钻井与完井工程教材第九章储层保护

1第九章储层保护钻井完井的目的是为油气建立一条安全畅通的通道。在钻井、完井井下作业及油气田开采全过程中，造成储层渗透率下降的现象通称为储层损害。而认识和诊断储层损害原因及损害过程的各种手段、防止和解除储层损害的各种技术措施则通称为储层保护技术。为什么储层会发生损害呢？在储层被钻开之前，它的岩石、矿物和流体是在一定物理化学环境下处于一种物理化学的平衡状态。在被钻开后，钻井、完井、修井、注水和增产等作业或生产过程都可能改变原来的环境条件，使平衡状态发生改变，从而造成储层渗透率的下降，油气井产能降低，导致储层损害（图9-1）。所以，储层损害是在外界条件影响下储层内部性质发生变化造成的，凡是受外界条件影响而导致储层渗透性降低的储层内在因素，均属储层潜在损害因素（内因）。它包括储层孔隙结构，敏感性矿物、岩石表面性质和地层流体性质等。在施工作业时，任何能够引起储层微观结构或流体原始状态发生改变，并使油气井产能降低的外部作业条件，均为储层损害的外因。它包括入井流体性质、压差、温度和作业时间等可控因素。储层保护的核心是有针对性地控制各种外因，使储层的内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。保护储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，是石油勘探开发过程中的重要技术措施之一。保护储层工作的好坏直接关系到能否及时发现新的储层、油气田和对储量的正确评价，直接关系到油气井的稳产和增产，对油气田的经济效益有举足轻重的影响。因此，在油气田开发生产的每一项作业中，尤其是钻井完井过程中，必须认真做好储层保护工作。第一节储层损害的室内评价技术储层损害的室内评价是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，或者测定储层物化环境发生变化前后渗透率的改变，来认识和评价储层损害的一种重要手段。它是储层岩心分析的一部分，其目的是弄清储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储层的损害，这对于优化后继的各类作业措施和设计保护储层系统工程技术方案，具有非常重要的意义。储层损害的室内评价主要包括两个方面内容；（1）储层敏感性评价；（2）工作液对储层的损害评价。为了正确地评价储层损害，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储层的性质。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。（2）岩未损害KdKK-未损害区储层渗透率；Kd-损害区储层渗透率。图9-1井筒附近储层损害示意图未损害区损害区井筒损害区未损害区KKdKdK2样的选取。对已测K、的各个岩样作K-关系图，画出回归曲线，在曲线上找出要用的岩心样品号码。再根据测井和试井求出的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、直径、干重及K、值。储层损害的室内评价实验流程框图如图9-2。图9-2储层损害的室内评价实验流程框图1．储层敏感性评价储层敏感性评价包括速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸敏等五敏实验，具体实验方法基本按“砂岩储层岩心流动实验评价程序”部颁标准执行，其目的在于找出储层发生敏感的条件和由敏感引起的储层损害程度，为各类工作液的设计、储层损害机理分析和制定系统的储层保护技术方案提供科学依据。（1）速敏评价实验1）速敏概念和实验目的储层的速敏性是指在钻井、测试、试油、采油、增产作业、注水等作业或生产过程中，当流体在储层中流动时，引起储层中微粒运移并堵塞喉道造成储层渗透率下降的现象。