钻井液对地层伤害的物理模拟评价技术进展

符馨月 杨向同 郭 平 牛新年 刘洪涛 周鹏遥

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500； 2.中石油塔里木油田分公司， 新疆 库尔勒 841000)

早在20世纪50年代，国外就有学者提出钻井过程中存在的油气层损害问题。在之后的研究中，研究人员建立了一系列的实验室分析方法，并将相关配套技术应用于现场实践，经济效益良好[1-3]。本次研究中，主要回顾国内外地层伤害评价方法的发展历程，分析各个方法的适用范围和缺陷，探讨地层伤害评价方法的重点攻关方向和发展趋势。

1 钻井液伤害机理

钻井液污染伤害机理，是指在钻井过程中油气层损害的原因及伴随损害的物理、化学过程。本次研究按照伤害方式区分钻井液污染的伤害机理，将期分为化学反应损害和物理反应损害。

(1)化学反应伤害。随着地层中温度、压力或者流体成分的变化，侵入地层的钻井液会与地层原始矿物及地层原始流体发生各种化学反应。化学反应伤害主要包括：水敏性伤害；碱敏性伤害；无机、有机沉淀；盐类结晶；乳化堵塞；细菌堵塞。这些反应会导致孔喉堵塞、孔隙度变小，最终影响储层渗透性，造成地层伤害[4]。

(2)物理反应伤害。钻井液滤液侵入使得地层含水饱和度增加，造成水锁伤害和贾敏伤害。钻井液侵入时的高速流动和压力梯度使得油气层内的原生矿物发生运移，同时钻井液中侵入的固相及化学反应也产生固相运移，使得孔喉处发生堵塞，从而造成油气层渗透率降低。如图1所示，固体颗粒的滞留机理为：表面沉淀；孔喉堵塞；孔隙充填和内部滤饼形成；屏蔽和外部滤饼形成。

图1 固体颗粒滞留机理

2 地层伤害的微观评价

微观尺度的评价内容主要有岩石的岩性、颗粒大小分布和孔喉尺寸分布等，主要评价技术包括薄片分析技术、X射线衍射、扫描电镜、红外光谱、核磁共振成像技术、CT扫描法等。

2.1 薄片分析技术

薄片分析技术是岩相学分析三大技术之一，它通过观测岩石薄片测定骨架颗粒、基质、胶结物及其他敏感性矿物的组分和分布，并描述孔隙类型及成因。薄片分析技术自1986年提出以来，已经发展得更加精确和全面[6- 7]。目前主要的薄片分析技术有常规薄片、铸体薄片、荧光薄片和阴极发光薄片技术[8]。薄片分析技术主要通过对比岩心样品损害部分和非损害部分的孔隙特征，来确定钻井液对油层的伤害机理和伤害程度。

近年来，国外学者曾尝试将薄片分析技术的二维图片采用数字岩心法转换成三维图像。这种高速图像分析系统与岩石显微镜联用的方法称为岩石学图像分析，又称为连续切片法。然而，这种方法在抛光和切片过程中十分费时，且不能准确地代表平行于切片的裂缝以及岩石空间的非均质性。三维观测法是从岩石薄片技术发展而来，所用的仪器是激光共聚焦显微镜。尽管这种技术能提供亚微米的分辨率，但仅限于解决一定厚度和单独的孔隙空间，是伪三维的观测技术，而并非真正允许较厚的不透明物体通过扫描[9]。

2.2 X射线衍射

X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。X射线衍射技术采用的设备是衍射仪，50年代以前的X射线衍射仪绝大部分利用感光胶片来照相记录。近20年来，用各种辐射探测器来进行记录已渐渐普遍。目前专用X射线衍射仪已由计算机控制，计算机分析检索取代了照相法，为快速分析提供了条件[10- 11]。

X射线衍射通过分析岩心样品伤害前后的矿物含量确定钻井液的侵入量。该方法具有不损伤样品、无污染、使用快捷、测量精度高、所得大量信息完整性好等优点，但该技术用于确定非晶硅酸盐时并不特别灵敏，因此需要综合使用偏正光显微镜和扫描电镜—能量色散光谱分析等各种技术。

