钻井油层,完井后采用压裂投产,日产油一般为8~9t,最高达24t/d。储层级别从三类提高至二类。2.保护油气层有利于油气井产量及油气田开发经济效益的提高保护油气层配套技术在钻井完井过程中应用,可减少对油气层的损害,从而提高油气井产量。 “七五”期间,我国在中原、辽河、华北、长庆等油区的 13 个油田试验此项配套技术,油气井产量普遍有所提高。1993 年,屏蔽暂堵钻井液在 13个油区 1383 口井上推广应用,油井产量亦得到较大幅度的提高。对于一个新投产的油田,进行钻井与开发方案总体设计时,能否按系统工程配套地应用保护油气层技术,直接影响该油田的经济效益。如吐哈温米油田是一个低渗油田,依据开发方案设计,完井后需采用压裂投产。但该油田所钻的 167 口开发井,从钻井到完井投产,全面推广应用与该油田油层特性相配伍的保护油层技术,射孔后全部井自喷投产,单井产量比原开发方案中设计产量提高20%~30%。为了减少对油层的损害,该油田钻井时采取屏蔽暂堵钻井液技术,每口井钻井液费用仅增加 10000 元。老油田钻调整井时,采用保护油气层技术,同样可以收到较好的效果。例如辽河沈 95 块是低渗透油田,注水井注水见效慢,在2000m处,地层孔隙压力系数因注水影响而超过上覆岩层的压力梯度,造成地层蠕变,并使部分地层蹩高压,形成了多套压力层系,给该区块钻调整井施工带来极大困难。1991 年所钻2口井,钻井液密度高达 该井部分低压渗透层处形成高压差,造成压差卡钻而报废。1993 年,该区块需钻 27 口调整井,辽河油田按照保护油气层系统工程优选各项技术措施。为了减少对油气层的损害,决定在该区块调整井施工前4个月,整个区块停注泄压,降低高压层压力。钻进时,大大降低了压差引起的油气层损害问题,并采用低损害优质钻井液和射孔液以及与之相匹配的各项保护油气层技术措施,顺利钻穿了沙三段目的层。由于降低了钻井液密度而减少井下复杂情况,提高了机械钻速,钻井费用比投标节约 934 万元。更为突出的效益是油井投产后平均日产油达 14t,比该区老井平均日产油 8t 提高 3.油田开发生产各项作业中,搞好保护油气层有利于油气井的稳产和增产在油气开采的漫长过程中,各项生产作业对油气层的损害不仅会发生在近井地带,往往还涉及到油气层深部,影响油气井的稳产。例如,北美州阿拉斯加普鲁德霍湾油田,投产后6个月发现部分油井的年产量以 50%速递减。分析其原因是射孔和修井时采用了氯化钙盐水作为射孔液和压井液,由于氯化钙与油气层中的地层水发生作用形成水垢堵塞油层,引起油井产量急剧下降。我国部分油田在开采过程中也出现过油井产量在压井作业后下降,表皮系数上升的现象。如某井在完井测试时表皮系数为 次进行井下作业时,采用盐水压井,然后再次测试,表皮系数增加为 产、注水和热采作业中,如果油气层受到损害就会影响增产效果。例如,对强酸敏油气层采用无防止酸敏损害的酸化作业,其结果非但没增产反而减产。对于水敏油层,若注水时没有采用防水敏措施,则随着注水工作的进行,注水压力会不断升高,吸水指数不断下降,最终达不到配注要求。总之,在油田开发生产的每一项作业中,搞好保护油气层工作将有利于油井稳产和增产,实现少投入多产出,获得较好的经济效益。二、保护油气层技术的主要内容保护油气层技术主要包括以下八方面内容:(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试验技术;(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)钻井过程中油气层损害因素和保护油气层技术;(5)完井过程中油气层损害因素和保护油气层及解堵技术;(6)油气田开发生产中的油气层损害因素和保护油气层技术;(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析技术。