对于特定的储层，由储层中微粒运移造成的损害主要与储层中流体的流动速度有关，因此速敏评价实验之目的在于：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为以下的水敏、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，可将其它各类评价实验的实验流速定为0.8倍临界流速，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。实验结果的应用见表9-4，因此，速敏评价实验是非常重要的。2）原理及作法以不同的注入速度向岩心中注入实验流体（煤油或地层水），并测定各个注入速度下岩心的渗透率，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Qi-1对应的渗透率Ki-1与流量Qi对应的渗透率Ki满足式9-1：储层岩心分析岩样的准备和选取储层敏感性评价工作液对储层的损害评价速敏评价水敏评价盐敏评价碱敏评价酸敏评价评价各类工作液对储层的损害程度优化设计储层保护的技术方案和作业措施3%5%10011iiiKKK（9-1）说明已发生速度敏感，流量Qi-1即为临界流量。速敏程度评价标准见表9-1。表9-1敏感程度评价指标损害程度30%3070%70%敏感程度弱中等强损害程度的计算见式9-4：损害程度=%100maxminmaxKKK（9-2）式中：Kmax——渗透率变化曲线中各渗透率点中的最大值，m2；Kmin——渗透率变化曲线中各渗透率点中的最小值，m2。实验中要注意的是；对于采油井，要用煤油作为实验流体，并要求将煤油先用白土除去其中的极性物质，然后用G5砂心漏斗过滤。对于注水井，应使用经过过滤处理的地层水（或模拟地层水）作为实验流体。（2）水敏评价实验1）水敏概念及实验目的储层中的粘土矿物在原始的地层条件下处在一定矿化度的环境中，当淡水进入地层时，某些粘土矿物就会发生膨胀、分散、运移，从而减小或堵塞地层孔隙和喉道，造成渗透率的降低。储层的这种遇淡水后渗透率降低的现象，称为水敏。水敏实验的目的是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，实验结果的应用见表9-4。2）原理及评价指标首先用地层水测定岩心的渗透率Kf，然后再用次地层水测定岩心的渗透率，最后用淡水测定岩心的渗透率Kw，从而确定淡水引起岩心中粘土矿物的水化膨胀及造成的损害程度。评价指标见表9-2。表9-2水敏程度评价指标Kw/Kf0.30.3~0.70.7水敏程度强中等弱（3）盐敏评价实验1）盐敏概念及实验目的在钻井、完井及其它作业中，各种工作液具有不同的矿化度，有的低于地层水矿化度，有的高于地层水矿化度。当高于地层水矿化度的工作液滤液进入储层后，将可能引起粘土的收缩、失稳、脱落，当低于地层水矿化度的工作液滤液进入储层后，则可能引起粘土的膨胀和分散。这些都将导致储层孔隙空间和喉道的缩小及堵塞，引起渗透率的下降从而损害储层。因此，盐敏评价实验的目的是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。实验结果的应用归纳在表9-4中。2）原理及评价指标4通过向岩心注入不同矿化度等级的盐水（按地层水的化学组成配制）并测定各矿化度下岩心对盐水的渗透率，根据渗透率随矿化度的变化来评价盐敏损害程度，找出盐敏损害发生的条件。根据实际情况，一般要作升高矿化度和降低矿化度两种盐敏评价实验。对于升高矿化度的盐敏评价实验。第一级盐水为地层水，将盐水按一定的浓度差逐级升高矿化度，直至找出临界矿化度Cc2或达到工作液的最高矿化度为止。对于降低矿化度的盐敏评价试验，第一级盐水仍为地层水，将盐水按一定的浓度差逐级降低矿化度，直至注入液的矿化度接近零为止，求出的临界矿化度为Cc1。如果矿化度Ci-1对应的渗透率Ki-1与矿化度Ci对应的渗透率Ki之间满足下述关系：%5%10011iiiKKK（9-3）说明已发生盐敏，并且矿化度Ci-1即为临界矿化度Cc。