石油开采-保护油气层.ppt

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1、The Technique of the Formation Protection石油开采-保护油气层技术,Chapter One Preface第一章 绪论,Section 1.1 The Significance&Main Contents on Formation Protection第一节 保护油气层的重要性和主要内容,Significance 重要性,及时发现油气层,正确评价储量,有利于增产稳产,有利于增加经济效益,Main Contents 主要内容,岩心及油气水分析测试技术,油气层敏感性及工作液损害室内评价测试技术,油气层损害机理研究及保护系统方案设计,各生产过程中的损害机理分析

2、机保护措施,油气损害的现场诊断与评价,总体经济效果评价,Section 1.2 The Distinguishing Features&Ideas on Formation Protection Technique 第二节 保护油气技术的特点与思路,1。Distinguishing Feature 特点,涉及多学 科、多 专 业、多 部 门、贯 穿 整 个 作 业 过 程,具 有 很 强 的 针 对 性,研 究 方 法 上 需 要 微 观 和 宏 观、机 理 和 应 用 规 律、室 内 和 现 场 相 结 合,2。Technical Routes 技 术 路 线,岩 石 及 地 层 流 体 特

3、 性 分 析,机 理 分 析 及 保 护 措 施 制 定,现 场 测 试 与 诊 断,计 算 机 模 拟 仿 真 预 测、诊 断、评 价,可 行 性 与 经 济 性 分 析,3。Rule of Research 研究原则,选 择 合 适 的 工 作 液 密 度、类 型、组 分、固 相 颗 粒 材 料 类 型、尺 寸 和 含 量、工 作 液 作 用 时 间,以 防 为 主，解 堵 为 辅,合 理 选 择 测 试 和 开 采 压 差,注 意 工 作 液 流 体 与 地 层 流 体 的 配 伍 性,优 选 各 项 技 术 措 施，综 合 考 虑 有 效 性、可 行 性、经 济 性,Section 1

4、.3 Some Technical Terms on Formation Protection 第三节 保护油气层技术的一些术 语,1.Formation Damage 油层损害(地层损害),定义:由于油气层岩石孔道被缩小或被堵塞而造成渗透率降低的现象。,2.Porosity 孔隙度,定义:岩石孔隙体积与岩石视体积之比,3.Specific Surface Area of Rock 岩石比表面积,定义:单位体积岩石内孔隙的内表面积,4.Pore Throat 孔喉,定义:孔隙空间的狭窄部位或两个较大颗粒间的收缩部分,5.Saturation 饱和度,定义:油气层流体充满孔隙空间的程度,用某相流

5、体所占孔隙空间的份数来度量。,6.Permeability 渗透率,定义: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。根据达西渗流定律,sP,6-1 Absolute Permeability 绝对渗透率,定义:单项流体在不与岩石发生任何物理和化学作用下的渗透率?(Example Gas,Water,Oil),6-2 Klinkenberg Permeability 克氏渗透率(等效液体渗透率),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,b-克氏系数,6-3 Effective Permeability有效渗透率（相 渗

6、透率),定义: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：,6-4 Relative Permeability相对渗透率,定义:岩石有效渗透率与绝对渗透率的比值,7 Wattability or Water affinity润湿性,定义:岩石颗粒表面的亲油或亲水特性,8 Wattability Alteration润湿性反转,定义:使岩石颗粒表面亲油变为亲水或亲水变为亲油的现象。,9 Capillary Pressure毛细管力,定义: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。,10 Water B

7、locking水锁,定义:当水进入油层后由毛细管阻力引起的液体堵塞,11 Jamin Effect贾敏效应,定义: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。,Case 1,毛细管附加阻力,油滴通过孔喉处的附加阻力,Case 2,12 Skin Effect 表皮系数,定义: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kd损害带半径 rd有关。,13 Blocage 堵塞比,定义:理论流量与实际流量之比,Summary,重点掌握基本术语及有关公式,掌握保护油气层技术的六点主要内容,The End of This ChapterThank y

8、ou,Chapter Two The Core Analysis 第二章 岩心分析,Section 2.1 The Overview on Core Analysis第一节 岩心分析概述,1.The Purpose&Significance of the Core Analysis岩心分析的目的和意义,目的,全面认识岩石的物理性质和敏感性矿物类型、产状、含量及分布；,确定 油气层潜在的损害类型、程度、原因；,为保护方案设计提供依据和建议；,意义,岩心分析是保护油气层技术的基础和重要组成部分；,矿物性质：敏感性矿物的类型、产状和含量；,油气层地质研究的主要内容,孔隙介质的特性：孔隙度、渗透率、裂

