（石油与天然气工程专业论文）超稠油油藏高温水岩反应研究及应用.pdf

超稠油油藏高温水岩反应研究及应用 马红( 石油与天然气工程) 指导老师：孙仁远【副教授) 杨立强高级工程师) 诵婴 高温水岩反应对超稠油的蒸汽存吐) f 发影响很大，为了提赢超稠油的丌 发效果，从油藏地质条件和刀采方法及效果分机入手，对现场取得的岩心进 行了x 射线衍射分析，对地层水、蒸汽冷凝水进 j 离r 分析。在此基础上， 丌展蒸汽冷凝水与各种矿物( 如石英、长右和粘i 矿物) 的高温反应研究，影 响水岩反应的因素研究，分析了高温水岩反应的过程和规律，并进行了现场 应用。研究表明，地层水中的s i 离子浓度一般小丁二1 0 0 m g l ，蒸汽冷凝水 中的s i 离子浓度一般大于1 0 0 n f i g l ，随着温度的升高，蒸汽冷凝水中s i 离 子的浓度逐渐升高，而其它离子变化不大；助温度的升高，粘土矿物总量、 钾长石增加，而石英、方解石、自云石等减少，蒙脱右相对含量增加，伊利 石、高岭石相对含量减少；随蒸汽冷凝液中添加n a c i 浓度增加，其石英溶 解趋势趋弱，钾长石含量减少，斜长石含量增加；反应后秸士绝对含量变化 很小，粘土矿物中蒙脱石含量减小：随着蒸汽冷凝液p h 值的增加，石英溶 解加剧，粘土含量及蒙脱石相对含量均自所增加；添加蒸汽添加剂氯化铵后， 石英含量反应前后基本没有变化，粘i 矿物总量在反应后呈减小的趋势，蒙 脱石相对含量也减小：现场中采用多离子检删技术，重点检测s i 离子的含 量，可弥补常规6 离子法不足，用萁识别吞吐芹采出水水性是可行的。在现 场实旌后，有效地指导了出水井的早期识别，取得较好的经济效益。 关键词：超稠油，水岩反应，热采，高温，粘土 s t u d i e sa n da p p l l c a t l o n so fw a t e r r o c k i n t e r a c t l 0 nf o rs u p e r v i s c o u s0 i lr e s e r v o i r m a h o n gf o i la n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys k i nr e n y u a n y a n ( ；l i o i a n g a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fs u p e r - v i s c o u so dw i t hs t e a ms t i m u l a t i o ni s g r e a t l y e f f e c t e db yw a t e r - r o c kr e a c t i o nu n d e rb l g bt e m p e r a t u r e 。i no r d e rt oi m p r o v et h e d e v e l o p m e n tl e v e l ，o nt h eb a s i so fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，t h ed e v e l o p m e n tm e t h o d a n dp r o d u c t i o np e r f o r m a n c ea n a l y s i so fs h u - i a r e a ，t h exr a yd i f f r a c t i o n a n a l y s i sf o rt h ec o r e sa n dt h ei o n i ca n a l y s i sf o rt h ef o r m a t i o nw a t e ra n dt h ev a p o r c o n d e n s e dw a t e rw e r ec a r r i e do u t t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ev a p o rc o n d e n s e d w a t e ra n dv a r i o u sm i n e r a l s ( s u c ha sq u a r t z ，f e l d s p a r , c l a ym i n e r a l ，e t c ) m a k i n g u p t h ec o r e su n d e r h i g ht e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e w a ss t u d i e d u s i n g h i g h p r e s s u r er e a c t i o nt a n k t h ee f f e c to ff a c t o r si n c l u d i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f n a c l ，p hv a l u ea n do t h e