產油層保護

產油層保護是指針對作業過程中油層污染和油層岩石學潛在損害，對產油層傷害靜態機理診斷分析、動態流動試驗敏感性分析以及研製合理的保護油氣層的具體措施等技術。

基本介紹

• 中文名：產油層保護
• 外文名：protection of pay zone
• 學科：石油工程
• 發展歷程：19世紀50年代開始
• 內容：岩心分析、鑽完井等八項
• 分類：壓裂、酸化、開發過程中保護工作

發展歷程

在鑽井、完井、井下作業及油氣田開採全過程中，造成油氣層滲透率下降的現象通稱為油氣層損害。油氣層損害的實質包括絕對滲透率下降和相對滲透率下降。我國石油工作者早在50年代就開始注意到此問題，川中會戰時，就提出鑽井液密度不宜過高，以免壓死油氣層。60年代大慶會戰時，為了減少對近井地帶的油氣層損害，對鑽開油氣層鑽井液的密度和濾失量也提出了嚴格要求。

70年代，國外開始從分析油氣層岩心入手來研究油氣損害的機理和防治措施，並將試驗室研究成果套用於油氣田鑽井、完井和開發方案的設計及生產實踐中，形成了保護油氣層的系列技術。

長慶油田在70年代開始進行了岩心分析和敏感性分析，但由於受到儀器與技術條件限制，再進一步深入下去有困難。直到80年代，在引進國外保護油氣層技術的基礎上，我國才全面開展了保護油氣層技術的研究工作，並在“七五”期間將保護油氣層鑽井完井技術列為國家重點攻關項目，原中國石油工業部科技司、開發司、鑽井司共同組織遼河、華北、長慶、四川、中原等五個油田和石油大學、西南石油學院、江漢石油學院、石油勘探開發科學研究院、工程技術研究所等單位共同進行攻關，使我國保護油氣層技術不僅在理論研究上，而且在生產實踐中均取得較大進展，形成了適合我國的保護油氣層系列技術。“八五”期間，此項技術得到進一步推廣套用和發展，並取得較好的效果。

重要性

保護油氣層是石油勘探開發過程中的重要技術措施之一，此項工作的好壞直接關係到勘探、開發的效果。保護油氣層的重要性有以下幾方面。

1、勘探過程中，保護油氣層工作的好壞直接關係到能否及時發現新的油氣層、油氣田和對儲量的正確評價探井鑽井完井過程中，如沒有採取有效的保護油氣層措施，油氣層就可能受到嚴重損害，使一些有希望的油氣層被誤判為乾層或不具有工業價值，延誤新的油氣田或油氣層的發現。例如遼河榮興油田，1980年之前先後鑽了9口探井，均因油氣層受到損害而誤判為沒有工業價值。1989年，重新鑽探此構造，採用保護油氣層配套技術，所鑽17口井均獲得工業油流，鑽探結果新增含油氣面積18.5km²，探明原油儲量上千萬噸，天然氣幾十億立方米。

2、保護油氣層有利於油氣井產量及油氣田開發經濟效益的提高保護油氣層配套技術在鑽井完井過程中套用，可減少對油氣層的損害，從而提高油氣井產量。“七五”期間，我國在中原、遼河、華北、長慶等油區的13個油田試驗此項配套技術，油氣井產量普遍有所提高。1993年，禁止暫堵鑽井液在13個油區1383口井上推廣套用，油井產量亦得到較大幅度的提高。對於一個新投產的油田，進行鑽井與開發方案總體設計時，能否按系統工程配套地套用保護油氣層技術，直接影響該油田的經濟效益。如吐哈溫米油田是一個低滲油田，依據開發方案設計，完井後需採用壓裂投產。但該油田所鑽的167口開發井，從鑽井到完井投產，全面推廣套用與該油田油層特性相配伍的保護油層技術，射孔後全部井自噴投產，單井產量比原開發方案中設計產量提高/20%～30%。

3、油田開發生產各項作業中，搞好保護油氣層有利於油氣井的穩產和增產在油氣開採的漫長過程中，各項生產作業對油氣層的損害不僅會發生在近井地帶，往往還涉及到油氣層深部，影響油氣井的穩產。例如，北美州阿拉斯加普魯德霍灣油田，投產後/6個月發現部分油井的年產量以50%-70%快速遞減。分析其原因是射孔和修井時採用了氯化鈣鹽水作為射孔液和壓井液，由於氯化鈣與油氣層中的地層水發生作用形成水垢堵塞油層，引起油井產量急劇下降。我國部分油田在開採過程中也出現過油井產量在壓井作業後下降，表皮係數上升的現象。

