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常规试油井地层损害原因探讨与应用

殷 家 富

摘要 由试井资料所确定的表皮系数受各种因素制约。针对井和现场施工情况，具体分析受伤害原因、伤害程度及损害类型，有针对性地预测措施效果，指导并制定油气层改造方式、规模大小。通过试油,针对实际情况综合运用射孔、酸化和压裂的方法,对已造成损害的油气层进行改造和恢复,可降低油气层损害,提高试油效率。在中低渗油气藏勘探开发过程中，具有一定的实用价值。
关键词 地层伤害 污染程度 试油　油气层　保护

1.前言
一口井从钻井打开油层一直到开发生产的全过程，不可避免地将会因人为因素或非人为因素影响，对储层造成不同程度的污染伤害。为了正确认识和评价储层被伤害程度和伤害原因，确保解堵措施方案制定的准确性和有效性，对于由试井资料所确定的表征井壁区污染损害程度的表皮系数，必须从整个勘探开发过程和油气生产流动系统出发，以系统的观点，对表皮系数进行探索和研究，弄清其本质，以提高措施井压前评估准确率和措施有效率，达到有效开发中低渗油气藏的目的。
2.地层损害原因及类型
油气层在石油的勘探开发过程中极易遭到破坏，在钻井过程中，造成损害主要有3 种类型: ①由于采用过平衡钻井技术,钻井液液柱压力大于地层原始压力,致使钻井液进入地层,影响地层液体的原有性质,造成污染和损害; ②钻井液携带能力有限、稳定性不强,致使钻井液中固相颗粒进入近井地带地层的孔隙和喉道中,堵塞液体流通通道; ③固井时水泥浆对地层也造成一定程度的污染,降低了地层渗透性。在开发过程中，因生产工作制度不合理,地层压力下降过快,改变地层内部的压力分布,造成地层微粒运移和固相微粒变形,从而挤占了原有的有效孔喉体积,降低地层的渗透能力。特别是近井筒附近由于压降梯度较大,损害也更为突出。在施工过程中，施工入井液体包括洗井液、压井液,与地层流体不配伍,进入地层后影响地层流体性质,堵塞孔隙;外界的固相颗粒随入井液进入地层,改变了地层孔喉结构,降低油气层的导流能力,增加渗流阻力;射孔工艺不合理,射孔弹不能有效穿透套管、水泥环和被污染地层形成流通通道,阻碍了地层流体向井筒内流动。综合上述因素,油气层损害表现是在近井筒附近形成一个一定范围的污染带,阻隔井筒内与地层的连通,降低这个范围内地层的导流能力,阻碍地层流体流动,影响油气井的产量。
实际勘探开发井(层)，不可能处在无限大均质、水平等厚、垂直钻穿、完全打开、无污染损伤的理想条件下。也即由于多种因素影响，井壁区始终存在附加压降——阻止气液顺畅流动的阻力。综合分析，压降的产生可分为：①内因，是指油层及其所含流体本身所固有的性质，如储层矿物含量及成份、储层孔隙结构、地层流体性质等；②外因，是指油田从钻井到油田开发生产及各种作业过程中有可能导致油层微观结构发生变化或导致油层发生各种物理化学反映，从而导致油层渗透率降低的各种条件。
2.1储层形状拟表皮系数
不稳定试井的数学模型是假设圆形地层中心一口生产井。而实际地层油藏形状复杂，井位也不一定对称，产生的形状拟表皮系数为
（1）
式中:CA——油藏形状系数(可查相关图表求得)。
2.2斜井拟表皮系数
受地质构造——有效层位控制，对应不同深度层位，井身一般都存在一定的斜度。由于斜井井筒与储层特殊的接触方式，导致气液流向井筒的流动面积相对直井增大，流动阻力减小。在考虑各向异性地层处于0°<θw≤75°、流动时间大于不稳定试井分析直线开始时间时，井斜拟表皮因子可由下式近似确定，即
（2）
其中