按此标准，在升高矿化度实验时可以确定临界矿化度Cc2，而在降低矿化度实验时可以确定临界矿化度Cc1。损害程度的计算方法同式9-2，评价指标见表9-1。与部颁标准相比，该评价方法增加了升高矿化度的盐敏评价过程，但对地层水矿化度较高的储层，由于工作液的矿化度一般不会超过地层水的矿化度，因此可以不评价矿化度升高产生的盐敏问题。（4）碱敏评价实验1）碱敏概念及实验目的地层水pH值一般呈中性或弱碱性，而大多数钻井液的pH值在8~12之间，三次采油中的碱水驱也有较高的pH值。当高pH值流体进入储层后，将造成储层中粘土矿物和硅质胶结的结构破坏（主要是粘土矿物解理和胶结物溶解后释放微粒），从而造成储层的堵塞损害；此外，大量的氢氧根与某些二价阳离子结合会生成不溶物，造成储层的堵塞损害。因此，碱敏评价实验之目的是找出碱敏发生的条件，主要是临界pH值，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。2）原理及评价指标通过注入不同pH值的地层水并测定其渗透率，根据渗透率的变化来评价碱敏损害程度，找出碱敏损害发生的条件。a.不同pH值盐水的制备，根据实际情况，一般要从地层水的pH值开始，逐级升高pH值，最后一级盐水的pH值可定为12。b.将选好的岩心抽真空饱和第一级盐水，并浸泡2024小时，在低于临界流速的条件下，用第一级盐水测出岩心稳定的渗透率K1。c.注入第二级盐水，浸泡2024小时，在低于临界流速的条件下，用第二级盐水测出岩心稳定的渗透率K2。d.改变注入盐水的级别，重复第c步，直到测出最后一级盐水处理后的岩心的稳定渗透率Kn。如果pHi-1盐水的渗透率Ki-1，与pHi盐水的渗透率Ki之间满足式（9-3）的条件，说明已发生碱敏，则pHi-1即为临界pH值。损害程度的计算方法与式9-4相同，评价指标同表9-1。（5）酸敏评价实验1）酸敏概念及实验目的5酸化是油田广泛采用的解堵和增产措施，酸液进入储层后，一方面可改善储层的渗透率，另一方面又与储层中的矿物及地层流体反应产生沉淀并堵塞储层的孔喉。储层的酸敏性是指储层与酸作用后引起渗透率降低的现象。因此，酸敏实验的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，见表9-4。2）原理及评价指标酸敏实验包括鲜酸（一定浓度的盐酸、氢氟酸、土酸）和残酸（可用鲜酸与另一块岩心反应后制备）的敏感实验，现行部颁标准的具体作法是：①用地层水测基础渗透率K1（正向）；②反向注入0.51.0倍孔隙体积的酸液，关闭阀门反应13小时；③用地层水正向测出恢复渗透率K2。经过几年的工作后，我们建议将这种作法改为：①用地层水测基础渗透率，再用煤油测出酸作用前的渗透率K1（正向）；②反向注入0.51.0倍孔隙体积的酸液；③用煤油正向测出恢复渗透率K2。用实验所测的两个渗透率K1和K2，计算K2/K1的比值来评价酸敏程度，见表9-3。表9-3酸敏程度评价指标K2/K10.30.3~0.70.7酸敏程度强中等弱综上所述，五敏实验是评价和诊断储层损害的最重要的手段之一。一般说来，对每一个区块，都应做五敏实验，再参照表9-4进行保护储层技术方案的制定，并指导生产。表9-4五敏实验结果的应用项目在保护储层技术方面的应用速敏实验（包括油速敏和水速敏）1．确定其它几种敏感性实验（水敏，盐敏，酸敏，碱敏）的实验流速。2．确定油井不发生速敏损害的临界流量。3．确定注水井不发生速敏损害的临界注入速率，如果临界注入速太小，不能满足配注要求，应考虑增注措施。水敏实验1．如无水敏，进入地层的工作液的矿化度只要小于地层水矿化度即可，不作严格要求。2．如果有水敏，则必须控制工作液的矿化度大于Ccl。3．如果水敏性较强，在工作液中要考虑使用粘土稳定剂。盐敏实验（升高矿化度和降低矿化度的实验）1．对于进入地层的各类工作液都必须控制其矿化度在两个临界矿化度之间，即Cc1工作液矿化度Cc2。2．如果是注水开发的油田，当注入水的矿化度比Cc1要小时，为了避免发生水敏损害，一定要在注入水中加入合适的粘土稳定剂