ra d d i t i v e so nt h er e a c t i n gp r o c e s sb e t w e e nt h ev a p o r c o n d e n s e dw a t e ra n dv a r i o u sm i n e r a l sw a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t sw e r eu s e d f o rf i l e da p p h c a t i o n e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs i l i c o ni nt h e f o r m a t i o nw a t e ri sl e s st h a n10 0m g la n di t sc o n c e n t r a t i o ni nt h ev a p o r c o n d e n s e dw a t e ri sg r e a t e rt h a n1 0 0m g l w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fs i l i c o ni nt h ev a p o rc o n d e n s e dw a t e ri sb e c o m i n gg r e a t e r , o nt h e c o n t r a r y ，t h ec o n c e n t r a t i o no fo t h e ri o n si sj u s tt h es a m e t h ec o n c e n t r a t i o no f c l a ym a t e r i a la n dm o n t m o r l l l o n i t e si s i n c r e a s e da l s o w i t ht h ei n c r e a s eo fn a c i c o n c e n t r a t i o n ，t h ec o n t e n to fc l a ym a t e r i a la f t e rr e a c t i o ni sj u s tc h a n g e dal i t t l e w i t ht h ei n c r e a s eo fp hv a l u e ，t h ec o n t e n to fc l a ym a t e r i a la n dm o n t m o r i l l o n i t e s a f t e rr e a c t i o ni sg r e a t e rt h a nb e f o r e w h e nt h ea m m o n i u mc h l o r i d ei sa d d e di n t o t h er e a c t l o r lt a n k ，t h ec o n t e n to fc l a ym a t e r l a la n dm n n t m o r d l o m l e sa f t e rr e a c t i o n i sl e s st h a nb e f o m t h em e t h o do fi o n sa n ds i h c o nc o n c e u l r a l l o nm o n i t o r i n gc a n b eu s e dt od e t e r m i l i et h es o u r c eo fu a t e e f h l sm e t h o dh a sb e e nu s e dms i 【l a r e aa n dh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：s u p e r v i s c o u so i l ，w a t e r - r o c kr e a c t i o n t h e r m a ls t i m u l a t i o n ，h i g h t e m p e r a t u r e ，c l a ym a t e r i a l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得中国石油大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名：互鲫年几月f i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 2 - o o6 年r 乙日| b o 。辱f v 其| b 中国i 油人中华4 、) l 徉颤 。尹忙论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的和意义 在生成石油的有机物堆积丌始，到石油的尘成、运移、最后形成油气藏 的整个过程中，水都在其中起着巨大的作用。