《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
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滤饼沉积和去除处理对碳酸盐岩Formation damage的影响及挤压与返排操作对比研究。摘要：该研究通过印第安纳石灰岩岩芯实验，系统评估了含赤铁矿滤饼的初级损害及HCl-草酸体系返排和挤压处理的次生损害机制。结果表明，挤压处理导致铁离子迁移引发远场渗透率下降一个数量级，而返排操作能有效抑制沉淀扩散，保持远场渗透率在初始值的70%以上。两种工况下电阻率分别下降45%和22%，岩石刚度增加2.3倍和0.8倍。CT和SEM分析显示返排操作形成更均匀的酸蚀孔道，而挤压处理产生深度超过50cm的网状裂缝系统。
阿米尔·肖克瑞（Amir Shokry）| 萨拉赫尔丁·埃尔卡塔特尼（Salaheldin Elkatatny）| 穆斯塔法·阿尔·拉马丹（Mustafa Al Ramadan）| 阿卜杜勒拉乌夫·阿德巴约（Abdulrauf Adebayo）
沙特阿拉伯达兰31261，法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals）石油工程与地球科学学院石油工程系
摘要
钻井过程中的地层损伤是一个主要问题。虽然滤饼沉积可以防止流体侵入，但也会降低井筒附近的渗透率。然而，清除流体时可能会通过沉淀反应引发二次损伤。本研究评估了基于赤铁矿的滤饼堆积造成的主要损伤，以及使用盐酸-草酸溶液清除滤饼时产生的二次损伤，重点比较了挤压（squeeze）和回流水（flowback）两种处理方式的影响。实验中使用了印第安纳州石灰岩岩心塞（Indiana limestone core plugs），并注入了含有赤铁矿的泥浆以形成滤饼。通过测量渗透率和电阻率、进行CT扫描和机械性能测试来表征主要损伤。随后注入了浓度为6 wt.%的盐酸加上10 wt.%的草酸溶液（其中含有赤铁矿），并使其渗透到岩心孔隙体积的一半。测试了两种处理方式：(i) 向岩心中挤压注入；(ii) 从相反方向回流水。处理后，将每个岩心分为近井区和远井区两部分，并使用相同的技术重新进行表征，同时结合扫描电子显微镜（SEM）和核磁共振（NMR）分析。主要损伤仅限于近井区，导致渗透率降低一个数量级，由于赤铁矿的导电性电阻率下降，岩石硬度增加。在挤压处理中，二次沉淀物向更深处迁移，严重损害了远井区的渗透率，增加了电阻率，并改变了岩石的弹性特性。而在回流水处理中，沉淀物的侵入受到限制，远井区的渗透率得到保持，近井区的损伤减轻。本研究量化了碳酸盐岩中的主要和二次损伤机制，展示了盐酸-草酸系统的风险以及回流水处理相对于挤压处理的操作优势。
引言
地层损伤是碳氢化合物储层中的一个主要问题，据估计，根据地层类型和钻井方法的不同，生产力损失可达20-50% [1]、[2]、[3]。与钻井液相关的过程，包括固体侵入和滤饼沉积，常常会改变井筒附近区域的岩石物理和力学性质 [4]、[5]、[6]。尽管滤饼在控制流体损失和维持井筒稳定性方面起着重要作用 [7]、[8]，但它也会显著降低井筒附近的渗透率，使井筒刺激变得复杂，并可能阻碍碳氢化合物的生产 [9]、[10]。这种损伤在碳酸盐储层中尤为严重，因为碳酸盐储层占全球常规碳氢化合物储量的50%以上，并且对钻井和完井液非常敏感 [11]、[12]。因此，了解主要和二次地层损伤的机制对于有效的钻井和储层管理至关重要 [13]。
