第四章油气层损害机理

1、第四章 油气层损害机理油气层损害机理：就是油气层损害的产生原因和伴随损害发生的物理、化学变化过程。目的： 认识和诊断油气层损害原因及损害过程，以便为推荐和制定各项保护油气层和解除油气层损害的技术措施提供科学依据。相对渗透率下降包括:水锁、贾敏、润湿反转和乳化堵塞第一节 概述渗透空间的改变包括：外来固相侵入、水敏性损害、酸敏性损害、碱敏性损害、微粒运移、结垢、细菌堵塞和应力敏感损害；内因(潜在损害因素) ：凡是受外界条件影响而导致油气层渗透性降低的油气层内在因素，包括孔隙结构、敏感性矿物、岩石表面性质和地层流体性质，是储集层本身固有的特性。外因：在施工作业时，任何能够引起油气层微观结构或流体原始

2、状态发生改变，并使油气井产能降低的外部作业条件，均为油气层损害外因，主要指入井流体(固相和液相)性质、压差、温度和作业时间等可控因素。外来流体与储集层岩石的相互作用造成： 外来固相颗粒的堵塞与侵入； 滤液侵入及不配伍的注入流体造成的敏感性损害； 储集层内部微粒运移造成的地层损害； 出砂； 细菌堵塞。外来流体与地层流体间的不配伍造成： 乳化堵塞； 无机结垢堵塞； 有机结垢堵塞； 铁锈与腐蚀产物的堵塞； 地层内固相沉淀的堵塞；其它损害包括：射孔造成的压实和不完善等损害;固井和修井作业的注水泥和水泥浆造成的特殊损害等;机理研究除了要准确诊断和判别各种损害因素和各种可能原因外，还必须把各种因素对每个产

3、层的危害性大小按序排列，分出主次，并找出主要因素。第二节 油气层潜在损害因素储集层的主要特征：包括储层岩石骨架颗粒和填隙物等矿物的结构、成分、含量和分布状态，储集层孔隙结构和喉道特征；储集层中流体类型、成分、含量和流体压力等。它们都是影响和决定储集层损害的内在因素。一、油气层孔隙结构特征与储集层损害的关系1. 储层岩石物质组分碎屑颗粒、杂基(或基质)、胶结物和空隙。杂基和胶结物统称为填隙物。他们决定了储集层岩石的基本特征。碎屑颗粒称为骨架颗粒。主要成分是石英、长石、岩屑和少量云母和重矿物，占整个岩石的50以上。填隙物（杂基和胶结物）： 是填充在骨架颗粒之间的细小物质，它包括了杂基和胶结物两部分

4、。杂基(或基质):是指碎屑岩中与粗的骨架颗粒(如砾、砂）一起沉积下来起填隙作用的细粉砂物质和粘土物质，如高岭石、水云母、蒙脱石、绿泥石等。具有很大的表面积。是储集层敏感性的内在因素。胶结物：对骨架颗粒起胶结作用的化学沉淀物(自生矿物)，主要存在于骨架颗粒之间的孔隙和吼道中，它们都是优先与进入地层内的流体接触，并发生物理、化学和物理化学作用导致地层损害，是增造成储层敏感性伤害极为重要的内在因素。2.储层孔喉结构与油气层损害的关系孔喉特征与油气层损害的关系孔喉类型孔喉主要特征可能的损害方式缩颈喉道孔隙大，喉道粗，孔隙与喉道直径比接近于1固相侵入、出砂和地层坍塌点状喉道孔隙大(或较大)，喉道细，孔隙

5、与喉道直径比大微粒运移、水锁、贾敏、固相侵入片状或弯片状喉道孔隙小，喉道细长，孔隙与喉道直径比中到大微粒运移、水锁、贾敏、粘土水化膨胀管束状喉道孔隙和喉道成为一体且细小水锁、贾敏、乳化堵塞、粘土水化膨胀在其它条件相同的情况下，孔喉越大，不匹配的固相颗粒侵入的深度就越深，造成的固相损害程度可能就越大，但滤液造成的水锁、贾敏等损害的可能性较小；孔喉弯曲程度越大，外来固相颗粒侵入越困难，侵入深度小;而地层微粒易在喉道中阻卡，微粒分散或运移的损害潜力增加，喉道越易受到损害；孔隙连通性越差，油气层越易受到损害；二. 储层敏感性矿物与油气层损害的关系1.敏感性矿物的定义是指储集层中与流体接触易发生物理、化