9、隙发育程度、孔隙及孔喉大小、形状、分布和连通性；,岩石表面性质：比表面、润湿性；,孔隙流体性质：油气水组成，高压物性，析蜡点，凝固点，原油酸值；,岩石所处环境：岩石所出的内外环境；,岩石对环境变化的敏感性：矿物、孔隙特性、孔隙流体对环境变化的敏感性,2 The Methods&contents of Core Analysis岩心分析方法和内容,方法,X-Ray Diffraction(XRD)X射线衍射;Scanning Electron Micrograph(SEM)扫描电镜;Slice Technique 薄片技术;Mercury Injection Method for Rock Ca

10、pillary Pressure Curve 压汞法测毛细管压力曲线;,内容,常规物性:孔隙度、渗透率、比表面积、润湿性；,3.Coring Sample 取岩样,Section 2.2 The Core Analysis Technique&Application第二节 岩心分析技术及应用,I.X-Ray Diffraction(RXD)X射线衍射,测定岩心性能参数：,确定矿物组分 E.g.高岭石、蒙脱石、伊理石,确定矿物含量 E.g.高岭石10、蒙脱石5、伊理石9,确定粘土矿物结构类型；E.g.晶层间距，二八面体，三八面体,岩样要求：,结晶质矿物岩石,细粉晶体状态,分析原理：,分析方法：,

11、定性分析-确定矿物组分根据面网间距d和相对反射强度(I/Io)来确定矿物成分,定量分析-确定矿物含量根据矿物成含量与衍射峰值强度成正比的关系来确定矿物含量,局限性：,不易鉴定微量组分矿物；不能给出矿物的产状和分布；不能给出孔隙和孔喉的结构和分布；,II.Scanning Electron Micrograph(SEM)扫描电镜,观测岩心的主要性能形态观测,观测岩石骨架特征 矿物颗粒的大小、产状和分布；,观测孔隙和喉道表面特征 表面松散颗粒的大小和分布、光滑性；,观测孔喉结构特征 孔隙几何形态、孔隙类型（粒间孔隙、微孔隙）喉道类型（缩径喉道、点状喉道、片状喉道）、孔喉直径；,观测孔隙中胶结物 胶

12、结物类型（粘土胶结、碳酸盐胶结、硫酸盐胶结、硫化物胶结）、产状(充填式、衬垫式）,含铁矿物检测（结合X射线能谱仪),观测损害过程中矿物的变化形态过程 微粒运移、沉积堵塞、喉道变化,样品要求,尺寸大小适中(标准岩心)f33100mm；有良好的导电性；观察面清洁新鲜；,局限性：,只能作形态观察；不能确定矿物含量；不能给出矿物化学成分；,将岩心按需要方向切磨成厚度为0.03mm，能让可视光通过薄片，进行岩石学分析的技术,III.Slice Technique of Rock薄片技术,主要用途-形态观测,骨架颗粒特征 颗粒大小、粒度分布、颗粒接触关系、粒间胶结物类型与结构(估计岩石强度防砂);孔隙结构

13、特征 孔隙形状、大小、分布、连通性，喉道形状、尺寸、分布；孔隙和喉道表面特征 表面粗糙度、表面粘土矿物分布、含量裂缝特征 宽度、发育程度,IV.Mercury Injection Method for Rock Capillary Pressure Curve压汞法测定岩石毛细管压力曲线,测试原理,孔径与毛细管压力关系,SHg 汞饱和度,主要用途孔隙结构特征,孔喉半径分布频谱图,0,SHg 汞饱和度,孔隙结构特征参数,三个关键特征参数,排驱压力Pd 饱和度中值毛管压力 Pc50最小非饱和孔隙体积百分数Smin,毛细管压力 Pc,排驱压力Pd 最大尺寸连通孔隙所对应的毛管压力。反映了孔隙和喉道的

14、集中程度和大小，是划分岩性好坏的重要指标之一。饱和度中值毛管压力 Pc50 注汞量达到孔隙体积50时对应的毛细管压力。反映了孔隙中存在油水两相时，产油能力的大小,Pc50越小，岩石对油的渗透性越好，产能越高。最小非饱和孔隙体积百分数Smin 注汞压力达到仪器的最大压力时，未被汞饱和的孔隙体积百分数。Smin 越大，小孔隙占的孔隙体积越多，对油气渗透不利。,三个关键特征参数含义,排驱半径rd:排驱压力对应的最大孔喉半径；中值半径 r50：饱和中值压力对应的半径；平均孔喉半径 rc：汞所占据部分喉道的平均半径；主喉道半径 r主：渗透率大于5之后的孔喉平均半径。,孔隙结构特征参数,V.其它岩心分析技

15、术,付里叶变换红外光谱分析测定矿物基团、功能团识别和量化常见矿物CT扫描技术 X-Ray Computerized Tomography 计算机处理层析X射线成象技术颗粒密度；裂隙和孔隙分布；固相侵入深度和孔隙空间的变化；,核磁共振成象技术 Nuclear Magnetic Resonance Imaging(NMRI)观测孔隙、裂隙中流体分布与流动情况；观察流体间、流体与岩石间的作用过程；润湿性、润湿反转配能谱仪的扫描电镜技术 Energy Dispersive X-Ray Detector(EDS)对矿物作半定量元素分析,Summary of This Chapter,X射线衍射技术（RX

