屏蔽暫堵劑在儲層中的應用

屏蔽暫堵劑在儲層中的應用

在鉆井過程中，井液和地層之間形成的正高差可以導致大量的固相顆粒和外部液體進入存儲層，從而降低地層的滲透性，降低油氣井的產量。鉆井過程中固相對儲層的傷害率可高達90%,侵入深度可達1.5m,濾液對儲層的傷害率可達40%,傷害半徑可達4m,這樣嚴重的傷害僅靠射孔是難以解除的。設計防止濾液和固相顆粒侵入的無傷害鉆井液的關鍵,是通過具有一定粒徑分布的固相顆粒在地層表面橋堵,形成一層滲透率幾乎為零的泥餅,阻止濾液和固相顆粒入侵。這需要利用地層孔喉參數選擇適當的暫堵劑粒徑分布。然而該技術在現場應用中由于暫堵劑粒徑選擇不當,或未考慮暫堵劑粒徑與儲層孔隙之間的匹配,往往不能達到預期效果。因此,有必要尋找科學合理的暫堵劑優(yōu)選規(guī)則,建立暫堵劑粒徑與儲層孔隙的最佳匹配關系,使該技術能產生理想的暫堵和保護儲層效果。1暫堵劑最佳粒徑分布的優(yōu)化暫堵技術是保護油氣層技術的核心內容之一。Abrams20世紀70年代后期針對保護油氣層的鉆井液首次提出的著名的“1/3架橋規(guī)則”,一直是選擇橋堵顆粒粒徑和濃度的基本指導方法,但是,該規(guī)則只說明了能夠起到架橋作用的粒徑值,并沒有對粒徑分布進行優(yōu)化。此后許多人在該規(guī)則基礎上進行深一步研究,力圖尋找更為簡便和有效的方法,期望找到暫堵劑最佳粒徑分布。目前,在國內發(fā)展和應用較為成熟的暫堵理論和技術是:屏蔽暫堵技術和屏蔽暫堵分形理論。1.1屏蔽暫堵劑的篩選20世紀90年代初,羅平亞和羅向東等人提出了屏蔽暫堵技術。他們認為,暫堵顆粒應由起橋堵效果的剛性顆粒和起充填作用的可變形粒子及軟化粒子組成。通常使用的剛性顆粒為各種粒度的碳酸鈣;常用可變形粒子為油溶性樹脂;常用軟化粒子為石蠟和磺化瀝青等。進一步研究表明,當架橋顆粒平均粒徑等于儲層孔隙平均直徑的2/3,軟化粒子和充填粒子的粒徑等于儲層孔隙平均直徑的1/3～1/4時,橋堵效果最佳、最穩(wěn)定;應按“3%剛性粒子+1.5%充填粒子+1%～2%軟化粒子”的規(guī)則,來確定各類暫堵劑比例。屏蔽暫堵技術是一種易實施的保護油氣層技術,已得到了廣泛使用。根據已知的儲層孔喉尺寸及其分布特點,將鉆井液中固相顆粒的粒級調整到與之相匹,并利用鉆井液的凈壓差,使鉆井液中的固相顆粒在很短的時間內對儲層極淺部位產生嚴重堵塞,使儲層滲透率急劇下降至一個很小的值。這不僅能有效地防止鉆井液中固相和液相進一步侵入儲層,而且為防止后續(xù)工作液對儲層的損害創(chuàng)造良好條件。由此可見,實施屏蔽暫堵技術的關鍵,在于儲層孔隙與鉆井液中暫堵劑顆粒在粒徑及其分布上的合理匹配,即根據儲層孔隙特性優(yōu)選暫堵劑。屏蔽暫堵技術初步解決了儲層孔隙尺寸與暫堵劑顆粒粒徑匹配的問題,并首次提出屏蔽暫堵劑應由3種分別起不同作用的顆粒復配而成的新觀念。但該理論只能粗略地決定暫堵劑顆粒粒徑分布,在一定程度上屬于經驗性的選擇,仍然不能解決暫堵劑粒徑分布與孔喉尺寸分布的最佳匹配問題。1.2暫堵劑顆粒粒徑幾何分布分維值的解釋20世紀90代末,崔迎春等人提出了屏蔽暫堵分形理論。該理論采用分形幾何方法,利用儲層砂巖的孔隙分布和暫堵劑尺寸分布的自相似性,來選擇合理的暫堵劑顆粒尺寸。他認為:儲層的孔隙分布和暫堵劑顆粒的粒徑分布均具有自相似性。儲層孔隙分布的分維值表示砂巖孔隙在空間分布的復雜程度,能夠較好地反映孔隙的真實分布情況;同樣暫堵劑顆粒粒徑幾何分布分維值亦能表示顆粒粒徑分布的復雜程度,能較好地反映顆粒粒徑的真實分布情況。