鉆井液對(duì)地層傷害的物理模擬評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)展

符馨月 楊向同 郭 平 牛新年 劉洪濤 周鵬遙

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500； 2.中石油塔里木油田分公司， 新疆 庫爾勒 841000)

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外就有學(xué)者提出鉆井過程中存在的油氣層損害問題。在之后的研究中，研究人員建立了一系列的實(shí)驗(yàn)室分析方法，并將相關(guān)配套技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，經(jīng)濟(jì)效益良好[1-3]。本次研究中，主要回顧國(guó)內(nèi)外地層傷害評(píng)價(jià)方法的發(fā)展歷程，分析各個(gè)方法的適用范圍和缺陷，探討地層傷害評(píng)價(jià)方法的重點(diǎn)攻關(guān)方向和發(fā)展趨勢(shì)。

1 鉆井液傷害機(jī)理

鉆井液污染傷害機(jī)理，是指在鉆井過程中油氣層損害的原因及伴隨損害的物理、化學(xué)過程。本次研究按照傷害方式區(qū)分鉆井液污染的傷害機(jī)理，將期分為化學(xué)反應(yīng)損害和物理反應(yīng)損害。

(1)化學(xué)反應(yīng)傷害。隨著地層中溫度、壓力或者流體成分的變化，侵入地層的鉆井液會(huì)與地層原始礦物及地層原始流體發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)傷害主要包括：水敏性傷害；堿敏性傷害；無機(jī)、有機(jī)沉淀；鹽類結(jié)晶；乳化堵塞；細(xì)菌堵塞。這些反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致孔喉堵塞、孔隙度變小，最終影響儲(chǔ)層滲透性，造成地層傷害[4]。

(2)物理反應(yīng)傷害。鉆井液濾液侵入使得地層含水飽和度增加，造成水鎖傷害和賈敏傷害。鉆井液侵入時(shí)的高速流動(dòng)和壓力梯度使得油氣層內(nèi)的原生礦物發(fā)生運(yùn)移，同時(shí)鉆井液中侵入的固相及化學(xué)反應(yīng)也產(chǎn)生固相運(yùn)移，使得孔喉處發(fā)生堵塞，從而造成油氣層滲透率降低。如圖1所示，固體顆粒的滯留機(jī)理為：表面沉淀；孔喉堵塞；孔隙充填和內(nèi)部濾餅形成；屏蔽和外部濾餅形成。

圖1 固體顆粒滯留機(jī)理

2 地層傷害的微觀評(píng)價(jià)

微觀尺度的評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有巖石的巖性、顆粒大小分布和孔喉尺寸分布等，主要評(píng)價(jià)技術(shù)包括薄片分析技術(shù)、X射線衍射、掃描電鏡、紅外光譜、核磁共振成像技術(shù)、CT掃描法等。

2.1 薄片分析技術(shù)

薄片分析技術(shù)是巖相學(xué)分析三大技術(shù)之一，它通過觀測(cè)巖石薄片測(cè)定骨架顆粒、基質(zhì)、膠結(jié)物及其他敏感性礦物的組分和分布，并描述孔隙類型及成因。薄片分析技術(shù)自1986年提出以來，已經(jīng)發(fā)展得更加精確和全面[6- 7]。目前主要的薄片分析技術(shù)有常規(guī)薄片、鑄體薄片、熒光薄片和陰極發(fā)光薄片技術(shù)[8]。薄片分析技術(shù)主要通過對(duì)比巖心樣品損害部分和非損害部分的孔隙特征，來確定鉆井液對(duì)油層的傷害機(jī)理和傷害程度。

