低滲透油氣藏儲層傷害機理與保護技術(shù)探討

徐光達 陳同驍

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300450

引言

油氣資源分布中，在低滲透、特低滲透的油氣藏中儲量巨大，同時分布范圍廣闊，各大產(chǎn)油國中都有該種類的油氣田[1]。國內(nèi)油田大部分都是低滲油田。與高滲透儲層相比，低滲透儲層存在明顯差異，低滲透儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，滲流阻力大、孔喉半徑小，使得低滲透儲層容易受損，進而降低了對應(yīng)儲層的滲透率。結(jié)合工程經(jīng)驗，低滲透儲層傷害的主要問題便是內(nèi)因、外因兩大方面，對應(yīng)傷害機理也有所不同。

1 低滲透儲層地質(zhì)特征

結(jié)合滲透率這一參數(shù)，可對儲層進行如下劃分。當(dāng)空氣滲透率在10～50mD范圍內(nèi)時，含油儲層為低滲透油層；空氣滲透率為1～10mD范圍內(nèi)時，為特低滲透油層；空氣滲透率為0.1～10mD時，為低滲氣層，更低則為特低滲氣層。借助低滲透砂石儲層進行分析，國內(nèi)低滲透儲層的特點可分析如下[2]：

一是沉積物成熟度低、成巖成熟度高。碎屑中包含大量的巖屑、長石，儲層巖性方面大部分為巖屑砂巖、長石砂巖。二是巖石組分方面，粒徑大小不一、粒度分布范圍廣，內(nèi)部含有大量泥質(zhì)，磨圓效果相對較差。三是儲層孔喉半徑偏小、孔滲率低，極易發(fā)生超低含水飽和度情況，外界液固相會對整個儲層產(chǎn)生損害作用。四是裂縫發(fā)育方面，對應(yīng)力具有較高敏感度。五是黏土等礦物質(zhì)，由于外界環(huán)境變化，易發(fā)生水敏、鹽敏、堿敏等情況。五是儲層的損害率與滲透率呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，一旦損害儲層現(xiàn)象發(fā)生，滲透率是不可恢復(fù)的。六是油、氣、水中的幾相共存情況下，運動期時毛管壓力增大，則會導(dǎo)致啟動壓力梯度現(xiàn)象。七是大部分油氣井在進過壓裂等處理后，方可進行后續(xù)開采，相對具有較高經(jīng)濟性。

2 低滲透儲層的損害機理

地質(zhì)特征方面的特殊性，導(dǎo)致了低滲透儲層會具有較強的損害作用，當(dāng)外來固相、儲層流體、巖石有效應(yīng)力增大的情況下，極易造成儲層的固相堵塞、應(yīng)力敏感等問題，必須引起足夠重視。

2.1 應(yīng)力敏感損害

應(yīng)力敏感性分析，主要是指在一定有效應(yīng)力作用下，巖石樣品的性能參數(shù)發(fā)生隨著應(yīng)力變化而改變的特點，如滲透率、裂縫寬度等[3]。開發(fā)作業(yè)期間，為了合理進行儲層應(yīng)力敏感性的分析，必須找到儲層滲流能力和應(yīng)力之間的變化規(guī)律，從而確定油氣開采流速，最終目標(biāo)是提高采收率。鉆井作業(yè)期間，為了找到儲層孔喉大小、裂縫寬度等于應(yīng)力之間的關(guān)系，必須合理進行儲層應(yīng)力敏感度的評價，從而了解鉆井液內(nèi)部的固相顆粒尺寸。

低滲透孔隙型的儲層一般存在敏感度薄弱的情況，原因在于礦物顆粒強度大、粒徑小、彈性變形等。但是，低滲透儲層中經(jīng)常包含大量的裂縫，由于存在這類裂縫，導(dǎo)致結(jié)果便是巖石的受力變形呈現(xiàn)出彈塑性變形，最終結(jié)果便是，大量的低滲透儲層方面，都會存在極為明顯的應(yīng)力敏感度現(xiàn)象。對于應(yīng)力敏感性強弱方面分析可發(fā)現(xiàn)，影響因素較為明顯的便是工程因素、地質(zhì)因素，均會對應(yīng)力高低、巖石強度等產(chǎn)生影響。如果巖石顆粒粒度細(xì)、強度高、濕度小，則此時巖石強度將會較大，儲層的應(yīng)力敏感性相對薄弱。當(dāng)有效應(yīng)力發(fā)生明顯變化的情況下，將會產(chǎn)生較強的應(yīng)力敏感性。傳統(tǒng)作業(yè)模式下，可借助滲透率變化進行應(yīng)力敏感程度的分析，后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)，這一方法會導(dǎo)致巖樣的敏感度增加，同時并未具有明顯的工程意義。因此，業(yè)內(nèi)學(xué)者指出，可借助應(yīng)力敏感系數(shù)法進行分析，并開展相應(yīng)的評價工作。相比之下，應(yīng)力敏感系數(shù)法，是建立在原地的有效應(yīng)力基礎(chǔ)之上，可將其當(dāng)作不同區(qū)塊、不同層位進行處理，得到差別化的應(yīng)力敏感度，表現(xiàn)出可預(yù)測性、唯一性等方面的優(yōu)勢。