主要內容

保護油氣層技術主要包括以下八方面內容：

(1)岩心分析、油氣水分析和測試技術;

(2)油氣層敏感性和工作液損害室內評價試驗技術;

(3)油氣層損害機理研究和保護油氣層技術系統方案設計;

(4)鑽井過程中油氣層損害因素和保護油氣層技術;

(5)完井過程中油氣層損害因素和保護油氣層及解堵技術;

(6)油氣田開發生產中的油氣層損害因素和保護油氣層技術;

(7)油氣層損害現場診斷和礦場評價技術;

(8)保護油氣層總體效果評價和經濟效益綜合分析技術。

上述八方面內容構成一項配套系統工程，每項內容是獨立的，但彼此又是相關聯的。

技術特點

1、保護油氣層技術是一項涉及多學科、多專業、多部門並貫穿整個油氣生產過程中的系統工程。

從鑽開油氣層、完井、試油、採油、增產、修井、注水、熱采的每一項作業過程中均可能使油氣層受到損害，而且如果後一項作業沒搞好保護油氣層工作，就有可能使前面各項作業中的保護油氣層所獲得的成效部分或全部喪失。因此保護油氣層技術是一項系統工程，此項工程涉及地質、鑽井、測井、試油、採油、井下作業等多個部門，只有這些部門密切配合，協同工作，正確對待投入與產出，才能收到良好效果。

要開展此項系統工程中各項技術的研究，必然涉及到礦物學、岩相學、地質學、油層物理、鑽井工程、試油工程、開發工程、採油工程、測井、油田化學和計算機等多種學科專業，只有充分運用這些學科的相關知識與最新研究成果，才能形成高水平的保護油氣層配套技術。

2、保護油氣層技術具有很強的針對性

保護油氣層技術的研究對象是油氣層，油氣層的特性資料是研究此項技術的基礎。由於不同的油氣層具有不同的特性，因此從油氣層特性出發研究出的保護油氣層技術也具有很強的針對性。儘管油氣層特性有共同點，其損害機理與防治措施也有共性之處。但不同類型油藏和油氣層的特性又有許多不同之處；即使同一個油氣層，如處於不同開發階段，其特性參數亦會發生變化；此外，相同作業在不同工況下所誘發的油氣層損害也不完全相同。因此在確定每項作業的保護油氣層技術措施時，應依據所研究的油氣層處於不同開發階段的特性來確定，否則會得到相反效果。

3、保護油氣層技術在研究方法上採用三個結合保護油氣層技術在研究方法上採用三個結合：微觀研究與巨觀研究相結合；機理研究與套用規律研究相結合；室內研究與現場實踐相結合。

技術思路

1、保護油氣層系統工程的主要技術思路可歸納為五個方面：

(1)分析所研究油氣層的岩石和流體特性，以此為依據來研究該油氣層的潛在損害因素與機理。 (2)收集現場資料，開展室內試驗，分析研究每組油氣層在各項作業過程中潛在損害因素被誘發的原因、過程及防治措施。

(3)按照系統工程研究各項作業中所選擇的保護油氣層技術措施的可行性與經濟上的合理性，通過綜合研究配套形成系列，納入鑽井、完井與開發方案設計及每一項作業的具體設計中。

(4)各項作業結束後進行診斷與測試，獲取油氣層損害程度的信息，並評價保護油氣層的效果和經濟效益。然後反饋給有關部門，視情況決定是否繼續研究改進措施或補救措施。

(5)計算機預測、診斷、評價和動態模擬。

2、研究每項具體作業時應注意堅持以下五項原則：

(1)依據油氣層特性選擇入井工作液(如鑽井液、水泥漿、射孔液、壓井液與修井液等)的密度、類型和組分，降低壓差，縮短浸泡時間，控制其液相和固相顆粒儘可能不進入或少進入油氣層。如不能完全控制住，則要求所採用的工作液與油氣層岩石和流體相匹配，儘可能不要誘髮油氣層潛在損害因素或者控制工作液進入油氣層的深度，並控制進入油氣層工作液的組分，力求在油氣井投產時可使用現代物理或化學方法加以解堵。