6、学和物理化学反应并导致渗透率大幅度下降的一类矿物。2.敏感性矿物特点大多都是在成岩作用期从孔隙水中化学沉淀出来，并充填在孔隙中，或附贴在孔壁和骨架颗粒表皮上的自生矿物。一般粒径很小(37um)，比表面大，多数位于孔喉处，优先与外界流体接触，直接反映出地层的敏感性。储层敏感性类型和程度取决于敏感性矿物的种类、含量和分布状态。3.敏感性矿物种类(1) 水敏和盐敏（性）矿物是指储集层中与水溶液作用产生晶格膨胀或分散堵塞孔喉并引起渗透率下降的矿物。具有阳离子交换容量较大的特点。有蒙脱石、伊利石/蒙脱石间层矿物、绿泥石/蒙脱石间层矿物等。水敏性矿物的水化膨胀过程(2) 酸敏性矿物是指储集层中与酸液作用产

7、生化学沉淀或酸蚀后释放出的微粒引起渗透率下降的矿物。酸化过程中岩石的溶解反应a. 盐酸与岩石的反应：盐酸与某些硅酸盐矿物(绿泥石)发生反应，释放出金属阳离子(如Al3+、Fe3/2+、Ca2+、Mg2+等)和硅酸。盐酸还可溶解某些铁矿石如菱铁矿(FeCO3)、赤铁矿(Fe2O3 ) 、硫化亚铁(FeS)；b. 土酸与岩石的反应造成储层酸敏性的原因a. 铁的氢氧化物沉淀当pH=2时，Fe3+开始生成Fe(OH)+沉淀，pH=4时，Fe3+几乎全部转变成Fe(OH)3沉淀；当pH到67时，Fe2+开始生成Fe(OH)2沉淀，当pH=9.7时，Fe2+几乎全部生成Fe(OH)2沉淀。当pH在27之间

8、,石英表面电荷与Fe(OH)3胶体表面电荷相反，促使Fe(OH)3在石英表面的吸附沉积。b. 氢氧化铝沉淀的生成当残酸pH值上升到34时，开始生成Al(OH)3沉淀。c. 氟化物的沉淀：为了避免土酸酸化中生成氟化钙和氟化镁沉淀，应用盐酸作前置液，溶解掉碳酸盐矿物并把土酸与地层水隔开，以防止Mg2+、Ca2+与HF直接接触。d. 氟硅酸盐与氟铝酸盐沉淀粘土、石英、长石与HF反应生成的氟硅酸与氟铝酸与地层水中或矿物酸化释放出的Na+、K-、Ba2+等离子反应，生成不溶性氟硅酸盐与氟铝酸盐沉淀。e. 硅酸凝胶的生成硅酸盐矿物和氧化硅矿物与HF反应产生的氟硅酸，在HF浓度很小的残酸中会分解，并水解生成

9、正硅酸：开始形成的单分子正硅酸可溶于水，当这些单分子正硅酸逐渐聚合成多聚硅酸时，就形成硅酸凝胶，这种硅酸凝胶含水量很大，体积也很大，松软有弹性，很容易堵塞孔喉，导致渗透率降低。f. 酸化释放出的矿物微粒引起的损害储层酸化的效果好坏，要看有利的溶解反应与不利的沉淀反应哪个起主导作用，若有利因素起主导作用，则酸化有效；反之，则无效。 (3) 碱敏性矿物指油气层中与高pH值外来液作用产生分散、脱落或新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体，并引起渗透率下降的矿物。主要有长石、微晶石英、各类粘土矿物和蛋白石。a粘土矿物在碱性溶液中易于分散而造成损害粘土矿物中铝氧八面体的Al-O-H键是两性的，在碱性环境中易电离出H+

