符馨月 楊向同 郭 平 牛新年 劉洪濤 周鵬遙

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500； 2.中石油塔里木油田分公司， 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外就有學(xué)者提出鉆井過(guò)程中存在的油氣層損害問(wèn)題。在之后的研究中，研究人員建立了一系列的實(shí)驗(yàn)室分析方法，并將相關(guān)配套技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，經(jīng)濟(jì)效益良好[1-3]。本次研究中，主要回顧國(guó)內(nèi)外地層傷害評(píng)價(jià)方法的發(fā)展歷程，分析各個(gè)方法的適用范圍和缺陷，探討地層傷害評(píng)價(jià)方法的重點(diǎn)攻關(guān)方向和發(fā)展趨勢(shì)。

1 鉆井液傷害機(jī)理

鉆井液污染傷害機(jī)理，是指在鉆井過(guò)程中油氣層損害的原因及伴隨損害的物理、化學(xué)過(guò)程。本次研究按照傷害方式區(qū)分鉆井液污染的傷害機(jī)理，將期分為化學(xué)反應(yīng)損害和物理反應(yīng)損害。

(1)化學(xué)反應(yīng)傷害。隨著地層中溫度、壓力或者流體成分的變化，侵入地層的鉆井液會(huì)與地層原始礦物及地層原始流體發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)傷害主要包括：水敏性傷害；堿敏性傷害；無(wú)機(jī)、有機(jī)沉淀；鹽類結(jié)晶；乳化堵塞；細(xì)菌堵塞。這些反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致孔喉堵塞、孔隙度變小，最終影響儲(chǔ)層滲透性，造成地層傷害[4]。

(2)物理反應(yīng)傷害。鉆井液濾液侵入使得地層含水飽和度增加，造成水鎖傷害和賈敏傷害。鉆井液侵入時(shí)的高速流動(dòng)和壓力梯度使得油氣層內(nèi)的原生礦物發(fā)生運(yùn)移，同時(shí)鉆井液中侵入的固相及化學(xué)反應(yīng)也產(chǎn)生固相運(yùn)移，使得孔喉處發(fā)生堵塞，從而造成油氣層滲透率降低。如圖1所示，固體顆粒的滯留機(jī)理為：表面沉淀；孔喉堵塞；孔隙充填和內(nèi)部濾餅形成；屏蔽和外部濾餅形成。

圖1 固體顆粒滯留機(jī)理

2 地層傷害的微觀評(píng)價(jià)

微觀尺度的評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有巖石的巖性、顆粒大小分布和孔喉尺寸分布等，主要評(píng)價(jià)技術(shù)包括薄片分析技術(shù)、X射線衍射、掃描電鏡、紅外光譜、核磁共振成像技術(shù)、CT掃描法等。

2.1 薄片分析技術(shù)

薄片分析技術(shù)是巖相學(xué)分析三大技術(shù)之一，它通過(guò)觀測(cè)巖石薄片測(cè)定骨架顆粒、基質(zhì)、膠結(jié)物及其他敏感性礦物的組分和分布，并描述孔隙類型及成因。薄片分析技術(shù)自1986年提出以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展得更加精確和全面[6- 7]。目前主要的薄片分析技術(shù)有常規(guī)薄片、鑄體薄片、熒光薄片和陰極發(fā)光薄片技術(shù)[8]。薄片分析技術(shù)主要通過(guò)對(duì)比巖心樣品損害部分和非損害部分的孔隙特征，來(lái)確定鉆井液對(duì)油層的傷害機(jī)理和傷害程度。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者曾嘗試將薄片分析技術(shù)的二維圖片采用數(shù)字巖心法轉(zhuǎn)換成三維圖像。這種高速圖像分析系統(tǒng)與巖石顯微鏡聯(lián)用的方法稱為巖石學(xué)圖像分析，又稱為連續(xù)切片法。然而，這種方法在拋光和切片過(guò)程中十分費(fèi)時(shí)，且不能準(zhǔn)確地代表平行于切片的裂縫以及巖石空間的非均質(zhì)性。三維觀測(cè)法是從巖石薄片技術(shù)發(fā)展而來(lái)，所用的儀器是激光共聚焦顯微鏡。盡管這種技術(shù)能提供亞微米的分辨率，但僅限于解決一定厚度和單獨(dú)的孔隙空間，是偽三維的觀測(cè)技術(shù)，而并非真正允許較厚的不透明物體通過(guò)掃描[9]。

