基本介紹
油層傷害的機理,微粒因素,流體因素,油層岩石因素,毛管力因素,微生物因素,化學反應因素,產生油層傷害的工藝過程,鑽井,固井,射孔完井,懸掛式非膠結割縫管完井,防砂,生產過程,流體注入,修井和油井作業中,實施增產措施過程中,壓裂,油層傷害的防止及解除技術,結語,
油層傷害的機理
造成油層傷害的因素是極其複雜的，採取有效的防治措施的前提首先是診斷傷害類型。下面將油層傷害的機理歸類為微粒因素、流體因素、油藏岩石因素、毛管力因素、微生物因素、化學反應因素。
微粒因素
內部微粒：油層內部粘土的膨脹、運移和再沉積是油層傷害的主要因素之一。沉積中的粘土有兩個來源：碎屑粘土和自生粘土，所有類型的粘土都具有吸水特性，有的甚至會與水發生水合作用，產生膨脹Neasham(1977)將粘土按其存在形式分為三類：
①分散游離粘土，它隨機附著在孔隙表面或充填在孔隙之中；
②孔隙表面沉積粘土，以相對連續或以薄層狀態附著在孔隙表面上；
③孔隙“橋接”粘土，其以纖維狀存在. Almon和Davies(1981)將油藏中的粘土按成分分為四類：高嶺石、蒙脫石、伊利石和綠泥石，不同的粘土對地層造成的傷害機理不同。高嶺石具有微小膨脹性能，這類粘土可以釋放到流體中,若孔隙表面不重新吸附，會產生運移，因而產生的是“運移型”地層傷害；蒙脫石是膨脹型粘土,遇到淡水後能夠膨脹到原來體積的幾倍,膨脹的結果導致孔隙度降低,滲透率下降.伊利石能夠形成多種晶體結構,有時以不規則的纖維狀結構在孔隙中生長;綠泥石是強酸敏的,酸處理後同鐵的化合物作用形成沉澱.同時,砂岩油藏還存在其他微粒:如石英、長石、雲母、方解石、白雲石、菱鐵礦、氯化物和重晶石等.這些微粒同粘土微粒一樣，也會在孔隙表面沉積，在孔喉處發生“橋塞”或卡堵。外部微粒:在油田開發中，注入流體也可能含有各種微粒雜質.外部固體微粒的入侵、在孔隙內運移、孔隙表面沉積或孔喉處卡堵，也會在注入井附近產生嚴重堵塞。
流體因素
在多相流體系，Mungn(1965)發現，當孔隙中存在油、氣或者有機物附著在孔隙表面上時會降低油層傷害。Clementz(1977)提出：地層原油中重質組分吸附在岩石空隙表面上，能夠使粘土穩定，抑制油層傷害。Sarkan和Sharma(1990)認為：多相流存在時，油層傷害變弱，在水敏油層中，當油層傷害是由粘土微粒或其他微粒造成的情況，地層原油的存在減少了注入或濾失到地層中的水與孔隙表面接觸的機會，從而減少了地層微粒運移的機會。Muecke(1979)研究認為微粒的潤濕性和界面張力嚴重影響著多相體系中的微粒運移，不配伍的流體同孔隙表面接觸是導致粘土水合和地層微粒運移的主要因素。
油層岩石因素
岩石的潤濕性是油層岩石孔隙中控制流體的位置、流動和分布的主要因素。對於水濕岩石，水附著在岩石孔隙表面，占據相對較少的孔隙體積；油濕岩石情況相反。當岩石孔隙表面具有油濕特性時，水與岩石孔隙表面接觸的面積大大減少，結果地層微粒或粘土釋放到水中的量相應的減少，地層傷害減輕；油濕岩石表面也有不利的一面，因為它會使地層原油的相對滲透率降低；此外有機物質在孔隙表面的吸附和沉積也會導致油層傷害。
毛管力因素
在兩相流體系中，毛管力對微粒起到兩方面的作用：①毛管力效應導致局部壓力擾動，會使微粒流動，也會降低孔喉處微粒的“架橋”作用；②毛管力的擾動作用，會使流體攜帶微粒流動的臨界流速降低。