(2)進行各種測試和採油作業時，應選擇合理的壓差，防止油氣層中微粒運移、乳化、細菌及結垢堵塞、水鎖、出砂和相滲透率的降低。

(3)油氣田開發生產過程中，為了增加油氣層能量和驅替效果，必須向油層中注入各種流體，這些流體應力求與油氣層岩石和地層中流體相配伍，減少對油氣層的損害，使之有利於油、氣的采出。 (4)保護油氣層技術儘可能立足於以預防為主，解堵為輔。由於油氣層滲透率和孔隙度一旦受到損害，很難完全恢復，有些損害無法進行解堵。部分油氣層受到損害後，即使可以解堵，但所花費的費用也很高。

(5)優選各項保護油氣層技術時，既要考慮各項技術的先進性與有效性，更重要的是要考慮其經濟上的可行性。

保護技術分類

鑽井完井中的產油層保護工作

1 . 優選鑽井液完井液體系

使用保護油層的鑽井液、完井液是鑽井完井中保護油層的重要措施。國內外對鑽井液完井液的優選進行了大量的研究。目前我國鑽井液、完井液及處理劑已成體系, 共研製出28 種滿足各類油藏保護油層的配方。美國新近研製出新一代鑽井液與完井液———銫鹽液。它具有比普通鹽水、合成油基泥漿、溴化鋅泥漿更優良的特性, 能承受井的高溫、高壓,對產油層無損害, 同時可提高機械鑽速。它還有利於環保, 對油田所用金屬和弱性材料無任何腐蝕性, 對用戶無害。

銫鹽液作為新一代技術, 對人體無害, 且有利於環境保護, 可在提高生產率的同時, 提高機械鑽速, 降低總的鑽井成本及開發成本, 並使原來不可能鑽的井成為可能。銫鹽水鑽井液與完井液即將投入油氣開發市場。

2 . 禁止暫堵技術

“禁止式暫堵技術” 適合於各類儲層保護工作。此項技術是西南石油學院經過幾年的刻苦攻關, 於1990 年在國內外首次提出的高水平保護儲層技術。它的基本原理是: 在鑽井液中加入與孔喉直徑相匹配的不同類型和大小的固相粒子, 利用油氣層被鑽開時鑽井液液柱壓力與油氣層壓力之間的壓差, 於極短時間內這些固相粒子進入油氣層孔隙喉道, 在井壁附近形成一個滲透率幾乎為零、厚度(1～10 cm) 能被射孔彈穿透的緻密薄禁止環,阻止鑽井液侵入污染地層, 從而達到保護油氣儲層的目的。它成本低、施工簡單、易於推廣, 可不考慮儲層類型、粘土含量、完井液體系和性能的影響。此技術一經研究出來就在各油田迅速推廣開來, 取得了顯著的經濟效益。現在幾乎所有的油田都採用這種技術來保護油層。新疆、江蘇等油田逐步形成了以螢幕暫堵技術為主的油層保護綜合配套技術。1995 年吐哈油田將此項技術改進最佳化之後用於探井的儲層保護工作中。

3 . 採用負壓鑽井等技術來減輕油層傷害, 提高產能

負壓鑽井就是在保持井內靜液柱壓力低於地層孔隙壓力的條件下進行鑽進。負壓鑽井主要有以下幾方面優點: 降低過平衡壓力鑽井時鑽井液對產層的各種損害, 尤其是在水平井中用負壓鑽井技術更有意義; 減少或避免了井漏、壓差卡鑽等事故的發生; 延長鑽頭壽命, 提高機械鑽速, 降低鑽井成本; 在鑽井的同時能通過試井評價產層的生產能力和地層的性質, 有利於迅速發現和保護油氣層, 有利於提高油氣產能。

早在20 世紀50 年代, 美國和加拿大就開始套用負壓鑽井技術。直到80 年代旋轉防噴器和電磁遙測工作用於現場後, 負壓鑽井技術才逐漸完善, 並於90 年代在全世界範圍內迅速展開。我國於20 世紀80年代開始進行負壓鑽井。1994 年, 中原油田將負壓鑽井套用於高壓低滲和低壓易漏地層的勘探中, 對探井白21 井和毛8 井實施了負壓鑽井, 成功地實現了可控負壓、邊噴邊鑽,避免了鑽井液對產層的各種損害, 大大提高了機械鑽速( 在相同井段約比鄰井提高4 倍) ,消除了壓差卡鑽和井漏事故, 同時獲取了可靠的地質資料, 求得了真實的產能。

