[科普中国]-产油层保护

发展历程

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通称为油气层损害。油气层损害的实质包括绝对渗透率下降和相对渗透率下降。我国石油工作者早在50年代就开始注意到此问题，川中会战时，就提出钻井液密度不宜过高，以免压死油气层。60年代大庆会战时，为了减少对近井地带的油气层损害，对钻开油气层钻井液的密度和滤失量也提出了严格要求。

70年代，国外开始从分析油气层岩心入手来研究油气损害的机理和防治措施，并将试验室研究成果应用于油气田钻井、完井和开发方案的设计及生产实践中，形成了保护油气层的系列技术。

长庆油田在70年代开始进行了岩心分析和敏感性分析，但由于受到仪器与技术条件限制，再进一步深入下去有困难。直到80年代，在引进国外保护油气层技术的基础上，我国才全面开展了保护油气层技术的研究工作，并在“七五”期间将保护油气层钻井完井技术列为国家重点攻关项目，原中国石油工业部科技司、开发司、钻井司共同组织辽河、华北、长庆、四川、中原等五个油田和石油大学、西南石油学院、江汉石油学院、石油勘探开发科学研究院、工程技术研究所等单位共同进行攻关，使我国保护油气层技术不仅在理论研究上，而且在生产实践中均取得较大进展，形成了适合我国的保护油气层系列技术。“八五”期间，此项技术得到进一步推广应用和发展，并取得较好的效果。

重要性保护油气层是石油勘探开发过程中的重要技术措施之一，此项工作的好坏直接关系到勘探、开发的效果。保护油气层的重要性有以下几方面。

1、勘探过程中，保护油气层工作的好坏直接关系到能否及时发现新的油气层、油气田和对储量的正确评价探井钻井完井过程中，如没有采取有效的保护油气层措施，油气层就可能受到严重损害，使一些有希望的油气层被误判为干层或不具有工业价值，延误新的油气田或油气层的发现。例如辽河荣兴油田，1980年之前先后钻了9口探井，均因油气层受到损害而误判为没有工业价值。1989年，重新钻探此构造，采用保护油气层配套技术，所钻17口井均获得工业油流，钻探结果新增含油气面积18.5km2，探明原油储量上千万吨，天然气几十亿立方米。

2、保护油气层有利于油气井产量及油气田开发经济效益的提高保护油气层配套技术在钻井完井过程中应用，可减少对油气层的损害，从而提高油气井产量。“七五”期间，我国在中原、辽河、华北、长庆等油区的13个油田试验此项配套技术，油气井产量普遍有所提高。1993年，屏蔽暂堵钻井液在13个油区1383口井上推广应用，油井产量亦得到较大幅度的提高。对于一个新投产的油田，进行钻井与开发方案总体设计时，能否按系统工程配套地应用保护油气层技术，直接影响该油田的经济效益。如吐哈温米油田是一个低渗油田，依据开发方案设计，完井后需采用压裂投产。但该油田所钻的167口开发井，从钻井到完井投产，全面推广应用与该油田油层特性相配伍的保护油层技术，射孔后全部井自喷投产，单井产量比原开发方案中设计产量提高/20%～30%。

3、油田开发生产各项作业中，搞好保护油气层有利于油气井的稳产和增产在油气开采的漫长过程中，各项生产作业对油气层的损害不仅会发生在近井地带，往往还涉及到油气层深部，影响油气井的稳产。例如，北美州阿拉斯加普鲁德霍湾油田，投产后/6个月发现部分油井的年产量以50%-70%快速递减。分析其原因是射孔和修井时采用了氯化钙盐水作为射孔液和压井液，由于氯化钙与油气层中的地层水发生作用形成水垢堵塞油层，引起油井产量急剧下降。我国部分油田在开采过程中也出现过油井产量在压井作业后下降，表皮系数上升的现象。1

主要内容保护油气层技术主要包括以下八方面内容：

(1)岩心分析、油气水分析和测试技术;

(2)油气层敏感性和工作液损害室内评价试验技术;

