屏蔽暂堵剂在储层中的应用

屏蔽暂堵剂在储层中的应用

在钻井过程中，井液和地层之间形成的正高差可以导致大量的固相颗粒和外部液体进入存储层，从而降低地层的渗透性，降低油气井的产量。钻井过程中固相对储层的伤害率可高达90%,侵入深度可达1.5m,滤液对储层的伤害率可达40%,伤害半径可达4m,这样严重的伤害仅靠射孔是难以解除的。设计防止滤液和固相颗粒侵入的无伤害钻井液的关键,是通过具有一定粒径分布的固相颗粒在地层表面桥堵,形成一层渗透率几乎为零的泥饼,阻止滤液和固相颗粒入侵。这需要利用地层孔喉参数选择适当的暂堵剂粒径分布。然而该技术在现场应用中由于暂堵剂粒径选择不当,或未考虑暂堵剂粒径与储层孔隙之间的匹配,往往不能达到预期效果。因此,有必要寻找科学合理的暂堵剂优选规则,建立暂堵剂粒径与储层孔隙的最佳匹配关系,使该技术能产生理想的暂堵和保护储层效果。1暂堵剂最佳粒径分布的优化暂堵技术是保护油气层技术的核心内容之一。Abrams20世纪70年代后期针对保护油气层的钻井液首次提出的著名的“1/3架桥规则”,一直是选择桥堵颗粒粒径和浓度的基本指导方法,但是,该规则只说明了能够起到架桥作用的粒径值,并没有对粒径分布进行优化。此后许多人在该规则基础上进行深一步研究,力图寻找更为简便和有效的方法,期望找到暂堵剂最佳粒径分布。目前,在国内发展和应用较为成熟的暂堵理论和技术是:屏蔽暂堵技术和屏蔽暂堵分形理论。1.1屏蔽暂堵剂的筛选20世纪90年代初,罗平亚和罗向东等人提出了屏蔽暂堵技术。他们认为,暂堵颗粒应由起桥堵效果的刚性颗粒和起充填作用的可变形粒子及软化粒子组成。通常使用的刚性颗粒为各种粒度的碳酸钙;常用可变形粒子为油溶性树脂;常用软化粒子为石蜡和磺化沥青等。进一步研究表明,当架桥颗粒平均粒径等于储层孔隙平均直径的2/3,软化粒子和充填粒子的粒径等于储层孔隙平均直径的1/3～1/4时,桥堵效果最佳、最稳定;应按“3%刚性粒子+1.5%充填粒子+1%～2%软化粒子”的规则,来确定各类暂堵剂比例。屏蔽暂堵技术是一种易实施的保护油气层技术,已得到了广泛使用。根据已知的储层孔喉尺寸及其分布特点,将钻井液中固相颗粒的粒级调整到与之相匹,并利用钻井液的净压差,使钻井液中的固相颗粒在很短的时间内对储层极浅部位产生严重堵塞,使储层渗透率急剧下降至一个很小的值。这不仅能有效地防止钻井液中固相和液相进一步侵入储层,而且为防止后续工作液对储层的损害创造良好条件。由此可见,实施屏蔽暂堵技术的关键,在于储层孔隙与钻井液中暂堵剂颗粒在粒径及其分布上的合理匹配,即根据储层孔隙特性优选暂堵剂。屏蔽暂堵技术初步解决了储层孔隙尺寸与暂堵剂颗粒粒径匹配的问题,并首次提出屏蔽暂堵剂应由3种分别起不同作用的颗粒复配而成的新观念。但该理论只能粗略地决定暂堵剂颗粒粒径分布,在一定程度上属于经验性的选择,仍然不能解决暂堵剂粒径分布与孔喉尺寸分布的最佳匹配问题。1.2暂堵剂颗粒粒径几何分布分维值的解释20世纪90代末,崔迎春等人提出了屏蔽暂堵分形理论。该理论采用分形几何方法,利用储层砂岩的孔隙分布和暂堵剂尺寸分布的自相似性,来选择合理的暂堵剂颗粒尺寸。他认为:储层的孔隙分布和暂堵剂颗粒的粒径分布均具有自相似性。储层孔隙分布的分维值表示砂岩孔隙在空间分布的复杂程度,能够较好地反映孔隙的真实分布情况;同样暂堵剂颗粒粒径几何分布分维值亦能表示颗粒粒径分布的复杂程度,能较好地反映颗粒粒径的真实分布情况。