上述八方面内容构成一项配套系统工程,每项内容是独立的,但彼此又是相关联的。第二节 保护油气层技术的特点与思路一、保护油气层技术的特点1.保护油气层技术是一项涉及多学科、多专业、多部门并贯穿整个油气生产过程中的系统工程从钻开油气层、完井、试油、采油、增产、修井、注水、热采的每一项作业过程中均可能使油气层受到损害,而且如果后一项作业没搞好保护油气层工作,就有可能使前面各项作业中的保护油气层所获得的成效部分或全部丧失。因此保护油气层技术是一项系统工程,此项工程涉及地质、钻井、测井、试油、采油、井下作业等多个部门,只有这些部门密切配合,协同工作,正确对待投入与产出,才能收到良好效果。例如,某油田是一个低压、低渗油田,勘探初期钻了 9 口探井,仅 5 口井获工业油流,但产量很低,日产仅 4~6T。上述探井所钻遇地层属于多压力层系,大高于下部油层的压力系数 了搞清该构造的产能与储量,决定改变井身结构,技术套管下至低压油层顶部,然后换用密度为 加入暂堵剂。钻开油层后立即进行中途测试,日产油 皮系数为-明油层没有受到损害。但完井试油时,采用与油层不配伍的清水(该油层具有较强水敏)作为射孔液,射孔工艺也未进行优化设计,结果日产油仅 皮系数增到 30,说明油层已受到严重损害。接着该油层又被压裂另一组油层时窜入的压裂液浸泡7个月,再次进行测试时,日产量下降至 皮系数进一步增到 油层受到更为严重的损害。尽管后来采用了压裂解堵措施,也无法恢复油层原始产能,表皮系数仍然高达 30。上述例子充分说明了保护油气层技术必须系列配套,任何一个环节的失误都会影响保护油气层的总体效果。从第一节所阐述的保护油气层技术所包含的内容不难看出,要开展此项系统工程中各项技术的研究,必然涉及到矿物学、岩相学、地质学、油层物理、钻井工程、试油工程、开发工程、采油工程、测井、油田化学和计算机等多种学科专业,只有充分运用这些学科的相关知识与最新研究成果,才能形成高水平的保护油气层配套技术。2.保护油气层技术具有很强的针对性保护油气层技术的研究对象是油气层,油气层的特性资料是研究此项技术的基础。由于不同的油气层具有不同的特性,因此从油气层特性出发研究出的保护油气层技术也具有很强的针对性。尽管油气层特性有共同点,其损害机理与防治措施也有共性之处。但不同类型油藏和油气层的特性又有许多不同之处;即使同一个油气层,如处于不同开发阶段,其特性参数亦会发生变化;此外,相同作业在不同工况下所诱发的油气层损害也不完全相同。因此在确定每项作业的保护油气层技术措施时,应依据所研究的油气层处于不同开发阶段的特性来确定,否则会得到相反效果。例如清洁盐水是一种很好的射孔液和压井液。但是某油田在试油中采用密度为 m3的工业盐和烧碱配制成pH值为 12 的盐水作为压井液,压井过程中漏失 110m3盐水。由于该组油层属于碱敏油层(室内试验结果表明,使用pH值 12 的高碱性盐水,其渗透率恢复值仅为36%~49%) ,漏入油层的高碱性盐水使油层受到严重损害,表皮系数从压井前-为 油产量从 837m3/d降为 110m3/d,气产量从 5852m3/d降为 778m3/d。假如该井依据油层特性采用水合肼作为防腐剂的清洁盐水作为压井液(室内试验表明其渗透率恢复值可高达97%~99.8%) ,油气层损害程度就有可能大大地减轻。3.保护油气层技术在研究方法上采用三个结合保护油气层技术在研究方法上采用三个结合:微观研究与宏观研究相结合;机理研究与应用规律研究相结合;室内研究与现场实践相结合。