(3)油气层损害机理研究和保护油气层技术系统方案设计;

(4)钻井过程中油气层损害因素和保护油气层技术;

(5)完井过程中油气层损害因素和保护油气层及解堵技术;

(6)油气田开发生产中的油气层损害因素和保护油气层技术;

(7)油气层损害现场诊断和矿场评价技术;

(8)保护油气层总体效果评价和经济效益综合分析技术。

上述八方面内容构成一项配套系统工程，每项内容是独立的，但彼此又是相关联的。2

技术特点1、保护油气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。

从钻开油气层、完井、试油、采油、增产、修井、注水、热采的每一项作业过程中均可能使油气层受到损害，而且如果后一项作业没搞好保护油气层工作，就有可能使前面各项作业中的保护油气层所获得的成效部分或全部丧失。因此保护油气层技术是一项系统工程，此项工程涉及地质、钻井、测井、试油、采油、井下作业等多个部门，只有这些部门密切配合，协同工作，正确对待投入与产出，才能收到良好效果。

要开展此项系统工程中各项技术的研究，必然涉及到矿物学、岩相学、地质学、油层物理、钻井工程、试油工程、开发工程、采油工程、测井、油田化学和计算机等多种学科专业，只有充分运用这些学科的相关知识与最新研究成果，才能形成高水平的保护油气层配套技术。

2、保护油气层技术具有很强的针对性

保护油气层技术的研究对象是油气层，油气层的特性资料是研究此项技术的基础。由于不同的油气层具有不同的特性，因此从油气层特性出发研究出的保护油气层技术也具有很强的针对性。尽管油气层特性有共同点，其损害机理与防治措施也有共性之处。但不同类型油藏和油气层的特性又有许多不同之处；即使同一个油气层，如处于不同开发阶段，其特性参数亦会发生变化；此外，相同作业在不同工况下所诱发的油气层损害也不完全相同。因此在确定每项作业的保护油气层技术措施时，应依据所研究的油气层处于不同开发阶段的特性来确定，否则会得到相反效果。

3、保护油气层技术在研究方法上采用三个结合保护油气层技术在研究方法上采用三个结合：微观研究与宏观研究相结合；机理研究与应用规律研究相结合；室内研究与现场实践相结合。3

技术思路1、保护油气层系统工程的主要技术思路可归纳为五个方面：

(1)分析所研究油气层的岩石和流体特性，以此为依据来研究该油气层的潜在损害因素与机理。 (2)收集现场资料，开展室内试验，分析研究每组油气层在各项作业过程中潜在损害因素被诱发的原因、过程及防治措施。

(3)按照系统工程研究各项作业中所选择的保护油气层技术措施的可行性与经济上的合理性，通过综合研究配套形成系列，纳入钻井、完井与开发方案设计及每一项作业的具体设计中。

(4)各项作业结束后进行诊断与测试，获取油气层损害程度的信息，并评价保护油气层的效果和经济效益。然后反馈给有关部门，视情况决定是否继续研究改进措施或补救措施。

(5)计算机预测、诊断、评价和动态模拟。

2、研究每项具体作业时应注意坚持以下五项原则：

(1)依据油气层特性选择入井工作液(如钻井液、水泥浆、射孔液、压井液与修井液等)的密度、类型和组分，降低压差，缩短浸泡时间，控制其液相和固相颗粒尽可能不进入或少进入油气层。如不能完全控制住，则要求所采用的工作液与油气层岩石和流体相匹配，尽可能不要诱发油气层潜在损害因素或者控制工作液进入油气层的深度，并控制进入油气层工作液的组分，力求在油气井投产时可使用现代物理或化学方法加以解堵。

(2)进行各种测试和采油作业时，应选择合理的压差，防止油气层中微粒运移、乳化、细菌及结垢堵塞、水锁、出砂和相渗透率的降低。

(3)油气田开发生产过程中，为了增加油气层能量和驱替效果，必须向油层中注入各种流体，这些流体应力求与油气层岩石和地层中流体相配伍，减少对油气层的损害，使之有利于油、气的采出。 (4)保护油气层技术尽可能立足于以预防为主，解堵为辅。由于油气层渗透率和孔隙度一旦受到损害，很难完全恢复，有些损害无法进行解堵。部分油气层受到损害后，即使可以解堵，但所花费的费用也很高。