16、D)扫描电镜技术（SEM）薄片技术压汞法测毛细管压力曲线掌握以上四种方法中各自测定的主要岩石性能参数,HOMEWORK,粘土矿物水化膨胀对渗透率影响很大。粘土含量越高，油层越易被外来液损害。因此，保护油气层中必须分析岩石中的粘土含量。问采用哪种测定？为什么？,在开发过程中，为了防止孔隙表面微粒被冲掉、运移堵塞喉道、出砂和油层损害，要限制开采速度。为此，要分析岩心的孔喉表面微粒分布。问可采取哪种岩心分析方法？为什么？,为了控制工作液中的固相颗粒尺寸和尺寸级配，防止固相颗粒进入油层造成损害或采用屏蔽暂堵技术保护油气层，需要知道岩石孔喉的最大直径、平均直径，问可通过哪种岩心分析方法得到？为什么？,C

17、hapter Three The Lab Evaluation of Formation Damage,第三章 油气层损害的室内评价,Section 3.1 Overview 第一节 概述,室内评价的内容岩心敏感性评价速、水、盐、碱、酸五敏评价实验单因素作用宏观表象工作液损害评价各类工作液对岩心的损害评价多因素综合作用宏观表象,室内评价的目的 为优化设计保护措施和方案提供依据,Section 3.2 The Sensitivity Evaluation of Formation Damage 第二节 油气层损害的敏感性评价,目的找出发生单因素损害的条件和程度,No.1 速敏评价实验,1.速敏实

18、验概念和目的及损害机理 概念油气层速敏性由于油气层中流体流动导致微粒脱落运移堵塞喉道而引起的渗透率下降的现象。速敏临界流速Vc明显导致岩石渗透率降低的流速。,速敏实验目的找出速敏临界流速和速敏损害程度为其它敏感性实验提供实验流速依据为注水和开采流速提供依据,速敏损害机理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。,速敏损害机理示意图,Q,2.实验原理与评价指标,sPi,临界流速Vc,Qi-1,Vc,损害程

19、度,速敏程度评价指标,3.速敏损害的实质微粒运移堵塞,No.2 水敏评价实验,1.水敏实验概念和目的及损害机理概念油气层水敏性由于油气层遇淡水后引起渗透率降低的现象。次地层水矿化度为地层水一半的盐水水敏实验目的找出水敏损害程度；为盐敏实验提供实验盐度范围。,水敏损害机理淡水进入油气层后，破坏了孔隙内地层水的活度平衡，导致孔隙内的粘土矿物水化膨胀、分散、运移，致使孔喉缩小或堵塞，从而造成透率下降。,2.实验原理与评价指标,水敏实验测定岩石三种不同盐度下，即地层水盐度、次地层水盐度和蒸馏水（无盐度）下岩石渗透率的变化。,水敏损害评价指标,水程度评价指标,水敏损害实质粘土矿物水化膨胀 物理化学变化,

20、No.3 盐敏评价实验,1.盐敏实验概念和目的及损害机理概念油气层盐敏性由于油气层遇不同矿化度水后引起渗透率变化的现象。盐敏实验目的找出发生盐敏的临界矿化度和盐敏损害程度；为各类工作液设计提供依据。,盐敏损害机理不同矿化度工作液进入油气层后，破坏了孔隙内地层水的活度平衡，导致孔隙内的粘土矿物水化膨胀、分散、运移，致使孔喉缩小或堵塞，从而造成透率下降。,盐敏实验测定岩石在不同盐度下岩石渗透率的变化。,2.实验原理与评价指标,临界矿化度Cc,Ki-1,Cc,损害程度,盐敏程度评价指标,No.4 碱敏评价实验,1.碱敏实验概念和目的及损害机理概念油气层碱敏性由于油气层中的粘土矿物遇到高PH值工作液时

21、，分散和溶解形成微粒以及氢氧根离子与二价阳离子生成微粒沉淀堵塞孔喉，从而导致渗透率降低的现象。碱敏实验目的找出发生碱敏的临界PH值和碱敏损害程度；为各类工作液设计提供依据。,2.实验原理与评价指标,临界HPc,Ki-1,PHc,损害程度,碱敏程度评价指标,No.5 酸敏评价实验,1.酸敏实验概念和目的及损害机理概念油气层酸敏性酸化液进入地层后与地层中的酸敏矿物发生反应，生成沉淀或释放微粒从而堵塞孔喉，降低渗透率的现象。酸敏实验目的研究各种酸液的酸敏程度（配伍性）；为基质酸化和酸化减堵设计提供依据。,2.实验原理与评价指标,13hr.,酸敏损害评价指标,酸敏程度评价指标,酸敏损害实质,速敏 微粒

