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chapter-09 Formation protection(CHN)储层保护技术

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chapter 09 Formation protection CHN 保护 技术
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第九章 储层保护技术9 概述 第一节 储层损害的室内评价技术 第二节 储层损害的矿场评价技术 第三节 钻井过程中的储层保护技术 第四节  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。在钻井、完井、井下作业及油气田开采全过程中,由于原始油气层系统平衡的改变,导致油气层产能和最终采收率降低的现象。. 系统论观点 is 油气层损害) 储层矿物 储层流体系统环境: 储层温度 储层压力系统组成的具体变量钻井、完井及后续的一系列施工作业措施导致井系统和油气层系统之间的物质能量交换。油气层是一个整体系统油气层原有物质能量平衡遭受破坏◦ 对储层产生良性影响(如各种有效的增产措施)◦ 对储层产生恶性影响(如钻完井过程的固、液相损害等)◦ 很多情况下,良性和恶性影响共同作用,并最终表现为其中的一种形式。 油气层原有物质能量平衡的改变,涉及影响油气井产能和最终采收率的因素很多,并不仅仅体现为渗透率变化当系统平衡的改变降低了油气层产能和最终采收率时,油气层便受到了损害。为了避免或减轻油气层损害所采取的各种措施。战is 油气层保护)现问题 : 已经存在损害?将要发生损害?分析问题 : 什么因素导致损害?损害程度有多大?主要的损害类型?解决问题 : 采取何种合理的作业方式?在不同的作业过程如何进行油气层保护?岩心分析、油气水分析、温度压力分析和各种测试技术油气层敏感性和工作液损害室内评价储层损害机理研究和保护油气层系统方案设计钻井完井过程油气层保护V. 开采过程油气层损害和保护油气层损害现场诊断和矿场评价保护油气层总体效果评价和经济效益综合分析储层保护技术主要研究:选择的作业类型科学合理: 打什么类型的井?怎样打?何种增产措施有利?等等② 入井工作液要适合油气层特性: 流体类型?流体特性?固液气相?与产层接触时间?导致的损害能否解除?③ 合理的作业压差和温度④ 应立足于预防为主、解除为辅: 油气层一旦受到损害,很难完全恢复,后期补救措施往往成本很高,有些损害甚至无法解除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。岩石孔隙体积与岩石视体积之比基本术语孔隙体积体积骨架颗粒积包括孔隙体积和骨架体岩石视体积孔隙体积 ,-- 义 :义 :孔隙空间的狭窄部位或两个较大颗粒间的收缩部分孔喉骨架颗粒 油气层流体充满孔隙空间的程度 ,用某相流体所占孔隙空间的份数来度量。某液相的饱和度;- - 在一定压差作用下,孔隙岩石允许流体通过的能力大小度量。基本术语 A Δ透率,流量,横截面积,流过的长度流体粘度,压降232a;m ;/cm;c m ;, 0 k p,a氏渗透率 (等效液体渗透率 )基本术语定义 :对同一岩心,任何气体当平均压力趋于无穷大时,其气体渗透率趋于同一岩心的液体渗透率。用克氏方程表示 1单相流体在不与岩石发生任何物理和化学作用下的渗透率 ( 2211气体状态方程 :)(22221   岩石中有多相流体共存时,允许其中单项流体通过的能力大小的度量。