(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。3

保护技术分类钻井完井中的产油层保护工作1 . 优选钻井液完井液体系

使用保护油层的钻井液、完井液是钻井完井中保护油层的重要措施。国内外对钻井液完井液的优选进行了大量的研究。目前我国钻井液、完井液及处理剂已成体系, 共研制出28 种满足各类油藏保护油层的配方。美国新近研制出新一代钻井液与完井液———铯盐液。它具有比普通盐水、合成油基泥浆、溴化锌泥浆更优良的特性, 能承受井的高温、高压,对产油层无损害, 同时可提高机械钻速。它还有利于环保, 对油田所用金属和弱性材料无任何腐蚀性, 对用户无害。

铯盐液作为新一代技术, 对人体无害, 且有利于环境保护, 可在提高生产率的同时, 提高机械钻速, 降低总的钻井成本及开发成本, 并使原来不可能钻的井成为可能。铯盐水钻井液与完井液即将投入油气开发市场。

2 . 屏蔽暂堵技术

“屏蔽式暂堵技术” 适合于各类储层保护工作。此项技术是西南石油学院经过几年的刻苦攻关, 于1990 年在国内外首次提出的高水平保护储层技术。它的基本原理是: 在钻井液中加入与孔喉直径相匹配的不同类型和大小的固相粒子, 利用油气层被钻开时钻井液液柱压力与油气层压力之间的压差, 于极短时间内这些固相粒子进入油气层孔隙喉道, 在井壁附近形成一个渗透率几乎为零、厚度(1～10 cm) 能被射孔弹穿透的致密薄屏蔽环,阻止钻井液侵入污染地层, 从而达到保护油气储层的目的。它成本低、施工简单、易于推广, 可不考虑储层类型、粘土含量、完井液体系和性能的影响。此技术一经研究出来就在各油田迅速推广开来, 取得了显著的经济效益。现在几乎所有的油田都采用这种技术来保护油层。新疆、江苏等油田逐步形成了以屏幕暂堵技术为主的油层保护综合配套技术。1995 年吐哈油田将此项技术改进优化之后用于探井的储层保护工作中。

3 . 采用负压钻井等技术来减轻油层伤害, 提高产能

负压钻井就是在保持井内静液柱压力低于地层孔隙压力的条件下进行钻进。负压钻井主要有以下几方面优点: 降低过平衡压力钻井时钻井液对产层的各种损害, 尤其是在水平井中用负压钻井技术更有意义; 减少或避免了井漏、压差卡钻等事故的发生; 延长钻头寿命, 提高机械钻速, 降低钻井成本; 在钻井的同时能通过试井评价产层的生产能力和地层的性质, 有利于迅速发现和保护油气层, 有利于提高油气产能。

早在20 世纪50 年代, 美国和加拿大就开始应用负压钻井技术。直到80 年代旋转防喷器和电磁遥测工作用于现场后, 负压钻井技术才逐渐完善, 并于90 年代在全世界范围内迅速展开。我国于20 世纪80年代开始进行负压钻井。1994 年, 中原油田将负压钻井应用于高压低渗和低压易漏地层的勘探中, 对探井白21 井和毛8 井实施了负压钻井, 成功地实现了可控负压、边喷边钻,避免了钻井液对产层的各种损害, 大大提高了机械钻速( 在相同井段约比邻井提高4 倍) ,消除了压差卡钻和井漏事故, 同时获取了可靠的地质资料, 求得了真实的产能。

4 . 水敏性储层损害预测及保护的专家系统

油层保护工作应以预防为主。以往的评价储层损害方法不仅工作量大, 且时间长, 同时需要各学科专家、学者一起研究讨论, 才能确定一套合理的保护方案, 不仅费时费力,也延缓了油田开发进程。而随着计算机技术的发展, 人工智能技术的日臻成熟, 专家系统技术已在各领域得到了广泛应用。鉴于该领域存在的问题, 开发低渗储层损害预测及保护的专家系统是可行的, 也是必然的。