22、脱落运移 物理作用 水、盐敏 粘土水化膨胀 物理化学作用碱敏 阳离子存在 沉淀 化学作用酸敏 酸敏矿物存在 沉淀 化学作用,五敏损害总结,Section 3.3 The Evaluation of Formation Damage Caused by Working Fluid,第三节 工作液对油气层的损害评价,工作液包括钻井液、水泥浆、完井液、压井液、洗井液、修井液、射孔液、压裂液等入井流体。,工作液损害评价实验目的,工作液损害程度评价工作液配伍性评价工作液配方和施工参数优选,工作液损害评价实验内容,静态损害评价实验静态条件下工作液对岩心的损害程度动态损害评价实验动态条件下工作液对岩心的损害

23、程度,工作液损害方式,工作液损害评价指标,静态损害程度评价指标,No.1 工作液静态损害评价,静态实验方法,No.2 工作液动态损害评价,动态实验目的,模拟实际井下工况来评价工作液对油气的损害程度。,动态实验方法,in,out,实验原理,No.3 测定损害深度不同部位的损害程度,working fluid,多点渗透率测量仪示意图,filter liquor,损害深度损害前后渗透率不变点的岩心长度,分段损害程度,No.4 其它损害评价,正反流动实验目的检验是否存在微粒堵塞,正向流动,反向流动,体积流量实验目的检验岩石在长时间流动下颗粒胶结的稳定性（流过量为200倍孔隙体积）,系列流体评价实验目的

24、分析按实际工况所用工作液序列综合作用后岩心损害情况实验顺序,Summary of this Chapter,掌握五敏实验的方法、内容、评价方法、损害实质掌握工作液损害实质,损害前后岩心渗透率变化,用多点渗透率仪测试工作液对岩心的损害如下表，请确定损害深度和损害程度。,Exercise in Class,homework,如何通过实验区别工作液的损害方式：1.液相侵入导致的损害；2.固相颗粒侵入导致的损害；3.液固两相综合作用导致的损害。,Chapter Four Mechanism of Formation Damage,第四章 油气层损害机理,油气层损害的内因,敏感性矿物；孔隙和喉道结构；孔

25、隙内表面性质；孔隙流体性质；,油气损害的外因,压差；变温；作业时间；工作液液相性质；工作液中固相性质。,油气损害的内外作用形式,外来流体与岩石矿物相互作用；外来流体与孔隙流体相互作用；岩石所存在的环境变化（温度压力变化）；外来固相颗粒与岩石作用。,Section 4.1 The Potential Factors of Formation Damage 第一节 油气层潜在损害因素,一.敏感性矿物对损害的影响,敏感性矿物在与外来流体接触过程中，容易发生化学作用而降低渗透率的矿物。,分析方法矿物类型；矿物产状；矿物含量。,1.矿物类型对油气层的损害,水敏（盐敏）矿物粘土矿物粘土矿物（按水化膨胀性大

26、小排列）：蒙脱石 伊/蒙混层 伊理石 绿/蒙混层粘土矿物损害机理粘土矿物水化膨胀，使孔喉缩小；分散、脱落、微粒运移堵塞喉道，从而导致渗透率下降。,粘土矿物含量越高，损害的可能性越大,碱敏矿物与高PH值外来液接触而导致损害的矿物碱敏矿物类型 长石、微晶石英、蛋白石、粘土碱敏矿物损害机理碱敏矿物与高PH值外来液作用而分散脱落形成微粒或生成硅酸盐沉淀和硅凝胶体,堵塞喉道，导致渗透下降。,酸敏矿物与外来酸液接触而导致地层损害的矿物酸敏矿物类型含铁矿物对HCl和高H+离子浓度液体敏感；含钙矿物、含镁矿物HF敏感。酸敏矿物损害机理酸敏矿物与外来酸液作用生成化学沉淀或释放微粒，堵塞喉道，从而导致油气层损害。

27、,2.矿物产状对油气层的损害,矿物产状矿物在岩石空间的分布位置和存在状态；,薄壳型伊理石和蒙脱石平行排列于骨架颗粒表面，呈包覆状。,损害影响流道表面光滑，阻力小，不易速敏；表面带负电，亲水性强，易水化膨胀而减小流道，甚至导致严重水锁。,栉壳型绿泥石呈叶片状垂直分布于骨架颗粒表面,损害影响流道表面粗糙，阻力大，绿泥石易被折断形成微粒，产生速敏；酸蚀形成Fe(OH)3胶体，和SiO2凝 胶体，堵塞喉道。,桥接型伊理石呈毛发状和纤维状搭接于骨架颗粒之间。,损害影响表面积大，流动阻力大，易被冲断形成微粒堵塞，产生速敏；易水化膨胀产生水敏。,填充型高岭石和绿泥石呈松散状填充于骨架颗粒之间。,损害影响微粒