近年來，國(guó)外學(xué)者曾嘗試將薄片分析技術(shù)的二維圖片采用數(shù)字巖心法轉(zhuǎn)換成三維圖像。這種高速圖像分析系統(tǒng)與巖石顯微鏡聯(lián)用的方法稱為巖石學(xué)圖像分析，又稱為連續(xù)切片法。然而，這種方法在拋光和切片過程中十分費(fèi)時(shí)，且不能準(zhǔn)確地代表平行于切片的裂縫以及巖石空間的非均質(zhì)性。三維觀測(cè)法是從巖石薄片技術(shù)發(fā)展而來，所用的儀器是激光共聚焦顯微鏡。盡管這種技術(shù)能提供亞微米的分辨率，但僅限于解決一定厚度和單獨(dú)的孔隙空間，是偽三維的觀測(cè)技術(shù)，而并非真正允許較厚的不透明物體通過掃描[9]。

2.2 X射線衍射

X射線衍射分析是利用晶體形成的X射線衍射，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。X射線衍射技術(shù)采用的設(shè)備是衍射儀，50年代以前的X射線衍射儀絕大部分利用感光膠片來照相記錄。近20年來，用各種輻射探測(cè)器來進(jìn)行記錄已漸漸普遍。目前專用X射線衍射儀已由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)分析檢索取代了照相法，為快速分析提供了條件[10- 11]。

X射線衍射通過分析巖心樣品傷害前后的礦物含量確定鉆井液的侵入量。該方法具有不損傷樣品、無污染、使用快捷、測(cè)量精度高、所得大量信息完整性好等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)用于確定非晶硅酸鹽時(shí)并不特別靈敏，因此需要綜合使用偏正光顯微鏡和掃描電鏡—能量色散光譜分析等各種技術(shù)。

2.3 掃描電鏡

掃描電鏡是自70年代以來迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代電子光學(xué)儀器，其原理類似于電視攝像[12]。掃描電鏡的放大倍數(shù)比光學(xué)顯微鏡高出上千倍，具有分辨率高、立體感強(qiáng)、耗樣少以及樣品制作簡(jiǎn)單等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是傷害評(píng)價(jià)和確定儲(chǔ)層保護(hù)措施的重要手段之一[13-14]。

掃描電鏡分析能夠提供定性和定量的化學(xué)分析，但因?yàn)榉蔷镔|(zhì)沒有清晰的形態(tài)特征，因此使用時(shí)必須結(jié)合其他技術(shù)[15]。例如將掃描電鏡與能譜分析技術(shù)相結(jié)合，不僅能對(duì)樣品的形態(tài)分布進(jìn)行微觀分析，而且能對(duì)樣品中的不同組成成分進(jìn)行定性及半定量分析。若在掃描電鏡上使用背向散射BSD，則可以直接進(jìn)行掃描電鏡樣品分析，不必在樣品上噴鍍金或碳膜。這樣有利于儲(chǔ)層敏感性實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行無涂層掃描電鏡分析，并直接觀測(cè)出油氣層損害的類型和程度。目前也出現(xiàn)了各種專用的掃描電鏡儀器，例如低溫掃描電子顯微鏡，它被用于直接觀察相對(duì)孔隙空間中顆?；蝠ね恋男螤詈土黧w分布[16]。再如環(huán)境掃描電鏡，可以直接分析樣品在含油或水時(shí)的微觀孔隙特征變化，國(guó)外已開始利用此項(xiàng)技術(shù)研究膨脹性黏土礦物與工作液作用的機(jī)理[17-18]。

2.4 紅外光譜

紅外光譜是最常用的一種有機(jī)物鑒定方法，在高分子化合物和無機(jī)物分析中也廣泛應(yīng)用。紅外光譜圖是紅外光譜最常用的表示方法，它通過吸收峰的位置、相對(duì)強(qiáng)度及峰的形狀提供化合物的結(jié)構(gòu)信息。通過解析波譜圖，可以分析鉆井液經(jīng)過巖心前后特征吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度和吸收峰位置的變化，以此確定傷害類型與程度。