例如,油水两相共存的有效渗透率为:  水相:,油相: 岩石有效渗透率与绝对渗透率的比值。岩石颗粒表面的亲油或亲水特性。亲水 亲油 两性 90 。  90 。  90 。使岩石颗粒表面亲油变为亲水或亲水变为亲油的现象。  90 。亲水  90 。亲油毛细管中弯液面两侧非润湿相和润湿相间的压力差 ,它指向液面凹方向,即指向非润湿相一方。2c 柱面:球面:  毛细管力; 表面张力;毛细管半径; 接触交角当水进入油层后由毛细管阻力引起的液体堵塞。水锁效应c 毛细管中非润湿相流体液滴对润湿相液体运动产生的附加阻力的现象。    P P rc c 2 2 1  ( c o s c o s ) /毛细管附加阻力 1 2  1 2 P r rc t p 2 1 1 ( / / )油滴通过孔喉处的附加阻力表征地层损害程度的参数,将地层损害集中在井眼附近的一个薄层内,其值与损害带渗透率  wd  越大,损害程度就越高有损害无损害;近井壁损透率增高;0:0:0理论流量与实际流量之比实际流量理论流量;  概述 第一节 储层损害的室内评价技术 第二节 储层损害的矿场评价技术 第三节 钻井过程中的储层保护技术 第四节 储层损害室内评价: 借助于各种仪器设备测定储层岩石与外来工作液作用前后渗透率的变化,或者测定储层物理和化学化环境发生变化前后渗透率的改变,是认识和评价储层损害的一种重要手段。 储层损害的室内评价内容包括: ( 1) 储层敏感性评价; ( 2) 工作液对储层的损害评价 。储层损害的室内评价 须先进行如下几步准备工作 :① 对井场或库房中保存的岩芯进行选取;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 测定各个岩样的孔隙度  和气体渗透率 k, 并求出每块岩心的克氏渗透率 K 。实验岩心的选择步骤:( 1)030 30 3030 3030已测 K、  的各个岩样作 关系图 , 画出回归曲线 , 在曲线上标出要用的岩心样品号码 。o 再根据测井和试井资料求出的 K、  值 , 选出具有代表性的岩心备用 ,登记好每块岩心的出处( 油田 、 区块 、 层位 、井深 ) 、 号码 、 长度 、( 2)替流体准备— 实验用蒸馏水 、 地层水 、 模拟地层水 、 标准盐水— 不同矿化度级别的水 、 不同 验用油— 白油 、 煤油 、 混和油氮气 、 离子种类、含量和总矿化度,确定采用化学滴定方法、离子色谱方法 用 水型判断一般用苏林分类法 备齐所用仪表、管线、夹持器、驱替泵 检查 、 校准仪表 , 清洗管线 、 泵等 连接管线 , 检查管线密封情况 间容器过滤器岩心流动实验流程图围压表流压表 速敏分析 水敏分析 盐敏分析 酸敏分析 碱敏分析 应力敏感分析1.储层的速敏性概念 评价实验的目的◦ ① 找出由于流速作用导致微粒运移从而发生损害的临界流速 ,以及找出由速度敏感引起的储层损害程度;◦ ② 为水敏 、 盐敏 、 碱敏 、 酸敏四种实验及其它的各种损害评价实验确定合理的实验流速提供依据 。 一般来说 , 由速敏实验求出临界流速后 , 因此速敏评价实验必须要先于其它实验;◦ ③ 为确定合理的注采速度提供科学依据 。( 1)作用在岩石孔隙表面颗粒上的冲击力和剪切力,随孔隙中流速而增加。当流速达到一定值时,作用在颗粒上的冲击力和剪切力达到其抗剪切强度(胶结强度),颗粒就会脱落,然后随流体一起运移,并在孔喉处堆积,使流道缩小或部分流道堵塞,从而导致渗透率下降。