28、易冲掉，发生速敏；与液相接触面积大，易酸敏。,3.矿物含量对油气层的损害,矿物含量粘土矿物总含量（泥质总含量）粘土矿物重量百分数,二.孔隙和喉道结构对损害的影响,孔隙、喉道结构孔隙和喉道的几何形状、大小、分布、连通性。,1.喉道结构与损害的关系缩径喉道：孔隙和喉道尺寸相差不大，不易堵塞，外来固相易侵入；粒间胶结物少，固结松散，易出砂和井壁坍塌，,点状喉道：孔隙与喉道差异大，喉道小，易出现微粒堵塞、水锁和贾敏损害,片状喉道：喉道长而细小、弯曲、粗糙，渗透率低，易出现微粒堵塞、水锁和贾敏损害。,管束状喉道：喉道细小、弯曲交叉，易导致紊流；微粒在喉道交叉处易沉积堵塞；易水锁、贾敏和乳化堵塞损害。,2

29、.孔隙结构参数与损害的关系孔隙结构参数：孔喉大小分布孔喉弯曲程度孔隙连通性,孔喉大小分布孔喉大小主要参数：主流道平均半径，Rz最大连通喉道半径，Rd喉道平均半径,Rm孔喉中值半径，R50,孔喉参数对损害的影响参数越大，孔喉就越大，外来固相颗粒侵入的可能性就越大，侵入深度越深，损害程度就越大。但水锁和贾敏的可能性就小。,孔喉弯曲程度对损害的影响弯曲程度越大，喉道越易被堵塞，损害的可能性就越大。,孔喉连通性对损害的影响孔隙连通程度用以下参数描述：最小未饱和孔隙体积百分数（Smin）；Smin 越小，连通性越好；退汞率；退汞率越高，连通性越好。孔隙配位数，即一个孔隙与喉道的连通数，配位数越小，喉道的

30、连通性越差。孔隙连通性越差，越易受到损害。,3.孔隙结构、渗透率、损害程度之间的关系,孔隙度与渗透率间的关系孔隙度与渗透率一般成正相关关系，渗透率高的岩石，其孔隙度也高。渗透率主要取决于喉道尺寸、连通性和孔隙度。,孔喉与渗透率间的关系渗透率大小直接受孔喉大小、孔隙的均匀性和连通性控制。孔喉大、均匀、连通性好，渗透率就高。胶结物与渗透率间的关系胶结物（泥质胶结、碳酸盐岩胶结）含量越高，渗透率就越低。,孔孔隙结构、渗透率、损害程度的关系孔喉大、均匀性和连通性好，交结物含量低，渗透率就高，易出现外来固相堵塞损害。孔喉小、连通性差，胶结物含量高，渗透率低，易发生粘土矿物水化膨胀、分散、脱落、微粒运移堵

31、塞，以及水锁和贾敏损害。,三.岩石表面性质对损害的影响,岩石表面性质孔隙和喉道内表面的性质岩石比表面岩石表面润湿性表面粗糙度,1.岩石比表面积与损害的关系比表面积越大，流体接触面越大，接触越充分，损害的可能性就越大,2.岩石比表面润湿性与损害的关系润湿性与以下因素有关：岩石矿物组成，流体化学性质，表面粗糙度，环境温度、压力。润湿性决定着油气水的空间分布、毛管力大小和方向、微粒的运移；亲水岩石会降低油相渗透率，有利于微粒运移堵塞喉道，造成损害。,3.岩石表面粗糙度与损害的关系表面粗糙度取决于粘土矿物的产状。表面越粗糙，流动阻力越大，表面颗粒越易脱落堵塞喉道，损害油气层。,四.孔隙流体对损害的影响

32、,孔隙流体孔隙中的油气水。其中对损害关系密切的是地层水性质、原油性质、天然气性质。,1.地层水性质与损害的关系地层水性质：矿化度含盐量的多少类型CaCl2 型、MgCl2型、NaHCO3型、Na2SO4型离子成分:Na、Ca2、Mg2、Ba2、Sr2 阳离子；Cl、SO42、HCO3、F 阴离子。,当外来液与地层水不配伍时或环境温度和压力降低时，生成CaCO3、CaSO4、Ca(OH)2 无机沉淀，堵塞孔喉损害油气层；当含有高分子处理剂的外来液进入高矿化度盐水层时，会产生盐析，生成有机沉淀，堵塞孔喉，损害油气层。,2.原油性质与损害的关系原油性质：含蜡量、胶质、沥青、含硫量、凝固点、粘度。与油

33、层损害的关系石蜡、胶质、沥青、可能形成有机沉淀堵塞；原油与不配伍的外来液作用，形成高粘度乳状液，阻碍渗流；原油还可与酸液反应生成酸渣，损害油气层。,3.天然气性质与损害的关系与油气损害有关的性质：H2S和CO2含量，腐蚀设备造成微粒（FeS沉淀）堵塞。,Section 4.2 The Formation Damage Due to External Cause第二节 外因作用下引起的油气层损害,主要内容,外来液固引起的损害：外来固相颗粒堵塞；外来液与岩石不配伍；外来液与孔隙流体不配伍；外来液引起的毛细管阻力。,工程因素和环境条件改变导致的损害作业压差；温度变化；作业时间。,一.外来液固导致的损

