注水井伤害范围及伤害程度模拟研究(编辑修改稿)

注水井伤害范围及伤害程度模拟研究(编辑修改稿)内容摘要：

度和高的 PH 值并可能含有分散剂和聚合物。 水是就地粘土扰动和在低渗透岩石中 水堵的原因。 分散剂能加剧粘土扰动或沉淀在孔隙内。 聚合物在循环静止温度下能分解并形成残渣。 高盐度的水基泥浆能产生于地层盐水反应的滤液，沉淀出各种类型的盐垢。 在高循环钻速下的地层均遭受低于地层温度的滤液侵入。 其所引起的冷却将激起石蜡或沥青质的沉淀。 水基泥浆有如此的许多缺点。 但油基泥浆的问题也十分严重。 其普遍的缺点有以下几个：① 油基泥浆相对于水基泥浆含有更多的固相颗粒。 因此，固相颗粒的侵入将更加严重。 ② 油基泥浆中分散的固相容易造成地层润湿反转，降低地层渗透率。 ③ 油基泥浆中用以稳定油包水乳化泥浆的阳离子乳化剂同时稳 定在亲油孔隙介质中已趋向形成的就地乳液。 强的乳化液堵塞在砂岩地层特别是低渗透高粘土砂岩地层注水井伤害范围及伤害程度模拟研究 7 中发生。 固井伤害 清洗液与隔离液 在注水固井过程中，第一次注水泥作业的目的在于用坚硬、致密和不渗透的水泥束密封环隙，以达到层间的完全隔离。 需要将泥浆全部排出，因此，清洗液、隔离液、套管移动及紊流一般是很有效的。 在排出泥浆的过程中滤饼可能被部分破坏，若水泥预冲洗液失水性不好，地层岩石将受到滤液侵入高压差下此侵入会增加。 为了悬浮并携带泥浆颗粒和泥饼残屑，清洗液和隔离液常含有大量分散剂。 这些液体侵入泥质 地层将导致附加的就地粘土运移和分散。 与钻井相比，注水泥作业持续时间短暂。 隔离液滤液或水泥浆滤液的最大侵入深度是几英寸，与几英尺的泥浆滤液侵入相比可以忽略。 这并不意味着失水应该忽略。 水泥浆 粗的水泥颗粒大小分布范围与高效降失水剂的应用相结合，使水泥浆颗粒及滤液侵入受到限制然而，在三种情况下渗透率伤害仍能发生。 ① 水泥浆滤液相对于高的 PH 值对地层的粘土矿物特别有害。 由水泥颗粒释放出的钙离子与井眼附近粘土进行交换十分迅速。 滤液组成改变的结果，使其成为分散性能不稳定的液体。 ② 水泥滤液与富含钙的原生水相 接触，能引起碳酸钙、氢氧化钙或硅酸钙水合物的沉淀。 ③ 超分散的水泥浆呈现水泥颗粒在水泥柱底部而水在顶部的急剧分散。 在此情况下很容易发生自由水的大量侵入。 结果可能形成显著的水堵。 挤水泥 有研究指出，挤水泥很容易对高渗透砂岩储层造成伤害。 这可以在试井中观察到，但未能得到科学的解释。 但是，挤水泥用高压则已经被认为是使地层破裂和浆液侵入的直接原因。 射孔伤害 孔眼是从地层向井筒的洗液点，在套管及射孔完井中的所有流动都必须经过这些通道。 射孔是一个附加伤害的原因。 其伤害机理如下： ① 中等正压射孔总是 压实地层，弹片进入孔眼壁，从而降低近孔眼处的渗透西南石油大学 2020 届（本科）毕业设计 8 率。 ② 由于液体中含有颗粒，中等正压射孔产生一个相似效应，并且在孔眼壁上形成一个致密的非渗透的饼。 ③ 不足够的孔眼穿透度不能避免钻井伤害。 ④ 当欠平衡压力被要求获取无伤害的孔眼时，若该压力被估计错误的话，将会限制伤害的消除。 ⑤ 低孔密限制流动。 砾石充填伤害 砾石充填伤害的主要来源有： ① 在压力起伏的过程中，砾石充填的不合理的铺置。 ② 作为不彻底孔眼清洁的结果，当铺置过程中为破胶的凝胶或地层颗粒引起伤害。 ③ 被防滤失材料侵入。 ④ 在充填中，地层砂和砾石 充填之间形成的螺纹涂料、油漆、锈及聚合物残渣。 ⑤ 在生产过程中不适当的砾石尺寸，导致砾石充填被地层颗粒侵入。 ⑥ 带缝的筛管太大。 修井伤害 修井伤害的形成原理： ① 地层岩石渗透率损坏和包括细菌和聚合物残渣在内悬浮固体使孔眼产能伤害。 ② 油滤液侵入导致：粘土膨胀和分散、水锁和乳化物堵塞，及垢沉淀。 注入水伤害 储层中的各种微粒或充填在孔壁和骨架砂的表皮上，当水驱动流体流动时，微粒受到水动力（分解为水平方向的推力、垂直方向的举升力）及自身重力等机械力，同时还受到范德力以及带电微粒表面存在双层斥力 等化学力的双重作用，并发生迁移。 在多孔介质中流体粘度、流体速度越大时，微粒越容易启动。 岩石中的空隙微粒松散的吸附在骨架砂的表面，束缚水成为保护。 在低粘油流的作用下，其破坏层带走微粒的能力较小，对储层的伤害较小。 但在高粘油流注水井伤害范围及伤害程度模拟研究 9 的作用下，由于油流对束缚水膜形成较强的剪切作用，破坏储层的物性。 对水驱产层而言，在边水、注入水的指进区内，由于微粒骨架砂表面的束缚水膜参与流动，水湿微粒由低粘单相流驱动时的不移动而变为混向驱动时的易移动。 当水驱前沿到达进井区时，流速进一步增大。 在进井区储层中，大量微粒脱落、运移，沉积后形 成桥塞，从而改变储层的物性。 由于注水过程是长期行为，与常规的钻井完井过程中的伤害相比，有它的一定特殊性。 主要表现在：易于形成深部伤害，伤害易于积累，一旦形成则损害难以解除。 因此注水过程中的储层保护必须以预防为主。 注入水对储层的伤害机理主要分为以下四类： ① 注入水与储层流体不配伍产生的垢沉淀堵塞地层（无机垢堵塞）； ② 注入水与储层岩石不配伍引起的粘土矿物膨胀 /分散 /运移损害地层； ③ 注入水中悬浮物（包括系统腐蚀产物、细菌、乳化油滴、固相微粒等）堵塞地层； ④ 速敏性地层内部微粒运移堵塞地层。 注入水与储 层流体不配伍 注水过程中，外来流体所含流体进入油气层后，层内的原始沉淀－溶解平衡被破坏而生成的、沉淀，使储层结垢；如果进入储层流体不配伍，或地层温度，压力变化了，也有可能、引起有害的物理化学反应，生成垢物质，储层孔隙内结垢是引起注水井伤害的原因之一。 在注水井－注水地层－生成井的很大区域内，注入水与地层水的混合作用以及温度、压力等热力学条件的变化导致油田不同生产部位存在不同类型结垢的可能性。 注入水在注入井井筒流动时，虽然没有水额混合作用发生，但随着深度增加，温度、压力亦相应升高；注入水进入油层后，由于热扩散 、水动力扩散及岩石非均质导致的分散作用，在注水井近井地带油层中产生一个热过渡带和油层内部某处形成一个水混合带，随注水的不断进行，水混合带向生产井方向推进；生产井近井地带和生产井井筒温度变化不大，但压力大幅度降低。 注水井温度的不断升高可能导致碳酸钙垢的形成，但压力增加同时又减弱了碳酸钙结构的趋势；注水井近井地带温度的不断升高可能导致碳酸钙垢的形成；油层内部水的混合作用也可能导致硫酸钙垢的形成；生产井近井地带以及井筒内压力的不断降低，可能导致碳酸钙的形成。 通过实验可知：当注入水与地层水混合时，在较高地层温度下 ，由于离子平西南石油大学 2020 届（本科）毕业设计 10 衡被破坏以及水的混合作用将产生结垢；油层孔隙内结垢对储层的渗透率有一定影响，对孔隙度的影响较小；油层内结垢，使大孔径孔隙数量减小，小孔径数量增加；油层孔隙内结垢程度较弱，但是对地层的伤害却不容忽视，渗透率越低，伤害程度越大。 