4 . 水敏性儲層損害預測及保護的專家系統

油層保護工作應以預防為主。以往的評價儲層損害方法不僅工作量大, 且時間長, 同時需要各學科專家、學者一起研究討論, 才能確定一套合理的保護方案, 不僅費時費力,也延緩了油田開發進程。而隨著計算機技術的發展, 人工智慧技術的日臻成熟, 專家系統技術已在各領域得到了廣泛套用。鑒於該領域存在的問題, 開發低滲儲層損害預測及保護的專家系統是可行的, 也是必然的。

5 . 射孔完井過程中的油層保護技術

射孔完井是目前開發井採用的一種主要完井方法。先進的射孔方法可以減輕對油層的損害。

20 世紀80 年代以來, 我國射孔技術迅速發展, 在大量推廣清水過油管射孔技術的同時, 開展了負壓射孔、優質射孔液的現場試驗。目前最佳化射孔設計、油管輸送式射孔、射孔測試聯作技術已大量套用並實現了國產化。國內開展的深穿透水力射孔技術, 是適用於低滲透油田改造和處理油水井污染堵塞的高效增產、增效手段。與射孔彈射孔相比, 它有以下優點: 孔眼長而大; 孔眼無污染; 套管強度受損小。它適用於因鑽井、完井、井下作用及長期採油和注水生產造成的近井帶污染堵塞的油水井解堵。

壓裂生產過程中的產油層保護技術

低滲透油田自然滲透能力差, 一般都需要進行油層改造改變滲流能力以提高產能。但是, 油層改造的同時難免對油層造成二次傷害。因此, 立足油層改造的同時要重視和搞好油層保護工作, 將二次傷害降到最低。20 世紀80 年代中後期至90 年代以來, 俄、美等國研究開發出既能消除或減輕地層傷害, 又能防止再次傷害的新型地層處理技術。下面主要介紹幾種有效處理低滲油層的技術。

1 . 高砂比壓裂技術

高砂比壓裂技術是改造低滲透和特低滲透油層的有效措施, 使用該技術進行初次壓裂和重複壓裂, 均能收到顯著效果。其特點是裂縫受到支撐砂支撐的高度和長度大, 可產生高導流能力的寬裂縫, 減少微粒對裂縫導流能力的影響, 並克服了支撐砂嵌入問題, 從而使油井增產的倍數高, 有效增產時間長。北WORLD ESTAS 油田的一口井用普通方法壓裂日產油量為50 桶, 用本方法壓裂後日產油量為120 桶, 提高2.4 倍。

2 . 高能氣體壓裂技術

高能氣體壓裂技術是新近發展起來的現代壓裂技術, 通常有爆炸壓裂和燃燒壓裂。該方法特別適用於水力壓裂可能無效的特低滲性、地層岩石相當堅硬的油氣層和不宜採用水力壓裂的水敏性油氣層的裸眼井壓裂。該技術工藝簡單、成本較低、污染小, 普遍用於降低或清除近井地帶的傷害。

3 . 複合壓裂技術

複合壓裂技術是20 世紀80 年代末國外研究開發的一項新型增產、增注技術。它將高能氣體壓裂與水力壓裂相結合, 先對地層進行高能氣體壓裂, 在目的層壓開多條徑向裂縫, 然後進行水力壓裂延伸這些裂縫, 得到多條足夠長的有支撐劑支撐的裂縫。它集中了高能氣體壓裂與水力壓裂技術的優點, 具有廣闊的套用前景。該項技術在歐洲進行過壓裂充填處理的兩口低滲透油井(A1 和A2 ) 和西非進行過壓裂處理的兩口低滲透油井(B1 和B2) 以及進行過壓裂處理的三口低到中滲透的氣井(C1、C2 和C3) 中進行了複合壓裂現場試驗, 均取得了良好的效益。B1 井日產油量由250 桶增至2200 桶。