34、害,NO.1 外来固相颗粒导致的损害固相颗粒损害机理当工作液压力大于地层压力时，固相颗粒就会随液相一起进入地层，并在孔喉处被阻而沉积下来，形成堵塞，造成损害。影响固相侵入深度和损害程度的因素固相颗粒与孔喉的尺寸匹配关系固相含量和大小级配压差作业时间,NO.2 外来液相与岩石不匹配导致的损害损害机理归结为水（盐）敏、碱敏、酸敏损害。水（盐）敏损损害机理外来液与地层粘土矿物不配伍时，导致粘土矿物水化膨胀、分散脱落，损害油气层。,损害规律 粘土含量越高，水敏损害越严重；粘土矿物种类不同，损害程度也不同;孔喉尺寸越小，越易损害；外来液与地层的矿化度差别越大，水化膨胀越快，水敏损害越严重。外来液的高价和

35、水化半径小的阳离子越多，引起水敏损害越弱。,碱敏损害损损害机理高PH值外来液与地层碱敏矿物反应，导致分散脱落，以及形成新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，堵塞喉道。损害规律 碱敏矿物含量越高，外来液PH值越高，侵入量越大，损害程度就越严重。,酸敏损害损损害机理地层中的某些酸敏矿物（碳酸盐矿物、粘土矿物、含铁矿物、硅酸盐矿物）与酸液接触后，会释放大量微粒和生成沉淀，堵塞喉道，导致损害。,岩石与酸的溶解反应 与HCl反应：HCl+碳酸盐矿物金属阳离子二氧化碳和水HCl 硅酸盐矿物(部分)金属阳离子硅酸；HCl 含铁矿物氢氧化铁沉淀与HF反应：溶解不与CHl反应的硅质矿物(石英、长石、粘土),沉淀形式 Fe(

36、OH)2：Fe3+3OH=Fe(OH)3(沉淀)Fe2+2OH=Fe(OH)2(沉淀)Fe(OH)3(沉淀)胶体在流动过程中由小变大。Al(OH)3：粘土及一些含硅酸盐的矿物与酸反应释放出 Al3+离子，当残酸PH34时，形成 Al(OH)3 沉淀。,氟化物沉淀：Ca2+2F=CaF2(沉淀),Mg2+2F=MgF2(沉淀)氟硅酸盐、氟硅酸铝盐：粘土、石英、长石HF=H2SiF6(或H3AlF6)H2SiF6+2Na+=Na2SiF6(沉淀)+2H+H2SiF6+2K+=K2SiF6(沉淀)+2H+H2SiF6+Ba2+=BaSiF6(沉淀)+2H+H3AlF6+3Na+=Na3AlF6(沉淀

37、)+3H+H3AlF6+2K+=K3AlF6(沉淀)+3H+以上沉淀吸附在孔隙表面上，堵塞喉道。,酸化微粒：酸化释放微粒及剩余残渣，堵塞孔喉。,润湿反转损害损害机理由于某些矿物（石英、长石）表面带负电，容易吸收阳离子表面活性剂，破坏岩石表面水化膜，使亲水端吸附在矿物表面，亲油端朝向孔隙流体端，在岩石表面形成单分子层，将亲水变为亲油，从而改变油相渗透率，损害油气层。渗透率越低，润湿反转导致的损害越严重。影响润湿反转性的因素有PH值改变表面电荷性质；阳离子增强亲油性（活性剂溶解性降低、活性增 强、络合反应）；温度温度升高，水润湿增强，油润湿减弱。,NO.3 外来液相与孔隙流体不配伍导致的损害损害机

38、理发生化学反应，生成化学沉淀（无机沉淀，有机沉淀，乳化物，细菌），沉淀吸附在孔喉表面，使流道缩小，或堵塞喉道、以及增大液流粘度，降低渗透率。无机沉淀主要有：CaCO3、SrCO3、FeCO3、BaSO4、CaSO4、SrSO4沉淀；,影响无机沉淀生成的因素：PH值高PH值促使HCO3*HCO32，使CO32离子浓度增加，有利于碳酸盐和氢氧化钙沉淀生成温度温度升高有利于吸热沉淀反应,温度降低,有利于放热沉淀反应，沉淀增加。压力压力降低,使地层中CO2脱出，PH值升,CO32浓度增加，有利于CaCO3沉淀的形成。接触时间接触时间越长生成的沉淀颗粒越大,数目越多，损害越严重。总矿化度总矿化度升高有利