二、保护油气层系统工程的 技术思路保护油气层系统工程的主要技术思路可归纳为五个方面:(1)分析所研究油气层的岩石和流体特性,以此为依据来研究该油气层的潜在损害因素与机理。(2)收集现场资料,开展室内试验,分析研究每组油气层在各项作业过程中潜在损害因素被诱发的原因、过程及防治措施。(3)按照系统工程研究各项作业中所选择的保护油气层技术措施的可行性与经济上的合理性,通过综合研究配套形成系列,纳入钻井、完井与开发方案设计及每一项作业的具体设计中。(4)各项作业结束后进行诊断与测试,获取油气层损害程度的信息,并评价保护油气层的效果和经济效益。然后反馈给有关部门,视情况决定是否继续研究改进措施或补救措施。(5)计算机预测、诊断、评价和动态模拟。研究每项具体作业时应注意坚持以下五项原则:(1)依据油气层特性选择入井工作液(如钻井液、水泥浆、射孔液、压井液与修井液等)的密度、类型和组分,降低压差,缩短浸泡时间,控制其液相和固相颗粒尽可能不进入或少进入油气层。如不能完全控制住,则要求所采用的工作液与油气层岩石和流体相匹配,尽可能不要诱发油气层潜在损害因素或者控制工作液进入油气层的深度,并控制进入油气层工作液的组分,力求在油气井投产时可使用现代物理或化学方法加以解堵。(2)进行各种测试和采油作业时,应选择合理的压差,防止油气层中微粒运移、乳化、细菌及结垢堵塞、水锁、出砂和相渗透率的降低。(3)油气田开发生产过程中,为了增加油气层能量和驱替效果,必须向油层中注入各种流体,这些流体应力求与油气层岩石和地层中流体相配伍,减少对油气层的损害,使之有利于油、气的采出。(4)保护油气层技术尽可能立足于以预防为主,解堵为辅。由于油气层渗透率和孔隙度一旦受到损害,很难完全恢复,有些损害无法进行解堵。部分油气层受到损害后,即使可以解堵,但所花费的费用也很高。(5)优选各项保护油气层技术时,既要考虑各项技术的先进性与有效性,更重要的是要考虑其经济上的可行性。第二章 岩心分析岩心分析是认识油气层地质特征的必要手段,油气层的敏感性评价、损害机理的研究、油气层损害的综合诊断、保护油气层技术方案的设计都必须建立在岩心分析的基础之上。所以,岩心分析是保护油气层技术系列中不可缺少的重要组成部分,也是保护油气层技术这一系统工程的起始点。第一节 岩心分析概述一、岩心分析的目的意义1.岩心分析的目的岩心分析的目的有三点:(1)全面认识油气层的岩石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;(2)确定油气层潜在损害类型、程度及原因;(3)为各项作业中保护油气层工程方案设计提供依据和建议。2.岩心分析的意义保护油气层技术的研究与实践表明,油气层地质研究是保护油气技术的基础工作,而岩心分析在油气地质研究中具有重要作用。油气层地质研究的目的是,准确地认识油气层的初始状态及钻开油气层后油气层对环境变化的响应,即油气层潜在损害类型及程度。其内容包括六个方面:(1)矿物性质,特别是敏感性矿物的类型、产状和含量;(2)渗流多孔介质的性质,如孔隙度、渗透率、裂隙发育程度、孔隙及喉道的大小、形态、分布和连通性;(3)岩石表面性质,如比表面、润湿性等;(4)地层流体性质,包括油、气、水的组成,高压物性、析蜡点、凝固点、原油酸值等;(5)油气层所处环境,考虑内部环境和外部环境两个方面;(6)矿物、渗流介质、地层流体对环境变化的敏感性及可能的损害趋势和后果。其中,矿物性质及渗流多孔介质的特性主要是通过岩心分析获得,从而体现了岩心分析在油气层地质研究中的核心作用。图2-1说明了六项内容之间的相互联系,最终应指明潜在油气层损害因素、预测敏感性,并有针对性地提出施工建议。