第四章 油氣層損害機理

1、第四章 油氣層損害機理油氣層損害機理：就是油氣層損害的產生原因和伴隨損害發(fā)生的物理、化學變化過程。目的： 認識和診斷油氣層損害原因及損害過程，以便為推薦和制定各項保護油氣層和解除油氣層損害的技術措施提供科學依據。相對滲透率下降包括:水鎖、賈敏、潤濕反轉和乳化堵塞第一節(jié) 概述滲透空間的改變包括：外來固相侵入、水敏性損害、酸敏性損害、堿敏性損害、微粒運移、結垢、細菌堵塞和應力敏感損害；內因(潛在損害因素) ：凡是受外界條件影響而導致油氣層滲透性降低的油氣層內在因素，包括孔隙結構、敏感性礦物、巖石表面性質和地層流體性質，是儲集層本身固有的特性。外因：在施工作業(yè)時，任何能夠引起油氣層微觀結構或流體原始

2、狀態(tài)發(fā)生改變，并使油氣井產能降低的外部作業(yè)條件，均為油氣層損害外因，主要指入井流體(固相和液相)性質、壓差、溫度和作業(yè)時間等可控因素。外來流體與儲集層巖石的相互作用造成： 外來固相顆粒的堵塞與侵入； 濾液侵入及不配伍的注入流體造成的敏感性損害； 儲集層內部微粒運移造成的地層損害； 出砂； 細菌堵塞。外來流體與地層流體間的不配伍造成： 乳化堵塞； 無機結垢堵塞； 有機結垢堵塞； 鐵銹與腐蝕產物的堵塞； 地層內固相沉淀的堵塞；其它損害包括：射孔造成的壓實和不完善等損害;固井和修井作業(yè)的注水泥和水泥漿造成的特殊損害等;機理研究除了要準確診斷和判別各種損害因素和各種可能原因外，還必須把各種因素對每個產

3、層的危害性大小按序排列，分出主次，并找出主要因素。第二節(jié) 油氣層潛在損害因素儲集層的主要特征：包括儲層巖石骨架顆粒和填隙物等礦物的結構、成分、含量和分布狀態(tài)，儲集層孔隙結構和喉道特征；儲集層中流體類型、成分、含量和流體壓力等。它們都是影響和決定儲集層損害的內在因素。一、油氣層孔隙結構特征與儲集層損害的關系1. 儲層巖石物質組分碎屑顆粒、雜基(或基質)、膠結物和空隙。雜基和膠結物統(tǒng)稱為填隙物。他們決定了儲集層巖石的基本特征。碎屑顆粒稱為骨架顆粒。主要成分是石英、長石、巖屑和少量云母和重礦物，占整個巖石的50以上。填隙物（雜基和膠結物）： 是填充在骨架顆粒之間的細小物質，它包括了雜基和膠結物兩部分

4、。雜基(或基質):是指碎屑巖中與粗的骨架顆粒(如礫、砂）一起沉積下來起填隙作用的細粉砂物質和粘土物質，如高嶺石、水云母、蒙脫石、綠泥石等。具有很大的表面積。是儲集層敏感性的內在因素。膠結物：對骨架顆粒起膠結作用的化學沉淀物(自生礦物)，主要存在于骨架顆粒之間的孔隙和吼道中，它們都是優(yōu)先與進入地層內的流體接觸，并發(fā)生物理、化學和物理化學作用導致地層損害，是增造成儲層敏感性傷害極為重要的內在因素。2.儲層孔喉結構與油氣層損害的關系孔喉特征與油氣層損害的關系孔喉類型孔喉主要特征可能的損害方式縮頸喉道孔隙大，喉道粗，孔隙與喉道直徑比接近于1固相侵入、出砂和地層坍塌點狀喉道孔隙大(或較大)，喉道細，孔隙

5、與喉道直徑比大微粒運移、水鎖、賈敏、固相侵入片狀或彎片狀喉道孔隙小，喉道細長，孔隙與喉道直徑比中到大微粒運移、水鎖、賈敏、粘土水化膨脹管束狀喉道孔隙和喉道成為一體且細小水鎖、賈敏、乳化堵塞、粘土水化膨脹在其它條件相同的情況下，孔喉越大，不匹配的固相顆粒侵入的深度就越深，造成的固相損害程度可能就越大，但濾液造成的水鎖、賈敏等損害的可能性較??；孔喉彎曲程度越大，外來固相顆粒侵入越困難，侵入深度小;而地層微粒易在喉道中阻卡，微粒分散或運移的損害潛力增加，喉道越易受到損害；孔隙連通性越差，油氣層越易受到損害；二. 儲層敏感性礦物與油氣層損害的關系1.敏感性礦物的定義是指儲集層中與流體接觸易發(fā)生物理、化