10、 ，使粘土表面负电荷增加，使晶层间斥力增大，使粘土更易水化膨胀和分散运移。b碱可以与某些酸性氧化物反应生成堵塞孔道的硅凝胶隐晶质类石英(燧石等)和蛋白石(SiO2nH2O)等较易与氢氧化物反应生成可溶性硅酸盐，这种硅酸盐可在适当的pH范围内形成硅凝胶而堵塞渗流通道。 (4) 速敏矿物 是指油气层中在高速流体流动作用下发生运移，并堵塞吼道的微粒矿物。主要有粘土矿物及粒径小于37um的各种非粘土矿物。如高岭石、毛发状伊利石和固结不紧的微晶石英、长石、方解石等。4.敏感性矿物的产状与油气层损害的关系产状是指敏感性矿物在岩石中的分布位置和存在状态。其对油气层损害有较大影响。（1）薄膜式：粘土矿物平行于

11、骨架颗粒排列，呈部分或全包覆基质颗粒状，这种产状以豪脱石和伊利石为主。流体流经它时阻力小，一般不易产生运移，但这类粘土易产生水化膨胀，减少孔喉，甚至引起水锁； 薄膜式产状（2）栉(zhi)壳式粘土矿物叶片垂直于颗粒表面生长，表面积大，又处于流体通道部位，呈这种产状以绿泥石为主，流体流动时阻力大。因此极易受高速流体的冲击，然后破裂形成颗粒随流体而运移。若被酸蚀后，形成Fe(OH)3胶凝体和SiO2凝胶体，堵塞孔喉。 (3)桥接式由毛发状、纤维状的伊利石搭桥于颗粒之间，流体极易将它冲碎，造成微粒运移。(4)孔隙充填式粘土充填在骨架颗粒之间的孔隙中，呈分散状，粘土粒间微孔隙发育。以高岭石、绿泥石为主

12、呈这种产状，极易在高速流体作用下造成微粒运移。 桥接式产状 孔隙充填式产状5.敏感性矿物的含量与损害程度的关系 一般说，敏感性矿物含量越高，由它造成的油气层损害程度越大； 在其它条件相同的情况下，油气层渗透率越低，敏感性矿物对油气层造成损害的可能性和损害程度就越大。三、油气层岩石的润湿性与储层伤害的关系润湿性的定义：岩石润湿性的作用：控制孔隙中油气水分布决定着岩石孔道中毛管力的大小和方向影响着油气层微粒的运移四、油气层流体性质与油气层损害的关系1.地层水性质包括矿化度、离子种类和含量、pH和水型等。当油气层压力和温度降低或入井流体与地层水不配伍时，会生成CaCO3 、CaSO4、Ca (OH)

13、2等无机沉淀。 高矿化度盐水可引起进入油气层的高分子处理剂发生盐析。2.原油性质原油性质主要包括：粘度、含蜡量、胶质、沥青质、析蜡点和凝固点、粘温曲线等。石蜡、胶质和沥青可能形成有机沉淀，堵塞孔喉；原油与入井流体不配伍形成高粘乳状液，胶质、沥青质与酸液作用形成酸渣；注水和压裂中的冷却效应可以导致石蜡、沥青在地层中沉积，堵塞孔喉；3.天然气性质主要是H2S和CO2腐蚀气体的含量和相态特征。腐蚀气体的作用是腐蚀设备造成微粒堵塞，H2S在腐蚀过程中形成FeS沉淀，造成井下和井口管线的堵塞；相态特征主要是对凝析气藏而言。五、油气藏环境地层损害是在特定的环境下发生的。内部环境包括油气藏温度、压力、原地应

14、力和天然驱动能量。 外部环境有工作液的流速、化学性质、固相颗粒分布、压差、流体的温度等。在一个特定的时间段内，油气层潜在损害因素是油气层的固有特性。同时，油气层潜在损害因素在不同的生产作业阶段可能是动态变化的。第三节 外因作用下引起的油气层损害油气层损害机理的关键是研究外因如何诱发内因起作用而造成油气层损害。一、外界流体进入油气层引起的损害1.流体中固相颗粒堵塞油气层造成的损害 入井流体常含有两类固相颗粒:一类是为达到其性能要求而加入的有用颗粒;另一类是岩屑和混入的杂质及固相污染物质-有害固体。影响因素有:固相颗粒粒径与孔喉直径的匹配关系；固相颗粒的浓度；施工作业参数如压差、剪切速率和作业时间