39、于沉淀溶解,有机沉淀主要有：石蜡、沥青质、胶质沉淀；导致有机沉淀因素：PH值升高导致沥青絮凝；与酸反应形成胶状污泥；气体进入不容性烃类衍生物增多(O2所致)，沥青质沉淀（CO2所致）;表面张力降低沥青质沉淀形成；温度降低温度于石蜡初凝点时，石蜡析出；轻质组分和溶解气使石蜡溶解能力和初凝点降低，出现析蜡；晶核量的增多微粒形成和外来固相颗粒侵入，为蜡析出提供了结晶中心。,乳化损害主要机理：外来液与油层流体混合形成乳状液。当乳状液液滴尺寸大于孔喉尺寸时，形成液滴堵塞和增加附近毛管阻力；乳状液的粘度高，流动阻力大，导致液体堵塞。,细菌损害主要机理：地层中细菌生长繁殖，产生体积较大的菌络、高粘液、以及代

40、谢导致无机沉淀，造成堵塞和流动困难。细菌类型：硫酸盐还原菌：厌氧菌，体积小，繁殖快；通过氧化有机物和气态氢将硫酸盐还原成二价硫获取繁殖能量。腐生菌：好氧菌，通过氧化有机质获取新陈代谢能量。铁细菌：好氧菌，将Fe2氧化成Fe3，生成 Fe(OH)3 沉淀。细菌新陈代谢产生CO2、H2S、S2、OH与Ca2+、Fe3+离子反应生成FeS、CaCO3、Fe(OH)3无机沉淀。细菌繁殖和损害随矿化度、温度、含油饱和度的降低而增加。,NO.4 外来液影响油水分布导致损害损害机理外来液相进入，降低含油饱和度，增加油流阻力，导致油相渗透率降低。产生水锁和贾敏损害。,二.工程因素和环境改变导致的损害,NO.1

41、 作业压差导致的损害导致微粒运移堵塞作业压差是液相和固相颗粒进入油层的驱动力。正压差驱使井内液固进入地层，负压差驱使地层流体和微粒向井内流动。压差越大，流速越快，容易速敏。正压差越大，外来固相颗粒进入越深，进入的液相越大，外来液固损害越严重。,导致无机和有机沉淀堵塞正压差：液相进入油层，与孔隙流体作用生成无机和有机沉淀。负压差：地层压力降低，使CO2析出，PH值升高，HCO3分解，CO32浓度增加，导致CaCO3无机沉淀形成；使石蜡溶解度降低，形成石蜡有机沉淀。,导致应力敏感损害除原地应力外，井眼周围应力取决于井内压力。近井壁的切向压应力随井内压力增大而减小，径向应力随井内压力增大而增大。因此

42、，井内压力增大使径向孔喉直径增大，切向孔喉缩小，有利于井内流体和固相进入地层；,压漏地层导致损害井内压力增大使径向应力增大，切向压应力减小；当井内压力增大到某一值时，切向应力变为拉应力。如果拉应力超过岩石的抗拉强度，井壁岩石被拉裂，形成裂缝，导致井内液体漏失。井内液相和固相漏入地层会导致严重的损害。,地层出砂和井壁坍塌导致损害负压差不当，使松散地层出砂和井壁坍塌。出砂使近井壁喉道被堵，降低渗透率；同时容易导致井壁坍塌。,NO.2 温度变化导致的损害增加损害程度温度升高，各种敏感性损害程度增加；流体粘度降低，工作液容易进入地层，使损害深度加深。导致沉淀生成 温度降低：放热沉淀反应生成无机沉淀(B

43、aSO4)；使石蜡析出，生成有机沉淀。温度升高：吸热沉淀反应生成无机沉淀(CaCO3、CaSO4)；导致变温应力敏感温度升高：产生切向变温压应力，使径向喉道缩小；温度降低：产生切向变温拉应力，使径向喉道增大或形成微裂纹，有利于液相进入，导致损害。,NO.3 作业时间对损害的影响工作液接触时间越长损害越严重细菌损害随时间增加；进入液随时间增加。,Summary of this Chapter,掌握各种损害机理学会利用机理分析方法，对具体问题进行分。,Homework,某井油层为砂岩层，开发后期渗透率严重下降，试图注水开发，但注不进水。分析渗透率严重下降的原因。某砂岩油层蒙脱石含量高，地层流体钙和

44、钡离子含量高。为了防止油层损害，工作液怎样考虑？,Chapter Five The Technique of Free Damage Drilling第五章 钻井过程中的保护油气层技术,Section 5.1 The Analysis of Factors for Formation Damage Caused by Drilling第一节 钻井过程中造成油气层损害的原因,一.钻井过程中油气层损害的原因,钻井液中固相颗粒导致的损害固相颗粒堵塞喉道进入滤液与岩石矿物作用导致的损害水、盐敏缩小喉道、生成微粒碱敏 生成微粒酸敏 生成微粒润湿反转降低油相渗透率表面吸附吸附处理剂，缩小喉道,滤液与孔隙流

