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低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 摘要 对于低渗透储层，储层中敏感性矿物含量高，储层表现出强水敏的特征。注 入水与地层流体及储层不配伍，将对储层的渗透率造成极大的伤害。为了注水开 发保护储层，防止对储层的伤害，通过对试验区块低渗透水敏储层逐步进行的开 发矿场试验，在注入水中加入x a 1 粘土稳定剂浓度为1 o 时，能较好地适应强 水敏性储层的开发需要。但加注x a 1 粘土稳定剂的同时也相应增加了开发成本。 为了充分利用油田回注水中残留x a 1 粘土稳定剂的有效成分，减少回注水中 x a 1 粘土稳定剂的添加量，有必要进行低渗透水敏储层油田回注水添加粘土稳 定剂的优化方案研究。本文的主要研究内容和结论如下： 研究目前低渗透水敏储层使用的x a 1 粘土稳定剂中有效成分，并确定有效 成分在x a 1 粘土稳定剂中的质量分数；研究建立种快速、准确检测回注水残 留x a 1 粘土稳定剂有效成分含量的方法，并运用建立的方法检测不同井口和联 合站回注水中残留x a 1 粘土稳定剂的含量。研究结果表明：运用薄层色谱法确 定了x a 1 粘土稳定剂的有效成分为x c h ，并确定了当x a 1 粘土稳定剂的浓度 小于1 0 时，x c h 的浓度在小于0 4 时己不能在薄层板上显色，对于油田回注 水中残留的x a 1 粘土稳定剂，薄层色谱法不能检测。运用莫尔法分析出了x a 1 粘土稳定剂中有效成分x c h 的质量分数4 3 0 9 。根据x c h 的结构和性质，对 油田回注水中残留x c h 的分析建立了离子色谱法，该方法线性关系良好，相关 系数为0 9 9 9 ，灵敏度高，回收率在9 6 3 1 0 5 ，r s d 小于3 ，检测限低，精 密度和准确度高。运用离子色谱法对试验区块不同含水1 3 口井点和联合站回注 水中残留x c h 进行了分析检测，检测结果显示，联合站回注水中残留的x a 1 粘土稳定剂的浓度约为o 1 ，其他各个井口采出水中x a 1 粘土稳定剂的残留 含量也是在o 1 左右。 运用离子色谱法对水源水和联合站回注水中的n a + 、k + 、c a s + 、m 9 2 + 、c l 。、 s o u 2 的含量做了分析测定，运用总溶解无机碳分析仪对水源水和联合站回注水 中h 0 3 、c 0 3 2 - 的含量进行分析测定，分析结果显示，水源水的矿化度比地层 水矿化度小1 4 7 5 m g l ，联合站回注水的矿化度比地层水矿化度小1 0 2 0 m g l ，回 注水和水源水与地层水矿化度相差较大，而且回注水矿化度比水源水矿化度高出 4 5 5 m g l ，因此必须对注入水采取措施，防止水敏和盐敏对储层渗透率造成伤害。 依据建立的分析方法对回注水分析的结果，开展配伍性实验、防膨率实验、 岩屑破碎率实验以及岩芯流动实验等进行室内研究，确定降低x a 1 粘土稳定剂 添加量的可行性，并根据实验结果提出合理的建议。实验结果显示：添加x a 1 粘土稳定剂的回注水与地层水的配伍性良好，与储层配伍性也良好；回注水添加 0 9 x a 1 粘土稳定剂的防膨率达到8 7 ；回注水中添加0 9 x a 1 粘稳定剂 基本上对储层中的岩屑不起分散作用；在回注水中补加0 9 x a - 1 粘土稳定剂， 对储层的伤害率小于2 5 ，从保护储层角度考虑可以接受。 关键词：回注水粘土稳定剂离子色谱储层渗透率 i i r e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o ns c h e m eo na d d i n g c l a ys t a b i l i z e ri nr e c y c l e di n je c t i o n w a t e ro f l o wp e r m e a b i l i t yw a t e rs e n s i t i v i t yo i l f i e l d a b s t r a c t l o w p e r m e a b i l i t y r e s e r v o i r w i t h h i g h e r s e n s i t i v em i n e r a l ss h o w st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n gw a t e rs e n s i t i v i t y i fi n j e c t e dw a t e ri sn o tc o m p a t i b l e 、析m f o r m a t i o nf l u i da n dr e s e r v o i r ，r e s e r v o i rp e r m e a b i l i t yw i l lb ed a m a g e d i no r d e rt o p r o t e c tt h er e s e r v o i r ，t h ef i e l dt e s tt h a ti