还应指出,室内敏感性评价和工作液筛选使用的岩心数量有限,不可能全部考虑油气层物性及敏感性矿物所表现出来的各种复杂情况,岩心分析则能够确定某一块实验岩样在整个油气层中的代表性,进而可通过为数不多的实验结果,建立油气层敏感性的整体轮廓,指导保护油气层工作液的研制和优选。二、岩心分析的内容岩心分析是指利用各种仪器设备来观测和分析岩心一切特性的系列技术。岩心是地下岩石(层)的一部分,所以岩心分析是获取地下岩石信息十分重要的手段。表2-1给出了保护油气层研究中岩心分析的内容及相应的技术方法。应用中要根据具体的油气层特点进行选择分析,做到既能抓住主要矛盾,解决实际问题,又要经济实用,注意发挥不同技术的优点,配套实施。三、取样要求岩心分析的样品可以来自全尺寸成形的岩心,也可以是井壁取心或钻屑。经验表明,钻屑的代表性很差,故通常使用成形岩心,而且多个实验项目可以进行配套分析,便于找出岩石各种参数之间的内在联系。图2-1 保护油气技术中油气层地质研究的内容及岩心分析的作用岩石结构与矿物分析、孔隙结构的测定要在了解油气层岩性、物性、含油气性、电性的基础上,有重点地进行选样分析。铸体薄片的样品应能包括油气层剖面上所有岩石性质的极端情况,如粒度、颜色、胶结程度、结核、裂缝、针孔、含油级别等,样品间距1~5块/m,必要时加密。X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析样品密度大约为铸体薄片的1/3至1/2,对油气层要加密,水层及夹层进行控制性分析。压汞分析的岩样,对于一个油组(或厚油层) ,每个渗透率级别至少有3~5条毛管压力曲线,最后可根据物性分布求取该油组的平均毛管压力曲线。如图2-2所示,最好在同一段岩心上取足配套分析的柱塞。铸体薄片、扫描电镜、压汞分样需在同一柱塞上进行,这有利于建立孔隙分布与孔喉分布参数间的关系,以及孔隙结构与岩性、物性、粘土矿物之间的联系。XRD分析可以用碎样,但应清除被泥浆污染的部分,否则会干扰实验结果。电子探针分析可用其它柱塞端部,这样在所有分析项目完成后,就能指出潜在的损害类型及原因,预测不同渗透率级别(储层类型)的油气层的敏感程度,正确解释敏感性评价实验结果。 图2-2 岩心分析取样示意图第二节 岩心分析技术及应用一、X射线衍射1.X射线衍射分析技术全岩矿物组分和粘土矿物可用X射线衍射(XRD)迅速而准确地测定。XRD分析借助于X射线衍射仪来实现,它主要由光源、测角仪、X射线检测和记录仪构成(图2-3) 。图2-3 X射线衍射仪的衍射系统由于粘土矿物的含量较低,砂岩中一般为 3%~15%。这时,X射线衍射全岩分析不能准确地反映粘土的组成与相对含量,需要把粘土矿物与其它组分分离,分别加以分析。首先将岩样抽提干净,然后碎样,用蒸馏水浸泡,最好湿式研磨,并用超声波振荡加速粘土从颗粒上脱落,提取粒径小于2μm(泥、页岩)或小于5μm(砂岩)的部分,沉降分离、烘干、计算其占岩样的重量百分比。粘土矿物的XRD分析使用定向片,包括自然干燥的定向片(N片) 、经乙二醇饱和的定向片(再加热至 550℃) ,或盐酸处理之后的自然干燥定向片。粒径大于2μm或5μm的部分则研磨至粒径小于 40μm的粉末,用压片法制片,上机分析。此外还可以直接进行薄片的XRD分析,它对于鉴定疑难矿物十分方便,并可与薄片中矿物的光性特征对照,进行综合分析。2.X射线衍射在保护油气层中的应用1)地层微粒分析地层微粒指粒径小于 37μm(或 44μm)即能通过美国400目(或325目)筛的细粒物质,它是砂岩中重要的损害因素,砂岩中与矿物有关的地层损害都与其有密切的联系。地层微粒的分析为矿物微粒稳定剂的筛选、解堵措施的优化提供依据。