5 . 射孔完井过程中的油层保护技术

射孔完井是目前开发井采用的一种主要完井方法。先进的射孔方法可以减轻对油层的损害。

20 世纪80 年代以来, 我国射孔技术迅速发展, 在大量推广清水过油管射孔技术的同时, 开展了负压射孔、优质射孔液的现场试验。目前优化射孔设计、油管输送式射孔、射孔测试联作技术已大量应用并实现了国产化。国内开展的深穿透水力射孔技术, 是适用于低渗透油田改造和处理油水井污染堵塞的高效增产、增效手段。与射孔弹射孔相比, 它有以下优点: 孔眼长而大; 孔眼无污染; 套管强度受损小。它适用于因钻井、完井、井下作用及长期采油和注水生产造成的近井带污染堵塞的油水井解堵。2

压裂生产过程中的产油层保护技术低渗透油田自然渗透能力差, 一般都需要进行油层改造改变渗流能力以提高产能。但是, 油层改造的同时难免对油层造成二次伤害。因此, 立足油层改造的同时要重视和搞好油层保护工作, 将二次伤害降到最低。20 世纪80 年代中后期至90 年代以来, 俄、美等国研究开发出既能消除或减轻地层伤害, 又能防止再次伤害的新型地层处理技术。下面主要介绍几种有效处理低渗油层的技术。

1 . 高砂比压裂技术

高砂比压裂技术是改造低渗透和特低渗透油层的有效措施, 使用该技术进行初次压裂和重复压裂, 均能收到显著效果。其特点是裂缝受到支撑砂支撑的高度和长度大, 可产生高导流能力的宽裂缝, 减少微粒对裂缝导流能力的影响, 并克服了支撑砂嵌入问题, 从而使油井增产的倍数高, 有效增产时间长。北WORLD ESTAS 油田的一口井用普通方法压裂日产油量为50 桶, 用本方法压裂后日产油量为120 桶, 提高2.4 倍。

2 . 高能气体压裂技术

高能气体压裂技术是新近发展起来的现代压裂技术, 通常有爆炸压裂和燃烧压裂。该方法特别适用于水力压裂可能无效的特低渗性、地层岩石相当坚硬的油气层和不宜采用水力压裂的水敏性油气层的裸眼井压裂。该技术工艺简单、成本较低、污染小, 普遍用于降低或清除近井地带的伤害。

3 . 复合压裂技术

复合压裂技术是20 世纪80 年代末国外研究开发的一项新型增产、增注技术。它将高能气体压裂与水力压裂相结合, 先对地层进行高能气体压裂, 在目的层压开多条径向裂缝, 然后进行水力压裂延伸这些裂缝, 得到多条足够长的有支撑剂支撑的裂缝。它集中了高能气体压裂与水力压裂技术的优点, 具有广阔的应用前景。该项技术在欧洲进行过压裂充填处理的两口低渗透油井(A1 和A2 ) 和西非进行过压裂处理的两口低渗透油井(B1 和B2) 以及进行过压裂处理的三口低到中渗透的气井(C1、C2 和C3) 中进行了复合压裂现场试验, 均取得了良好的效益。B1 井日产油量由250 桶增至2200 桶。

4 . 干式压裂

现在国外采用一种新型的不伤害地层的新技术“ 干式压裂”。该压裂技术在作业时采用二氧化碳混砂机将支撑剂混入液态二氧化碳流。它不需要任何传统的携砂液携砂, 因而不会有伤害性流体进入生产层, 对水敏性地层几乎不会造成伤害。美国近期在泥盆系页岩中对这项技术进行了对比试验。试验井数15 口, 其中4 口井用二氧化碳和砂处理, 7 口井用不带支撑剂的氮气处理, 4 口井用氮气泡沫加支撑剂完井。37 个月之后, 用二氧化碳加砂处理的井其单井产量是用氮气处理井的2 倍、泡沫处理井的4 倍, 增产效果相当明显。