n j e c t e dw a t e r 丽t l lc o n c e n t r a t i o no f1 0 c l a y s t a b i l i z e rx a - 1c o u l da d a p td e v e l o p m e n td e m a n d so fw a t e rs e n s i t i v i t yr e s e r v o i r b u t t h ed e v e l o p m e n tc o s th a si n c r e a s e dm o n o t o n i c a l l y i no r d e rt om a k eb e s tu s eo ft h e r e s i d u eo fc l a ys t a b i l i z e rx a 一1i nr e c y c l e di n je c t i o nw a t e ra n dd e c r e a s ed o s e ，t h e r e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o ns c h e m eo na d d i n gc l a ys t a b i l i z e ri nr e c y c l e di n j e c t i o nw a t e r w a sc a r r i e do u t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： s t u d i e do nt h ee f f e c t i v ec o m p o n e n t so fc l a ys t a b i l i z e rx a - 1a n dd e t e r m i n e dt h e m a s sf r a c t i o n , s t u d i e do nb u i l d i n gam e t h o dt od e t e r m i n et h e c o n t e n to fe f f e c t i v e c o m p o n e n t so fr e s i d u a lc l a ys t a b i l i z e rx a - 1i i li n j e e t i o nw a t e r w h i c hw a sf a s ta n d a c c u r a t e t h ec o n t e n to fr e s i d u a lc l a ys t a b i l i z e rx a 一1i nd i f f e r e n tw e l l sa n di n j e c t i o n w a t e ro f j o i n ts t a t i o nw a sd e t e c t e db ye s t a b l i s h e dm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e f f e c t i v e c o m p o n e n t o f c l a y s t a b i l i z e rx a 1w a sx c h b y t h i n l a y e r c h r o m a t o g r a p h y t h ec o l o rc o u l dn o tb eo b s e r v e do nt h i nl a y e rp l a t ew h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fc l a ys t a b i l i z e rx a 一1w a sl o w e rt h a n1 0 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f x c hl o w e rt h a n0 4 t h er e s i d u e so fc l a ys t a b i l i z e rx a 一1i 1 1i n j e c t i o nw a t e rc o u l d n o tb ed e t e r m i n e db yt h i nl a y e rc h r o m a t o g r a p h y t h em a s sf r a c t i o no ft h ee f f e c t i v e c o m p o n e n t so fc l a ys t a b i l i z e rx a 一1x c h w a s4 3 0 9 b yt h em e t h o do fm o h r i o n c h r o m a t o g r a p h yw a sb u i l tt oa n a l y z et h er e s i d u a lx c h i ni d j e c t i o nw a t e ra c c o r d i n g t ot