4 . 乾式壓裂

現在國外採用一種新型的不傷害地層的新技術“ 乾式壓裂”。該壓裂技術在作業時採用二氧化碳混砂機將支撐劑混入液態二氧化碳流。它不需要任何傳統的攜砂液攜砂, 因而不會有傷害性流體進入生產層, 對水敏性地層幾乎不會造成傷害。美國近期在泥盆系頁岩中對這項技術進行了對比試驗。試驗井數15 口, 其中4 口井用二氧化碳和砂處理, 7 口井用不帶支撐劑的氮氣處理, 4 口井用氮氣泡沫加支撐劑完井。37 個月之後, 用二氧化碳加砂處理的井其單井產量是用氮氣處理井的2 倍、泡沫處理井的4 倍, 增產效果相當明顯。

近幾年, 在壓裂液的篩選研製方面也有了突飛猛進的發展。如對於強水敏性油氣層,使用水基壓裂液會使粘土礦物膨脹、運移, 堵塞地層孔隙, 對地層滲透率造成很大的傷害, 起不到增產的目的。同時, 對於地層壓力係數較低的低壓低滲透油氣藏, 使用水基壓裂液時排液相當困難, 使油井不能投產, 可能會造成油氣井壓死的危險。使用油基壓裂液就避免了這些缺點。勝利油區採用新型柴油基凍膠壓裂液對純梁採油廠5 口井進行了壓裂, 取得了較好的壓裂效果。俄羅斯新近研製成功了一種烴類凝膠, 它包括以下組分: 成膠劑、活化劑、絡合劑和破膠劑。其中成膠的烴類液體可用煤油、柴油、凝析油和其他石油餾分。

酸化生產過程中的產油層保護

20 世紀80 年代發展起來的酸化技術是通過復配、改性或重新合成高性能的產品, 使之更能滿足複雜地層的需要。現在國內外都套用暫堵酸化技術, 它是常規酸化工藝的一個改進, 對地層沒有傷害, 適用於多層段、薄夾層、層間物性變化較大以及井下套管變形或井斜過大、不能下封隔器進行分層酸化的井。該技術可實現一次施工, 達到多層同時被改造的目的。

河南油田1994 年對暫堵酸化技術立項, 1995 年開始在現場實施, 現場施工24 口井77 個層段, 有效成功率97 . 6% , 累計增加注水量55 . 692 m3/ d , 創效益4817 . 9×104 元。

美國BJ 公司近年來開發了一種用於砂岩儲層酸化作業的新型酸液———砂岩酸。與土酸和緩速酸相比, 這種新型酸液具有反應速度慢、粘土溶解度小、石英溶解能力強、不利影響( 如二次沉澱) 小、腐蝕性低、安全性較高等優點。新的砂岩酸採用一種膦酸絡合物取代鹽酸水解氟化鹽。這種絡合物有5 個氫離子, 會在不同的條件下分解, 被稱為“HV”酸。HV 酸與氫氟化銨混合後便生成膦酸銨鹽和氫氟酸, 這就是砂岩酸。該酸液適用於各種滲透性地層改造。印度尼西亞的一口低滲透油井岩性非常複雜, 幾乎不能進行任何酸化增產措施, 日產油量僅為110 桶(僅占初始量的17%) , 含水率為68%。採用砂岩酸酸化之後直至今日, 平均日產液量為380 桶, 油產量增長了71% , 含水率為50%。

目前砂岩酸已在國外大量投入使用, 並取得了較好的增產效果。我國的低滲透油氣藏大多是砂岩油氣藏, 砂岩酸在我國有廣闊的套用前景。

注水過程中的油層保護工作

注水保護儲層的關鍵在於合格的注水水質。目前一般對注入水進行除氧、防垢、防腐、防膨、淨化等嚴格過濾和化學處理。安塞油田是我國的特低滲透油田之一, 1997 年突破年產量百萬大關, 這與其油層保護工作做得成功是分不開的。安塞油田的生產人員在進行注水作業時, 先將注入水精細過濾, 再採用亞沸濃縮、真空過濾技術, 對固體顆粒收集、分析, 小於3μm 的顆粒占85% , 成分單一, 能譜分析顯示高矽質峰。岩心模擬表明,水中固體顆粒對岩心無明顯傷害, 顆粒大多被過濾在岩層表面, 這與現場注入壓力平穩、吸水能力穩定的動態一致。這樣注水對油層的傷害很小。各油田對注水採取的具體保護措施是不一樣的。除水質有一定要求外, 注水壓力和流速要控制在不引起儲層結構破壞和不引起固體微粒運移橋堵的範圍內。

總之, 油層保護是一項系統工程, 將油層保護工作溶於每個生產過程中, 才能取得理想和長久的增產效果。