紅外光譜的研究始于20世紀(jì)初期，到50年代末就已經(jīng)積累了豐富的紅外光譜數(shù)據(jù)。至 70年代，在電子計(jì)算機(jī)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，傅立葉變換紅外光譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)入現(xiàn)代化學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室，成為結(jié)構(gòu)分析的重要工具。它以高靈敏度、高分辨率、快速掃描、聯(lián)機(jī)操作和高度計(jì)算機(jī)化的全新面貌使經(jīng)典的紅外光譜技術(shù)再獲新生。近幾十年來一些新技術(shù) (如發(fā)射光譜、光聲光譜、色—紅聯(lián)用等) 的出現(xiàn)，使紅外光譜技術(shù)得到更加蓬勃的發(fā)展[ 19]。

2.5 核磁共振成像技術(shù)

核磁共振成像是依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)中的不同衰減，繪制出物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。它能夠觀測(cè)孔隙或裂縫中的流體分布與流動(dòng)情況，對(duì)于流體與流體之間，或流體與巖石之間的相互作用，以及潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)問題的研究具有特殊意義，是研究油氣損害的最新手段之一[20]。

核磁共振成像技術(shù)檢測(cè)的是巖石孔隙內(nèi)的流體性質(zhì)、流體量及流體與巖石固體表面的相互作用。這一特點(diǎn)，使我們可以更多地獲得有關(guān)巖心內(nèi)流體飽和度分布、流體特征、巖心結(jié)構(gòu)特征及流體與巖石界面相互作用等信息，所以核磁共振成像技術(shù)在石油勘探開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外核磁共振技術(shù)在巖心分析、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、油層滲流機(jī)理研究以及測(cè)井等方面已廣泛應(yīng)用[21]。

2.6 CT掃描法

CT掃描法又叫層析成像法，是發(fā)射X射線對(duì)巖心作旋轉(zhuǎn)掃描，把沿巖心軸線連續(xù)掃描的圖像組合起來，從而獲得平面圖像及三維巖性變化、體積密度等。CT掃描法不僅可以分析測(cè)定巖石的組織結(jié)構(gòu)、成分，還可以觀測(cè)鉆井液的液體及固相顆粒侵入巖樣的深度、廣度和空間形態(tài)，以及巖樣被液體浸泡之后孔隙間的變化[22]。CT掃描法的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)巖心無損傷，且測(cè)量速度快，但是其測(cè)量方法復(fù)雜，且費(fèi)用較高。

CT掃描技術(shù)是諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者G Hounsfield于1972年提出，當(dāng)時(shí)被稱為醫(yī)學(xué)界自X射線發(fā)現(xiàn)之后的最偉大技術(shù)進(jìn)步，而CT掃描在巖心分析方面也具有同樣的沖擊力[23-26]。80年代初，Wang等人首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CT能夠用于巖心分析及流體流動(dòng)研究[27]。在80年代后期，趙璧華等人在用CT掃描研究油氣層均質(zhì)與非均質(zhì)性特性、孔隙結(jié)構(gòu)及其分布、裂縫大小、走向及分布等方面的研究取得了一定進(jìn)展[22]。2012年，王影在大慶長(zhǎng)垣二類油層孔隙結(jié)構(gòu)特征研究中運(yùn)用CT掃描技術(shù)從孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉比等全面地分析了巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣層傷害研究建立了直觀可靠的分析技術(shù)[28]。

3 地層傷害的宏觀評(píng)價(jià)

地層傷害宏觀尺度的評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有孔隙度、滲透率和飽和度，所使用的方法有毛管壓力曲線法和巖心的動(dòng)靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。還有一些微觀評(píng)價(jià)方法，如核磁共振技術(shù)和CT掃描法，既可進(jìn)行微觀評(píng)價(jià)又可進(jìn)行一些宏觀的評(píng)價(jià)。

3.1 毛管壓力曲線法

毛管壓力曲線法主要包括壓汞法、半滲透隔板法和離心法，可反映由喉道控制的孔隙大小及連通狀況。目前毛管壓力曲線法已由常規(guī)壓汞技術(shù)發(fā)展到恒速壓汞。由于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)過程是準(zhǔn)靜態(tài)過程，可以將孔隙與喉道區(qū)別開來，測(cè)量值更接近靜態(tài)毛細(xì)管壓力，得到的喉道半徑結(jié)果比較接近真實(shí)情況[28]。