6、學和物理化學反應并導致滲透率大幅度下降的一類礦物。2.敏感性礦物特點大多都是在成巖作用期從孔隙水中化學沉淀出來，并充填在孔隙中，或附貼在孔壁和骨架顆粒表皮上的自生礦物。一般粒徑很小(37um)，比表面大，多數位于孔喉處，優(yōu)先與外界流體接觸，直接反映出地層的敏感性。儲層敏感性類型和程度取決于敏感性礦物的種類、含量和分布狀態(tài)。3.敏感性礦物種類(1) 水敏和鹽敏（性）礦物是指儲集層中與水溶液作用產生晶格膨脹或分散堵塞孔喉并引起滲透率下降的礦物。具有陽離子交換容量較大的特點。有蒙脫石、伊利石/蒙脫石間層礦物、綠泥石/蒙脫石間層礦物等。水敏性礦物的水化膨脹過程(2) 酸敏性礦物是指儲集層中與酸液作用產

7、生化學沉淀或酸蝕后釋放出的微粒引起滲透率下降的礦物。酸化過程中巖石的溶解反應a. 鹽酸與巖石的反應：鹽酸與某些硅酸鹽礦物(綠泥石)發(fā)生反應，釋放出金屬陽離子(如Al3+、Fe3/2+、Ca2+、Mg2+等)和硅酸。鹽酸還可溶解某些鐵礦石如菱鐵礦(FeCO3)、赤鐵礦(Fe2O3 ) 、硫化亞鐵(FeS)；b. 土酸與巖石的反應造成儲層酸敏性的原因a. 鐵的氫氧化物沉淀當pH=2時，Fe3+開始生成Fe(OH)+沉淀，pH=4時，Fe3+幾乎全部轉變成Fe(OH)3沉淀；當pH到67時，Fe2+開始生成Fe(OH)2沉淀，當pH=9.7時，Fe2+幾乎全部生成Fe(OH)2沉淀。當pH在27之間

8、,石英表面電荷與Fe(OH)3膠體表面電荷相反，促使Fe(OH)3在石英表面的吸附沉積。b. 氫氧化鋁沉淀的生成當殘酸pH值上升到34時，開始生成Al(OH)3沉淀。c. 氟化物的沉淀：為了避免土酸酸化中生成氟化鈣和氟化鎂沉淀，應用鹽酸作前置液，溶解掉碳酸鹽礦物并把土酸與地層水隔開，以防止Mg2+、Ca2+與HF直接接觸。d. 氟硅酸鹽與氟鋁酸鹽沉淀粘土、石英、長石與HF反應生成的氟硅酸與氟鋁酸與地層水中或礦物酸化釋放出的Na+、K-、Ba2+等離子反應，生成不溶性氟硅酸鹽與氟鋁酸鹽沉淀。e. 硅酸凝膠的生成硅酸鹽礦物和氧化硅礦物與HF反應產生的氟硅酸，在HF濃度很小的殘酸中會分解，并水解生成

9、正硅酸：開始形成的單分子正硅酸可溶于水，當這些單分子正硅酸逐漸聚合成多聚硅酸時，就形成硅酸凝膠，這種硅酸凝膠含水量很大，體積也很大，松軟有彈性，很容易堵塞孔喉，導致滲透率降低。f. 酸化釋放出的礦物微粒引起的損害儲層酸化的效果好壞，要看有利的溶解反應與不利的沉淀反應哪個起主導作用，若有利因素起主導作用，則酸化有效；反之，則無效。 (3) 堿敏性礦物指油氣層中與高pH值外來液作用產生分散、脫落或新的硅酸鹽沉淀和硅凝膠體，并引起滲透率下降的礦物。主要有長石、微晶石英、各類粘土礦物和蛋白石。a粘土礦物在堿性溶液中易于分散而造成損害粘土礦物中鋁氧八面體的Al-O-H鍵是兩性的，在堿性環(huán)境中易電離出H+

10、 ，使粘土表面負電荷增加，使晶層間斥力增大，使粘土更易水化膨脹和分散運移。b堿可以與某些酸性氧化物反應生成堵塞孔道的硅凝膠隱晶質類石英(燧石等)和蛋白石(SiO2·nH2O)等較易與氫氧化物反應生成可溶性硅酸鹽，這種硅酸鹽可在適當的pH范圍內形成硅凝膠而堵塞滲流通道。 (4) 速敏礦物 是指油氣層中在高速流體流動作用下發(fā)生運移，并堵塞吼道的微粒礦物。主要有粘土礦物及粒徑小于37um的各種非粘土礦物。如高嶺石、毛發(fā)狀伊利石和固結不緊的微晶石英、長石、方解石等。4.敏感性礦物的產狀與油氣層損害的關系產狀是指敏感性礦物在巖石中的分布位置和存在狀態(tài)。其對油氣層損害有較大影響。（1）薄膜式：粘