式中: θw——井斜角，即井与地层层面法线的交角；
hD——无因次打开储层厚度；
h——油层厚度，m；
rw——井半径，m；
KV——垂直渗透率，μm2；
KH——水平渗透率，μm2。
2.3局部打开拟表皮系数
由于地质结构和储层特性原因，储层与井筒的连通部分只是生产层段的一部分，或因射孔弹未完全引爆，目的层段部分被打开。此时.流体处于部分渗滤储层中，径向流流向会发生改变，流线收缩，流动阻力增加，流量减少。由此产生的部分打开油层拟表皮因子为
（3）
式中:hw——油层实际渗滤厚度，m。
2.4气液非达西流拟表皮系数
在通常的低渗储层中，流体的渗流速度与压力梯度之间成非线性关系，渗流速度的高与低，必然会在井底附近产生一附加压力降(△ps)，阻止流体正常流动，具体表现在:
(l)高速渗流条件下的非达西渗流
气井高产量生产过程中，井筒周围的流动速度可能增大到达西定律不适用的程度，即惯性和湍流效应变得十分显著，因而增加了总的压降。该压降一般用 Dqg来衡量渗流阻力大小，非达西流动条件下井的各种物理因素引起的井壁总附加阻力表示为
Sa=S+Dqg （4）式中:D——非达西流动系数，(m3/d)-1；
qg——气井产量，104m3/d；
S——井的直室先方因子。
Sa和D的确定通常需要至少3~4个连续的不同产量下的压降或压恢试井资料。通过对压降或压恢试井资料进行定性定量处理分析，得出不同生产工作制度下的总表皮系数(Sa)。在直角坐标关系中画出Sa-qg的对应关系曲线，正常情况下，应得到一条直线，把该直线延长交于纵坐标，其截距就是真表皮系数S，直线斜率就是湍流系数D。
(2)低速渗流条件下的非达西渗流
低产、低渗非达西渗流储层中，由于流体与储层岩石表面的作用，可能生成吸附层或水化膜，使孔隙喉道减小，渗透率降低，非线性流动作用加强。例如地层中存在束缚水时，束缚水易在细小的孔隙喉道处形成水化膜，油气渗流必须突破水化膜阻力，由此就会产生一附加压力降。
另外，气井产水，粘土膨胀，井底附近不流动水成为了气体流动的阻力，渗透率会有所下降，表皮因子增加；随着井底流动压力和温度的降低，井壁区出现相变——析出凝析油，由于液堵会产生气流附加阻力。
2.5各类施工作业过程中的拟表皮系数
在钻井、完井和各种试油、修井作业过程中，对井筒附近有限范围内地层所造成的机械堵塞伤害主要表现在:
(l)钻井、完井
钻井液和完井液性能差，失水量大；密度高，压差大；固相含量高，滤饼作用小，浸泡时间长以及滤液化学成份与产层水不配伍等原因造成水泥浆中不同直径的固体颗粒可能进人储层孔隙喉道或与地层流体发生物理化学反映，堵塞损害油层。
(2)射孔
射孔是沟通储层和井筒形成气液流通通道的良好完井工艺。由于射孔工艺效应和结构条件，正常情况下不可能完全实现理想的射孔孔眼。在射孔作业过程中可能导致射孔弹孔眼径向周围形成的挤压致密区的渗滤能力远小于周围地层；射孔过程中造成的泥浆、岩屑、弹片有可能对孔眼造成堵塞；流体流动方向改变，以及过孔眼所产生的收敛扼流作用等。
(3)试油修井作业
作业过程中，由于井内液柱压力往往超过地层压力，工作液中的固相颗粒或污物易侵人油层，与储层岩石、地下流体等相互作用，从而对油层造成不同程度的堵塞伤害。
(4)措施改造
经压裂改造的低渗储层，所造成的填砂裂缝具有很高的导流能力。但由于压裂过程中压裂液性能和压裂工艺的不恰当，有可能对储层造成伤害，这种伤害不仅会大大降低填砂裂缝的导流能力，而且还会损害储层本身的渗流能力。另外，措施后返排液不及时且返排不彻底，压裂液的滤液在储层中长时间停留，不但会加重粘土膨胀和油水乳化程度，而且还会产生物理和化学沉淀，加重对油层的损害。
酸化过程中酸液与储层及其与地层流体的配伍性差可导致铁的沉淀，堵塞伤害地层。返排残酸不及时和不彻底可导致pH值上升而增加有害反应产物堵塞地层等。
3.污染程度定性分析
3.1污染系数的构成
实测地层压力数据是井筒效应与地层相互作用的结果。综合分析地层损害原因，可以看出，利用试井资料求解的表皮因子是储层自身特性和各作业环节对地层堵塞损害的综合表现，是井壁区地层各种物理因素引起的井壁阻力效应的总和。用方程表示为
St=Sm+Sθ+Sb+SND+Spf+Se+SA (5)
式中: Sm——机械伤害引起的真实表皮因子；
Sθ——井斜引起的拟表皮因子；
Sb——生产层段局部打开引起拟表皮因子；
SND——非达西流动引起的拟表皮因子；
Spf——流体由径向流人射孔孔眼形成扼流和压实作用所产生的拟表皮因子；
Se——气体在井壁附近形成凝析液所产生的拟表皮因子；
SA——油藏形状拟表皮系数。
3.2污染系数对油井产能影响的定性分析
当井筒附近地层因不同原因受到伤害时，其渗透率将降低，流体流经这一区域时，流动阻力增大，除正常的压降外，将产生一附加压降，即表皮压降，该压降用下式来确定，即
（6）式中:qo——单井产量，m3/d；
μ——原油粘度，mPa•s；
B——原油体积系数。
在理想状况下(储层无损害)，单井以qo产量生产的井底流动压力为pwf，根据拟稳态产量计算公式，有
（7）
地层受到伤害后，综合(6)式和(7)式，可得实际的生产压差为
（8）
在给定生产压差下，理想与实际生产压差之比为
（9）
通常情况下，称(9)式为流动效率表达式，用Ef表示。
由干井底半径rw一定，对干低产、低渗储层来说，因常规测试流动时间有限，压力波及范围小，泄油半径re一般在10~50m之间，即ln(re/rw)的变化范围小，一般在5~7之间。若近似取ln(re/rw)=6，则流动效率为