注入水中固体悬浮物堵塞地层 油田注入水中常含有大量固体悬浮物，在注水过程中，注入水中的固体悬浮物颗粒随着注入水一起进入储层岩石孔道，从而减小或堵塞流体的渗流通道而导致储层的渗透率降低。 固体颗粒对储层造成的伤害程度与注入水中固相颗粒的粒径和含量有关。 Barkman 和 Davidson 以及 Abrams 的研究表明悬浮物的固相颗粒侵入储层遵循如下规律： ① 颗粒粒径大于地层孔喉直径三分之一时，在地层表面形成外滤饼； ② 颗粒粒径小于地层孔喉直径三分之一，但大于孔喉直径七分之一时，可侵入地层而产生桥堵，形成内滤饼，造成储层伤害； ③ 颗粒直径小于地层孔喉七分之一时，可自由通过地层，不会对地层造成伤害。 但 Eric Van Oort 等人经过进一步深入研究认为，上诉规律只有在液体流动速度超过 10cm/min 的条件下才是正确的，在液体流速较低（小于 2cm/min）的时候，颗粒直径在孔喉直径三分之 一到四分之一的范围内，仍然会在地层内桥堵而形成内滤饼，而有天固相颗粒真正可以在较低流速下自由通过地层而不造成损害，可能是那些直径大于孔喉直径十四分之一的微粒。 因此，为减小固相颗粒对储层的损害，十分必要研究固相颗粒粒径和含量对储层损害大小的影响，为注入水水质指标以及注入水处理提供科学的依据。 为此开展了注水井固相悬浮物伤害模拟研究。 通过室内实验可以获得不同渗透率油层，在不同固相颗粒直径和浓度的水质下不同注入孔隙度体积倍数下的渗透率伤害值。 由于室内实验是在小岩样上进行的，其结果不能直接用于预测注水过程矿场伤害程 度。 为了将实验结果应用于现场预测，需要研究在注水过程中室内岩样关系的颗粒堵塞与实际地层堵塞数学模型间。 室内岩样流动实验可以看作线性模型，实际地层以注水井为中心，应用径向流模型研究颗粒堵塞作用。 通过颗粒堵塞数学模型，将岩样或地层任意位置处的孔隙度表示成不同注水时间的函数，然后应用孔隙度和渗透率关系求的堵塞后的渗透率。 注入水与储层岩石不配伍 注水井伤害范围及伤害程度模拟研究 11 注入流体与储层岩石不配伍同样会造成地层伤害。 下面主要从 4 个方面来叙述其伤害机理。 （ 1）水敏性损害。 若进入储层的外来流体与储层中的水敏矿物不配伍时，将会引起这 类矿物水化膨胀、分散或脱落，导致储层渗透率下降。 储层水敏性损害的规律有： ① 当储层物性相似时，储层中水敏矿物含量越多，水敏性损害越大；② 当储层中水敏性矿物含量及存在状态均相似时，高渗透储层的水敏性损害比低渗透储层的水敏性损害要低； ③ 外来流体的矿化 ① 度越低，引起储层的水敏性损害越强； ④ 在外来流体矿化度相同的情况下，外来流体中含高价阳离子的成分越多，引起储层水敏性损害的程度越弱。 （ 2）碱敏性损害。 高 PH 值的外来液体侵入储层时，与其中的碱敏性矿物发生反应造成分散、脱落、新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体生成，导致储层渗透 率下降。 储层产生碱敏性损害的原因为： ① 粘土矿物的硅氧八面体的碱性溶液作用下，使粘土表面的负电荷增多，导致晶层间斥力增加，促进水化分散。 ② 隐晶质石英和蛋白质等较易与氢氧化物反应生成不可溶性硅酸盐，这种硅酸盐可在适当的 PH 值范围内形成硅凝胶而堵塞孔道。 （ 3）酸敏性损害。 储层酸化处理后，释放大量微粒，矿物溶解释放的离子还可能再次生成沉淀，这些微粒和沉淀将堵塞储层的孔道导致储层渗透率的降低。 造成酸敏性损害的无机沉淀和凝胶体有：氢氧化铁、氢氧化亚铁、氟化钙、氟化镁、氟硅酸盐沉淀以及硅酸凝胶。 （ 4）岩石由水润湿变成 油润湿损害。 岩石由水润湿变成油润湿后，造成的后果有：原油原来占据孔隙中间部分变成小孔隙角和吸附颗粒表面，大大地减少了油额流道，使毛细管力由原来的驱油动力变为驱油阻力。 水润湿储层转变为油润湿储层后，可使油相渗透率降低 15%— 85%。 速敏性地层内部微粒运移堵塞地层 Cariel 和 Lnamdar 通过流动实验观察到，与储层岩石配伍的流体在其流速高于临界流速时，渗透率持续下降，这种现象被称为储层流速敏感。 在注水作用中，流体在油气层中流动时，引起油气层中微粒运移并堵塞孔喉，造成油气层渗透率下降。 对于不同的 油气层，由其中微粒运移造成的损害，主要于流体流动的速度有关。 西南石油大学 2020 届（本科）毕业设计 12 从中外许多学者专家的对储层岩石速敏性研究研究可得： ① 储层速敏性伤害的机理是储层微粒运移。 对一定的储层存在一临界速度，当注水速度超过此值时，将引起微粒运移而使储层渗透率下降。 ② 从力学上分析，流速增大，水动力增大，当水动力大于微粒的范德华阴历和双电层斥力之和时，将使微粒从岩石表面脱落，随水动力运移而造成地层伤害。 ③ 地层微粒的运移，不仅仅局限于粘土矿物微粒，石英和非粘土矿物微粒运移也是造成地层伤害的因素。 ④ 对于一定的储层，流体类型不同，其临界流 速也不相同。 ⑤ 流速的改变引起微粒运移而造成的地层伤害是不可恢复的。 注水井伤害范围及伤害程度模拟研究 13 3. 注水井伤害的评价方法 注水井四性变化 根据以上论述的注水井伤害机理，不难发现造成注水井地层的伤害的因素是多方面的。 而且，伤害的程度有大有小，有的是通过补救措施补救的，而有的是永久的。 下面就伤害造成的注水井地层四性变化来进行分类叙述。 储层的物性变化 不同岩性物性变化很大，即使用同种岩性物性变化也很大，统计资料表明，储层的孔隙度、渗透率由较规则的正态分布变为不规则的双峰状分布，分布范围增大，好层与差层的渗透率极差 增大，层间矛盾进一步增大。 主要是由于注水开发后，岩石胶结较为松散，胶结物很少，薄片中的微量呈点状接触，甚至呈悬浮状接触，孔隙结构的变化使好的储层在注水开发过程中渗透率大幅度增大，从而加剧了注入水的水窜。 而一些差的储层孔隙大小一般很少发生变化，甚至优于水敏性使渗透率降低，结果是好层更好，差层更差，从而增大了层间的渗透率极差，层间矛盾加剧。 储层的电性变化 电性参数主要是指自然电位、自然伽马、声波时差。 对比发现储层岩电性的关系与开发初期基本相似，仅自然电位、自然伽马对岩性参数的影响较大；这主要于注入 水的储层的长期冲刷，使储层中粘土矿物的结构和分布发生变化有关。 储层的含油性变化 通过岩芯的观察，可以看出微粒较粗的岩石含油性好，微粒较细的岩石含油性差，如含砾细砂岩、细砂岩、含砾粉砂岩等大多为油侵，泥质粉砂岩主要以油迹、油斑为主。 另外，同一岩性常常对应不同的含油级别，如粉砂岩的含油性好中差都可以在同一岩芯中看到。 储层的润湿性变化。