微生物因素
如果生產井或注水井井底適合細菌等微生物生長和繁殖的環境,微生物的大量繁殖及其分解產物也可能在井周圍產生污染，傷害油層。
化學反應因素
在油田開發中，由於溫度、壓力等因素的變化會引起油層內部本身流體組分的變化，流體與流體、流體與岩石礦物的反應，產生各種有機或無機傷害。在各種提高採收率措施(EOR)中，不配伍的外部流體也可能與油層內部流體或組成油層岩石的各種礦物發生反應產生有機或無機污染物。
產生油層傷害的工藝過程
鑽井
鑽井對油層的傷害有兩個主要來源①濾失到地層的鑽井液與油層岩石礦物的反應。②鑽井液中固體微粒的入侵，降低該類傷害可通過採用配伍的鑽井液和平衡鑽壓來實現。
固井
射孔完井
在含有固體微粒的鑽井液或完井液中或者當射孔層段井筒內流體壓力過高時,射孔砂岩地層會造成明顯的油層傷害.各種研究表明,在射孔完井過程中為了最大限度地降低油層傷害，應採取以下措施：①控制泥漿濾失②用過濾乾淨的射孔液③採用負壓射孔④射穿污染的區域⑤要有足夠的射孔密度來彌補地層的非均質性和表皮傷害⑥用乾淨管柱避免同射孔液反應生成化合物，採用兼有壓裂功能的射孔器。
懸掛式非膠結割縫管完井
在生產中流動的砂粒、粘土、膠質、瀝青質和石蠟等物質在割縫處發生聚結堵塞。用水力噴射和有機溶劑相結合的方法可清除該類型的油層傷害。
防砂
在弱膠結油層中，通常採用防砂措施來降低或消除從鑽井、完井、生產到修井等油井作業過程中導致的油層傷害。下面介紹防砂措施和有可能造成的傷害。①裸眼礫石充填：在礫石充填井中,儘管礫石充填層的滲透率值在理論上是相當高的(100～1 000μm2)，而實際上由於微粒的入侵只有理論值的幾分之一。礫石充填層就像一個傷害的表皮層。因此，低質量的礫石和不乾淨的礫石充填液是所有類型的礫石充填方式完井產生堵塞的根源。
②射孔礫石充填完井：礦場套用表明，裸眼礫石充填完井的產量要比射穿礫石層的套管完井的產量高得多.在射孔礫石充填完井方式中,大的壓力降消耗在長而細的射孔道內,較大的限制了產量。
③篩網和預製礫石充填襯管完井：採用這種完井方式用來防砂,必須慎用，因為泥質固體、地層微粒和有機沉積物非常容易發生堵塞。
④塑膠膠結完井：該方法的不利因素在於入侵微粒卡在膠結處,降低滲透率.該技術的常見失敗原因在於不能保證預處理液和膠結劑到達預定的部位。
⑤羥基鋁膠結完井：近年來該技術用來處理不太嚴重的出砂油層，其機理是在修井和增產措施中起穩定粘土的作用。但是，其稀釋或作為後置液時可能形成沉澱。
⑥蒸汽作業中的防砂:有關研究表明，礫石充填砂和地層砂在高的pH值下的蒸汽中會很快溶解,結果導致防砂失敗,近井帶處砂粒移動。
生產過程
儘管隨著油田開採的衰竭，油井的產能自然遞減。但是開發過程中的油層堵塞會加劇油井產量的衰減。生產曲線的對比、壓力恢複試井和井間對比是診斷油層傷害的通用方法。進行必要的岩心分析，對產出的流體和井下裝置及地面設備上的沉積物進行化驗分析能夠為診斷提供重要的線索。下面是常見的傷害：
(1)無機堵塞：無機垢在油層孔隙和井筒內的沉積都會導致油井產量的下降.常見的無機垢沉積物是碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鐵等不溶物質。