毛管壓力曲線法的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)試速度快；可以作為測(cè)定孔隙度的組成部分；如果不發(fā)生汞的吸附，該樣品還可以在之后的分析測(cè)試中使用。該方法的應(yīng)局限性有：(1)巖樣表面圈閉的空氣將會(huì)使總體體積變大；(2)帶有溶洞或具有極高滲透率的巖樣，由于水銀的滲入而導(dǎo)致總體積變小，這種樣品不再適合進(jìn)行下一步測(cè)試；(3)由于鉛和水銀會(huì)發(fā)生反應(yīng)，該方法不適合固封在鉛筒中的疏松巖樣。包封材料與巖樣之間也可能捕集水銀，建議裝在包封材料中的巖樣也不用這種方法。

3.2 巖心動(dòng)態(tài)、靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

在巖心靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)上，國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已發(fā)展多年，形成了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)規(guī)則和章程。在常規(guī)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)鉆井液污染程度時(shí)，通常采用“靜壓入”和“端面流動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)方法，不能滿足礦場(chǎng)實(shí)際需求。為了研究這些施工條件與油氣損害關(guān)系，近年來逐漸發(fā)展了一些工程模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)旋轉(zhuǎn)剪切模擬法。旋轉(zhuǎn)剪切模擬法是以鉆井液在井筒中動(dòng)態(tài)流動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，從流變學(xué)角度來解決動(dòng)態(tài)問題的。江漢石油學(xué)院研制的JHDS-高溫高壓動(dòng)失水儀和西南石油大學(xué)研制的SW-1型高溫高壓動(dòng)態(tài)流動(dòng)裝置均屬于這一類型的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、流動(dòng)參數(shù)容易控制。

(2)循環(huán)流動(dòng)模擬器。該方法主要模擬鉆井液在鉆進(jìn)過程中不斷上返的循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)鉆井液對(duì)油氣層的動(dòng)態(tài)污染。J M Penden等人的動(dòng)濾失儀則屬于這種類型的模擬實(shí)驗(yàn)裝置。應(yīng)用該裝置可以評(píng)價(jià)鉆井液損害油氣層的程度，篩選優(yōu)質(zhì)鉆井液。研究循環(huán)速度和噴出速度以及井筒內(nèi)絕對(duì)壓力、流體溫度、濾失壓差、井眼傾角等工程條件與油氣層損害的關(guān)系。

(3)全尺寸動(dòng)態(tài)模擬法。全尺寸動(dòng)態(tài)模擬法是完全模擬鉆井、完井時(shí)井內(nèi)實(shí)際工作條件下油氣層損害過程的實(shí)驗(yàn)方法。與前兩種模擬法相比，它具有更加完善的模擬功能。西南石油大學(xué)研制成功的DSE型高溫高壓全尺寸動(dòng)態(tài)模擬巖心污染實(shí)驗(yàn)裝置，便是一套功能齊全的全尺寸動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的最大特點(diǎn)是能完全模擬2 000 m井深條件下施工時(shí)的實(shí)際情況，包括液柱壓力、地層孔隙壓力、上覆巖石壓力、地層溫度、施工液溫度、鉆井液上返循環(huán)速度和鉆具轉(zhuǎn)速。因此，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所做出的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)更加客觀實(shí)用。

4 結(jié) 語

在巖心靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上，國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已發(fā)展多年，形成了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則和章程，如《鉆井液損害油層動(dòng)態(tài)模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)》。地層損害的物理模型建立考慮得更加周密，直觀觀測(cè)器械所達(dá)到的實(shí)驗(yàn)條件更是無限地接近于地層實(shí)際環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確而可靠。CT掃描等一些先進(jìn)的分析技術(shù)，目前的應(yīng)用與其所能揭示的巨大信息量相比，技術(shù)潛力還有待充分挖掘。

現(xiàn)今國(guó)際地層傷害評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)是結(jié)合兩種甚至多種觀測(cè)工具一同觀測(cè)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而取得更加全面并且清晰的圖像。

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