h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fx c h ，w h i c hh a dg o o dl i n e a rr e l a t i o n 诵t l l0 9 9 9 ， m g hs e n s i t i v i t y ，t h er e c o v e r yw a s9 6 3 10 5 ，r s dw a s l e s st h a n3 ，l o wd e t e c t i o n m l i m i t ，h i 曲p r e c i s i o na n da c c u r a c y t h er e s i d u a lx c ho f13w e l l so ft e s tb l o c k 埘t l l d i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n ta n di n j e c t i o nw a t e ro fj o i n ts t a t i o nw a sd e t e c t e db yi o n c h r o m a t o g r a p h y ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o n t e n to fr e s i d u a lc l a ys t a b i l i z e r x a - 1i ni n j e c t i o nw a t e ro f j o i n ts t a t i o nw a sa b o u t0 1 ，t h ec o n t e n ti np r o d u c e dw a t e r f r o mo t h e rw e l l sw a sa b o u t0 1 a n a l y s i s a n dm e a s u r e m e n th a d b e e nm a d e o n i o nc o n t e n to f n a ，k + ，c a 2 + , m 9 2 + , c 1 。a n ds 0 4 2 。i nt h es o u r c ew a t e ra n dt h ei n j e c t i o nw a t e ro fj o i n t s t a t i o nb yi o nc h r o m a t o g r a p h y ，t h ec o n t e n to fh c 0 3 。a n dc 0 3 2 。b yt o t a ld i s s o l v e d i n o r g a n i cc a r b o na n a l y z e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es a l i n i t yo fs o u r c ew a t e rw a s 1 4 7 5 m g ll e s st h a nt h es a l i n i t yo ff o r m a t i o nw a t e r ，a n dt h es a l i n i t yo ft h e 蛳e c t i o n w a t e ro f j o i n ts t a t i o nw a s10 2 0 m g ll e s st h a nt h es a l i n i t yo ff o r m a t i o nw a t e r b e c a u s e t h es m “t yh a dl a r g e rd i f f e r e n c eb e t w e e ni n j e c t i o nw a t e r s o u r c ew a t e ra n df o r m a t i o n w a t e r ，a n dt h es a l i n i t yo fi n j e c t i o nw a t e rw a sh i g h e rt h a nt h es a l i n i t yo fs o u r c ew a t e r a b o u t4 5 5 m g l ，m e a s u r e sm u s tb et a k e no nt h ei n j e c t i o nw a t e rt op r e v e n tr e s e r v o i r p e r m e a b i l i t yd a m a g eb e c a u s eo fw a t e rs e n s i t i v i t ya n ds a l ts e n s i t i v i t y t h el a b o r a t o r yt e s t sw e r ec a r r i e do u tb yt h eb u i l ta n a l y s i s ，w h i c hc o n s i s to ft h e c o m p a t i b i l i t ye x p e r i m e n t ，t h e r a t eo fa n t i s w e l l i