原理及作法o 以不同的注入速度向岩心中注入实验流体 ( 煤油或地层水 )o 测定各个注入速度下岩心的渗透率o 绘制注入速度 ~渗透率关系曲线o 确定临界流速 :从注入速度与渗透率的变化关系上 , 判断储层岩心对流速的敏感性 , 并找出渗透率明显下降的临界流速 。 如果流量 说明已发生速度敏感 , 流量 o 计算速敏程度 :见 (9%5%1 0011 l/m 速驱替水测 驱 替 测 速 测 驱 替油测 水岩 心 抽空 1 2 10++ + +++++什么是水敏损害 ? 水敏实验目的:了解粘土矿物遇淡水后的膨胀 、分散 、 运移过程 , 找出发生水敏的条件及水敏引起的储层损害程度 , 为各类工作液的设计提供依据 。( 2)2h 后,测 0 - 1 5 P V 的蒸 馏水浸泡 12h 后测 K 0 K0 s 0 P V 的 次地 层水 或次标准 盐水驱 替地 层水 或标准 盐水 测 抽空 饱和地 层水 或标准 蒸馏水Q 盐敏概念 盐敏评价实验的目的:找出盐敏发生的条件 , 以及由盐敏引起的储层损害程度 , 为各类工作液的设计提供依据 。( 3) 2h 后, 测定 0 ~ 1 5 P V 的蒸 馏水浸泡 1 2h 后, 测定 0 ~ 15 次稀释地 层水 或标准 盐水浸泡 1 2 h 后, 测定 0 ~ 15释地 层水 或标准 盐水驱 替地 层水 或标准 盐水 测 抽空 饱和地 层水 或标准 高矿化度的盐敏实验 0      + +++++ 低)临界矿化度 5%10011  ×当碱敏概念 碱敏实验目的:找出碱敏发生的条件 , 主要是 临界 以及由碱敏引起的储层损害程度 , 为各类工作液的设计提供依据 。( 4) + +++++H 临界 5%10011  ×当酸敏概念 酸敏实验目的:是研究各种酸液的酸敏程度 , 其本质是研究酸液与储层的配伍性 , 为储层基质酸化和酸化解堵设计提供依据 。( 5)1酸1~原理及评价指标o 用实验所测的两个渗透率 2, 计算 1的比值来评价酸敏程度 . 酸敏实验应用o 为基质酸化设计提供科学依据 。o 为确定合理的解堵方法和增产措施提供依据 。1  中等 括钻井液 、 水泥浆 、 完井液 、 压井液 、 洗井液 、 修井液 、射孔液和压裂液等 。 工作液对储层的损害评价主要是借助于各种仪器设备 , 预先在室内评价工作液对储层的损害程度 , 达到优选工作液配方和施工工艺参数的目的 。2.该法主要利用各种静滤失实验装臵测定工作液滤入岩心前后渗透率的变化 , 来评价工作液对储层的损害程度并优选工作液配方 。 实验时 , 要尽可能模拟地层的温度和压力条件 。 用式 9( 9中: 损害程度 , 百分数; 损害后岩心的油相有效渗透率 ,  o—— 损害前岩心的油相有效渗透率 ,  损害越严重 , 评价指标同表 9 1)工作液的静态损害评价%10 0)/1( 0  在尽量模拟地层实际工况条件下 , 评价工作液对储层的综合损害 ( 包括液相和固相及添加剂对 储层的损害 ) , 为优选损害最小的工作液和最优施工工艺参数提供科学的依据 。 动态损害评价与静态损害评价相比能更真实地模拟井下实际工况条件下工作液对储层的损害过程 ,两者的最大差别在于工作液损害岩心时状态不同 ,静态评价时 , 工作液为静止的 ,动态评价时 , 工作液处于循环或搅动的运动状( 2)多点渗透率仪来测量工作液侵入岩心的损害深度和损害程度: 损害深度 = 分段污染程度 式中 i=1,2, 6。 利用此实验结果与试井数据对比 , 可以更准确地确定储层损害深度和损害程度 。