在石油和天然气勘探和丌发之 韵，地层水与石油有着某种亲缘关系，而且地层水在与石油、天然气以及围 岩的长期接触中发生了一系列的地球化学变化不仅改变了原有的地层水的 特性，还使地层水富集了与油气有关的特征组分。在石油开采期间，由于注 水、蒸汽吞吐、蒸汽骆及三次采油等丌采工艺的实施，原有地层水的特征不 仅得到了改变，而且还赋予了薪的特征。因此研究地层水、注入水、锅炉 供水或蒸汽冷凝水和产出水的地球化学特征及其与油气运移聚集的关系对 解决实际问题具有特别重要意义。 超稠油因为粘度太大，不能采用通常的方法丌采，只能用热采的方法开 采，通过向储层注入大量高温热蒸汽，降低超稠油的秸度，使之能够流动， 蒸汽吞吐是一种行之有效的稠油丌采方式。蒸汽吞吐【2 l 是一个复杂的物理化 学过程，在蒸汽吞吐降压丌采过程中，注汽锅炉流出液的p h 值大大提高。 这种碱性介质在高温、高压条件下注入地层后，在长期的吞吐过程中，必将 引起强烈的水岩反应，从而导致储层物质发生明显的物理化学变化，不但会 改变岩石表面的涧湿性，i f i i 且对地层岩石产生渐近的溶蚀作用，这在一定程 度上将真接影响储层岩石的渗透性，进而影响稠油的采收率。 辽河油田曙一区兴隆台油层为边、底水超稠油油藏，边底水侵扰、汽窜、 出砂等丌发矛盾l 引给丌发生产带束极大的影响。研究稠油热采过程中的水 岩相互作用，根据稠油蒸汽吞l i t 采过程中水化学成分的变化规律，分杌注 入水、采出水1 4 】的化学成分，判断产出水的柬源，对生产进行指导，减少 油井出水，无疑对于提高稠油的m 粟率有重要的意义。 常温下，构成储层的主要物质，如石英、长石，是储集层中化学性质最 中田彳i 对1 人孚( 华为、) lp “员f j 7 ，f 论史第l 章前寿 稳定的 ，1 物，一般 6 况r 小公l j 外术流体发7 反廊。f t t 媳宋h t ，将温度岛达 3 0 0 以l 的建汽及8 日分蘸汽冷凝水； 入油j | f ，i n 】镌汽往铃线及片筒中 的热损失，使熊 剑达油层时选 f 艘降低，l 描j t 供水中含自人量的碳酸氢 盐，由于碳酸氧特在锅炉中热分解，它导致江入的稳汽冷凝液碱性很高，目 蓟已测出蒸汽冷凝液p h 值高达1 2 以上。高温f ，强碱性的蒸汽冷凝液与 各种矿物如石英、长石和粘士矿物发生溶解、分解及合成反应，会形成对油 层产生严重伤害的矿物。由j 一粘土的f i 稳定、岩自的溶解以及蒸汽凝析液 与地层水不配伍，引起地层伤害。另外锅炉摊出物中的悬浮固体颗粒对地层 的伤害也不容忽视。尤其对曙一区胶结疏松、且敏感性粘士含量高的这类油 藏，研究注入蒸汽过程中造成的伤害就十分苇耍。 曙一区超稠油油水关系复杂，随着蕉汽吞吐轮次的增加，油井经常大量 的出水，影响了生产的f 常进行，须采取必要的工艺措施，减少油井出水。 为了保证措施的准确性，判断产出水的柬源是首要 作。由于曙一区兴隆台 和馆陶超稠油油藏埋藏浅，油层水矿化度偏低，而注入蒸汽后的回采水矿化 度升高与油层水矿化度值比较接近，单纯采用6 离子分析法很难进行区分， 因此不能满足识别吞吐产出水中的回采水与顶、底水的问题。现场多以油井 产出水量为判断是否有地层水产出，油井产出水超过注入水量时确认为见地 层水。大量的产出水使注入地层的热能损失加犬，更重要的是增加拉水运费 及油水处理费使生产成本上升，造成经济损失。因此完善油井产出水水性识 别方法是特别重要的。 1 2 国内外研究现状 利用注入蒸汽、热水、火烧油层等热力丌粟力法，油藏中温度的上升大 大加速了水一岩反应，而这种反应可以改变油藏的物理性质并影响原油采收 率。水一岩反应是油层丌发工艺设计中必须考虐的【 j 素。随着石油工业的发 展，油f 1 水地球化学技术也行纠了石油1 作旨的h 盗蓖视，各种研究成果在 中囤_ i 油人中( # 尔) l 再磅 寻侍硷文第l 章前言 各种右油力面的刊物t ：得以报导。i ，萤研究方向集中在室内实验与理论研 究、订算机模拟和现场试验一：个方向。 l _ 2 1 室内实验与理论研究 ( 1 ) 有关石英溶解的研究结果 p h 值和温度对溶解量的影响 通过对国内外有关热采油减矿物变化的文献进行研究。r e a d 在一项早 期的实验中已汀意到砾而充填以及地层砂岩在蒸汽泣入期1 日j 被溶解的许多 问题，他的研究表明，矿物溶解与蒸汽凝析液的强碱性和离子浓度低等两种 因素有关i ”。研究者n c ，n a d e f i 指出随着温度和p h 值的升高，石英砂和其 它硅质矿物的溶解将迅速的增加。较典型的是西安地质学院有关石英溶解的 研究结果【7 i 表明，石英在碱性介质中的溶解随p h 值的增加而加大，在p h 值固定的条件下溶解量随温度增加而增大。非定形s i 0 2 通常不产生沉淀， 而是聚合成硅酸或偏硅酸并以胶体形式呈现，以胶体形式存在的s i 0 2 能随 溶液流动或被带走吲。 西安地质学院有关石英溶解实验数据表如表1 1 所示。 a 石英在碱性介质中的溶解随p h 值的增加而加大。当p h 值在g - 1 0 之间时，s i 0 2 溶解量相对较低，其值为3 6 - - , 4 4 0 m g l 而当p h 值增为1 3 时，s i 0 2 溶量剧增，其值可达4 8 0 - 1 7 2 0 m g l 。