因此可以根據儲層砂巖孔隙分布的分維值,選取具有相同或相近顆粒分布分維值的暫堵劑,作為此儲層優(yōu)選的暫堵劑。屏蔽暫堵分形理論對于合理選擇暫堵劑顆粒的粒徑及其分布有很大突破,但仍沒有考慮天然儲層不同層段的差異性,在應用中一般僅選擇單一的典型巖心來描述儲層情況,因而不能客觀地描述整個儲層的分布特點。在屏蔽暫堵分形理論的基礎上,吳彬等人運用分形理論建立了屏蔽暫堵技術最優(yōu)化理論。該理論最關鍵的一步是查明需要保護的儲層砂巖孔喉尺寸及其分布,建立分形模型,用分形維數來表述孔喉分布的復雜性。應用該理論優(yōu)選的屏蔽暫堵方案有較理想的效果,可有效地避免儲層受到嚴重損害,但相當復雜,其現場應用受到了限制。2泥餅的形成過程保護儲層暫堵技術的著眼點是使儲層井壁上快速形成致密的、油井投產前易于清除的泥餅。泥餅形成過程除受壓差和環(huán)空流速影響外,還與鉆井液中各種顆粒的粒徑和堆積情況密切相關。優(yōu)選暫堵劑顆粒粒徑的理想充填新方法是在研究連續(xù)粒徑顆粒堆積效率的基礎上提出的。2.1模型參數d的計算人們實際接觸的顆粒體系多屬顆粒粒度連續(xù)分布的體系,因此有必要建立相應的數學模型來描述連續(xù)分布顆粒體系的堆積特性。目前最常用的粒度分布模型有:Rosin-Rammler模型、Gaudin-Schuhmann模型及Alfred模型。Rosin-Rammler粒度分布模型的數學表述式為R=exp-(d/de)n(1)式中d為任意粒徑;R為大于粒徑d的粒級含量;de為特征粒徑,等于R=0.368相對應的粒徑;n為模型參數。Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的數學表達式為y=(d/dL)n(2)式中y為小于粒徑d的粒級含量;dL為顆粒體系中的最大粒徑。Alfred粒度分布模型是對Gaudin-Schuhmann模型的改進。因為在式(2)中,當d=0時無定義,故改為y=(dn-dnS)/(dnL-dnS)(3)式中dS為顆粒體系中的最小粒徑。對于連續(xù)粒度分布的顆粒體系,其堆積效果是很難用解析法求解的,故多采用物理實驗方法或計算機模擬方法求解,也可將不連續(xù)粒度顆粒堆積計算方法推廣到連續(xù)粒度分布上去求近似解。Andreason用實驗方法確定,對于服從Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的顆粒體系,當模型參數n=0.3～0.5時有最高的堆積效率。Suzuki等人將多種離散粒度顆粒堆積的計算方法推廣至連續(xù)粒度分布,得出對于服從Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的顆粒體系,當模型參數n=0.5～0.8時有最緊密的堆積。Funk推導出凡是滿足Alfred粒度分布模型的顆粒體系,當模型參數n=0.37時有最高的堆積效率。2.2暫堵劑顆粒粒度分布的優(yōu)化針對目前暫堵技術的局限性,尤其是在高滲儲層保護方面的局限性,近年來國外學者在連續(xù)分布粒度顆粒堆積理論基礎上提出了理想充填理論和d90規(guī)則,力求達到理想的暫堵和保護儲層的效果?！袄硐氤涮睢钡暮x是:對于保護儲層的鉆井液,需要根據孔喉尺寸加入具有連續(xù)粒徑序列分布的暫堵劑顆粒,來有效地封堵儲層中大小不等的孔喉,以及暫堵顆粒之間的孔隙。只有形成這種合理的粒徑序列分布,才能確保形成濾失量極低的致密泥餅。一般情況下,鉆井液中暫堵劑顆粒的粒徑大小與顆粒累積體積分數之間的關系曲線在半對數坐標上呈現S形。