(2)有機堵塞：常見的有機堵塞物是石蠟、膠質、瀝青質等高分子原油組分.這些有機垢可以在井筒內部沉積,也可以在近井帶周圍沉積.膠質、瀝青質對油層的傷害機理為①堵塞孔喉;②吸附在孔隙表面,將岩石的水潤濕轉變成油潤濕特性,從而減小油相的有效滲透率;③形成乳狀液,增加流體粘度.Mansoori G A將這種沉積特性歸類為四個效應(多分散效應、膠體效應、凝聚效應和動電學效應)。清除近井帶的有機垢常用的方法是:井下加熱、向地層反擠熱油或其他解堵劑。原油中的瀝青質具有界面性和膠體化學特性,在油層孔隙內流動時會形成瀝青微粒。
(3)出砂傷害：膠結疏鬆的砂岩油層中，砂的生產不僅會加速和破壞生產設備,而且會造成地層坍塌,在這樣的稠油油田中，防砂裝置的使用會大大降低產量。
(4)熱力採油中的傷害：在注蒸汽過程中,高溫的蒸汽或水可以溶解粘土型膠結物,在流動過程中，由於溫度下降會沉積下來，在火燒油層的前緣溫度可達800℃ ,可導致油層礦物的溶解和重新組合,改變原有的沉積特性。
流體注入
①懸浮的粉砂、粘土、垢、污油和細菌等微生物傷害:注入水中的懸浮固體微粒很可能傷害油層.不配伍的水會發生化學反應形成沉澱,堵塞注水井.防止這些物質的堵塞的有效方法是:對注入水進行各種淨化處理,保證水質和進行配伍性研究。
②腐蝕物堵塞:鐵的腐蝕產物是注水過程中典型的堵塞油層岩石孔隙的物質.油層岩石傷害的程度取決於鐵的腐蝕產物數量、性質和入侵深度.缺少硫化氫而溶有氧的流體環境會生產氫氧化鐵.在含硫的環境裡,當pH值接近於7時會生成硫化鐵沉澱.在溶有氧的含酸鹽水存在時,腐蝕傷害不僅更加劇烈,而且二次反應會加劇油井堵塞。③注氣傷害：用注氣來維持油層壓力時,如果氣體壓縮機的潤滑劑在進入井口之前沒有清除掉,則會隨氣體進入油層,造成堵塞.此外,二氧化碳氣的注入驅油會出現類似於酸化導致的傷害。
④流體注入導致溫度變化引起的傷害:如果注入低溫水,則會降低油層溫度,破壞瀝青質等重質組分在油中的溶解穩定性;在注蒸汽過程中,高溫的蒸汽或水可以溶解粘土型膠結物,在流動過程中,由於溫度下降會沉積下來。
修井和油井作業中
修井液的質量嚴重影響著作業的效果.固體微粒、乳化油、化學反應產物、有機和無機物的沉積、流體的不配伍都是修井過程中造成油層傷害的因素.由於作業流體的礦化度導致的鹽敏效應和作業中過高的壓差會導致微粒的運移。另一個傷害來源是含有膠質、瀝青質和石蠟等有機物.此外作業管線中的污物、鐵鏽和污油被帶到井底,進入油層，造成堵塞.為了減小修井作業過程中的傷害,應採取如下措施：①採用配伍的修井液；②在地面進行過濾；③用能夠“橋堵”在油層孔隙處,而且在油井重新生產後輕易溶解的化學製劑來減少修井液的漏失；④通過減小井筒和油層的壓力差來減少修井液的漏失；⑤用酸和溶劑的混合物以及機械方法來清除注入管線內的雜物；⑥採用井底過濾器。
實施增產措施過程中
儘管採取增產措施的目的是提高油井的產量,而實際上增產措施過程中也伴隨著油層傷害.如果增產措施得當,那么油井的產量提高.如果傷害的一面占了主導地位,那么油井不僅不能增產,反而有所下降,或者有效期很短,產量很快衰減,不能達到預期的經濟效果。