45、体作用导致的损害无机盐沉淀CaCO3、SrCO3、FeCO3、BaSO4、CaSO4、SrSO4沉淀处理剂沉淀处理剂盐析形成沉淀水锁产生毛管阻力乳化堵塞产生附加毛管阻力、乳化液流动阻力大细菌堵塞菌络、粘液、导致FeS、CaCO3、Fe(OH)3无机沉淀,滤液进入改变油相分布导致的损害单相变成两相或多相，增加流动阻力，导致相渗透率下降负压差过大导致的损害速敏析蜡、导致CaCO3无机沉淀应力敏感,二.?钻井过程中油气层损害的工程因素,压差：滤液进入：导致物理和化学作用；固相颗粒进入：固相堵塞；改变井壁应力状态：应力敏感；浸泡时间时间越长，进入的滤液量越多；环空反速环空还速越高，井壁泥饼越容易被冲掉

46、，固相和液相就容易进入地层；钻井液性质失水性（静、动、HTHP失水）、造壁性、流变性、抑制性、密度。,Section 5.2 The Drilling Fluid Technique for Free Damage第二节 保护油气层的钻井液技术,一.?保护油气层对钻井液的要求,1。密度满足近平衡钻井要求2。低或无固相含量3。滤液性质与地层岩石矿物相配伍4。滤液性质与孔隙流体相配伍5。具有较好的造壁性6。具有较好的流变性,二.?钻油气层所用钻井液类型,水基钻井液油基钻井液气体钻井液,1。水基钻井液,无固相清洁盐水钻井液无固相损害可溶性盐聚合物缓腐剂1.02.30g/cm3用作：射孔液、完井液缺点

47、：成本高、工艺复杂、失水量大、不适用盐敏层水包油钻井液无固相损害，利用毛细管力降低滤液进入量油水处理剂盐0.89g/cm3用作：裂缝发育和易漏低压油气层,无膨润土暂堵型聚合物钻井液通过屏蔽暂堵层，阻止固相颗粒和滤液进入水聚合物可溶性盐暂堵材料适用：裂缝、低压低渗油层暂堵材料：酸溶型 CaCO3、FeCO3 不适用于酸敏油层水溶型氯化钠、硼酸盐、氯化钙、溴化钙、溴化锌油溶型油溶性树脂单向压力型纤维、果壳、木屑,低膨润土聚合物钻井液降低失水、改善流变性水膨润土(少量)聚合物暂堵剂适用：低压低渗、碳酸盐裂缝油气层改性钻井液降低固相含量；提高配伍性调整无机离子种类，提高矿化度；选择合适暂堵材料、粒径和

48、含量级配；降低失水(动、静、HTHP失水)，改善流变性和 泥饼质量适用于各种井深结构的油气层阳离子聚合物钻井液抑制粘土水化膨胀,2。油基钻井液避免了水敏损害 缺点：成本高、环境污染大3。可替代油基泥浆的水基泥浆钻井液（国外）有效防止滤液进入油气层，避免粘土水化，性能达到油基泥浆效果。,三.?保护油气层的屏蔽暂堵技术,压差、孔喉与粒径比、屏蔽层厚度间的关系,技术要点,测定孔喉分布和孔喉平均值选择桥架离子材料、颗粒尺寸、含量选择充填离子材料、颗粒尺寸、含量选择可变形离子材料、颗粒尺寸、含量采用合适压差,四.?保护油气层的低压钻井液 Underbalanced Drilling Fluid for

49、Free Damage,优点有效保护油气层，发现油气层;可实现真正负压钻井无固相和无液相进入无损害防止井漏；适用于低压油气层(压力系数1)缺点不适用于井壁不稳定地层,空气钻井Air Drilling Fluid空气、氮气为钻井流体特殊设备：空气压缩机、增压器、井口旋转头；优点:钻速快(310倍)，钻头寿命长，井底压力1Mpa、遇油气立即进入井内。空气钻井流体缺点：易出现井下爆炸起火氮气为钻井流体缺点：氮气成本费用高空气钻缺点：不适宜出水量大的地层,雾化钻井液Mist Drilling Fluid 将少量水、发泡剂、防腐剂，以雾状加入气流中，形成雾状流体；特殊设备:雾化器、空气压缩机、增压器、井

50、口旋转头适用于出水量小的地层(23m3/h)充气钻井液Arerad Drilling Fluid 将空气、氮气充在钻井液中，形成不稳定气液两相流，以降低液柱压力。泡沫钻井液Foam Drilling Fluid 由基液（水）、空气（氮气）、发泡剂、稳泡剂经泡沫发生器形成的一种均匀、稳定气液两相流。,泡沫钻井的特点：泡沫密度低(0.0320.064g/cm3)，井底压力低；携屑能量强(10倍于水、45于泥浆)泡沫强度高、粘度大液量低含水量低于25，水被束缚液膜中流体中无固相具有较好的封堵能力,合理的井身结构尽可能保证实现近平衡钻井设计原则：有效保护油气层，满足完井方法的需要避免漏、喷、塌、卡复杂