n g e x p e r i m e n t ，t h e r a t eo f f r a g m e n t a t i o no fc u t t i n g se x p e r i m e n ta n dt h ec o r ef l o we x p e r i m e n t ，t od e t e r m i n et h e f e a s i b i l i t yo fr e d u c i n gt h ea d d i t i o na m o u n to fc l a ys t a b i l i z e rx a 1a n dp r o p o s e r e a s o n a b l es u g g e s t i o n sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ei n j e c t i o nw a t e ra d d e dc l a ys t a b i l i z e rx a - 1h a dg o o dc o m p a t i b i l i t y 、j ，i t ht h e f o r m a t i o n 恤ra n dr e s e r v o i r t h er a t eo fa n t i s w e l l i n gw a sa b o v e8 7 w h e nt h e i n je c t i o nw a t e r - w a sa d d e dc l a ys t a b i l i z e rx a - 1o f0 9 t h ec l a ys t a b i l i z e rx a 一1o f 0 9 i ni n j e c t i o nw a t e rh a db a s i c a l l yn od i s p e r s i n ge f f e c to nc u t t i n g si nr e s e r v o i r t h e d a m a g er a t eo nr e s e r v o i rw a sl o w e rt h a n2 5 w h e n0 9 c l a ys t a b i l i z e rx a 一1w a s a d d e di n t ot h ei n j e c t i o nw a t e r ，w h i c hw a sa c c e p t a b l ef r o mt h ep o i n to fv i e wo f r e s e r v o i rp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：r e c y c l e di j e c t i o nw a t e r , c l a ys t a b i l i z e r , i o nc h r o m a t o g r a p h y , r e s e r v o i rp e r m e a b i l i t y i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 l 注；翅迢直墓他盂要挂别直明数：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 新擀抛力孬 签字日期：厶9 i i 年易月f 日 醪 薅日 访湃一 名厂，易 签 年 者砑l 作 獬 一1 渺 聃 位 字 学 鉴 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 1 文献综述 1 1 国内外低渗透油田划分标准和依据【1 】 低渗透油田是一个相对的概念，世界各国并没有统一固定的标准和界限，因 不同国家、不同时期的资源状况和技术经济条件而划定，变化范围较大。 国外曾把渗透率小于1 0 0 1 0 3 岬2 的油田划分为低渗透油田。随着科学技术 的发展，目前通常也把低渗透油田的上限规定为5 0 x1 0 。3 心，并进一步将低渗 透油藏分为三种类型： 一类储层渗透率1 0 l o - 3 p m 2 到5 0 x1 0 3 岫2 ，此类储层的特点接近于正常储 层。地层条件下含水饱和度2 5 - 5 0 ，测井油水层解释效果较好。这类储层一 般具有工业性自然产能，但在钻井和完井中极易造成污染，需采取相应的储层保 护措施。开采方式及最终采收率与常规储层相似，压裂可进一步提高其产能。 二类储层渗透率1 1 0 3 i t m 2 , - , , 1 0 x1 0 。i t m 2 ，此类油气层是最典型的低渗透 油层。含水饱和度变化不大( 3 0 7 0 ) ，部分为低电阻油层，测井解释难度较 大。这类储层的自然产能一般达不到工业性标准，需压裂投产。 三类储层渗透率0 1 1 0 。岬2 1x1 0 一l a r n 2 ，它属于致密低渗透储层。由于 孔喉半径小，因而油气运移难度大。这类储层已接近有效储层的下限，几乎没有 自然产能，需进行大型压裂改造方能投产。就目前的世界工艺技术水平而言，o 1 1 0 - 3 岫2 以下的低渗透油藏也是可以开发的，但经济上可能是不可行的。