《Geoenergy Science and Engineering》：Investigating Primary and Secondary Formation Damage in Carbonate Reservoirs through Filter Cake Build-Up and Removal with HCl–Oxalic Acid Solutions
編輯推薦：
濾餅沉積和去除處理對碳酸鹽巖Formation damage的影響及擠壓與返排操作對比研究。摘要：該研究通過印第安納石灰巖巖芯實驗，系統評估了含赤鐵礦濾餅的初級損害及HCl-草酸體系返排和擠壓處理的次生損害機制。結果表明，擠壓處理導致鐵離子遷移引發遠場滲透率下降一個數量級，而返排操作能有效抑制沉淀擴散，保持遠場滲透率在初始值的70%以上。兩種工況下電阻率分別下降45%和22%，巖石剛度增加2.3倍和0.8倍。CT和SEM分析顯示返排操作形成更均勻的酸蝕孔道，而擠壓處理產生深度超過50cm的網狀裂縫系統。
阿米爾·肖克瑞（Amir Shokry）| 薩拉赫爾丁·埃爾卡塔特尼（Salaheldin Elkatatny）| 穆斯塔法·阿爾·拉馬丹（Mustafa Al Ramadan）| 阿卜杜勒拉烏夫·阿德巴約（Abdulrauf Adebayo）
沙特阿拉伯達蘭31261，法赫德國王石油與礦業大學（King Fahd University of Petroleum & Minerals）石油工程與地球科學學院石油工程系
摘要
鉆井過程中的地層損傷是一個主要問題。雖然濾餅沉積可以防止流體侵入，但也會降低井筒附近的滲透率。然而，清除流體時可能會通過沉淀反應引發二次損傷。本研究評估了基于赤鐵礦的濾餅堆積造成的主要損傷，以及使用鹽酸-草酸溶液清除濾餅時產生的二次損傷，重點比較了擠壓（squeeze）和回流水（flowback）兩種處理方式的影響。實驗中使用了印第安納州石灰巖巖心塞（Indiana limestone core plugs），并注入了含有赤鐵礦的泥漿以形成濾餅。通過測量滲透率和電阻率、進行CT掃描和機械性能測試來表征主要損傷。隨后注入了濃度為6 wt.%的鹽酸加上10 wt.%的草酸溶液（其中含有赤鐵礦），并使其滲透到巖心孔隙體積的一半。測試了兩種處理方式：(i) 向巖心中擠壓注入；(ii) 從相反方向回流水。處理后，將每個巖心分為近井區和遠井區兩部分，并使用相同的技術重新進行表征，同時結合掃描電子顯微鏡（SEM）和核磁共振（NMR）分析。主要損傷僅限于近井區，導致滲透率降低一個數量級，由于赤鐵礦的導電性電阻率下降，巖石硬度增加。在擠壓處理中，二次沉淀物向更深處遷移，嚴重損害了遠井區的滲透率，增加了電阻率，并改變了巖石的彈性特性。而在回流水處理中，沉淀物的侵入受到限制，遠井區的滲透率得到保持，近井區的損傷減輕。本研究量化了碳酸鹽巖中的主要和二次損傷機制，展示了鹽酸-草酸系統的風險以及回流水處理相對于擠壓處理的操作優勢。
引言
地層損傷是碳氫化合物儲層中的一個主要問題，據估計，根據地層類型和鉆井方法的不同，生產力損失可達20-50% [1]、[2]、[3]。與鉆井液相關的過程，包括固體侵入和濾餅沉積，常常會改變井筒附近區域的巖石物理和力學性質 [4]、[5]、[6]。盡管濾餅在控制流體損失和維持井筒穩定性方面起著重要作用 [7]、[8]，但它也會顯著降低井筒附近的滲透率，使井筒刺激變得復雜，并可能阻礙碳氫化合物的生產 [9]、[10]。這種損傷在碳酸鹽儲層中尤為嚴重，因為碳酸鹽儲層占全球常規碳氫化合物儲量的50%以上，并且對鉆井和完井液非常敏感 [11]、[12]。因此，了解主要和二次地層損傷的機制對于有效的鉆井和儲層管理至關重要 [13]。