酸化過程：①氫氟酸酸化產物可能沉澱:氫氟酸酸化砂岩油層產生堵塞的實例已有所報導[26,27].酸化過程中除了初次溶解反應外，鋁矽酸鹽的二次和三次反應生成的沉澱物也會嚴重影響著酸化效果,油層中的含鈣礦物和含鈉粘土反應後也會生成難溶沉澱.解決這些問題的措施是在注入氫氟酸之前,先用鹽酸做預處理.在酸化後及時重新投產也可以減小由於溶解後的物質重新發生沉澱導致的堵塞。然而,更通用的方法是將酸化後的工作液等生成物頂替的到油層深處。
②酸化過程中可能產生鬆散的固體:酸化過程中另一個伴隨問題是固體微粒的釋放和地層的坍塌。
③酸化反應中的有機物附著問題:酸化時常遇到的失敗是由於岩石或垢的表面附著有有機物,酸液不能與岩石或垢直接接觸。
④不乾淨的管柱導致的傷害:酸化中使用的不乾淨的管柱是污染物的一個來源。
⑤碳酸鹽岩石的微粒釋放:即使在碳酸鹽油層中，鹽酸酸化後的油井產量也會很快明顯下降,這是因為酸化過程中會有不反應的固體微粒的釋放。
⑥鐵反應物沉澱：不論何中類型的酸化處理,必須考慮到酸的反應產物.在很多情況下,油層礦物或金屬(比如鐵鏽和井的金屬設備在酸中的溶解產物)在酸反應消耗後pH值升高到中性或鹼性時,可能重新沉澱下來。
⑦膠體淤積物的堵塞:含有瀝青質原油中的瀝青物質的沉積是酸化過程中造成油層傷害的另一個來源.當原油的pH值由於酸的接觸而降低時,導致這些淤積物的生成.通過降低酸的強度,採用有機酸或用有機溶劑預處理等措施來降低酸化導致的瀝青質堵塞。
⑧深井和高溫井的堵塞:當酸化這樣的碳酸鹽油層時，鹽酸在近井帶迅速反應掉,難以實現深層酸化.用提高酸的用量可以彌補酸在近井帶的大量消耗導致的不能深層酸化。也可以用低溫的預處理液降低溫度來降低在近井帶的反應速度。此外，在熱井處理時，用有機緩蝕劑來抑制井下設備腐蝕的方法也並不可靠。甲酸、醋酸等有機酸可以用來減輕高溫下的腐蝕問題。
壓裂
水力壓裂是一種常見的增產措施.完善的設計和深層壓裂可增產10倍甚至更高的產量。增產效果的大小取決於產生的導流裂縫的質量。
①支撐物的堵塞:壓裂時經常忽視壓裂液的質量,而實際上因為壓裂液的質量產生的裂縫導流能力的影響會嚴重地影響壓裂的效果.稠化壓裂液的濃縮、難以破壞的粘稠液、膠體破壞的殘餘物、破碎的支撐劑其他濾失劑的捕集都會降低裂縫的導流能力。
②裂縫的閉合：壓裂的機理、設計(尤其是在深井中)影響著壓裂效果。通過對水力壓裂的應力分析研究表明:如果井附近的裂縫內沒有支撐物支撐，那么裂縫會閉合，嚴重影響壓裂的效果。
油層傷害的防止及解除技術
油層傷害問題的防止是非常重要的，因為許多傷害是不可逆的,即使是可逆的,將其恢復也是相當困難的，需要昂貴的經濟投入。目前採用的技術有：熱力技術、各種機械和化學防砂技術、各種防止微粒運移、粘土膨脹技術和化學溶劑、壓裂技術、水力震盪.目前,電磁波、微波、超音波等新技術用來解除油水井近井帶的堵塞。
結語
油層傷害問題，尤其是近井帶的污染、堵塞問題伴隨著整個油田開發歷史。油層傷害是複雜多樣的，油田與油田之間，甚至同一油田的井與井之間的傷害都可能存在很大的差異。要獲得最大的產能,從鑽井開始就應該採取嚴格有效的油層保護措施，對出現的油層傷害問題應該深入研究，從事油田工作的工程師、地質家、化學工作者等人的綜合研究可以獲得油層傷害的最好診斷和最佳解決途徑.然而,最大限度地降低包括生產在內的各項作業中導致的傷害問題，取決於下至操作工人上至油田開發決策者之間的每個油田工作者對油層傷害機理的認識程度和各項作業中防止油層傷害技術的套用程度以及各個環節之間的協調程度。