2.3 扫描电镜

扫描电镜是自70年代以来迅速发展起来的现代电子光学仪器，其原理类似于电视摄像[12]。扫描电镜的放大倍数比光学显微镜高出上千倍，具有分辨率高、立体感强、耗样少以及样品制作简单等多项优点，是伤害评价和确定储层保护措施的重要手段之一[13-14]。

扫描电镜分析能够提供定性和定量的化学分析，但因为非晶物质没有清晰的形态特征，因此使用时必须结合其他技术[15]。例如将扫描电镜与能谱分析技术相结合，不仅能对样品的形态分布进行微观分析，而且能对样品中的不同组成成分进行定性及半定量分析。若在扫描电镜上使用背向散射BSD，则可以直接进行扫描电镜样品分析，不必在样品上喷镀金或碳膜。这样有利于储层敏感性实验前后进行无涂层扫描电镜分析，并直接观测出油气层损害的类型和程度。目前也出现了各种专用的扫描电镜仪器，例如低温扫描电子显微镜，它被用于直接观察相对孔隙空间中颗粒或黏土的形状和流体分布[16]。再如环境扫描电镜，可以直接分析样品在含油或水时的微观孔隙特征变化，国外已开始利用此项技术研究膨胀性黏土矿物与工作液作用的机理[17-18]。

2.4 红外光谱

红外光谱是最常用的一种有机物鉴定方法，在高分子化合物和无机物分析中也广泛应用。红外光谱图是红外光谱最常用的表示方法，它通过吸收峰的位置、相对强度及峰的形状提供化合物的结构信息。通过解析波谱图，可以分析钻井液经过岩心前后特征吸收峰的相对强度和吸收峰位置的变化，以此确定伤害类型与程度。

红外光谱的研究始于20世纪初期，到50年代末就已经积累了丰富的红外光谱数据。至 70年代，在电子计算机蓬勃发展的基础上，傅立叶变换红外光谱实验技术进入现代化学家的实验室，成为结构分析的重要工具。它以高灵敏度、高分辨率、快速扫描、联机操作和高度计算机化的全新面貌使经典的红外光谱技术再获新生。近几十年来一些新技术 (如发射光谱、光声光谱、色—红联用等) 的出现，使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展[ 19]。

2.5 核磁共振成像技术

核磁共振成像是依据所释放的能量在物质内部不同结构中的不同衰减，绘制出物体内部的结构图像。它能够观测孔隙或裂缝中的流体分布与流动情况，对于流体与流体之间，或流体与岩石之间的相互作用，以及润湿性和润湿反转问题的研究具有特殊意义，是研究油气损害的最新手段之一[20]。

核磁共振成像技术检测的是岩石孔隙内的流体性质、流体量及流体与岩石固体表面的相互作用。这一特点，使我们可以更多地获得有关岩心内流体饱和度分布、流体特征、岩心结构特征及流体与岩石界面相互作用等信息，所以核磁共振成像技术在石油勘探开发中具有广泛的应用价值。目前，国内外核磁共振技术在岩心分析、储层评价、油层渗流机理研究以及测井等方面已广泛应用[21]。

2.6 CT扫描法

CT扫描法又叫层析成像法，是发射X射线对岩心作旋转扫描，把沿岩心轴线连续扫描的图像组合起来，从而获得平面图像及三维岩性变化、体积密度等。CT扫描法不仅可以分析测定岩石的组织结构、成分，还可以观测钻井液的液体及固相颗粒侵入岩样的深度、广度和空间形态，以及岩样被液体浸泡之后孔隙间的变化[22]。CT扫描法的最大优点是对岩心无损伤，且测量速度快，但是其测量方法复杂，且费用较高。

CT扫描技术是诺贝尔医学奖获得者G Hounsfield于1972年提出，当时被称为医学界自X射线发现之后的最伟大技术进步，而CT扫描在岩心分析方面也具有同样的冲击力[23-26]。80年代初，Wang等人首次通过实验证实，CT能够用于岩心分析及流体流动研究[27]。在80年代后期，赵璧华等人在用CT扫描研究油气层均质与非均质性特性、孔隙结构及其分布、裂缝大小、走向及分布等方面的研究取得了一定进展[22]。2012年，王影在大庆长垣二类油层孔隙结构特征研究中运用CT扫描技术从孔隙结构、孔喉比等全面地分析了岩石的孔隙结构，对油气层伤害研究建立了直观可靠的分析技术[28]。