這種典型只表明顆粒的粒徑分布范圍,并不能說明顆粒橋堵形成泥餅的充填效率。Kaeuffer首先將涂料工業(yè)的前期研究成果推廣應用于石油工業(yè),提出了暫堵劑顆粒的“理想充填理論”(idealpackingtheory),又稱作d1/2理論。他假設鉆井液中的暫堵顆粒服從Gaudin-Schuhmann粒度分布模型,并通過物理實驗及計算機模擬計算,得出模型參數n=0.5時有最高的堆積效率。也就是說,當暫堵劑顆粒累積體積分數與粒徑的平方根(d1/2)成正比時,可實現顆粒的理想充填。Hands等人依據“理想充填理論”,進一步提出了便于現場實施的d90規(guī)則,即當暫堵劑顆粒在其粒徑累積分布曲線上的d90值(指體積占90%的顆粒粒徑小于該值)與儲層的最大孔喉直徑或最大裂縫寬度相等時,可獲得理想的暫堵效果。根據d90規(guī)則,我們建立了對暫堵劑顆粒粒徑進行優(yōu)化選擇的圖解法,方法如下:(1)選用具有代表性的巖樣進行鑄體薄片分析或壓汞測試,測出儲層最大孔喉直徑(即d90)。d90也可從孔喉尺寸累計分布曲線上讀出。(2)若無法得到最大孔喉直徑(如探井),則可用儲層滲透率上限值進行估算,即(kmax)1/2≈d90。若已知儲層平均滲透率,可先確定d50,即(kav)1/2≈d50。然后將(d50)1/2與坐標原點的連線延長,用外推法求出d90。(3)在暫堵劑顆粒累計體積分數～d1/2坐標圖上,將原點與d90點之間的連線作為基線。優(yōu)化設計的暫堵劑顆粒粒徑的累計分布曲線越接近基線,則顆粒的堆積效率越高,形成的泥餅的暫堵效果越好。從圖1可見,具有某種粒度分布特征的單一暫堵劑很難與目標線相匹配。通過將兩種或兩種以上不同粒度分布的暫堵劑按一定比例混合,就可使顆粒粒徑的累計分布曲線與基線基本重合,得到理想的暫堵方案。經驗表明,考慮到暫堵劑在環(huán)空的剪切磨損,復配暫堵劑的最優(yōu)粒度分布曲線可略靠儲層目標線的右側(寧右勿左)。在鉆井過程中剪切作用會造成鉆井液中固相顆粒的粒度分布曲線逐漸向左漂移。當移至基線的左側時,應適當添加大粒徑的暫堵劑進行調整。3儲層暫堵劑粒徑分布的優(yōu)化與傳統方法相比較,本研究建立的優(yōu)選方法具有明顯的優(yōu)越性。傳統方法僅依據儲層的平均孔喉尺寸來選擇暫堵劑顆粒的粒度中值,而未考慮孔喉的非均質性和某些大孔喉對滲透率的貢獻,也未對完整的暫堵劑粒徑分布序列進行優(yōu)化。根據Smith等人的研究結果,儲層中較大孔喉對滲透率的貢獻值相當大,而一些較小孔喉對滲透率幾乎沒有貢獻(見圖2),對于典型的高滲透砂巖儲層,最大的30%的孔喉對滲透率的貢獻值大約為85%。顯然,采用傳統方法將不可避免地使鉆井液中的固相和濾液通過較大孔喉進入儲層內部,對較大孔喉造成傷害,而且這種傷害是難以恢復的。新方法利用一組完整的暫堵劑粒徑分布序列對各種尺寸的孔喉實施暫堵和保護,尤其是對較大孔喉的重點保護,以最大限度地降低鉆井液對地層的傷害。4復配暫堵劑鉆井液損害評價由某油田檢4井的壓汞法毛管壓力曲線得到的孔喉數據計算得出,儲層的平均孔喉半徑約等于4.65μm(見表1)。先繪制儲層的基線(見圖3),對照基線和各種常用暫堵劑產品的顆粒粒徑分布(見表2),選出3種具有不同粒徑分布的CaCO3。應用所研制的智能化配套軟件計算出最優(yōu)化混合質量比為:300目∶600目∶1000目=50∶34∶16。從圖3可見,該復配暫堵劑的粒徑分布曲線與基線十分貼近?？紤]到環(huán)空流速對暫堵劑顆粒的剪切作用,適當增加了大顆粒所占比例,使粒度分布曲線略微偏右,最后