( 3)用多点渗透率仪测量损害深度和损害程度54321 %10 0)/1(  6200~500压 损害前基线渗透率曲线; 4)其它评价实验简介实验项目 实验目的及用途正反向流动实验 观察岩心中微粒受流体流动方向的影响及运移产生的渗透率损害情况体积流量评价实验 在低于临界流速的情况下 , 用大量的工作液流过岩心 , 考察岩心胶结的稳定性;用注入水作实验可评价油层岩心对注入水量的敏感性系列流体评价实验 了解储层岩心按实际工程施工顺序与各种外来工作液接触后所造成的总的损害及其程度酸液评价实验 按酸化施工注液工序向岩心注入酸液 , 在室内预先评价和筛选保护储层的酸液配方润湿性评价实验 通过测定注入工作液前后储层岩石的润湿性 , 观察工作液对储层岩石润湿性的改变情况相对渗透率曲线评价实验测定储层岩石的相对渗透率曲线 , 观察水锁损害的程度;测定注入工作液前后储层岩石的相对渗透率曲线 , 观察工作液对储层岩石相对渗透率的改变及由此发生的损害程度膨胀率评价实验 测定工作液进入岩心后的膨胀率 , 评价工作液与储层岩石 ( 特别是粘土矿物 ) 的配伍性离心法测毛管压力快速评价实验用离心法测定工作液进入储层岩心前后毛管压力的变化情况 , )实验室评价发展趋势 全模拟实验 , 模拟井下实际工况 , 如温度 、 压力 ( 回压 、 地层压力 ) 、 剪切条件下的储层损害评价; 多点渗透率仪的应用 , 由短岩心向长岩心发展; 小尺寸岩心向大尺寸岩心发展; 实验的自动化 , 广泛引入计算机数据采集; 计算机数学模拟与室内物理模拟的结合 。概述 第一节 储层损害的室内评价技术 第二节 储层损害的矿场评价技术 第三节 钻井过程中的储层保护技术 第四节 判断和评价钻井、完井以及油气田生产各项作业过程油气层损害程度、油气层保护的实际效果,分析存在的问题。 可及时发现油气层、正确评价油气层、减少决策失误。 及时研究解除油气层损害的技术措施,结合井史分析油气层损害原因,进一步研究各项作业中保护油气层损害的措施。用地层测试压力曲线定性诊断油气层损害A-低压低渗透(干层)B-为低渗透C-能量衰竭害堵塞E-开井流动压差较大•途测试、完井试油测试、开发井测试、作业评价测试测试项目:流体性质、产能、地层压力、渗透率、表皮系数、堵塞比、附加压降、边界距离、边界性质、驱动类型、储量、注水前缘用于储层损害评价的主要项目:2)量-时间关系曲线;产量-时间半对数关系曲线;产量-累积产出量关系曲线;产量-间推移测井反映液相侵入! 仪器性能稳定 & 、浅双侧向测井和微球形聚焦测井求侵入带直径深、浅双侧向测井和微球形聚焦测井的探测范围依次是深、中、浅。当油气层受到钻井液滤液侵入时,深、浅双侧向和微球形聚焦测井曲线显示有幅度差。用深、中感应测井和八侧向测井曲线也同样可指示钻井液滤液的侵人,并能求出油气层的真电阻率、侵人带电阻率和侵人带直径。 表皮效应:设想在井筒周围有个很小的环状区域。由于种种原因,使这个小环状区域的渗透率与油层不同。当原油从油层流人井筒时,在这里会产生一个附加压降,这种现象叫做 表皮效应 。 (试井:视表皮系数或总表皮系数) :把附加压降无因次化,得到无因次附加压降,称为表皮系数,它表征一口井表皮效应的性质和油气层损害的程度。拟表皮系数:井斜、油气藏形状、部分打开油气层、非达西渗流、射孔的影响纯损害表皮系数:概述 第一节 储层损害的室内评价技术 第二节 储层损害的矿场评价技术 第三节 钻井过程中的储层保护技术 第四节 钻井过程中防止储层损害是保护储层系统工程的第一个工程环节。其目的是交给试油或采油部门一口无损害或低损害、固井质量优良的油气井。