除粘土矿物外,常见的其它地层微粒有长石、石英、云母、菱铁矿、方解石、白云石、石膏等。2)全岩分析对粒径大于5μm的非粘土矿物部分进行 析,可以知道诸如云母、碳酸盐矿物、黄铁矿、长石的相对含量,对酸敏(HF,HCl)性研究和酸化设计有帮助。长石含量高的砂岩,当酸液浓度和处理规模过大时,会削弱岩石结构的完整性,并且存在着酸化后的二次沉淀问题,可能导致土酸酸化失败。3)粘土矿物类型鉴定和含量计算利用粘土矿物特征峰的d001 值鉴定粘土矿物类型,表2-2列出了各族主要粘土矿物的d 0 0 1 值。根据出现的矿物对应衍射峰的强度(峰面积或峰高度) ,依据行业标准SY/T5163—1995“用X射线衍射仪测定沉积岩粘土矿物的定量分析方法”求出粘土矿物相对含量。4)间层矿物鉴定和间层比计算油气层中常见的间层矿物大多数是由膨胀层与非膨胀层单元相间构成。表2-3列出了间层矿物的类型,伊利石/蒙皂石间层矿物、绿泥石/蒙皂石间层矿物较常见。间层比指膨胀性单元层在间层矿物中所占比例,通常以蒙皂石层的百分含量表示。由衍射峰的特征,依据行业标准SY/T5983—94“伊利石/蒙皂石间层矿物X射线射鉴定方法”求出间层矿物间层比及间层类型(绿泥石/蒙皂石间层矿物间层比的标准化计算方法待定) 。对间层矿物的间层类型、间层比和有高序度的研究有助于揭示油气层中粘土矿物水化、膨胀、分散的特性。应该指出,XRD分析不能给出敏感性矿物产状,所以必须与薄片、扫描电镜技术配套使用,才能全面揭示敏感性矿物的特征。5)无机垢分析析技术鉴定矿物的能力在地层损害研究中还有广泛的应用。油气井见水后,可能会有无机盐类沉积在射孔孔眼和油管中,利用XRD分析技术就可以识别矿物的类型,为预防和解除垢沉积提供依据。如大庆油田聚合物驱采油中,生产井油管中无机垢沉积,经XRD鉴定存在BaSO4。此外,XRD分析还用于注入和产出流体中的固相分析,明确矿物成分和相对含量,对于研究解堵措施很有帮助。二、扫描电镜1.扫描电镜分析技术扫描电镜(析能提供孔隙内充填物的矿物类型、产状的直观资料,同时也是研究孔隙结构的重要手段。扫描电镜通常由电子系统、扫描系统、信息检测系统、真空系统和电源系统五大部分构成(图2-4) ,它是利用类似电视摄影显像的方式,用细聚焦电子束在样品表面上逐点进行扫描,激发产生能够反映样品表面特征的信息来调制成像。有些扫描电镜配有X射线能谱分析仪,因此能进行微区元素分析。图2-4 扫描电镜基本结构图二、扫描电镜1.扫描电镜分析技术扫描电镜(SEM)分析能提供孔隙内充填物的矿物类型、产状的直观资料,同时也是研究孔隙结构的重要手段。扫描电镜通常由电子系统、扫描系统、信息检测系统、真空系统和电源系统五大部分构成(图2-4) ,它是利用类似电视摄影显像的方式,用细聚焦电子束在样品表面上逐点进行扫描,激发产生能够反映样品表面特征的信息来调制成像。有些扫描电镜配有X射线能谱分析仪,因此能进行微区元素分析。图2-4 扫描电镜基本结构图扫描电镜分析具有制样简单、分析快速的特点。分析前要将岩样抽提清洗干净,然后加工出新鲜面作为观察面,用导电胶固定在样品于桩上,自然晾干,最后在真空镀膜机上镀金(或碳) ,样品直径一般不超过1cm。近年来,在扫描电镜样品制备方面取得了显著的进展。临界点干燥法可以详细地观察原状粘土矿物的显微结构,背散射电子图像的使用能够在同一视域中直接识别不同化学成分的各种矿物。2.扫描电镜在保护油气层中的应用1)油气层中地层微粒的观察扫描电镜分析能给出孔隙系统中微粒的类型、大小、含量、共生关系的资料。越靠近孔、喉中央的微粒,在外来流体和地层流体作用下越容易失稳。测定微粒的大小分布及在孔喉中的位置,能有效地估计临界流速和速敏程度,便于有针对性地采取措施防止或解除因分散、运移造成的损害。