11、土礦物平行于骨架顆粒排列，呈部分或全包覆基質顆粒狀，這種產狀以豪脫石和伊利石為主。流體流經它時阻力小，一般不易產生運移，但這類粘土易產生水化膨脹，減少孔喉，甚至引起水鎖； 薄膜式產狀（2）櫛(zhi)殼式粘土礦物葉片垂直于顆粒表面生長，表面積大，又處于流體通道部位，呈這種產狀以綠泥石為主，流體流動時阻力大。因此極易受高速流體的沖擊，然后破裂形成顆粒隨流體而運移。若被酸蝕后，形成Fe(OH)3膠凝體和SiO2凝膠體，堵塞孔喉。 (3)橋接式由毛發(fā)狀、纖維狀的伊利石搭橋于顆粒之間，流體極易將它沖碎，造成微粒運移。(4)孔隙充填式粘土充填在骨架顆粒之間的孔隙中，呈分散狀，粘土粒間微孔隙發(fā)育。以高嶺石

12、、綠泥石為主呈這種產狀，極易在高速流體作用下造成微粒運移。 橋接式產狀 孔隙充填式產狀5.敏感性礦物的含量與損害程度的關系 一般說，敏感性礦物含量越高，由它造成的油氣層損害程度越大； 在其它條件相同的情況下，油氣層滲透率越低，敏感性礦物對油氣層造成損害的可能性和損害程度就越大。三、油氣層巖石的潤濕性與儲層傷害的關系潤濕性的定義：巖石潤濕性的作用：控制孔隙中油氣水分布決定著巖石孔道中毛管力的大小和方向影響著油氣層微粒的運移四、油氣層流體性質與油氣層損害的關系1.地層水性質包括礦化度、離子種類和含量、pH和水型等。當油氣層壓力和溫度降低或入井流體與地層水不配伍時，會生成CaCO3 、CaSO4、C

13、a (OH)2等無機沉淀。 高礦化度鹽水可引起進入油氣層的高分子處理劑發(fā)生鹽析。2.原油性質原油性質主要包括：粘度、含蠟量、膠質、瀝青質、析蠟點和凝固點、粘溫曲線等。石蠟、膠質和瀝青可能形成有機沉淀，堵塞孔喉；原油與入井流體不配伍形成高粘乳狀液，膠質、瀝青質與酸液作用形成酸渣；注水和壓裂中的冷卻效應可以導致石蠟、瀝青在地層中沉積，堵塞孔喉；3.天然氣性質主要是H2S和CO2腐蝕氣體的含量和相態(tài)特征。腐蝕氣體的作用是腐蝕設備造成微粒堵塞，H2S在腐蝕過程中形成FeS沉淀，造成井下和井口管線的堵塞；相態(tài)特征主要是對凝析氣藏而言。五、油氣藏環(huán)境地層損害是在特定的環(huán)境下發(fā)生的。內部環(huán)境包括油氣藏溫度、

14、壓力、原地應力和天然驅動能量。 外部環(huán)境有工作液的流速、化學性質、固相顆粒分布、壓差、流體的溫度等。在一個特定的時間段內，油氣層潛在損害因素是油氣層的固有特性。同時，油氣層潛在損害因素在不同的生產作業(yè)階段可能是動態(tài)變化的。第三節(jié) 外因作用下引起的油氣層損害油氣層損害機理的關鍵是研究外因如何誘發(fā)內因起作用而造成油氣層損害。一、外界流體進入油氣層引起的損害1.流體中固相顆粒堵塞油氣層造成的損害 入井流體常含有兩類固相顆粒:一類是為達到其性能要求而加入的有用顆粒;另一類是巖屑和混入的雜質及固相污染物質-有害固體。影響因素有:固相顆粒粒徑與孔喉直徑的匹配關系；固相顆粒的濃度；施工作業(yè)參數如壓差、剪切速

15、率和作業(yè)時間；損害特點：顆粒一般在近井地帶造成較嚴重的損害；粒徑小于孔徑1/10、且濃度較低時，損害程度可能較低;但此種損害程度會隨時間的增加而增加；對中、高滲透率的砂巖油氣層和裂縫性油氣層，外來固相顆粒侵入深度和損害程度相對較大；2.外來流體與巖石不配伍造成的損害水敏性損害定義：進入油氣層的外來液體與油氣層中的水敏性礦物(如蒙脫石)不配伍時，會引起這類礦物水化膨脹、分散或脫落，導致油氣層滲透率下降，這就是油氣層水敏性損害。水敏性損害的規(guī)律:水敏性礦物含量越大，水敏性損害程度大；水敏性損害強弱為:蒙脫石>伊利石/蒙皂石間層礦物 >綠泥石/蒙皂石間層礦物>伊利石>高嶺石、