同样 温度条件下，p h = i3 时s i 0 2 的溶解量要比p h 值8 1 0 高出1 - 2 数量级。由 此看来，现场注汽p h 值的高低，对石英颗粒溶解起有举足轻重的作用。 b 在p h 值固定的条件下溶解量随温度增加而增大。该结果与前苏h n 希塔罗夫所做的水溶性s i 0 2 溶解度等压曲线图版3 0 0 c 以下和变化趋势相符 合。 c 石英在不同p h 值条件下，溶解量与温度之日j 的变化规律遵循式卜l 、 卜2 1 3 回归方程。 中国彳一庙人中( 华为、) i “硕 了忙论艾第1 章前言 表j 1自英溶解实验数捌表( 凸j 史地赝学院) 分忻实蛉揣度，夹幢 j p i t 伯 点翰t i h 】；率f 解鼙 实岭号 ( n a h c 0 1 号 ( )( m p a ) ( 小时) ( m l ) + n a o h 1 8 q 1 0 0 1 0 0687 2 3 6 2 8 0 2 0 02 0 0 6 87 2l5 6 3 8 q 2 5 0 2 5 0 6 87 21 6 0 4 8 q 3 0 0 3 0 06 8 7 2 1 8 0 5 i o o l 0 0 1 0 06l o7 21 8 0 6 1 0 0 2 0 0 2 0 06l o7 2 3 8 0 7 1 0 q 2 5 0 2 5 061 07 2 4 0 0 8 i o q 3 0 0 3 0 0 61 07 2 4 4 0 913 q 1 0 01 0 061 37 24 8 0 1 0l3 q 2 0 02 0 061 37 26 2 2 0 1 1 1 3 q 2 5 0 2 5 06l37 2 6 5 8 0 1 2 1 3 q 3 0 0 3 0 06137 21 7 2 0 0 当p h = 8 时，y = 0 3 5 4 t 5 2 7 0 ( r = o 9 6 1 3 ) 当p h = 1 0 时，y = 3 9 9 9 5 t o8 3 6 ( r = o9 8 7 0 ) 当p h = 1 3 时，y = 0 0 0 0 3 2 4 t 31 r = o 9 8 4 6 ) 式中y 为石英的溶解量( ( m g ，l ) ：t 为温度值( c ) ：r 为相关系数。 离子浓度对石英溶解的影响 ( 1 一i ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 有关电解质溶解及其浓度埘石英溶解度的实验资料证实，电解质溶液 有利于石英的溶液中提高溶解速率和增加溶解率。d o v e 和c r e r a r ( 1 9 8 6 ， 1 9 9 0 ) 指出，在2 0 0 条件f ，石英溶解速率按下列顺序增加： n a c i = k c i l i c i m g c l 2 h 2 0 。如存 1l 以后开始普遍增加的。特 别是在加有：n a h c 0 3 之后，由于n a 十的增加，使石英在较低p h 值条件下 就开始迅速溶解，并导致溶液中s i 0 2 浓度剧增。由此看来，溶液中n a 十浓度 的增加，在石英溶解机制方面起着非常主要的作用。 图1 - 1 石英溶解度随温度和p h 的变化曲线 石英溶解后的存在形式 石英在酸性和碱性溶液中都能溶解并最终引起溶液中和。石英的溶解作 中国“油大学( 华东) 1 稃硕十学何论文第1 章前言 用可使储层孔隙结构发生重大变化。许多实验表明，可溶性s i 0 2 的溶解量 随温度及p h 值的加大而增高。溶解的s i 0 2 在介质中常以硅酸( h 4 s i 0 4 ) 、偏 硅酸( h 2 s i 0 3 ) 形式存在。在体系中硅酸的离子种类有：h 3 s i o 。、h 2 s i 0 4 2 “ h s i 0 4 、s i 0 4 ；偏硅酸的离子种类有：h s i 0 3 + 、s i 0 3 2 。据矿物学研究，石 英在下同p h 值下主要存在有如下溶解反应： p h = 8s 1 0 2 + 2 h 2 0 = h 4 s i 0 3 ( 1 4 ) p h = 1 0 s i 0 2 + h 2 0 + o h = h 3 s i 0 4 。 ( 1 5 ) p h = 1 3s i 0 2 + 2 0 h = s i 0 3 + h 2 0 ( 1 - 6 ) 根据模拟实验结果，可溶性s i 0 2 主要经两种形式存在： a 以偏硅酸钠形式存在 由于模拟介质中有n a + 离子存在( n a o h 或n a h c 0 3 提供) ，因此被溶 解的s i 0 2 与n a + 反应后可形成偏硅酸钠，其反应式为： 1 s i 0 2 + 2 n a + + 寺0 2 = n a 2 s i 0 3 ( 1 - 7 ) 二 这样所形成的偏硅酸钠其晶体非常细小，已用偏光显微镜及x 射线衍 射仪将这种晶体查证出。由于它易溶于水，所以在储层流动液体条件下不会 沉淀。 b 经单硅酸形式存在的非定形s i 0 2 这种非定形s i 0 2 通常不产生沉淀，而是聚合成硅酸或偏硅酸并以胶体 形式呈现。以胶体形式存在s i 0 2 的它能随溶液流动或被带走，在搬运流动 过程中与岩石作用后必然会引起复杂的水岩反应。 