储层损害具有累加性,钻井中对储层的损害不仅影响储层的发现和油气井的初期产量,还会对今后各项作业损害储层的程度以及作业效果带来影响。因此搞好钻井过程中的保护储层工作,对提高勘探、开发经济效益至关重要,必须把好这一关。钻井过程中的储层保护 ——井过程中造成储层损害原因分析 钻开储层时,在正压差的作用下,钻井液的固相进入储层造成孔喉堵塞,其液相进入储层与储层岩石和流体作用,破坏储层原有的平衡,从而诱发储层潜在损害因素,造成渗透率下降。井过程储层损害的地质因素( 1)钻井液中固相颗粒堵塞储层 : 钻井液中存在多种固相颗粒,如膨润土、加重剂、堵漏剂、暂堵剂、钻屑和处理剂的不溶物等。钻井液中小于储层孔喉直径或裂缝宽度的固相颗粒,在钻井液有效液柱压力与地层孔隙压力的压差作用下,进入储层孔喉和裂缝中形成堵塞,造成储层损害。损害的严重程度随钻井液中固相含量的增加而加剧,特别是分散得十分细的膨润土的含量影响最大。2)钻井液滤液与储层岩石不配伍引起的损害 1)水敏:低抑制性钻井液滤液进入水敏储层,引起粘土矿物水化、膨胀、分散,导致产生微粒运移的损害源。 2)盐敏:如果滤液矿化度低于盐敏的低限临界矿化度,引起粘土矿物水化、膨胀、分散和运移。如滤液矿化度高于盐敏的高限临界矿化度,亦有可能引起粘土矿物去水化收缩破裂,造成微粒堵塞。 3)碱敏:高 起碱敏矿物分散、运移堵塞及溶蚀结垢。3)钻井液滤液与储层流体不配伍引起的损害 1)无机盐沉淀:滤液中所含无机离子与地层水中无机离子作用形成不溶于水的盐类,例如含有大量碳酸根、碳酸氢根的滤液遇到高含钙离子的地层水时,形成碳酸钙沉淀。 2)形成处理剂不溶物 :当地层水的矿化度和钙、镁离子浓度超过滤液中处理剂的抗盐和抗钙镁能力时,处理剂就会盐析而产生沉淀。例如腐植酸钠遇到地层水中钙离子,就会形成腐植酸钙沉淀。 3)发生水锁效应 :4)油相渗透率变化引起的损害 钻井液滤液进入储层,改变了井壁附近地带的油气水分布,导致油相渗透率下降,增加油流阻力。( 5)负压差急剧变化造成的储层损害 中途测试或负压差钻井时,如选用的负压差过大,可诱发储层速敏,引起储层出砂及微粒运移。此外,还会诱发地层中原有组分形成有机垢和产生应力敏感损害。井过程中影响储层损害程度的工程因素 钻井过程损害储层的严重程度不仅与钻井液类型和组分有关,而且随钻井液固相和液相与岩石、地层流体的作用时间和侵入深度的增加而加剧。影响作用时间和侵入深度主要是工程因素,这些因素可归纳为以下四个方面 :( 1)压差 压差是造成储层损害的主要因素之一。通常钻井液的滤失量随压差的增大而增加,因而钻井液进入储层的深度和损害储层的严重程度均随正压差的增加而增大。2)浸泡时间 当储层被钻开时,钻井液固相或滤液在压差作用下进入储层,其进入数量和深度及对储层损害的程度均随钻井液浸泡储层时间的增长而增加,浸泡时间对储层损害程度的影响不可忽视。( 3)环空返速 环空返速越大,钻井液对井壁泥饼的冲蚀越严重,因此,钻井液的动滤失量随环空返速的增高而增加,钻井液固相和滤液对储层侵入深度及损害程度亦随之增加。此外,4)钻井液性能 钻井液性能好坏与储层损害程度紧密相关。因为钻井液固相和液相进入储层的深度及损害程度均随钻井液静滤失量、动滤失量、 井过程中起下钻、开泵所产生的激动压力随钻井液的塑性粘度和动切力增大而增加。此外,井壁坍塌压力随钻井液抑制能力的减弱而增加,维持井壁稳定所需钻井液密度随之增高,若坍塌层与储层同在一个裸眼井段,且坍塌压力又高于储层压力,则钻井液液柱压力与储层压力之差随之增高,就有可能使损害加重。