主要地層損傷是指在鉆井過程中由于鉆井液與巖石基質之間的物理和化學相互作用而造成的初始損傷 [14]。這種損傷通常表現為孔隙堵塞、固體侵入以及由于濾餅在井筒表面和近井區堆積導致的滲透率降低 [15]、[16]。許多實驗和現場研究表明，由鉆井液引起的初始損傷通常局限于地層的前幾厘米范圍內；然而，即使是淺層的侵入也會通過限制流體流動和改變孔隙連通性而導致顯著的生產力損失 [13]、[17]。可以使用含有高密度礦物（如赤鐵礦）的鉆井液進行過平衡鉆井（overbalanced drilling）來控制地層壓力，但這些系統的細顆粒大小、高固體濃度和較高密度增加了固體深入滲透的可能性，尤其是在碳酸鹽地層中 [18]。除了滲透率降低外，主要損傷還會改變儲層巖石的電學和力學性質，影響電阻率測量、彈性模量和巖石硬度，從而復雜化地層評價和刺激設計 [4]、[5]、[6]。盡管濾餅的形成在減少流體損失和穩定井筒方面起著關鍵作用，但其低滲透率會在生產前形成障礙，必須有效清除才能恢復儲層性能 [19]、[20]。
二次地層損傷發生在清除濾餅時，處理液與鉆井固體或地層礦物發生反應，產生不溶性反應產物并在孔隙系統中沉淀，從而限制流體流動路徑 [21]、[22]、[23]。在去除基于重晶石的濾餅時，這種現象已被廣泛報道：在螯合或酸性處理過程中，溶解的鋇會重新沉淀為硫酸鋇，導致滲透率損傷，這種損傷通常會超出近井區范圍 [21]、[24]。
在使用鹽酸單獨去除濾餅的碳酸鹽地層中也觀察到了類似的二次損傷。雖然鹽酸能有效溶解碳酸鹽礦物并分解富含赤鐵礦的濾餅，但在酸耗盡過程中釋放的鐵會以含鐵化合物的形式沉淀，導致孔隙堵塞和滲透率降低 [25]、[26]。這些效應受到處理策略和流動方向的影響很大，這突顯了將二次損傷視為化學和操作現象的重要性 [27]。
文獻中研究了多種濾餅去除系統，包括無機酸（如鹽酸HCl）和有機酸（如甲酸和醋酸），以及與螯合劑（如EDTA、GLDA或DTPA）的組合 [28]、[29]、[30]。其中，鹽酸因其溶解碳酸鹽礦物的有效性而被最廣泛使用 [31]。然而，其使用也伴隨著一些挑戰，如反應速率快、腐蝕性強以及反應產物的二次沉淀 [32]、[33]。為了減輕這些缺點，提出了鹽酸與有機酸的混合物。其中一個例子是鹽酸-草酸系統，該系統被研究用于提高溶解效果同時降低腐蝕性 [34]、[35]。草酸是一種二元羧酸，可以作為絡合劑，穩定溶解的金屬離子 [36]。然而，在碳酸鹽條件下，草酸會與鈣反應生成草酸鈣，這種不溶性沉淀物可能會堵塞孔隙空間并造成嚴重的二次損傷 [32]、[37]。這強調了不僅要評估去除液的溶解能力，還要評估其產生有害副產品的潛力 [24]、[25]。
本研究采用的鹽酸-草酸配方借鑒了之前的研究，這些研究主要關注溶解基于赤鐵礦的濾餅同時減少腐蝕 [38]。然而，先前的研究并未考察當溶液被溶解的赤鐵礦飽和并侵入碳酸鹽地層時的行為，在這種情況下，Ca
2+ 的存在會強烈促進草酸鈣的沉淀。草酸鈣一水合物的溶解度極低，總溶解濃度約為10
-4 M，溶解度積（Ksp）在25 °C時約為10
-9 mol
2·L
-2，并且在至少90 °C以下溫度下的依賴性較弱 [39]。這種低溶解度意味著在高壓高溫（HPHT）應用相關的碳酸鹽-草酸條件下，沉淀是熱力學上優選的。因此，不僅需要評估該系統的溶解性能，還需要評估其在不同操作條件（如擠壓和回流水）下可能引起的二次地層損傷程度。