如： 2 a 1 3 2 s 1 0 2 ( o h ) 2 2 。+ i - 1 2 0 = a 1 2 s i 2 0 5 ( 高岭石)( 1 - 8 ) 2 m 9 2 + + s i 0 2 ( o h ) 2 = m g z s i 0 4 ( 镁橄榄石) + 2 w ( i 9 ) s i 0 2 + c a c 0 3 = c a s i 0 3 + c 0 2 ( 1 - 1 0 ) 2 h 4 s i 0 4 + a i ( o h ) 4 + n a + = n a a i s i 2 0 。h 2 0 ( 方沸石卜5 h 2 0( 1 1 1 ) 3 5 s 1 0 2 ( o h h 2 + 2 3 a 1 3 + + 0 2 5 m 9 2 + 十0 6 k + = k o6 m g o2 5 a 1 2 3 s i 35 0 l o 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 + ( o h ) 2 ( 伊利石) + h 2 h 2 0 ( 1 1 2 ) 4 1 - h s i 0 4 + 2 a i ( o h ) 4 + - k a 2 + = c a a l 2 s i 4 0 i 。2 h 2 0 ( 钙沸石) + 1 0 h 2 0 ( 1 - 1 3 ) 因此，以胶体形式存在的非定形。可形成硅质化或新物充填于孑l 缝之中， 进而引起缝隙减少或闭合，使储层物性变差并导致原油产量大幅度降低。 至于以晶体形式产生s i 0 2 否能在介质溶液中直接析出的问题，还没有 找到直接证据。 在上述研究结果中有两个观点值得借鉴： 可溶性s i 0 2 的溶解量随温度及p h 值的加大而增高。在p h 值固定的 条件下溶解量随温度增加而增大。表1p h = 8 时温度高于2 0 0 时s i 0 2 溶解 量达到1 5 6 ( m g l ) 以上，同样温度条件下，p h = 1 3 时s i 0 2 的溶解量要比 p h 值8 , 1 0 高出l 2 个数量级。 s i 0 2 通常不产生沉淀，而是聚合成硅酸或偏硅酸并以胶体形式呈现。 以胶体形式存在s i 0 2 的它能随溶液流动或被带走。 ( 2 ) 粘土矿物与水的相互作用研究 粘土矿物的表面结构还远未认识清楚，与粘土矿物相关的损害几乎都要 通过粘土矿物水的界面作用来实现，所以探究不同类型粘土矿物表面结构 的特点，不同温度、压力、水介质条件下粘土矿物表面水分子排列规律具有 重要意义。潜在应用是为研制新型粘土防膨剂、稳定剂提供新思路。另外， 对于注蒸汽中由于蒙脱石形成而导致的水敏性，传统上采用高温粘土稳定剂 来防止粘土膨胀、分散、运移的发生。但从如何控制蒙脱石生成的角度去研 究，兴利除弊是另一条有效途径。 2 0 世纪6 0 年代以前是粘土矿物研究的起步阶段，发现了水敏损害现 象，验证了砂岩的水敏性，提出了评价实验程序，并试图寻找水敏性与粘土 矿物含量( 特别是蒙脱石含量) 之问的关系【9 1 。这一阶段对损害机理的认识可 概括为以下几点： 中国石油入学( 华东) 1 ：稗硕+ 学位论文第1 章前言 粘土矿物能够吸附水分子，这些水分子定向排列，占据粘土矿物的微 孔隙，降低了有效渗透率； 粘土矿物膨胀； 粘土矿物分散运移，可以用胶体化学分散絮凝原理解释【1 0 】； 蒙脱石等膨胀性粘土矿物不仅移位，而且可以进一步分散成更为细小 的微粒。 进入6 0 年代，深化了对储层水敏性的理解，提出诊断储层水敏性的配 套分析技术，包括流动实验、x r d 、膨胀实验，判断水敏损害的原因 是由粘土膨胀引起还是由粘土分散运移引起的。 2 0 世纪7 0 年代，储层水敏性研究进入了明朗化阶段，即探索分散庭 移的规律和防治技术，主要在三个方向展开：扫描电镜的应用为从地质角度 揭示粘土矿物的产状与损害原因的关系创造了条件；从实验直观显示微粒运 移、沉积、堵塞的过程并从理论上阐明机理；如何控制微粒运移。h o w e r t l 2 】 研究了美国墨西哥湾地区地层中粘土矿物的分布，指出地层损害程度取决于 粘土矿物的含量、类型、在岩石中的位置及储层流体中离子变化的程度。 2 0 世纪8 0 年代则进入了全面发展阶段，a m a e f u l e 认为在诸多其他因 素中，粘土矿物和水溶液的相互作用是引发含油地层伤害的首要因素。提出 沉积地层中岩石一液体间的相互作用可分为两类： 岩石矿物与不配伍液体接触导致的化学反应； 过高流速和压力梯度引起的物理作用。 他还指出有5 种影响沉积地层矿物敏感性的主要因素： 矿物学和化学组成决定着矿物的溶解、矿物的膨胀、新矿物的沉淀： 以敏感性矿物为主的矿物丰度： 矿物豹大小起着重要作用 a 矿物敏感性与矿物的表面积成正比： b 矿物的大小决定着颗粒的表面积与体积之比。 中国_ i 油人中( 华尔) f 科硕卜学忙论文 第l 章前言 矿物的形念是重要蚓袭 a 静物的形态决定撇轴形状，也就决定表【h l 积j 体私 之比； b 里板状、叶状、t l 状、纤维状或，；状物，具囱岛的表向积和体积比。 矿物所处的位胃很重要。 