可见 仅根据低渗透还不能确定油藏的可采性，还必须考虑生产层的厚度、含油饱和度、 原油粘度以及开发的经济指标。 前苏联将低渗透油藏的渗透率上限定为5 0 x1 0 - 3 p m 2 ，它是根据地层产能、 导水性、孔隙空间结构和经济指标来确定的。他们认为，各油田低渗透储层的形 成和埋藏的地质物理条件千差万别，其渗透率上限也就相互不同，应视具体情况 而定。例如，根据萨莫特洛尔油田岩样的气测渗透率，并考虑其毛管和超毛管孔 隙的定量比值，确定出该油田低渗透储层的渗透率上限为2 2 x1 0 - 3 p a n 2 。而用同 样的方法确定的苏达尔明油田低渗透储层的上限为1 0 x 1 0 刁心，岛津油田的为 8 0 x1 0 - 3 l x r n 2 。实验证明，仅用渗透率作为低渗透储层的定量标准是不够的，必 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 须采用有关地层渗滤容积特性、产能及其开发效益等综合指标。因为这既反映 了流体渗流的动力学特征，又反映了低渗透油藏开发的效益。 据1 9 9 6 年低渗透油气田报道，美国a i l e v e r s o n 把渗透率大于1 0 1 0 。3 岫2 的低渗透油藏划为好储层，故低渗透油层的上限就等于1 0x1 0 。3 心。 我国对油藏分类方法比较多，如阂豫提出的按开发特征分类，林志芳按油藏 的类型与开发特征将国内油藏分为七类，裘亦楠按油藏开发地质特点将国内油藏 分七大类二十亚类，唐曾熊在此基础上提出了主要考虑油藏几何形态、储层流体 性质、储集渗流特征，结合开发特点的分类描述方法，他曾经建议以一个数量级 作为划分各类渗透率的范围。即对于一个油田，特低渗透率为小于1 0 x1 0 。3 岫2 ， 低渗透率为1 0 x1 0 。3 p a - a 2 , - 一1 0 0 x1 0 。3 岬2 ，中渗透率为1 0 0 1 0 。3 岬2 ，高渗透率为 大于1 0 0 0 1 0 。3 e f l 2 。罗蛰潭、王允诚将油层分为4 类，把渗透率低于1 0 0 1 0 。3 9 m 2 的储层称为低渗透储层。1 9 9 2 年西安国际低渗透气藏会议上，严衡文在论文中 也是把渗透率大于1 0 0 x1 0 。3 岬2 的划分为好储层；1 0 1 0 。3 l x m 2 - 1 0 0 1 0 。m r r l 2 为低渗透储层；o 1 1 0 。3 啪2 l o 1 0 。3 m r l l 2 为特低渗透储层。 西安石油学院和北京渗流所根据低渗透油田渗流特征，给出了低渗透油田的 界限，即他们根据渗透率与采收率和启动压力梯度的关系，认为渗透率在4 0 1 0 。3 岬2 前后有较大的变化，因此把4 0 1 0 。3 9 m 2 定为低渗透油层的上限。 近年来，我国根据低渗透油田。的渗流特征和开采特征，将储层渗透率小于 5 0 1 0 刁岬2 的油田作为低渗透油田。 低渗透油田下限就是通常所称的有效厚度下限，对低渗透油田来说，这是一 个十分重要的问题。过去人们根据岩芯含油产状和级别，与岩石物性对比而确定 了有效厚度下限，这种方法准确度较差。现在人们又逐步积累和建立了一些比较 严格的定量方法，如：流动孔喉下限、产油渗透率下限等。 美国、加拿大等国家有效厚度的渗透率下限一般定为0 1x1 0 。3 9 m 2 ，如加拿 大最大的油田帕宾那油田，总地质储量为：9 2 0 5 9 1 0 4 t ，而渗透率为0 1 1 0 1 0 。3 心的特低渗透油层储量就有4 0 1 9 5 1 0 4 t ，占总储量的4 4 。 八十年代，我国有的油田在计算地质储量的时候，把有效厚度渗透率下限定 为0 1 1 0 。3 l a i n 2 ，并得到全国储量委员会的审查和批准。因此我国低渗透油田油 层渗透率的下限为o 1x1 0 。心。 2 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 1 2 低渗透油田概况 1 2 1 国外低渗透油田概况【2 】 世界上低渗透油田资源十分丰富，分布范围广泛，各产油国基本上都有该类 油田。例如，美国中部、南部、北部和东部，前苏联的前喀尔巴叶山、乌拉尔一 伏尔加、西西伯利亚油区和加拿大西部的阿尔伯达省等都有广泛的分布。随着时 间的延长，小而复杂的低渗透油田的比例越来越大。例如，俄罗斯近年来在西西 伯利亚地区新发现的低渗透、薄差层低效储量已占探明储量的5 0 以上。 1 9 9 9 年俄罗斯各油气区中难以开采的石油储量占剩余可采储量的4 0 以上， 低渗透储层的储量达数百亿吨，其中，渗透率低于5 0 1 0 0 岬2 的低渗透储量约 有1 5 0 1 0 8 t ，占低渗透储量的9 0 以上，占俄罗斯可采储量的3 0 以上。其中 6 0 在西西伯利亚。这些低渗透储量大部分已投入开发。目前全俄罗斯从低渗透 储集层中采出的石油占全部采出油量的2 0 左右。低渗透储集层中石油的粘度绝 大多数在l o m p a s 以下，其有效厚度多数为2 - - 一l o m ，埋藏深度大多为1 2 0 0 - - 一 1 4 0 0 m ，采出程度不高。 1 9 9 8 年美国低渗透油气田可采储量占全国总储量的1 0 - 1 5 。