16、綠泥石；水敏性礦物含量及存在狀態(tài)均相似時，高滲比低滲油氣層的水敏性損害要低；外來液體礦化度越低，水敏性損害越強；礦化度降低速度越大，油氣層的水敏性損害越強；外來液礦化度相同時，含高價陽離子的成分越多，引起油氣層水敏性損害的程度越弱。堿敏性損害定義：高pH的外來液體油氣層中的堿敏性礦物發(fā)生反應造成分散、脫落、新的硅酸鹽沉淀和硅凝膠體生成，導致油氣層滲透率下降的現象。產生堿敏損害的原因:堿性溶液作用下粘土礦物的鋁氧八面體表面負電荷增多，導致晶層間斥力增加，促進水化分散；隱晶質石英和蛋白石等與氫氧化物反應生成不可溶性硅酸鹽，這種硅酸鹽可在適當的pH值范圍內形成硅凝膠而堵塞孔道。酸敏性損害定義：油氣層

17、酸化處理后釋放大量微粒，礦物溶解釋放出的離子還可能再次生成沉淀，這些微粒和沉淀將堵塞油氣層的孔道，輕者可削弱酸化效果，重者導致酸化失敗。造成酸敏性損害的無機沉淀和凝膠體有:Fe (OH)3、 Fe (OH)2、CaF2、MgF2 、氟硅酸鹽、氟鋁酸鹽沉淀以及硅酸凝膠3.外來流體與地層流體不配伍造成的損害當外來流體的化學組分與地層流體的化學組分不相匹配時，將會在油氣層中引起結垢、乳化，或促進細菌繁殖等，最終影響儲層滲透性。結垢a.無機垢影響無機垢沉淀的因素有：外界液體和油氣層液體中鹽類的組成及濃度；液體的pH值；壓力和溫度b.有機沉淀影響形成有機垢的因素有：外來液體引起原油pH值改變而導致沉淀；

18、氣體和低表面張力的流體侵入油氣層乳化堵塞損害有兩方面：比孔喉尺寸大的乳狀液滴堵塞孔喉；提高流體的粘度，增加流動阻力影響乳化液形成的因素有：表面活性劑的性質和濃度；微粒的存在；油氣層的潤濕性細菌堵塞繁殖快常以體積較大的菌絡的存在，可堵塞孔道細菌產生的粘液堵塞油氣層細菌代謝產生的CO2、H2S、S2-、OH-等，可引起FeS、CaCO3、Fe(OH)2等無機沉淀二、工程因素和油氣層環(huán)境條件發(fā)生變化造成的損害1.作業(yè)或生產壓差引起的油氣層損害粒運移產生速敏損害大多數油氣層都含有一些細小礦物顆粒，它們的成分是粘土、非晶質硅、石英、長石、云母和碳酸鹽巖石等，其粒徑小于37m，是可運移微粒的潛在物源。這些

19、微粒在流體流動作用下發(fā)生運移，并且單個或多個顆粒在孔喉處發(fā)生堵塞，造成油氣層滲透率下降，這就是微粒運移損害。臨界流速與下面因素有關：油氣層的成巖性、膠結性和微粒粒徑孔隙幾何形狀和流道表面粗糙度巖石和微粒的潤濕性液體的離子強度和pH值界面張力和流體粘滯力溫度影響油氣層流體產生無機和有機沉淀物造成損害無機垢的形成是由于油層壓力的下降，它的流體中氣體不斷脫出，促使生成的CaCO3沉淀生成有機垢的生成是因油氣層壓力降低，促使石蠟沉積，造成堵塞產生應力敏感性損害隨著巖石的有效應力 (=PV-PR)就增加，使孔隙流道被壓縮，尤其是裂縫一孔隙型流道更為明顯，導致油氣層滲透率下降 造成應力敏感性損害。壓漏油氣層造成損害引起出砂和地層坍塌造成損害當油氣層較疏松時，若生產壓差太大，可能引起油氣層大量出砂，造成油氣層坍塌，產生嚴重的損害。加深油氣層損害的深度當作業(yè)壓差較大時，在高壓差的作用下，進入油氣層的固相量和濾液量必然較大，相應地固相損害和液相損害的深度加深從而加大油氣層損害的程度。2.溫度變化引起的油氣層損害增加損害程度溫度越高，各種敏感性損害程度就越強引起結垢損害溫度降低，