因此可以根据储层砂岩孔隙分布的分维值,选取具有相同或相近颗粒分布分维值的暂堵剂,作为此储层优选的暂堵剂。屏蔽暂堵分形理论对于合理选择暂堵剂颗粒的粒径及其分布有很大突破,但仍没有考虑天然储层不同层段的差异性,在应用中一般仅选择单一的典型岩心来描述储层情况,因而不能客观地描述整个储层的分布特点。在屏蔽暂堵分形理论的基础上,吴彬等人运用分形理论建立了屏蔽暂堵技术最优化理论。该理论最关键的一步是查明需要保护的储层砂岩孔喉尺寸及其分布,建立分形模型,用分形维数来表述孔喉分布的复杂性。应用该理论优选的屏蔽暂堵方案有较理想的效果,可有效地避免储层受到严重损害,但相当复杂,其现场应用受到了限制。2泥饼的形成过程保护储层暂堵技术的着眼点是使储层井壁上快速形成致密的、油井投产前易于清除的泥饼。泥饼形成过程除受压差和环空流速影响外,还与钻井液中各种颗粒的粒径和堆积情况密切相关。优选暂堵剂颗粒粒径的理想充填新方法是在研究连续粒径颗粒堆积效率的基础上提出的。2.1模型参数d的计算人们实际接触的颗粒体系多属颗粒粒度连续分布的体系,因此有必要建立相应的数学模型来描述连续分布颗粒体系的堆积特性。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粒度分布模型的数学表述式为R=exp-(d/de)n(1)式中d为任意粒径;R为大于粒径d的粒级含量;de为特征粒径,等于R=0.368相对应的粒径;n为模型参数。Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的数学表达式为y=(d/dL)n(2)式中y为小于粒径d的粒级含量;dL为颗粒体系中的最大粒径。Alfred粒度分布模型是对Gaudin-Schuhmann模型的改进。因为在式(2)中,当d=0时无定义,故改为y=(dn-dnS)/(dnL-dnS)(3)式中dS为颗粒体系中的最小粒径。对于连续粒度分布的颗粒体系,其堆积效果是很难用解析法求解的,故多采用物理实验方法或计算机模拟方法求解,也可将不连续粒度颗粒堆积计算方法推广到连续粒度分布上去求近似解。Andreason用实验方法确定,对于服从Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的颗粒体系,当模型参数n=0.3～0.5时有最高的堆积效率。Suzuki等人将多种离散粒度颗粒堆积的计算方法推广至连续粒度分布,得出对于服从Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的颗粒体系,当模型参数n=0.5～0.8时有最紧密的堆积。Funk推导出凡是满足Alfred粒度分布模型的颗粒体系,当模型参数n=0.37时有最高的堆积效率。2.2暂堵剂颗粒粒度分布的优化针对目前暂堵技术的局限性,尤其是在高渗储层保护方面的局限性,近年来国外学者在连续分布粒度颗粒堆积理论基础上提出了理想充填理论和d90规则,力求达到理想的暂堵和保护储层的效果。“理想充填”的含义是:对于保护储层的钻井液,需要根据孔喉尺寸加入具有连续粒径序列分布的暂堵剂颗粒,来有效地封堵储层中大小不等的孔喉,以及暂堵颗粒之间的孔隙。只有形成这种合理的粒径序列分布,才能确保形成滤失量极低的致密泥饼。一般情况下,钻井液中暂堵剂颗粒的粒径大小与颗粒累积体积分数之间的关系曲线在半对数坐标上呈现S形。