据北美1 7 2 各低渗透砂岩油藏的统计，渗透率一般从几个到几十个1 0 。3 心。其中，2 0 - 1 0 0 1 0 。3 岬2 的油田占这些低渗透油藏总数的6 0 ，2 0 - 1 1 0 - 3 岬2 的占3 0 ，少数 低于1 1 0 d 心，约占5 。 1 2 2 国内低渗透油田概况 我国低渗透油田广泛分布在各个油区，截止2 0 0 0 年底，我国已探明的低渗 透油田地质储量为5 2 1 4 1 0 8 t ，占全部探明地质储量的2 6 1 。我国已经动用的 低渗透油田地质储量为2 6 6 6 1 0 8 t ，占全部已动用储量2 5 5 。 1 2 1 1 储层物性特征 一 我国的苏德尔特油田兴安岭群储层孔隙度变化范围在4 7 2 8 7 之间，平均 为2 2 ；渗透率范围在o 0 1 1 8 6 3 1 0 3 l a r n 2 之间，平均为1 2 3 2 1 0 矗岫2 ，属 十中孔隙中渗透储层。但各油层组孔渗差异较大，i 油层组储层孔隙度平均 2 3 9 ，渗透率平均1 6 5 9 1 0 一l a r n 2 ，属于高孔高渗型储层；、i i i 油层组孔隙度 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 平均1 7 7 ，渗透率平均1 0 1x1 0 一眦r l l 2 ，属于中孔低渗型储层；i v 油层组孔隙 度平均1 9 0 ，渗透率平均1 2 2 x1 0 - 3 m 1 1 2 ，属于中孔特低渗型储层。海拉尔盆地 贝3 0 1 区块为中低孔渗储层，开发目的层为南二段上部和中部，油层埋深1 1 1 0 - - 1 2 3 8 m ，贝3 0 1 区块油层储层分选性极差，泥质含量为1 8 2 ，无或极少胶结物。 基山储层具有双孔隙结构：存在大孔隙( 粒间孔、晶间孔、溶孔) 和微孔隙( 高岭石 晶间微孔、混层矿物间隙孔、自生矿物晶间微孔) 。孔隙度一般9 1 7 ，最大只 有2 0 ；渗透率0 1 6 1 0 3 l a i n 2 ，最大只有1 5 7 1 0 一t a m 2 。属于孔隙度为中孔到 低孔、渗透率为低渗到特低渗的储层1 3 4 】。 1 2 1 2 储层敏感性和粘土矿物 低渗透苏德尔特油田兴安岭群储层岩芯敏感性室内实验评价结果显示，储层 表现强水敏、中等偏强酸敏特征。德1 0 6 2 0 3 a 井注入水岩芯渗透率随着注入倍 数的增加，渗透率逐渐下降，当达到一定注入倍数后，渗透率相对稳定，最高渗 透率损失率达到了5 2 左右。苏德尔特油田储层中粘土矿物含量达到1 4 2 2 8 3 。i 油组粘土矿物中蒙脱石含量达5 0 5 、高岭石3 4 6 、伊利石8 1 、 绿泥石6 8 ；i i 油层组粘土矿物中蒙脱石含量达3 9 3 、高龄石4 8 5 、伊利石 0 9 、绿泥石1 1 3 ；1 i i 油组高岭石含量6 1 1 、伊利石2 1 9 、绿泥石1 7 0 ； 油组蒙脱石含量1 6 、高岭石3 5 5 、伊利石2 9 8 、绿泥石5 1 。低渗透 油田贝3 0 1 区块的临界流速为0 1 m l m i n ，对贝3 8 井水敏结果显示，水敏指数 变化范围在0 6 8 t 0 9 4 之间，平均值为0 8 3 ，水敏性表现为强水敏。该区块储层 中粘土矿物含量平均为5 4 ，粘土矿物以伊利石( 4 4 9 ) 、高岭石( 3 1 ) 和 蒙脱石( 1 8 7 ) 组合为主，混合层粘土矿物含量少。其中水敏性粘土矿物蒙脱 石的大量存在是贝3 0 1 区块储层强水敏的主要原 1 3 5 1 。 1 3 粘土矿物 粘土矿物是细分散的含水的层状和层链状构造的硅酸盐及含水的非晶质硅 酸盐矿物的总称。其中，大部分矿物都是层状的水铝硅酸盐矿物。粘土和粘土岩 中晶体一般小于2 1 t m ，主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。晶质含 水层状硅酸盐矿物有蒙脱石、高岭石、绿泥石、伊利石等；含水非晶质硅酸盐矿 物有水铝英石、胶硅铁石等【刀。油气层中的粘土矿物主要有蒙脱石、高岭石、绿 4 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 泥石以及伊利石。下面分别介绍一下蒙脱石、高岭石、绿泥石以及伊利石等粘土 矿物【6 1 。 1 3 1 蒙脱石 蒙脱石的基本结构层是由两个硅氧四面体和一个铝氧八面体组成，属于2 ： 1 层型粘土矿物。在这个基本结构层中，所有硅氧四面体的顶氧均指向铝氧八面 体。硅氧四面体与铝氧八面体是通过共用氧联结在一起。基本结构层沿a 轴和b 轴方向无限延伸，沿c 轴方向重复堆叠而构成蒙脱石粘土矿物晶体( 图1 1 ) 。 可交换陌离子 n i i l 0 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 换阳离子。当可交换阳离子主要为钠离子时，该蒙脱石为钠蒙脱石；当可交换阳 离子主要为钙离子时，该蒙脱石为钙蒙脱石。 1 3 2 伊利石 伊利石的基本结构层与蒙脱石相似，也是由两个硅氧四面体片和一个铝氧八 面体组成，属于2 ：1 层型粘土矿物( 图1 2 ) 。 