主要地层损伤是指在钻井过程中由于钻井液与岩石基质之间的物理和化学相互作用而造成的初始损伤 [14]。这种损伤通常表现为孔隙堵塞、固体侵入以及由于滤饼在井筒表面和近井区堆积导致的渗透率降低 [15]、[16]。许多实验和现场研究表明，由钻井液引起的初始损伤通常局限于地层的前几厘米范围内；然而，即使是浅层的侵入也会通过限制流体流动和改变孔隙连通性而导致显著的生产力损失 [13]、[17]。可以使用含有高密度矿物（如赤铁矿）的钻井液进行过平衡钻井（overbalanced drilling）来控制地层压力，但这些系统的细颗粒大小、高固体浓度和较高密度增加了固体深入渗透的可能性，尤其是在碳酸盐地层中 [18]。除了渗透率降低外，主要损伤还会改变储层岩石的电学和力学性质，影响电阻率测量、弹性模量和岩石硬度，从而复杂化地层评价和刺激设计 [4]、[5]、[6]。尽管滤饼的形成在减少流体损失和稳定井筒方面起着关键作用，但其低渗透率会在生产前形成障碍，必须有效清除才能恢复储层性能 [19]、[20]。
二次地层损伤发生在清除滤饼时，处理液与钻井固体或地层矿物发生反应，产生不溶性反应产物并在孔隙系统中沉淀，从而限制流体流动路径 [21]、[22]、[23]。在去除基于重晶石的滤饼时，这种现象已被广泛报道：在螯合或酸性处理过程中，溶解的钡会重新沉淀为硫酸钡，导致渗透率损伤，这种损伤通常会超出近井区范围 [21]、[24]。
在使用盐酸单独去除滤饼的碳酸盐地层中也观察到了类似的二次损伤。虽然盐酸能有效溶解碳酸盐矿物并分解富含赤铁矿的滤饼，但在酸耗尽过程中释放的铁会以含铁化合物的形式沉淀，导致孔隙堵塞和渗透率降低 [25]、[26]。这些效应受到处理策略和流动方向的影响很大，这突显了将二次损伤视为化学和操作现象的重要性 [27]。
文献中研究了多种滤饼去除系统，包括无机酸（如盐酸HCl）和有机酸（如甲酸和醋酸），以及与螯合剂（如EDTA、GLDA或DTPA）的组合 [28]、[29]、[30]。其中，盐酸因其溶解碳酸盐矿物的有效性而被最广泛使用 [31]。然而，其使用也伴随着一些挑战，如反应速率快、腐蚀性强以及反应产物的二次沉淀 [32]、[33]。为了减轻这些缺点，提出了盐酸与有机酸的混合物。其中一个例子是盐酸-草酸系统，该系统被研究用于提高溶解效果同时降低腐蚀性 [34]、[35]。草酸是一种二元羧酸，可以作为络合剂，稳定溶解的金属离子 [36]。然而，在碳酸盐条件下，草酸会与钙反应生成草酸钙，这种不溶性沉淀物可能会堵塞孔隙空间并造成严重的二次损伤 [32]、[37]。这强调了不仅要评估去除液的溶解能力，还要评估其产生有害副产品的潜力 [24]、[25]。
本研究采用的盐酸-草酸配方借鉴了之前的研究，这些研究主要关注溶解基于赤铁矿的滤饼同时减少腐蚀 [38]。然而，先前的研究并未考察当溶液被溶解的赤铁矿饱和并侵入碳酸盐地层时的行为，在这种情况下，Ca
2+ 的存在会强烈促进草酸钙的沉淀。草酸钙一水合物的溶解度极低，总溶解浓度约为10
-4 M，溶解度积（Ksp）在25 °C时约为10
-9 mol
2·L
-2，并且在至少90 °C以下温度下的依赖性较弱 [39]。这种低溶解度意味着在高压高温（HPHT）应用相关的碳酸盐-草酸条件下，沉淀是热力学上优选的。因此，不仅需要评估该系统的溶解性能，还需要评估其在不同操作条件（如挤压和回流水）下可能引起的二次地层损伤程度。