进入2 0 世纪9 0 年代后，伴随着设备的分析精度越束越高，分析手段 更加丰富和完善，对粘j + 膨胀的研究逐渐由机理研究转向膨胀模型的建立。 n o r r i s h t 。3 i 用实验证明了结晶和渗透性膨胀作用导致粘土膨胀。z h o u l l 4 】 对粘土膨胀的解释是： 结晶膨胀是在粘土与浓盐水或含有大量二价或多价阳离子的水溶液 接触时发生的。它是由粘土矿物表面上分子水层的形成而引起的，其膨胀较 小和产生较小伤害： 渗透性膨胀则是在粘土与稀溶液或者含有大量钠离子的溶液接触时 发生的。它是由于粘士表面上带电的双电层形成而产生的。渗透膨胀引起的 体积增加比结晶膨胀大的多。粘土矿物的渗透膨胀受扩散阳离子渗透水化所 控制，当粘土表面吸附的阳离子浓度高于介质中的阳离子浓度时，便产生一 个渗透压，从而引起水分子向粘土矿物晶层扩散，水的这种扩散程度受电解 质浓度差的控制。这使膨胀较大和伤害较重。这些现象产生排斥力使粘土薄 片互相分离。 z h o u 等建议用x 射线衍射得到的粘土膨胀图束确定粘土和混合电解 质溶液的配伍性。这些图显示了会引起结晶和渗透性膨胀的水溶液的阳离子 浓度。因为渗透性膨胀是地层伤害的主要原因，于是会导致地层伤害的阳离 子组分可较容易地在渗透性膨胀区域中识别出束c i v a n i 1 提出了考虑到水 接触表面扩散作用受阻的改进模型，并在该模型的解析解中应用了n e u m a n n 边界条件，因此与实验数掘能更好的相关。 他还指出了各种现象参数，如水饱和时将要达到的速率常数、最终孑l 隙 度和渗透率值，可以方便地通过这些模掣与实验数据的拟合予以确定。c i v a n 中工l 彳油人乍( 华尔) i 丰￥硕卜7 忙绝变 第l 章前者 的模型叮以深入了解粘l 膨胀竹川机删，向 j 足解释和刈比 l 地坛各种膨 胀性质的一种恰当力? 占。 1 22 计算机模拟 在沉积偏地中水岩的相! lf 1 用包括多种过程的组合其中包括： ( 1 ) 流体的混合：( 2 ) 由于压力下降或者沸腾引起的l 体分离：( 3 ) 矿物溶解 和沉淀；( 4 ) 离子交换与吸附、脱附；( 5 ) 有机、无机柏互作用。因为这 些过程不能被直接观察，所以在热力学平衡q 基础上的地球化学模型，对 于了解水一岩相互作用的过程并预测其结果是一个公认的1 具”l 。 目前已有凡个计算机程序可供用于水一岩相7 l 作用的地球化学模型。最 常用的程序是： p a t h l 及其新版( h e l g e s o n 等，1 9 7 0 ) ； e q 3 e q 6 ( w o l e r y ，1 9 7 9 ) ： p h r e e q e ( p a r k h u r s t 等，1 9 8 0 ) ： g e o c h e m ( s p o s i t o 和m a t t i g o d ，1 9 8 0 ) ： s q l m n e q 及其新版( k h a r a k a 和b a r n e s 。19 7 3 ) ： w a t e q 及其新版( t r u e s d e l l 和j o n e s ，1 9 7 4 ；b a l i 等，1 9 8 1 ) ； m i n t e q ( f e l m y 等，1 9 8 4 ) ； s o l v e q 以及d y n a m i x 。 这些程序和许多其他的程序是综合而全商的，但是每一程序对特定的 过程和( 或) 环境更适合。s o l m n e q 8 8 特别适用于模拟沉积翁地和热力 采油油藏中的相1 i 作用，这些体系中石油、确机物、高温高压和高矿化度为 主要特点。它有一修于的热力学数掘库，包含宵2 7 0 多种无机水溶液、8 0 多种有机物和2 1 0 种矿物并且町以方便地向数蔹_ ：阵【1 l 增加新的物质。用户 可以选择使用p i t z e r 方程求计算水溶液的活度系数。除了以前版本中的选择 项之外，还增加了许多新的模拟选择项，这些新的卡蹩拟选择可用柬研究沸腾、 不同流体的混合以及气体香水、油和气相中分配的效应。迓包括一些质量传 中国i 油人宁( 华尔) i 稃碗十学忙论文第1 章前言 递选择项，口i 用柬撷测离子交换、吸f ：i i j 、脱附以般在水化学中固体的溶解和 沉淀等效应1 ”i 。 1 2 3 现场试验 阿尔伯塔稠油及沥青砂主要的丌采l 岂是采用沌入蒸汽或注入有添加 剂的热水。高温引起水岩石发，土反应，通常以加速状念进行。在高温下水 与油藏矿物颗粒反应并且可使粘七膨胀、微粒运移、新矿物沉淀或溶解其他 一些矿物而且在采油的后期使之再次沉淀。这些无机反应可以导致产量下 降。 美国石油地质学家协会1 9 9 3 年第四期报道：在加利福尼亚州中途 同落油f 日波特砂岩内的矿物变化是出周期注蕉汽造成的。加拿大阿尔伯达所 打检查井证实，溶解软化作用已造成地层坍塌及套管折断【1 9 1 。 没有直接的方法可监测水一矿物存地下发生的反应。可是油藏矿物组成 的任何变化也将伴随着气液共生相的变化。这些变化可从发生在油臧中的水 的混合物中分离出柬。目莉的分析技术可测量每升仅几个毫克的离子浓度变 化，使得水的成分成为了地下反应或混合的灵敏指示【枷。 