这种典型只表明颗粒的粒径分布范围,并不能说明颗粒桥堵形成泥饼的充填效率。Kaeuffer首先将涂料工业的前期研究成果推广应用于石油工业,提出了暂堵剂颗粒的“理想充填理论”(idealpackingtheory),又称作d1/2理论。他假设钻井液中的暂堵颗粒服从Gaudin-Schuhmann粒度分布模型,并通过物理实验及计算机模拟计算,得出模型参数n=0.5时有最高的堆积效率。也就是说,当暂堵剂颗粒累积体积分数与粒径的平方根(d1/2)成正比时,可实现颗粒的理想充填。Hands等人依据“理想充填理论”,进一步提出了便于现场实施的d90规则,即当暂堵剂颗粒在其粒径累积分布曲线上的d90值(指体积占90%的颗粒粒径小于该值)与储层的最大孔喉直径或最大裂缝宽度相等时,可获得理想的暂堵效果。根据d90规则,我们建立了对暂堵剂颗粒粒径进行优化选择的图解法,方法如下:(1)选用具有代表性的岩样进行铸体薄片分析或压汞测试,测出储层最大孔喉直径(即d90)。d90也可从孔喉尺寸累计分布曲线上读出。(2)若无法得到最大孔喉直径(如探井),则可用储层渗透率上限值进行估算,即(kmax)1/2≈d90。若已知储层平均渗透率,可先确定d50,即(kav)1/2≈d50。然后将(d50)1/2与坐标原点的连线延长,用外推法求出d90。(3)在暂堵剂颗粒累计体积分数～d1/2坐标图上,将原点与d90点之间的连线作为基线。优化设计的暂堵剂颗粒粒径的累计分布曲线越接近基线,则颗粒的堆积效率越高,形成的泥饼的暂堵效果越好。从图1可见,具有某种粒度分布特征的单一暂堵剂很难与目标线相匹配。通过将两种或两种以上不同粒度分布的暂堵剂按一定比例混合,就可使颗粒粒径的累计分布曲线与基线基本重合,得到理想的暂堵方案。经验表明,考虑到暂堵剂在环空的剪切磨损,复配暂堵剂的最优粒度分布曲线可略靠储层目标线的右侧(宁右勿左)。在钻井过程中剪切作用会造成钻井液中固相颗粒的粒度分布曲线逐渐向左漂移。当移至基线的左侧时,应适当添加大粒径的暂堵剂进行调整。3储层暂堵剂粒径分布的优化与传统方法相比较,本研究建立的优选方法具有明显的优越性。传统方法仅依据储层的平均孔喉尺寸来选择暂堵剂颗粒的粒度中值,而未考虑孔喉的非均质性和某些大孔喉对渗透率的贡献,也未对完整的暂堵剂粒径分布序列进行优化。根据Smith等人的研究结果,储层中较大孔喉对渗透率的贡献值相当大,而一些较小孔喉对渗透率几乎没有贡献(见图2),对于典型的高渗透砂岩储层,最大的30%的孔喉对渗透率的贡献值大约为85%。显然,采用传统方法将不可避免地使钻井液中的固相和滤液通过较大孔喉进入储层内部,对较大孔喉造成伤害,而且这种伤害是难以恢复的。新方法利用一组完整的暂堵剂粒径分布序列对各种尺寸的孔喉实施暂堵和保护,尤其是对较大孔喉的重点保护,以最大限度地降低钻井液对地层的伤害。4复配暂堵剂钻井液损害评价由某油田检4井的压汞法毛管压力曲线得到的孔喉数据计算得出,储层的平均孔喉半径约等于4.65μm(见表1)。先绘制储层的基线(见图3),对照基线和各种常用暂堵剂产品的颗粒粒径分布(见表2),选出3种具有不同粒径分布的CaCO3。应用所研制的智能化配套软件计算出最优化混合质量比为:300目∶600目∶1000目=50∶34∶16。从图3可见,该复配暂堵剂的粒径分布曲线与基线十分贴近。考虑到环空流速对暂堵剂颗粒的剪切作用,适当增加了大颗粒所占比例,使粒度分布曲线略微偏右,最后