近几年, 在压裂液的筛选研制方面也有了突飞猛进的发展。如对于强水敏性油气层,使用水基压裂液会使粘土矿物膨胀、运移, 堵塞地层孔隙, 对地层渗透率造成很大的伤害, 起不到增产的目的。同时, 对于地层压力系数较低的低压低渗透油气藏, 使用水基压裂液时排液相当困难, 使油井不能投产, 可能会造成油气井压死的危险。使用油基压裂液就避免了这些缺点。胜利油区采用新型柴油基冻胶压裂液对纯梁采油厂5 口井进行了压裂, 取得了较好的压裂效果。俄罗斯新近研制成功了一种烃类凝胶, 它包括以下组分: 成胶剂、活化剂、络合剂和破胶剂。其中成胶的烃类液体可用煤油、柴油、凝析油和其他石油馏分。1

酸化生产过程中的产油层保护20 世纪80 年代发展起来的酸化技术是通过复配、改性或重新合成高性能的产品, 使之更能满足复杂地层的需要。现在国内外都应用暂堵酸化技术, 它是常规酸化工艺的一个改进, 对地层没有伤害, 适用于多层段、薄夹层、层间物性变化较大以及井下套管变形或井斜过大、不能下封隔器进行分层酸化的井。该技术可实现一次施工, 达到多层同时被改造的目的。

河南油田1994 年对暂堵酸化技术立项, 1995 年开始在现场实施, 现场施工24 口井77 个层段, 有效成功率97 . 6% , 累计增加注水量55 . 692 m3/ d , 创效益4817 . 9×104 元。

美国BJ 公司近年来开发了一种用于砂岩储层酸化作业的新型酸液———砂岩酸。与土酸和缓速酸相比, 这种新型酸液具有反应速度慢、粘土溶解度小、石英溶解能力强、不利影响( 如二次沉淀) 小、腐蚀性低、安全性较高等优点。新的砂岩酸采用一种膦酸络合物取代盐酸水解氟化盐。这种络合物有5 个氢离子, 会在不同的条件下分解, 被称为“HV”酸。HV 酸与氢氟化铵混合后便生成膦酸铵盐和氢氟酸, 这就是砂岩酸。该酸液适用于各种渗透性地层改造。印度尼西亚的一口低渗透油井岩性非常复杂, 几乎不能进行任何酸化增产措施, 日产油量仅为110 桶(仅占初始量的17%) , 含水率为68%。采用砂岩酸酸化之后直至今日, 平均日产液量为380 桶, 油产量增长了71% , 含水率为50%。

目前砂岩酸已在国外大量投入使用, 并取得了较好的增产效果。我国的低渗透油气藏大多是砂岩油气藏, 砂岩酸在我国有广阔的应用前景。1

注水过程中的油层保护工作注水保护储层的关键在于合格的注水水质。目前一般对注入水进行除氧、防垢、防腐、防膨、净化等严格过滤和化学处理。安塞油田是我国的特低渗透油田之一, 1997 年突破年产量百万大关, 这与其油层保护工作做得成功是分不开的。安塞油田的生产人员在进行注水作业时, 先将注入水精细过滤, 再采用亚沸浓缩、真空过滤技术, 对固体颗粒收集、分析, 小于3μm 的颗粒占85% , 成分单一, 能谱分析显示高硅质峰。岩心模拟表明,水中固体颗粒对岩心无明显伤害, 颗粒大多被过滤在岩层表面, 这与现场注入压力平稳、吸水能力稳定的动态一致。这样注水对油层的伤害很小。各油田对注水采取的具体保护措施是不一样的。除水质有一定要求外, 注水压力和流速要控制在不引起储层结构破坏和不引起固体微粒运移桥堵的范围内。

总之, 油层保护是一项系统工程, 将油层保护工作溶于每个生产过程中, 才能取得理想和长久的增产效果。2