2.2 固相侵入和流體敏感損害

低滲透儲層中，一般孔喉相對較小，當(dāng)固相發(fā)生侵入條件下，可能無法及時反排，一般不會出現(xiàn)大規(guī)模侵入的情況，為此，固相侵入的損害不會過于嚴(yán)重，除非有效應(yīng)力導(dǎo)致的微裂縫。但是，低滲透儲層一般存在毛管力高的特點，當(dāng)井壁未形成緊密的濾餅時，在毛管力、鉆井壓差作用下，濾液極易進入儲層內(nèi)部，從而形成了流體敏感方面的損害[4]。相同情況下，儲層的滲透率低、流體敏感程度將會越強。鹽酸鹽層中，儲層敏感礦物不但包括黏土礦，還包括微晶石英、方解石等。黏土礦物、微結(jié)構(gòu)對儲層流體而言，是致敏的主要因素。

2.3 水相圈閉損害

這一現(xiàn)象的本質(zhì)為：在鉆井壓差、毛管力的作用下，外部的工作濾液會浸入儲層中，使得儲層中存在兩相或者三相，在水相飽和度越來越大的情況下，氣相、油相等方面的滲透率可能會出現(xiàn)明顯下降的情況。水相圈閉的損害問題，是當(dāng)下低滲儲層中最為常見的損害種類之一。研究結(jié)果表明：毛管力大的情況下，自吸速率相對較大，此時液相易發(fā)生滯留，水相圈閉損害突出。水潤濕性越強的情況下，毛管自吸速率也會相對更大；初始條件下，水飽和度相對較低時，毛管力越大，自吸速度越快。液相滯留，主要是指外來流體浸入儲層后，濾液會存在反排緩慢、反排困難的情況，嚴(yán)重時甚至不能反排。對液相滯留存在明顯影響的因素包括下述幾方面：儲層巖石流體間的作用力、儲層壓力等?？缀戆霃竭^小的情況下，儲層壓力越低，液相越容易發(fā)生滯留、聚積。

3 低滲透儲層的保護技術(shù)分析

3.1 保護儲層鉆井完井技術(shù)

第一，屏蔽暫堵技術(shù)、成膜鉆井液技術(shù)。前者是利用鉆井液、儲層之間的正壓差進行處理，促進鉆井液內(nèi)部的小顆?？裳杆僭诳缀?、裂縫等位置暫堵，從而確保井壁初步形成濾餅，降低外來工作液的侵入，起到保護儲層的功效[5]。此外，這一濾餅在作業(yè)后，可借助化學(xué)方法、物理方法達到解除的目的?，F(xiàn)階段，裂縫性儲層暫堵粒子方面，粒徑、裂縫寬度的匹配方面并未達到預(yù)期要求，結(jié)果便是鉆井液的侵入深度大、侵入量大，存在解除損害難度高的情況。從上述情況出發(fā)，屏蔽暫堵技術(shù)必須從裂縫性儲層的防漏、堵漏、解除等角度出發(fā)進行分析。此外，成膜技術(shù)，該技術(shù)是指鉆井完井液后，添加成膜劑，保證鉆井完井液在井壁位置形成非滲透膜，從而確保后續(xù)液相、固相不能流過，最終目標(biāo)便是保護儲層。這一技術(shù)與半透膜效能存在一定的相似性，可有效抑制泥頁巖水化膨脹，確保井壁的穩(wěn)定性，封堵地層微裂縫，起到保護儲層的效果，但是需要引起重視的是不可封堵過寬裂縫，同時承壓水平相對有限?，F(xiàn)階段，液相成膜技術(shù)與屏蔽暫堵技術(shù)有效結(jié)合后，可初步實現(xiàn)低滲透復(fù)雜儲層的保護。

第二，欠平衡鉆井技術(shù)分析。該技術(shù)與屏蔽暫堵技術(shù)需共同落實，是保護儲層的重要措施。該技術(shù)中，井筒壓力低于地層壓力，可降低進入儲層鉆井液量，從而不但提升了鉆井速度，降低了井漏風(fēng)險，同時還可起到節(jié)約鉆井成本的作用。

3.2 固井及壓裂技術(shù)