利用注入蒸汽、热水、火烧油层等热采丌采方法，油藏中温度的上升大 大加速了水一岩反应，而这种反应可以改变油藏的物理性质并影响原油采收 率。水岩反应是油层丌发工艺设计中必须考虑的因素。地球化学监测，即 监测流体化学性质的技术，是可用于跟踪油藏变化的诊断工具。水的组成对 于f 在发生的过程是一灵敏的指示剂i 副l ，因为注入流体与油藏流体的混合 改变了油藏中水与气体的组成。更进步洗，任何岩矿性质的变化也都是伴 随有共生液相与气相组成的变化。地层矿物组成及注入水、她层水、采出水 的组成是这类计算的基础。 水化学分析法是利用采出水的化验分析结果束判断地层水和注入水的 方法。因为地层水和注入水在组成上有明显的不同。地层水一般都具有矿化 度( 主要的矿物是钟豁、钠豁、钙盐及镁盐等) 高，或含有硫化氢及二氧化 中田l l 础人一学( 华尔) iw 硕斗。学俯论文第1 章前等 碳等特点。如老君庙油朋l 层地层水口化艘为3 0 ，0 0 0 皂免开以上；胜利 油丌| 地层水矿化度般在5 0 0 毫克州 7 ，l l 含硫酸 【 离r ，其浓度为1 0 0 皂克升左毛。不同深度的地层水，具矿化艘和水型也小l , 7 1 。囱的油m 上发 现：地层越深，地层水矿化度越高，这就囱助于彬掘矿化度柬判断是上部的 地层水还是下部的地层水。 采出水中所含地层水的比例叮提供燕汽奋叶过程波及效率的资料。为了 确定地层水的比例，需要有一种水溶性化学示踪剂，这种踪剂可存在于地层 水或注入水中，而不能同时存在于这两种水中。此外，这种化学剂必须具有 温度和时间的稳定性，且可用廉价的常规水分析方法进行测定。 氯离子( c i 一) 在大多数油砂层中是占优势的阴离子，而注入蒸汽的冷 凝水中c j 含量一般很低( 其范围为1 0 1 5 m g l ) 。地层水，无论是原生水、 底水还是页岩中的水，通常被认为是溶解c l 一的唯一重要来源。因此，地层 水中所合c l 。的浓度代表于c l 的极限值。这表明测定的c l 含量能用来计算 产出水样中所含水地层水和注入水的比例。在地层水为盐水而注入水相对为 淡水时，可忽略蒸汽相对含黼量的贡献，而采用式卜1 4 简单地求出采出水 中所含地层水的比例： f f w = c i d j c l h v( 1 1 4 ) 式中，采出水中地层水所占的比例： c l 。w _ 一采出水中含量，m g l ； c l _ 一地层水中含量，m g l 。 自1 9 9 7 年本油嗣投入工业丌发以束，一直采用常用的离子分析方法进 行产出水的检测识别【2 2 1 。由于该油减埋藏浅，油层水矿化度偏低而注入 蒸汽后的回采水矿化度升高与油层水矿化度值比较接近，因此，单纯采用常 太贝六离子分析法很难进行区分，不能满足识别存仆1 产出水中网采水与地层水 的要求。通过示踪离_ 了研究，存油井奋吐，土产过捌中及早发现顶、底、边水 是否产出。 中围f l 油人宁( 华自、) i 拌硕0 导，f 论文第1 章前言 综王= 所述，本课题的研究心小tj j h 洙超倒油燕 吞吐j f 发中，存在的儿种 生产矛盾产佳机i 事的认钞：，提高超稠汕焦 夼lj l 发的效果，确重要的现实 意义。 1 3 主要研究内容 主要研究内容及方法： ( 1 ) 高温水岩反应研究，包括地层水、蒸汽冷凝水、采出水、反应后水 的离子分析，反应前后矿物成分分析等； ( 2 ) 高温水岩反应的影响因素研究，包括n a c i 浓度、p h 值、温度、添 加剂等因素对蒸汽冷凝水一各种矿物( 如石英、长石和粘土矿物) 高温反应的影 响； ( 3 ) 高温水岩反应的应用研究，即利用水岩反应特性，寻找示踪离子， 提出确定识别蒸汽吞吐产出水水性的具体方法：根据反应后岩性变化趋势， 研究减少地层中有害反应发生的措施方法；进行现场应用效果分析。 1 4 技术路线 ( 1 ) 对现场取得的岩心进行x 行丁射分析，了解岩石的矿物组成和粘土矿 物组成，为高温水岩反应研究做准备： ( 2 ) 对地层水、锅炉供水、蒸汽冷凝水、采出水等进行离子分析，了解 高温水岩反应前后离子成分的变化，为判断水的来源提供依掘。 ( 3 ) 采用高压反应釜，进行岩心砂样与蒸汽冷凝水在不同温度条件下的 高温高压反应模拟实验，将反应后的岩石成分和粘土矿物成分与反应前的数 据进行对比分机。 ( 4 ) 丌展n a c i 浓度、p h 值、温度、添加剂等因素对蒸汽冷凝水一各种 矿物( 如石英、长石和粘土矿物) 高温反应的影响研究。 中阅f i 汕人i ( 华尔) iw 硕 、f f ，论文 第1 争i 甫志 ( 5 ) 结合曙f x 的实际资十4 ，利 】局濉水7 ：反脚的纷粜， t 台十h 天分析 判埘i 水的柬源，爿为储层保护提供依据，刈现场j 二，j f j 设粜边 j 计价。 中国f l 油人学( 华尔) iw 硕- 7 俯论文第2 章曙一r 超稠油高温水岩反麻研究 第2 章曙一区超稠油高温水岩反应研究 曙一区构造k 位于辽j 呵彷地两部【t 9 陷曲部斜坡带巾段，东邻曙二、三区， 西部为欢喜岭油田齐1 0 8 块，南部为齐家潜山油闭，北靠西部突起，构造面 积约4 0 k m 2 。沉积基底为中上元吉界( p t ) 变余石英岩央薄层深灰色板岩， 其上为新生界断陷湖衙形成后沉移l 的一套以陆源许屑为主的半深湖至滨浅 湖相砂泥岩互层沉积体和陆上冲积扇沉积。 