2)粘土矿物的观测粘土矿物有其特殊的形态(表2-4) ,借此可确定粘土矿物的类型、产状和含量。如孔喉桥接状、分散质点状粘土矿物易与流体作用。对于间层矿物,通过形态可以大致估计间层比范围。3)油气层孔喉的观测扫描电镜立体感强,更适于观察孔喉的形态、大小及与孔隙的连通关系。对孔喉表面的粗糙度、弯曲度、孔喉尺寸的观测能揭示微粒捕集、拦截的位置及难易程度,对研究微粒运移和外来固相侵入很有意义。4)含铁矿物的检测当扫描电镜配有X射线能谱仪时,能对矿物提供半定量的元素分析,常用于检测铁元素,如碳酸盐矿物、不同产状绿泥石的含铁量,因为在盐酸酸化时少量的铁很容易形成二次沉淀,造成油气层的损害。5)油气层损害的监测利用背散射电子图像,岩心可以不必镀金和镀碳就能测定,在敏感性(或工作液损害)评价实验前后都可以进行直观分析。对于无机和有机垢的晶体形态、排布关系的观察,还可以为抑垢除垢、筛选处理剂、优化工艺措施提供依据。三、薄片技术1.薄片分析技术薄片技术是保护油气层的岩相学分析三大常规技术之一,也是最基础的一项分析。应用光学显微镜观察薄片,由铸体薄片获得的资料比较可靠。制作铸体薄片的样品最好是成形岩心,不推荐使用钻屑。薄片厚度为 积不小于15mm×15mm。未取心的情况除外,建议少用或不用钻屑薄片,因为岩石总是趋于沿弱连接处破裂,胶结致密的岩块则能保持较大的尺寸,这样会对孔隙发育及胶结状况得出错误的认识。2.薄片分析技术在保护油气层中的应用1)岩石的结构与构造薄片粒度分析给出的粒度分布参数可供设计防砂方案时参考,当然应以筛析法和激光粒度分析获得的数据为主要依据。研究颗粒间接触关系、胶结类型及胶结物的结构可以估计岩石的强度,预测出砂趋势。对砂岩中泥质纹层、生物搅动对原生层理的破坏也可观察,当用土酸酸化时,这些粘土的溶解会使岩石结构稳定性降低,诱发出砂。2)骨架颗粒的成分及成岩作用沉积作用、压实作用、胶结作用和溶解作用强烈地影响着油气层的储集性及敏感性。了解成岩变化及自生矿物的晶出顺序对测井解释、敏感性预测、钻井完井液设计、增产措施选择、注水水质控制十分有利。3)孔隙特征薄片分析获得孔隙成因、大小、形态、分布资料,用于计算面孔率及微孔隙率。研究地层微粒及敏感性矿物在孔隙和喉道中的位置及与孔喉的尺寸匹配关系,可以判断油气层损害原因,并用于综合分析潜在的油气层损害,提出防治措施。例如,低渗—致密油气层使用高分子有机阳离子聚合物粘土稳定剂时,虽可有效地稳定粘土,但由于孔喉细小,处理剂分子尺寸较大,它同时又损害油气层。4)不同产状粘土矿物含量的估计XRD和红外光谱均不能给出粘土矿物的产状及成因,薄片分析则可说明同一种类型粘土矿物的几种产状(成因)的相对比例。这一点很重要,因为只有位于孔隙流动系统中的粘土矿物才对外来工作液性质最敏感。此外,薄片分析还用于粘土总量的校正,如泥质岩屑的存在可能引起粘土总量的升高,研究中应注意区分。沉降法分离出的粘土受粒径限制,难于反映出较大粒径变化范围(5~20μm)时粘土的真实组成。5)荧光薄片应用荧光薄片提供油存在的有效储集和渗流空间的性质,如孔隙形状、大小、连通性及裂缝隙发育程度,为更好地了解油气层损害创造了条件。四、压汞法测定岩石毛管压力曲线由毛管压力曲线可以获得描述孔喉分布及大小的系列特征参数,确定各孔喉区间对渗透率的贡献。1.基本原理压汞法由于其仪器装置固定、测定快速准确,并且压力可以较高,便于更微小的孔隙测量,因而它是目前国内外测定岩石毛管压力曲线的主要手段。使用压汞仪测定岩样的毛管压力曲线(如图2-5) ,原理是汞对大多数造岩矿物为非润湿,对汞施加压力后,当汞的压力和孔喉的毛管压力相等时,汞就能克服阻力进入孔隙,计量进汞量和压力,根据进入汞的孔隙体积百分数和对应压力就得到毛管压力曲线。