护储层的钻井液技术 钻井液是石油工程中最先与储层相接触的工作液,其类型和性能好坏直接关系到对储层的损害程度,因而保护储层钻井液技术是搞好保护储层工作的首要技术环节。1)保护储层对钻井液的要求 钻开储层钻井液不仅要满足安全、快速、优质、高效的钻井工程施工需要,而且要满足保护储层的技术要求 :① 钻井液密度可调,满足不同压力储层近平衡压力钻井的需要 ;② 降低钻井液中固相颗粒对储层的损害 ;③ 钻井液必须与储层岩石相配伍 ;④ 钻井液滤液组分必须与储层中流体相配伍 ;⑤ )钻开储层的钻井液类型 为了达到上述对保护储层的钻井液要求,减少对储层的损害。通过多年努力,我国已形成三大类十一种用于钻开储层的钻井液 :① 水基钻井液② 油基钻井液③ 气体类流体(或钻井液)1)水基钻井液1)无固相清洁盐水钻井液2)水包油钻井液3)无膨润土暂堵型聚合物钻井液• a. 酸溶性暂堵剂、 b. 水溶性暂堵剂、• c. 油溶性暂堵剂、 d. 单向压力暂堵剂4)低膨润土聚合物钻井液5)改性钻井液6)2)油基钻井液油基钻井液包括油包水钻井液。该类钻井液以油为连续相,其滤液为油,能有效地避免油层的水敏作用,对储层损害程度低,并具备钻井工程对钻井液所要求的各项性能,是一种较好的钻井液。但由于其成本高,对环境易造成污染,容易发生火灾等原因,使其在我国现场使用受到限制。油基钻井液对储层仍然可能发生以下几方面损害;使油层润湿反转,降低油相渗透率;与地层水形成乳状液堵塞油层;储层中固相颗粒运移和油基钻井液中固相颗粒侵入等。因而在使用油基钻井液时,3)气体类流体(或钻井液)空气 空气流体是由空气或天然气、防腐剂、干燥剂等组成的循环流体。 由于空气密度最低,常用来钻已下过技术套管的下部漏失地层,强敏感性储层和低压储层。此种流体密度低、无固相和液相,从而减少对储层的损害。 使用空气钻井,机械钻速高,并通过有效预防井漏对储层的损害。但该类流体的使用,受到井壁不稳定,地层出水、井深等问题的限制。雾 雾是由空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成的流体,是空气钻井中的一种过渡性工艺。 即当钻遇地层流体进入井中(其流量小于 h)而不能再继续采用空气作为循环流体钻进时,可向井内注入少量发泡液,使返出岩屑、空气和液体呈雾状,其压力低,对储层损害程度低。 与空气一样,雾化钻井液的使用范围受限制。泡沫流体 泡沫流体是由空气(或氮气或天然气等)、淡水或咸水、发泡剂和稳泡剂等组成的密集细小气泡,气泡外表为强度较大的液膜包围而成的一种气 ——水型分散体系。 在较低速度梯度下,泡沫流体有较高的表观粘度,因而具有较好携屑能力。 使用泡沫流体钻井,机械钻速高,储层浸泡时间短,泡沫流体无固相,密度低(常压下为 因而对储层损害程度低。适用于低压易发生漏失且井壁稳定的储层。充气钻井液 充气钻井液以气体为分散相、液相为连续相,并加入稳定剂使之成为气液混合均匀而稳定的体系。 充气钻井液密度低,最低可达 砂能力好,可用来钻进低压易发生漏失的储层,实现近平衡压力钻井,减少压差对储层的损害。4)屏蔽暂堵保护储层钻井液技术屏蔽暂堵保护储层钻井液技术(简称屏蔽暂堵技术)主要用来解决裸眼井段多压力层系地层保护储层技术难题。屏蔽暂堵技术的技术构思是利用储层被钻开时,钻井液液柱压力与储层压力之间形成的压差,在极短时间内,迫使钻井液中人为加入的各种类型和尺寸的固相粒子进入储层孔喉,在井壁附近形成渗透率接近于零的屏蔽暂堵带
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