2.2 X射線衍射

X射線衍射分析是利用晶體形成的X射線衍射，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。X射線衍射技術(shù)采用的設(shè)備是衍射儀，50年代以前的X射線衍射儀絕大部分利用感光膠片來(lái)照相記錄。近20年來(lái)，用各種輻射探測(cè)器來(lái)進(jìn)行記錄已漸漸普遍。目前專用X射線衍射儀已由計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)分析檢索取代了照相法，為快速分析提供了條件[10- 11]。

X射線衍射通過(guò)分析巖心樣品傷害前后的礦物含量確定鉆井液的侵入量。該方法具有不損傷樣品、無(wú)污染、使用快捷、測(cè)量精度高、所得大量信息完整性好等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)用于確定非晶硅酸鹽時(shí)并不特別靈敏，因此需要綜合使用偏正光顯微鏡和掃描電鏡—能量色散光譜分析等各種技術(shù)。

2.3 掃描電鏡

掃描電鏡是自70年代以來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代電子光學(xué)儀器，其原理類似于電視攝像[12]。掃描電鏡的放大倍數(shù)比光學(xué)顯微鏡高出上千倍，具有分辨率高、立體感強(qiáng)、耗樣少以及樣品制作簡(jiǎn)單等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是傷害評(píng)價(jià)和確定儲(chǔ)層保護(hù)措施的重要手段之一[13-14]。

掃描電鏡分析能夠提供定性和定量的化學(xué)分析，但因?yàn)榉蔷镔|(zhì)沒(méi)有清晰的形態(tài)特征，因此使用時(shí)必須結(jié)合其他技術(shù)[15]。例如將掃描電鏡與能譜分析技術(shù)相結(jié)合，不僅能對(duì)樣品的形態(tài)分布進(jìn)行微觀分析，而且能對(duì)樣品中的不同組成成分進(jìn)行定性及半定量分析。若在掃描電鏡上使用背向散射BSD，則可以直接進(jìn)行掃描電鏡樣品分析，不必在樣品上噴鍍金或碳膜。這樣有利于儲(chǔ)層敏感性實(shí)驗(yàn)前后進(jìn)行無(wú)涂層掃描電鏡分析，并直接觀測(cè)出油氣層損害的類型和程度。目前也出現(xiàn)了各種專用的掃描電鏡儀器，例如低溫掃描電子顯微鏡，它被用于直接觀察相對(duì)孔隙空間中顆粒或黏土的形狀和流體分布[16]。再如環(huán)境掃描電鏡，可以直接分析樣品在含油或水時(shí)的微觀孔隙特征變化，國(guó)外已開(kāi)始利用此項(xiàng)技術(shù)研究膨脹性黏土礦物與工作液作用的機(jī)理[17-18]。

2.4 紅外光譜

紅外光譜是最常用的一種有機(jī)物鑒定方法，在高分子化合物和無(wú)機(jī)物分析中也廣泛應(yīng)用。紅外光譜圖是紅外光譜最常用的表示方法，它通過(guò)吸收峰的位置、相對(duì)強(qiáng)度及峰的形狀提供化合物的結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)解析波譜圖，可以分析鉆井液經(jīng)過(guò)巖心前后特征吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度和吸收峰位置的變化，以此確定傷害類型與程度。