压力和孔喉半径的关系为:压汞试验所用岩样一般为直径 定前将油清洗干净,测定岩石总体积、氦气法孔隙度、岩石密度和渗透率。图2-5 毛管压力曲线 I—注入曲线;W—退出曲线2.毛管压力曲线在保护油气层中的应用1)储集岩的分类评价储集岩分类是评价油气层损害的前提,同一损害因素在不同类型的储集岩中的表现存在差异。根据毛管压力的曲线特征参数,用统计法求特征值,结合岩石孔隙度、渗透率、孔隙类型、岩性等可以对储集岩进行综合分类。2)油气层损害机理分析油气层微粒的粒度分析、微粒在孔隙中的空间分布及与孔喉大小的匹配关系是分析油气层损害的关键。例如相同间层比的伊利石/蒙皂石间层矿物,对细孔喉型油层的水敏损害比中、粗孔喉型油气层严重。3)钻井完井液设计屏蔽暂堵型钻井完井液技术中架桥粒子的选择,就是依据由压汞曲线获得的孔喉分布。通过对一个油组或油气层不同物性级别岩样的毛管压力曲线测定,构制平均毛管压力曲线。架桥粒子即根据平均毛管压力曲线,考虑到出现的最大孔喉半径,按2/3架桥原理设计的。暂堵型酸化、压裂过程中,暂堵剂粒度的筛选也要参考孔喉分布数据。4)入井流体悬浮固相控制压井液、洗井液、射孔液、修井液、注入水和压裂液等都涉及固相颗粒的含量和粒径大小控制问题,而控制标准则视油气层储渗质量、孔喉参数而定。研究表明,当颗粒直径大于平均孔喉直径的1/3时形成外泥饼,1/3~1/10时会侵入孔喉形成内泥饼,小于1/10时颗粒能自由移动。5)评价和筛选工作液油气层损害的实质是岩石孔隙结构的改变,通过测定岩石与工作液作用前后的岩样毛管压力曲线就能对配伍性有明确的认识。应用高速离心机法可以快速测定毛管压力曲线和储集岩润湿性及润湿性变化,了解工作液作用前后储集岩孔喉分布参数和润湿性变化。五、岩心分析技术应用展望尽管用于分析岩心的许多技术早已存在,但石油地质家及石油工程师从未象今天这样共同关心并应用岩心分析技术来深入揭示油气层的微观特性。一些传统技术因使用目的转变,而被赋与新的含义。如铸体薄片技术,从最初便于观察孔隙出发,如今则主要利用其保护粘土矿物不致在制片过程中发生脱落。XRD技术对粘土矿物的研究与认识起到了巨大的推动作用,1985年以前,国内尚无大家接受的粘土矿物含量计算公式,今天从粘土分离提取、数据处理,乃至间层比的计算都已形成石油行业标准,可以说近十几年发生了质的飞跃。扫描电镜等一些先进的分析技术,目前的应用与其所能揭示的大量信息相比,技术潜力还有待充分开发。同时,一些新技术正在不断涌现,及时地引入到石油工程领域,解决工程问题已成为地质家及石油工程师的共同使用。表2-5将几种常用技术做一归纳,表明在研究中需要将这些技术组合应用,方能获得岩石性质的全貌。新技术的应用主要表现在以下几个方面。1.傅里叶变换红外光谱分析采用傅里叶变换红外光谱仪,测定矿物的基团、官能矿物的基团、官能团来识别和量化常见矿物,分析迅速,精度与XRD相似,能定量分析的矿物有石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿、硬石膏、重晶石、绿泥石、高岭石、伊利石和蒙皂石总和,以及粘土总量,对非晶质物、间层粘土矿物的构造特性分析有独到之处,国外已将其用于井场岩石矿物剖面分析图的快速建立,国内亦逐渐成为分析敏感性矿物,尤其是油气层粘土矿物的有力手段,但由于其对鉴定间层粘土矿物的局限性,要完全代替XRD是不可能的。2.CT扫描技术将医学上应用的CT扫描技术引入到岩心分析中,主要原理是用X射线照射岩心,得到岩心断面上岩石颗粒密度的信息,经计算机处理转换成岩心剖面图,它可以在不改变岩石形态及内部结构的条件下观察岩石的裂缝和孔隙分布。