以往的研究通常分別討論主要和二次損傷，要么關注鉆井液侵入的影響，要么關注濾餅去除溶液的效率 [13]、[21]、[23]、[40]。盡管這些研究很有價值，但它們往往忽略了濾餅首先沉積，然后接受去除處理這一耦合過程，這些處理可能會改變地層的近井區和遠井區性質。此外，很少比較不同去除方法（尤其是擠壓和回流水）對二次損傷的影響 [41]。在擠壓處理中，去除液在壓力下注入地層，可能會將沉淀物推入儲層巖石更深處，從而損害遠井區的滲透率 [19]。相比之下，回流水處理涉及將去除液循環回井筒，可能會減少沉淀物的遷移深度，但可能會使近井區的孔隙部分堵塞 [42]。在受控的濾餅堆積和去除條件下，這兩種方法的直接實驗比較在文獻中仍然有限。
對于使用含赤鐵礦泥漿鉆探的碳酸鹽儲層來說，這一知識缺口尤為顯著，因為赤鐵礦的導電性和碳酸鹽的化學反應性加劇了地層損傷的復雜性。赤鐵礦的導電性會影響電阻率測量，使測井解釋和儲層評價變得復雜 [43]、[44]。同時，鹽酸對碳酸鹽的溶解會形成孔隙，這些孔隙對刺激有益，但隨后可能因沉淀而受到影響 [45]、[46]。 [32] 指出了鹽酸-草酸系統在碳酸鹽地層中的損傷傾向，將其歸因于草酸鈣的形成以及由赤鐵礦溶解和再沉淀產生的含鐵化合物。然而，他們的研究并未涉及這些過程對巖石力學和物理性質的影響。需要詳細的實驗室研究來全面了解主要和二次損傷的程度和分布。
本研究的目標有三個：(1) 描述與碳酸鹽巖中基于赤鐵礦的濾餅沉積相關的主要損傷；(2) 評估通過擠壓和回流水兩種處理方式引起的二次損傷；(3) 比較這兩種操作方式下的損傷程度和分布。通過整合巖石物理、力學和微觀結構分析，本研究提供了對地層損傷進展的全面理解。
方法論
本節描述了用于評估碳酸鹽巖巖心中濾餅堆積和去除過程中主要和二次地層損傷的實驗方法。實驗設計旨在在受控的實驗室環境中模擬現場相關條件。工作流程包括準備印第安納州石灰巖巖心塞作為代表性的碳酸鹽樣本，配制含有赤鐵礦的鉆井液以形成濾餅，以及準備鹽酸-草酸去除液。
結果與討論
本研究的結果基于使用鹽酸-草酸系統在濾餅沉積和隨后去除過程中觀察到的地層損傷。討論圍繞擠壓和回流水兩種操作方式進行展開，重點量化了滲透率、電阻率和力學性質的變化，并通過CT掃描、掃描電子顯微鏡（SEM）和核磁共振（NMR）分析進行了支持。
結論
本研究調查了與含赤鐵礦的泥漿濾餅在碳酸鹽巖中的主要和二次地層損傷，并評估了兩種操作去除策略——擠壓和回流水——的影響，使用了濃度為6 wt.%的鹽酸加上10 wt.%的草酸溶液。
本研究的主要結果如下：
- •
濾餅堆積造成的主要損傷僅限于近井區，導致滲透率降低一個數量級，電阻率下降
作者貢獻聲明
阿米爾·肖克瑞（Amir Shokry）：撰寫原始草稿、可視化處理、方法論設計、數據整理。薩拉赫爾丁·埃爾卡塔特尼（Salaheldin elkatatny）：審閱和編輯、可視化處理、監督、方法論設計、調查、概念化。穆斯塔法·阿爾·拉馬丹（Mustafa Al Ramadan）：可視化處理、驗證、方法論設計、調查、數據分析。阿卜杜勒拉烏夫·阿德巴約（Abdulrauf Adebayo）：撰寫原始草稿、方法論設計、調查、數據分析
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
資助
本研究未獲得公共部門、商業部門或非營利部門的任何特定資助。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者衷心感謝法赫德國王石油與礦業大學（King Fahd University of Petroleum & Minerals, KFUPM）在整個研究過程中提供的研究設施和支持。同時特別感謝Badr El-Din Petroleum Company (BAPETCO) 授予阿米爾·肖克瑞研究假期，以便他完成博士研究所需的實驗室工作。