伊利石与蒙脱石不同的地方在于晶格取代主要发生在硅氧四面体片中，约有 1 6 的硅为铝所取代。晶格取代后，在晶体表面为平衡电价而结合的可交换阳离 子主要为钾离子。由于钾离子直径( 0 2 6 6 n m ) 与硅氧四面体片中的六方网格结 构内切圆直径( 0 2 8 8 n m ) 相近，使它易进入六方网格结构中而不易释放出，所 以晶层结合紧密，水不易进入其中，因此伊利石属于非膨胀型粘土矿物。伊利石 层间距比较稳定，一般为1 o n m 。 1 3 3 绿泥石 绿泥石层间存在氢键，再加上水镁石对晶层的静电引力，使绿泥石的晶层结 合紧密，水不易进入其中，因此绿泥石也属非膨胀型粘土矿物( 图1 3 ) 。 镁、锄搛。羟基。曩- o 硅或钵 图1 3 绿泥石的晶体结构 f i g 1 3c r y s t a ls t r u c t u r eo fc h l o r i t e 6 o 氢氧根错 o 氧 硅 图卜4 高龄石的晶体结构 f i g 1 - 4c r y s t a ls t r u c t u r eo f k a o l i n i t e 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 1 3 4 高岭石 高岭石的基本结构层是由个硅氧四面体和一个铝氧八面体结合而成，属于 l ：1 层型粘土矿物。基本结构层沿层面( 即直角坐标系的a 轴和b 轴) 无限延 伸，沿层面垂直方向( 即直角坐标系的c 轴) 重复堆叠而构成高岭石粘土矿物晶 体，其晶层间距约为0 7 2 r i m ( 图1 - 4 ) 。 ， 在高岭石的结构中，晶层的一面全部由氧组成，另一面全部由羟基组成。晶 层之间通过氢键紧密联结，水不易进入其中。 高岭石很少晶格取代。所谓晶格取代是指硅氧四面体中的硅和铝氧八面体中 的铝为其他原子( 通常为低一价的金属原子) 取代，例如硅为铝取代，铝为镁取 代等。晶格取代的结果，使晶体的电价产生不平衡。为了平衡电价，需在晶体表 面结合一定数量的阳离子。这些只是为了平衡电价而结合的阳离子是可以互相交 换的，所以称为可交换阳离子。由于高岭石很少晶格取代，所以它的晶体表面就 只有很少的可交换阳离子。 粘土矿物中，高岭石属于非膨胀型的粘土矿物，这可从其晶层间存在氢键和 晶体表面只有很少的可交换阳离子两方面理解。 1 4 油田注水对储层的伤害机理 我国油田生产中，油田注水是维持地层压力，提高油藏采收率，确保油田稳 产、高产常用的有效措施。注入水必然要与储层岩石、流体接触，并发生各种物 理化学作用，如果注入水的水质不能满足储层的要求，随着注水时间的延长，注 水压力会持续升高，有的井甚至注不进水，生产井近井地带渗透率损失严重，动液 面快速下降，导致储层渗透率恶化，从而降低水驱效果，影响原油产量及油田的 采收率【8 9 】。粘土矿物在含油气储层中无处不在。人们一开始就把地层损害与粘 土矿物相联系，从2 0 世纪3 0 年代起，经历了发现水敏损害现象、确立分散运 移机制、探索分散运移规律及防治技术三个阶段，8 0 年代进入全面发展阶段， 不断深化损害机理认识，损害诊断和控制技术取得实质性进展。油田注水对储层 伤害的主要原因是油层中含有一定量的粘土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石和 绿泥石等，这些粘土矿物对水敏性强度的影响顺序为：蒙脱石 伊利石 高岭石 7 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 绿泥石，它们在孔隙中存在的形式及潜在损害列于表1 1 ： 表1 - 1敏感性矿物在孔隙中存在的形式及潜在损害 t a b l - 1t h ee x i s t e n t i a lf o r ma n dp o t e n t i a ld a m a g eo f s e n s i t i v em i n e r a l si nt h eh o l e s 绝大部分油气储层中都含有粘土矿物，由于粘土矿物易水化膨胀和分散运 移，当外来液体的矿化度比地层水低，并且流体的运移速度较快时，它们就可水 化膨胀和分散运移堵塞油气层，从而导致油气产量下降。注水对储层的伤害主要 为两方面：一是注入水与地层岩石及粘土矿物的不配伍；二是注入水与地层流体 的不配伍【1 们。 1 4 1 注入水对储层的伤害 注入水对储层的伤害主要有三种方式：粘土矿物的膨胀、粘土颗粒的迁移、 对酸敏感导致的沉淀。 1 4 1 1 粘土矿物的膨胀 蒙脱石由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成，层间表面均为氧层，联结 力弱。蒙脱石表面都有一定数量的可交换阳离子，由于蒙脱石常以衬垫形式存在 于粒表，当粘土矿物与水接触时，能与孔隙中流体充分接触，水可进入晶层内部， 使这些可交换阳离子从蒙脱石表面解离下来，以扩散的方式排列在蒙脱石表面周 围，形成扩散双电层，使蒙脱石表面带负电，晶层之间负电性相互排斥，引起层间 距加大，产生膨胀，堵塞孔隙喉道，导致渗透率下降。因此，蒙脱石被认为是最 易造成油层损害的敏感性矿物。从文献及各油田的实际资料来看，储层蒙脱石含 量越高，对储层造成的伤害可能性就越大【1 。 