可以看出，表皮系数越小，流动效率越大。当表皮系数S=2时，可使流动效率降低28%；当表皮系数S=-2时，可使流动效率提高62%。
4.实例分析
4.1定向井拟表皮系数
甲井是位于某凹陷西部斜坡带某构造北块的一口滚动评价井，井段3844.40-3851.50m，层位为沙三下，最大井斜51.3°× 100°×3814.35m，油层厚度7.lm/1层。测试前采用102弹102枪电缆复合射孔，发射率100%，二开二关测试工艺，井底为单相液体(水相)。
对二关井实测数据进行处理，计算地层有效渗透率K=0.0437×10-3μm2，表皮系数S=-2.77，堵塞比DR=0.52。查阅岩样分析资料得KH/KV≈3。根据井斜角，计算井斜拟表皮因子为

井的真实表皮因子为
St=S-Sθ=-1.9
该井S<0，△ps<0，说明钻井、完井等作业过程未对井壁区地层造成伤害。同时，由于井斜大大改善了流体向井底的流动能力，致使污染系数降低了0 .87。
2.地层打开程度不完善井
乙井是位于某凹陷中央隆起带某构造中北部23断块23气藏主中块的一口评价井。2001年6月进行修正的等时试井，层段2778.60-2747.00m，层位为沙四。
试气前，用89-1枪油管传输射孔，孔密16孔/m，装弹401，射后自喷。试气结束后，起出管柱，检查发射率只有31.9%，即只将上部的未解层和4-7号小层全部射开，8号小层厚度2m，只响2炮，仅将其上部打开，以下各层未射开。
对最后一次的关井期资料数据进行处理，压力双对数及导数图如图1所示。从图1可以看出，该图为典型的地层打开不完善储层模型特征，即早期井筒储集过后，出现了3条明显的直线，第一条为早期稳定径向流直线；第二条为反映球形流特征的过渡段(斜率为-1/2)；第三条为反映整个生产层段流动特征的不稳定拟径向流段。
参数计算结果:K=0.123 × 10-3μm2时，Kh=1.12×10-3μm2·m，S=1.84，△ps=11.6 Mpa。

S>0，△ps>0，说明井底存在渗流阻力。结合射孔情况，该阻力主要与气体的球形流动状态有关；其次，与高速渗流条件下的气体非达西流动也有一定的关系。
(l)打开不完善形成的井壁阻力系数
该系数可利用(3)式计算，即

(2)气体非达西流动引起的拟表皮系数
由4个不同生产工作制度下的试井资料所确定的表皮系数与其对应气产量求解的非达西流拟表皮因子Dqg=0.23。
2003年8月16日，为了改善储层渗流能力，提高油气产量，决定进行压裂措施改造。综合分析前期试气资料，该井井壁区污染系数Sm=0.7(排除了地层打开不完善和非达西流影响)，属于轻度污染范围。在进行压前评估时，以改善地层渗滤能力为主，解堵为辅，设计制定了现场压裂方案。压前评估有效选层系数为68(大于50为压裂有效)。16日10:00，油、套合压，前置液132m3，携砂液115m3，加砂30 m3，平均砂比26%。8月17-30日，分别用2mm、3mm、4 mm和6 mm油嘴控制放喷，产量见表1。
由措施前、后油气产量可以看出，措施效果非常明显。

5.结论
地层损害必然导致油气资源的浪费及勘探开发成本的提高。综合利用试油井动态监测资料进行储层特征和潜在损害研究，分析不同工艺条件所造成的能量损失，有针对性地保护油气层并实施解堵措施，可以为勘探试油井下步措施方案的制定提供确凿的参考依据。

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