3 地层伤害的宏观评价

地层伤害宏观尺度的评价内容主要有孔隙度、渗透率和饱和度，所使用的方法有毛管压力曲线法和岩心的动静态评价实验。还有一些微观评价方法，如核磁共振技术和CT扫描法，既可进行微观评价又可进行一些宏观的评价。

3.1 毛管压力曲线法

毛管压力曲线法主要包括压汞法、半渗透隔板法和离心法，可反映由喉道控制的孔隙大小及连通状况。目前毛管压力曲线法已由常规压汞技术发展到恒速压汞。由于恒速压汞实验过程是准静态过程，可以将孔隙与喉道区别开来，测量值更接近静态毛细管压力，得到的喉道半径结果比较接近真实情况[28]。

毛管压力曲线法的优点是：测试速度快；可以作为测定孔隙度的组成部分；如果不发生汞的吸附，该样品还可以在之后的分析测试中使用。该方法的应局限性有：(1)岩样表面圈闭的空气将会使总体体积变大；(2)带有溶洞或具有极高渗透率的岩样，由于水银的渗入而导致总体积变小，这种样品不再适合进行下一步测试；(3)由于铅和水银会发生反应，该方法不适合固封在铅筒中的疏松岩样。包封材料与岩样之间也可能捕集水银，建议装在包封材料中的岩样也不用这种方法。

3.2 岩心动态、静态评价实验

在岩心静态和动态评价实验上，国内外的实验技术已发展多年，形成了统一的实验规则和章程。在常规岩心流动实验评价钻井液污染程度时，通常采用“静压入”和“端面流动”的实验方法，不能满足矿场实际需求。为了研究这些施工条件与油气损害关系，近年来逐渐发展了一些工程模拟实验项目。

(1)旋转剪切模拟法。旋转剪切模拟法是以钻井液在井筒中动态流动为出发点，从流变学角度来解决动态问题的。江汉石油学院研制的JHDS-高温高压动失水仪和西南石油大学研制的SW-1型高温高压动态流动装置均属于这一类型的模拟实验装置，其优点是结构简单、经济实用、流动参数容易控制。

(2)循环流动模拟器。该方法主要模拟钻井液在钻进过程中不断上返的循环流动状态，来实现钻井液对油气层的动态污染。J M Penden等人的动滤失仪则属于这种类型的模拟实验装置。应用该装置可以评价钻井液损害油气层的程度，筛选优质钻井液。研究循环速度和喷出速度以及井筒内绝对压力、流体温度、滤失压差、井眼倾角等工程条件与油气层损害的关系。

(3)全尺寸动态模拟法。全尺寸动态模拟法是完全模拟钻井、完井时井内实际工作条件下油气层损害过程的实验方法。与前两种模拟法相比，它具有更加完善的模拟功能。西南石油大学研制成功的DSE型高温高压全尺寸动态模拟岩心污染实验装置，便是一套功能齐全的全尺寸动态模拟实验装置。该装置的最大特点是能完全模拟2 000 m井深条件下施工时的实际情况，包括液柱压力、地层孔隙压力、上覆岩石压力、地层温度、施工液温度、钻井液上返循环速度和钻具转速。因此，依据实验所做出的评价结果会更加客观实用。

4 结 语

在岩心静态和动态评价基础实验上，国内外的实验技术已发展多年，形成了统一的实验准则和章程，如《钻井液损害油层动态模拟评价实验》。地层损害的物理模型建立考虑得更加周密，直观观测器械所达到的实验条件更是无限地接近于地层实际环境，使得实验结果更加准确而可靠。CT扫描等一些先进的分析技术，目前的应用与其所能揭示的巨大信息量相比，技术潜力还有待充分挖掘。

现今国际地层伤害评价的发展趋势是结合两种甚至多种观测工具一同观测，取长补短，从而取得更加全面并且清晰的图像。

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