紅外光譜的研究始于20世紀(jì)初期，到50年代末就已經(jīng)積累了豐富的紅外光譜數(shù)據(jù)。至 70年代，在電子計(jì)算機(jī)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，傅立葉變換紅外光譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)入現(xiàn)代化學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室，成為結(jié)構(gòu)分析的重要工具。它以高靈敏度、高分辨率、快速掃描、聯(lián)機(jī)操作和高度計(jì)算機(jī)化的全新面貌使經(jīng)典的紅外光譜技術(shù)再獲新生。近幾十年來(lái)一些新技術(shù) (如發(fā)射光譜、光聲光譜、色—紅聯(lián)用等) 的出現(xiàn)，使紅外光譜技術(shù)得到更加蓬勃的發(fā)展[ 19]。

2.5 核磁共振成像技術(shù)

核磁共振成像是依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)中的不同衰減，繪制出物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。它能夠觀測(cè)孔隙或裂縫中的流體分布與流動(dòng)情況，對(duì)于流體與流體之間，或流體與巖石之間的相互作用，以及潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)問(wèn)題的研究具有特殊意義，是研究油氣損害的最新手段之一[20]。

核磁共振成像技術(shù)檢測(cè)的是巖石孔隙內(nèi)的流體性質(zhì)、流體量及流體與巖石固體表面的相互作用。這一特點(diǎn)，使我們可以更多地獲得有關(guān)巖心內(nèi)流體飽和度分布、流體特征、巖心結(jié)構(gòu)特征及流體與巖石界面相互作用等信息，所以核磁共振成像技術(shù)在石油勘探開(kāi)發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外核磁共振技術(shù)在巖心分析、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、油層滲流機(jī)理研究以及測(cè)井等方面已廣泛應(yīng)用[21]。

2.6 CT掃描法

CT掃描法又叫層析成像法，是發(fā)射X射線對(duì)巖心作旋轉(zhuǎn)掃描，把沿巖心軸線連續(xù)掃描的圖像組合起來(lái)，從而獲得平面圖像及三維巖性變化、體積密度等。CT掃描法不僅可以分析測(cè)定巖石的組織結(jié)構(gòu)、成分，還可以觀測(cè)鉆井液的液體及固相顆粒侵入巖樣的深度、廣度和空間形態(tài)，以及巖樣被液體浸泡之后孔隙間的變化[22]。CT掃描法的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)巖心無(wú)損傷，且測(cè)量速度快，但是其測(cè)量方法復(fù)雜，且費(fèi)用較高。

CT掃描技術(shù)是諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者G Hounsfield于1972年提出，當(dāng)時(shí)被稱為醫(yī)學(xué)界自X射線發(fā)現(xiàn)之后的最偉大技術(shù)進(jìn)步，而CT掃描在巖心分析方面也具有同樣的沖擊力[23-26]。80年代初，Wang等人首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CT能夠用于巖心分析及流體流動(dòng)研究[27]。在80年代后期，趙璧華等人在用CT掃描研究油氣層均質(zhì)與非均質(zhì)性特性、孔隙結(jié)構(gòu)及其分布、裂縫大小、走向及分布等方面的研究取得了一定進(jìn)展[22]。2012年，王影在大慶長(zhǎng)垣二類油層孔隙結(jié)構(gòu)特征研究中運(yùn)用CT掃描技術(shù)從孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉比等全面地分析了巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣層傷害研究建立了直觀可靠的分析技術(shù)[28]。

3 地層傷害的宏觀評(píng)價(jià)

地層傷害宏觀尺度的評(píng)價(jià)內(nèi)容主要有孔隙度、滲透率和飽和度，所使用的方法有毛管壓力曲線法和巖心的動(dòng)靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。還有一些微觀評(píng)價(jià)方法，如核磁共振技術(shù)和CT掃描法，既可進(jìn)行微觀評(píng)價(jià)又可進(jìn)行一些宏觀的評(píng)價(jià)。

3.1 毛管壓力曲線法

毛管壓力曲線法主要包括壓汞法、半滲透隔板法和離心法，可反映由喉道控制的孔隙大小及連通狀況。目前毛管壓力曲線法已由常規(guī)壓汞技術(shù)發(fā)展到恒速壓汞。由于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可以將孔隙與喉道區(qū)別開(kāi)來(lái)，測(cè)量值更接近靜態(tài)毛細(xì)管壓力，得到的喉道半徑結(jié)果比較接近真實(shí)情況[28]。