以往的研究通常分别讨论主要和二次损伤，要么关注钻井液侵入的影响，要么关注滤饼去除溶液的效率 [13]、[21]、[23]、[40]。尽管这些研究很有价值，但它们往往忽略了滤饼首先沉积，然后接受去除处理这一耦合过程，这些处理可能会改变地层的近井区和远井区性质。此外，很少比较不同去除方法（尤其是挤压和回流水）对二次损伤的影响 [41]。在挤压处理中，去除液在压力下注入地层，可能会将沉淀物推入储层岩石更深处，从而损害远井区的渗透率 [19]。相比之下，回流水处理涉及将去除液循环回井筒，可能会减少沉淀物的迁移深度，但可能会使近井区的孔隙部分堵塞 [42]。在受控的滤饼堆积和去除条件下，这两种方法的直接实验比较在文献中仍然有限。
对于使用含赤铁矿泥浆钻探的碳酸盐储层来说，这一知识缺口尤为显著，因为赤铁矿的导电性和碳酸盐的化学反应性加剧了地层损伤的复杂性。赤铁矿的导电性会影响电阻率测量，使测井解释和储层评价变得复杂 [43]、[44]。同时，盐酸对碳酸盐的溶解会形成孔隙，这些孔隙对刺激有益，但随后可能因沉淀而受到影响 [45]、[46]。 [32] 指出了盐酸-草酸系统在碳酸盐地层中的损伤倾向，将其归因于草酸钙的形成以及由赤铁矿溶解和再沉淀产生的含铁化合物。然而，他们的研究并未涉及这些过程对岩石力学和物理性质的影响。需要详细的实验室研究来全面了解主要和二次损伤的程度和分布。
本研究的目标有三个：(1) 描述与碳酸盐岩中基于赤铁矿的滤饼沉积相关的主要损伤；(2) 评估通过挤压和回流水两种处理方式引起的二次损伤；(3) 比较这两种操作方式下的损伤程度和分布。通过整合岩石物理、力学和微观结构分析，本研究提供了对地层损伤进展的全面理解。
方法论
本节描述了用于评估碳酸盐岩岩心中滤饼堆积和去除过程中主要和二次地层损伤的实验方法。实验设计旨在在受控的实验室环境中模拟现场相关条件。工作流程包括准备印第安纳州石灰岩岩心塞作为代表性的碳酸盐样本，配制含有赤铁矿的钻井液以形成滤饼，以及准备盐酸-草酸去除液。
结果与讨论
本研究的结果基于使用盐酸-草酸系统在滤饼沉积和随后去除过程中观察到的地层损伤。讨论围绕挤压和回流水两种操作方式进行展开，重点量化了渗透率、电阻率和力学性质的变化，并通过CT扫描、扫描电子显微镜（SEM）和核磁共振（NMR）分析进行了支持。
结论
本研究调查了与含赤铁矿的泥浆滤饼在碳酸盐岩中的主要和二次地层损伤，并评估了两种操作去除策略——挤压和回流水——的影响，使用了浓度为6 wt.%的盐酸加上10 wt.%的草酸溶液。
本研究的主要结果如下：
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滤饼堆积造成的主要损伤仅限于近井区，导致渗透率降低一个数量级，电阻率下降
作者贡献声明
阿米尔·肖克瑞（Amir Shokry）：撰写原始草稿、可视化处理、方法论设计、数据整理。萨拉赫尔丁·埃尔卡塔特尼（Salaheldin elkatatny）：审阅和编辑、可视化处理、监督、方法论设计、调查、概念化。穆斯塔法·阿尔·拉马丹（Mustafa Al Ramadan）：可视化处理、验证、方法论设计、调查、数据分析。阿卜杜勒拉乌夫·阿德巴约（Abdulrauf Adebayo）：撰写原始草稿、方法论设计、调查、数据分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
资助
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals, KFUPM）在整个研究过程中提供的研究设施和支持。同时特别感谢Badr El-Din Petroleum Company (BAPETCO) 授予阿米尔·肖克瑞研究假期，以便他完成博士研究所需的实验室工作。