粘土矿物的水化膨胀可以分为以下两个阶段： 8 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 一是表面水化膨胀阶段：由于粘土晶面表层的硅氧键和氢氧键都具有极性， 它们可以吸附极性的水分子，此时起主要作用的是粘土表面的水化能。粘土在表 面水化过程中最多可以吸附四层水分子，大约l o b 。 二是渗透水化膨胀阶段：粘土表面水化使晶层间的距离超过i o a 后，表面水 化能对水化的作用大大削弱，表面水化也告结束。当粘土处于低矿化度水溶液中 时，粘土矿物表面及晶层之间的阳离子浓度要高于本体溶液中的阳离子浓度，此 时粘土矿物层间及表面水溶液与本体水溶液之间便产生一个渗透压，从而引起浓 差扩散，即水分子向粘土矿物晶层间及晶面上扩散，原来吸附在粘土表面的阳离 子便向本体水溶液中扩散，而形成扩散双电层。扩散双电层斥力的作用，使得粘 土晶层的结合力进一步减弱，粘土晶距大大增加，形成了水化膨胀。渗透膨胀引 起的粘土体积的增加要比表面水化膨胀大得多，二者同时作用的结果都是缩小孔 道，引起储层渗透率降低。 1 4 1 2 粘土颗粒的迁移 粘土矿物中，最容易发生分散、迁移的是高岭石，因为在高岭石的结构中j 晶层的一面全部由氧组成，另一面全部由羟基组成，晶层之间通过氢键紧密联结， 水不易进入其中，同时晶层间距小，高岭石很少晶格取代，它的晶体表面就只有 很少的可交换阳离子，也没有容纳阳离了的地方，不易水化膨胀，所以它是非膨 胀型粘土矿物，但是，不能忽视高岭石抗机械力的程度不强，因为高岭石晶层与 晶层之间，虽然有一定比例的氢键力，但主要还是范德华力，而晶层内则是原子 的共键力，所以晶层内极为牢固，而晶层与晶层之间联系弱，硬度低，当粘土矿 物膨胀到一定程度，膨胀后的蒙脱石胶结强度大大降低，就可以发生分散，形成 更细的颗粒( 即微粒) ，这些微粒在大于临界流速的外来流体的流动冲击时，大量 颗粒可随流体在孔隙中发生剥落，分散形成鳞片状的微粒，产生分散运移，在吼 道处产生堵塞，导致渗透率降低，造成储层伤害 1 3 , 1 4 】。 伊利石晶格取代发生的位置和层间平衡负电荷的形式与蒙脱石不同，因此造 成的损害机理也不同。伊利石在储层中可使储层孔道直径缩小，易于将储层中大 孔道分割成小孔道，把水封闭起来，造成储层高含水饱和度，使油相渗透率降低。 此外，伊利石矿物多呈卷曲毛发状微晶，对油层渗透率影响相当严重，当有淡水 存在时，这种毛发或丝状的伊利石微晶可进一步分散从而导致渗透率降低】。 0 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 1 4 1 3 对酸敏感导致的沉淀 粘土矿物对酸较敏感的是绿泥石。由绿泥石的结构可知绿泥石的晶层间联系 力，除了范德华力和水镁石八面体上o h 。形成的氢键外，就是阳离了替换后形成 的静电力。所以绿泥石晶层一般不具有膨胀性，但是，绿泥石中富含f e 2 + 、f e 3 + ， 经酸蚀后，释放出易于生成沉淀的f e 2 + 、f e 3 + ，进入地层溶液。经室内研究，当 p h 值为2 2 5 时，就开始有红棕色的f e ( o h ) 3 产生，到p h 等于4 时，f e ( o h ) 3 沉淀完全，当p h = 7 时，就开始有f e ( o h ) 2 沉淀产生，到p h = 1 1 时，f e ( o h ) 2 沉 淀完全，不久，蓝绿色的f e ( o h ) 2 很快在空气中氧化成红棕色的f e ( o h ) 3 。因此， 在酸蚀地层时，不仅要防治绿泥石中的f e 3 + 产生沉淀，也要防治绿泥石中的f e 2 十 氧化成f e 3 + 而产生f e ( o h ) 3 沉淀，堵塞吼道，降低渗透率损害地层。 1 4 2 注入水与地层流体的不配伍 注入水与地层流体不配伍主要表现在注入水与地层水不配伍，产生沉淀和结 垢；注入水造成地层温度下降，也会产生有机垢。注入水中有超标的细菌、溶解 氧、铁离子、二氧化碳，堵塞地层。一般而言，离子浓度、p h 值、总含盐量、 溶解度、温度、压力、接触时间和搅动程度对结垢都会产生影响，堵塞吼道，导 致渗透率的降低【15 1 。 1 5 粘土稳定剂的种类及其防膨稳定机理 粘土稳定剂的研究可以分为三个阶段，在5 0 年代到6 0 年代后期主要用无机 盐类来稳定粘土，在7 0 年代主要用无机多核聚合物和阳离子表面活性剂来稳定 粘土，在8 0 年代以后，主要开展研究阳离子有机聚合物粘土稳定荆1 2 , 1 6 】。粘土 稳定剂可分为无机类粘土稳定剂和有机类粘土稳定剂，下面分别来介绍。 1 5 1 无机类粘土稳定剂 油田从开发初期就开始使用各种酸和盐类。酸包括h c l 、h f 、h a c 等。由 于酸中矿与粘土表面的n a + 交换，氢比钠难解离，使粘土膨胀受到抑制。盐类 如n a c l 、k c l 、n h 4 c 1 、c a c l 2 和m g c l 2 等作为粘土防膨剂，后来又开发使用了 羟基铝、羟基铁、羟基锆等无机阳离子聚合物粘土稳定剂。无机盐类的防膨稳定 1 0 低渗透水敏油田回注水添加粘土稳定剂优化方案研究 机理是减少粘土表面扩散双电层厚度和z e t a 电位，其中k + 和n h 4