第一，固井技術(shù)。近年來，國內(nèi)保護儲層的固井技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，水泥漿會對儲層造成損害，主要表現(xiàn)為水泥漿濾液濾失、固相入侵、pH過高等導(dǎo)致。新時期，現(xiàn)場主要采用降低水泥漿濾失量、降低環(huán)空動凈液柱壓力等方法進行處理，達到降低損害的目標(biāo)。鉆井作業(yè)中，形成的濾餅可有效防止水泥漿侵入，避免儲層壓力過大。業(yè)內(nèi)研究成果表明，濾餅過厚的情況下，固井界面的粘貼質(zhì)量極易受到影響，最終降低了固井質(zhì)量。實驗研究表明，隨著泥餅厚度的增大，兩界面的膠結(jié)強度會逐漸下降，當(dāng)泥餅厚度達到5mm時，膠結(jié)位置的強度便會降低至零[6]。為此，積極進行特定種類添加劑的研發(fā)具有重大意義，如提高兩界面膠結(jié)質(zhì)量的添加劑，可逐步形成濾餅，利于達到固井保護。

第二，壓裂技術(shù)。低滲透儲層儲量豐度較小，易受損害，大部分油氣井需要經(jīng)過壓裂護理后方可進行經(jīng)濟化的開采。因此，壓裂技術(shù)已經(jīng)逐步成為低滲透儲層高效開發(fā)的主要措施。考慮到水基壓裂中，相應(yīng)液具具有成本低、黏度高、攜砂水平高的特點，具有相對廣泛的應(yīng)用范圍。

壓裂液的優(yōu)勢表現(xiàn)在：提高產(chǎn)品成功率、有效率。壓裂液必須能夠降低損害性能，否則一旦進入儲層內(nèi)部，隨后便會滲入，一旦產(chǎn)生危害則無法挽救。傳統(tǒng)深井壓裂施工中取得了一定成績，但是并未獲得較好效果，主要原因在于壓裂環(huán)節(jié)中發(fā)生了二次損害。理論和實驗研究后可發(fā)現(xiàn)，液相滯留、液相侵入極易導(dǎo)致壓裂損害，是主要原因，同時低滲、低壓儲層條件下，這一損害將會更為嚴(yán)重。現(xiàn)場研究實驗表明，壓裂液和儲層不配伍、滯留現(xiàn)象等都會降低壓裂增產(chǎn)效果。大量的調(diào)研結(jié)果表明，壓裂液的平均反排比例為45%左右，從當(dāng)下工藝技術(shù)的發(fā)展情況出發(fā)，防控壓裂技術(shù)的損害必須充分考慮施工工藝、低損害水基/氣體基壓裂技術(shù)體系，還要結(jié)合解堵方法、反排措施等要素進行全面分析[7]。

4 發(fā)展趨勢分析

現(xiàn)階段，國內(nèi)鉆井施工操作的儲層保護工作已經(jīng)獲得了初步成績，形成了保護儲層的屏蔽暫堵、欠平衡鉆井保護兩大體系，對應(yīng)的配套設(shè)備設(shè)施也逐步成熟。固井、壓裂保護儲層技術(shù)已經(jīng)引起了較高重視，獲得了相應(yīng)的成果。但是由于低滲透、超低滲透油氣田的出現(xiàn)，水平井等特殊工藝、完井方式的優(yōu)化，當(dāng)下儲層技術(shù)正面臨著越來越嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[8]。

水平井等特殊工藝條件下，儲層保護及相應(yīng)系統(tǒng)中的工程技術(shù)將會成為未來發(fā)展的主要方向。當(dāng)下，低滲透、特低滲透、超低滲透油氣田已經(jīng)得到了一定的開發(fā)。水平井等特殊工藝井作為此類油氣藏的主要技術(shù)措施，必須引起足夠重視。水平井等方式存在易受傷害的特點，損害方式、解除方法等存在明顯差異，且與直井有所不同。傳統(tǒng)儲層保護作業(yè)中，可能并未考慮儲層系統(tǒng)工程要求，未對儲層保護系統(tǒng)和地質(zhì)研究進行結(jié)合。實際處理期間，儲層保護必須結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)、裂縫特征、鉆井完井方式等進行綜合化分析，保證完成儲層的全面保護。

儲層損害、保護評價方法等需要保證與時俱進。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，儲層保護工作以及保護技術(shù)逐步獲得了一定成果，為國內(nèi)油氣勘探開發(fā)工作奠定了良好基礎(chǔ)。但是不容忽視的是，巖心切割法進行儲層保護效果的評價，上述方法主要是從直井、射孔完井出發(fā)進行建立的，在低滲透油氣藏中多采用水平井、多分支井，傳統(tǒng)切割法已經(jīng)無法滿足新時期要求。

5 結(jié)束語

本文總結(jié)了低滲透油氣藏儲層的開發(fā)環(huán)節(jié)中的保護技術(shù)、傷害機理等。由于低滲透儲層傷害存在種類多、機理復(fù)雜的特點，包括水相圈閉、應(yīng)力敏感等損害，為此，在低滲透油氣藏的開發(fā)過程中，必須合理進行儲層傷害機理和種類的判斷，才能采取有針對性的保護措施、預(yù)防措施，并充分避免二次傷害。低滲儲層保護中，應(yīng)該堅持預(yù)防為主、解堵為輔的措施。