当固相物侵入岩心时,能够对固相侵入深度及其在孔喉中的状态进行监测,也可以观察岩样与工作液作用后的孔隙空间变化。目前这项技术主要用于高渗透疏松砂岩和裂缝性储层的损害研究中,如出砂机理、稠油蚯蚓孔道的形成、侵入裂缝的固相分布、岩心内泥饼的分布形态等。3.核磁共振成象技术简称NMRI,它能够观测孔隙或裂缝中流体分布与流动情况,因此对于流体与流体之间,流体与岩石之间的相互作用,以及润湿性和润湿反转问题的研究有特殊意义,是研究油气损害的最新手段之一。NMRI测井技术发展很快,主要用于剩余油的分布探测,已成为提高采收率的重要评价技术。4.扫描电镜技术扫描电镜技术在制样和配件方面发展较快,在SEM上配置能谱仪(EDS)可以对矿物提供半定量元素分析,对敏感性矿物的识别及损害机理研究有很大的帮助。背散射仪的应用免除镀膜对粘土形貌的改变,更宜于试验前后的样品观察。此外,临界点冷冻干燥法,能够揭示粘土矿物在油气层条件下的真实形态。扫描电镜与图像分析仪使用,研究粘土矿物微结构并预测微结构的稳定性,是油井完井技术中心近年来将土壤科学和工程地质理论引入到石油工程中的最新进展。5.非晶态矿物和纳米矿物学研究油气层中非晶态矿物有蛋白石、水铝英石、伊毛缟石、硅铁石等,还有比粘土矿物微粒更小的纳米级矿物。它们或单独产出,或存在于粘土矿物晶体之间,起到连接微结构的作用,比表面更大,性质更活跃。研究方法主要有化学分析、电子探针、原子力显微镜等。油井完井技术中心对吐哈盆地丘陵三间房组砂岩高岭石进行电子探针分析,指出高岭石化学组成很少符合理论组成,SiO2、Al2O3经常过量,这种硅、铝部分以非晶态存在,它们易于溶解并促使高岭石微结构失稳。6.环境扫描电镜的应用一般扫描电镜要求在真空条件下进行实验,而环境扫描电镜则可以在气体、液体介质环境下分析样品。国外已开始利用此项技术研究膨胀性粘土矿物与工作液作用的机理,分析粘土矿物间层比和遇水膨胀的关系、水化膨胀和脱水过程的差异等。因此,环境扫描电镜是损害机理研究和工作液评价的有力手段。目前,我国已引进了这种仪器。综上所述,岩心分析技术在认识油气层特征、研究油气层损害机理及保护油气层工程设计中具有广泛的应用。每种技术都有其优点及局限性,实际工作中要具体问题具体分析,并制定一套切实可行的技术路线。各项技术本身在石油工程中的应用还有很大的潜力尚待开发,同时工程实践中也不断提出许多新问题,需要创造性地应用先进技术来解决。第三章 油气层损害的室内评价第一节 概  述油气层损害的室内评价是借助于各种仪器设备测定油气层岩石与外来工作液作用前后渗透率的变化,或者测定油气层物化环境发生变化前后渗透率的改变,来认识和评价油气层损害的一种重要手段。它是油气层岩心分析的一部分,其目的是弄清油气层潜在的损害因素和损害程度,并为损害机理分析提供依据。或者在施工之前比较准确地评价工作液对油气层的损害,这对于优化后继的各类作业措施和设计保护油气层系统工程技术方案,具有非常重要的意义。油气层损害的室内评价主要包括两个方面内容:(1)油气层敏感件评价;(2)工作液对油气层的损害评价。为了正确地评价油气层损害,不能简单地任选岩心来做实验。用于实验的岩心性质必须能代表所要评价的油气层的性质。实验岩心的正确选择要经过以下两个环节:(1)岩样的准备。从井场取回的岩心,须先进行如下几步准备工作:①对井场或库房中保存的岩心进行选取;②实验室岩样的接交;③岩心检测;④岩样钻取;⑤岩样的清洗(洗油,洗盐) ;⑥岩样烘干;⑦用CMS-300 岩心渗透率仪或其它孔渗测定仪测定
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