例2 1曙一阿超稠油油层分布幽 超稠油含油目的层主要为新生界下第三系沙河街组兴隆台油层和上第 三系绕阳河组绕阳河油层，油减埋深一5 5 0 - 一1 1 5 0 m 。截至2 0 0 3 年累计上报探 明含油面积2 3 6 k m 2 ，地质储量l8 3 0 8 1 0 4 t ，按照构造格局可分为三个大的 丌发单元，即杜8 4 一杜8 1 3 断块区兴隆台油层、杜3 2 断块区兴隆台油层、杜 中闯f f 油人亍( 华尔) i 样坝 尹何论文 第2 苹嘱区超稠抽高揣水岩反府研究 8 4 爿【x 馆陶组油层，分和图如幽2 开刀i 。截止2 0 0 4 年底，祟干5 功川地质 储晕1 0 0 9 7 1 0 4 t ，建成原油t 广能力2 3 0 1 0 4 t 以i 一。 2 1 储层岩性及流体特征 2 1 1 兴隆台油层 兴降台油层具有近物源、快速沉积、胶结疏松的沉积特点。储层孔隙度 高，渗透性好，但储层菲均质性较强。杜8 4 断块兴隆台油层上层系为冲积 扇一瓣状河一扇三角洲沉积，储层岩性以长石岩艏砂岩为主。杜2 2 9 断块兴隆 台油层为滨湖相扇三角洲沉积，储层岩性以含砾不等粒砂岩为主。兴隆台油 层泥质含量一般为7 o 左右，粘土矿物以蒙脱石、伊利石为主，胶结方式 以接触式、孔隙一接触式和孔隙式居多。沉积帽以辫状水道微相为主。砂体 厚度一般在1 0 0 2 0 0 m 之l 日j 。岩性主要为砾状砂岩和含砾砂岩、其次砾岩 和不等粒砂岩等。粒度中值平均为o 4 7 m m ，颗粒魔圆度较差，以次尖一次 圆为主，颗粒1 日j 呈点接触，泥质胶结胶结类型以孔隙式为主。储层具有埋 藏浅、成岩性差、岩石结构疏松、成熟度低的特点。孔隙以粒i u - y l 为主，储 层物性条件比较好。孔隙度乎均为2 6 6 。渗透率平均为1 + 7 2 7 pm 2 。内部 央层不发育，以小于l m 的夹层为主，占6 7 ：i 2m 的央层占2 7 ；2 m 以上的央层只占6 。平均单层央层厚0 9 6n l ，央层密度5 2 ，央层频率 5 1 5 层1 0 0 m 。夹层平面分白不稳定，般延伸长度5 0 2 0 0m 。油层埋深 7 5 0 8 0 0 m ，平均为5 2 7 m ，油层中深7 5 0 m 时，压力为73 5 m p a ，压力系 数为0 9 8 。 储层的流体性质，2 0 c 时原油密度平均为1 0 0 lg c m 3 ：5 0 c 地面脱气原 油粘度是1 6 8 1 5 x 1 0 4 m p a s ；胶质+ 沥青质含量平均为5 78 4 ；凝周点平 均为2 6 5 c ；含蜡量平均为2 2 ，地层水总矿化度为1 9 4 2 m g l ，水型是 n a h c 0 3 型。 2 1 2 绕阳河油层 中国i i 油人字( 华尔) l 料硕十一何论文第2 争嘿一i x 超桐油高温水岩反席研究 绕i j t b l 油层主要发育住杜8 4 块南部，平l f l ：旱小规则的椭圆形，油层 由中部向四j 翻减簿，自援- j 边水接触。纵向j ，绕【；l l i h j 油层油顶坤深在 5 3 0 m 6 4 0 m 油层和顺水之f u j 没f j 纯泥：j 。：徂北部 t8 4 6 4 6 4 井附近 和南部曙1 3 0 1 4 3 井附近发育底水，整个油层在宁f b j 形态呈近似馒头状。 沉积相模式为湿型冲积扇，砂体在全区内连续分囱，厚度为1 5 0 1 7 0 m 。油 层埋深5 2 4 m 6 6 8 m 。油层厚度大，油层有效厚度1 0 6 m 。储层岩性主要为 中粗砂岩和不等粒砂岩，其次为砾岩、砾状砂岩和细砂岩等。粒度中值平均 为o 4 2 m m 。颗粒磨圆差，以棱角一次棱角为主，颗粒问呈点接触，泥质胶结， 胶结类型以接触式和孔隙式居多。储层物性比较好，为高孔、高渗储层，孔 隙度为3 6 3 ，渗透率为5 5 4um 2 ，绕阳河油层的顶部和四周被水包围， 在南部的曙1 3 0 1 4 3 井和北部的杜8 4 6 4 6 4 井附近发育底水，为边顶底水 油藏，其它部位为边顶水油减。 储层的流体性质，2 0 。c 原油密度平均为1 0 0 1 9 c m 3 5 0 c 原油粘度是 2 3 1 9 1x1 0 4 m p a s ，胶质+ 沥青质含量商，胶质十沥青质为5 2 9 ；凝固点 为2 t c ；含蜡量为2 4 4 ，地层水总矿化度为9 3 2 m g l ，水型是n a h c 0 3 型。 2 2 实验材料 ( 1 ) 砂样：从杜8 4 6 5 6 7 、杜3 2 4 8 3 8 两e l 井取得的天然岩心，用甲苯 冷萃脱沥青制备出不合沥青的砂样。 ( 2 ) 反应液体：蒸汽冷凝水 2 3 实验方法 2 3 1 高温高压矿物一水反应条件 反应温度：1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 反应压力：1 0 m p a 。卜f 司4 la h 入学( 1 卢力、) i 群硕 。半f 论文箱2 辛曙【a 超硼油赢r 品水岩反府f 究 反心h , t f h j ：5 7 天