毛管壓力曲線法的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)試速度快；可以作為測(cè)定孔隙度的組成部分；如果不發(fā)生汞的吸附，該樣品還可以在之后的分析測(cè)試中使用。該方法的應(yīng)局限性有：(1)巖樣表面圈閉的空氣將會(huì)使總體體積變大；(2)帶有溶洞或具有極高滲透率的巖樣，由于水銀的滲入而導(dǎo)致總體積變小，這種樣品不再適合進(jìn)行下一步測(cè)試；(3)由于鉛和水銀會(huì)發(fā)生反應(yīng)，該方法不適合固封在鉛筒中的疏松巖樣。包封材料與巖樣之間也可能捕集水銀，建議裝在包封材料中的巖樣也不用這種方法。

3.2 巖心動(dòng)態(tài)、靜態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

在巖心靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)上，國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已發(fā)展多年，形成了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)規(guī)則和章程。在常規(guī)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)鉆井液污染程度時(shí)，通常采用“靜壓入”和“端面流動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)方法，不能滿足礦場(chǎng)實(shí)際需求。為了研究這些施工條件與油氣損害關(guān)系，近年來(lái)逐漸發(fā)展了一些工程模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)旋轉(zhuǎn)剪切模擬法。旋轉(zhuǎn)剪切模擬法是以鉆井液在井筒中動(dòng)態(tài)流動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，從流變學(xué)角度來(lái)解決動(dòng)態(tài)問(wèn)題的。江漢石油學(xué)院研制的JHDS-高溫高壓動(dòng)失水儀和西南石油大學(xué)研制的SW-1型高溫高壓動(dòng)態(tài)流動(dòng)裝置均屬于這一類型的模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、流動(dòng)參數(shù)容易控制。

(2)循環(huán)流動(dòng)模擬器。該方法主要模擬鉆井液在鉆進(jìn)過(guò)程中不斷上返的循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井液對(duì)油氣層的動(dòng)態(tài)污染。J M Penden等人的動(dòng)濾失儀則屬于這種類型的模擬實(shí)驗(yàn)裝置。應(yīng)用該裝置可以評(píng)價(jià)鉆井液損害油氣層的程度，篩選優(yōu)質(zhì)鉆井液。研究循環(huán)速度和噴出速度以及井筒內(nèi)絕對(duì)壓力、流體溫度、濾失壓差、井眼傾角等工程條件與油氣層損害的關(guān)系。

(3)全尺寸動(dòng)態(tài)模擬法。全尺寸動(dòng)態(tài)模擬法是完全模擬鉆井、完井時(shí)井內(nèi)實(shí)際工作條件下油氣層損害過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法。與前兩種模擬法相比，它具有更加完善的模擬功能。西南石油大學(xué)研制成功的DSE型高溫高壓全尺寸動(dòng)態(tài)模擬巖心污染實(shí)驗(yàn)裝置，便是一套功能齊全的全尺寸動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的最大特點(diǎn)是能完全模擬2 000 m井深條件下施工時(shí)的實(shí)際情況，包括液柱壓力、地層孔隙壓力、上覆巖石壓力、地層溫度、施工液溫度、鉆井液上返循環(huán)速度和鉆具轉(zhuǎn)速。因此，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所做出的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)更加客觀實(shí)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

在巖心靜態(tài)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上，國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已發(fā)展多年，形成了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則和章程，如《鉆井液損害油層動(dòng)態(tài)模擬評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)》。地層損害的物理模型建立考慮得更加周密，直觀觀測(cè)器械所達(dá)到的實(shí)驗(yàn)條件更是無(wú)限地接近于地層實(shí)際環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確而可靠。CT掃描等一些先進(jìn)的分析技術(shù)，目前的應(yīng)用與其所能揭示的巨大信息量相比，技術(shù)潛力還有待充分挖掘。

現(xiàn)今國(guó)際地層傷害評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)是結(jié)合兩種甚至多種觀測(cè)工具一同觀測(cè)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而取得更加全面并且清晰的圖像。

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