15、；损害特点：颗粒一般在近井地带造成较严重的损害；粒径小于孔径1/10、且浓度较低时，损害程度可能较低;但此种损害程度会随时间的增加而增加；对中、高渗透率的砂岩油气层和裂缝性油气层，外来固相颗粒侵入深度和损害程度相对较大；2.外来流体与岩石不配伍造成的损害水敏性损害定义：进入油气层的外来液体与油气层中的水敏性矿物(如蒙脱石)不配伍时，会引起这类矿物水化膨胀、分散或脱落，导致油气层渗透率下降，这就是油气层水敏性损害。水敏性损害的规律:水敏性矿物含量越大，水敏性损害程度大；水敏性损害强弱为:蒙脱石伊利石/蒙皂石间层矿物 绿泥石/蒙皂石间层矿物伊利石高岭石、绿泥石；水敏性矿物含量及存在状态均相似时，高

16、渗比低渗油气层的水敏性损害要低；外来液体矿化度越低，水敏性损害越强；矿化度降低速度越大，油气层的水敏性损害越强；外来液矿化度相同时，含高价阳离子的成分越多，引起油气层水敏性损害的程度越弱。碱敏性损害定义：高pH的外来液体油气层中的碱敏性矿物发生反应造成分散、脱落、新的硅酸盐沉淀和硅凝胶体生成，导致油气层渗透率下降的现象。产生碱敏损害的原因:碱性溶液作用下粘土矿物的铝氧八面体表面负电荷增多，导致晶层间斥力增加，促进水化分散；隐晶质石英和蛋白石等与氢氧化物反应生成不可溶性硅酸盐，这种硅酸盐可在适当的pH值范围内形成硅凝胶而堵塞孔道。酸敏性损害定义：油气层酸化处理后释放大量微粒，矿物溶解释放出的离子

17、还可能再次生成沉淀，这些微粒和沉淀将堵塞油气层的孔道，轻者可削弱酸化效果，重者导致酸化失败。造成酸敏性损害的无机沉淀和凝胶体有:Fe (OH)3、 Fe (OH)2、CaF2、MgF2 、氟硅酸盐、氟铝酸盐沉淀以及硅酸凝胶3.外来流体与地层流体不配伍造成的损害当外来流体的化学组分与地层流体的化学组分不相匹配时，将会在油气层中引起结垢、乳化，或促进细菌繁殖等，最终影响储层渗透性。结垢a.无机垢影响无机垢沉淀的因素有：外界液体和油气层液体中盐类的组成及浓度；液体的pH值；压力和温度b.有机沉淀影响形成有机垢的因素有：外来液体引起原油pH值改变而导致沉淀；气体和低表面张力的流体侵入油气层乳化堵塞损害

18、有两方面：比孔喉尺寸大的乳状液滴堵塞孔喉；提高流体的粘度，增加流动阻力影响乳化液形成的因素有：表面活性剂的性质和浓度；微粒的存在；油气层的润湿性细菌堵塞繁殖快常以体积较大的菌络的存在，可堵塞孔道细菌产生的粘液堵塞油气层细菌代谢产生的CO2、H2S、S2-、OH-等，可引起FeS、CaCO3、Fe(OH)2等无机沉淀二、工程因素和油气层环境条件发生变化造成的损害1.作业或生产压差引起的油气层损害粒运移产生速敏损害大多数油气层都含有一些细小矿物颗粒，它们的成分是粘土、非晶质硅、石英、长石、云母和碳酸盐岩石等，其粒径小于37m，是可运移微粒的潜在物源。这些微粒在流体流动作用下发生运移，并且单个或多个

19、颗粒在孔喉处发生堵塞，造成油气层渗透率下降，这就是微粒运移损害。临界流速与下面因素有关：油气层的成岩性、胶结性和微粒粒径孔隙几何形状和流道表面粗糙度岩石和微粒的润湿性液体的离子强度和pH值界面张力和流体粘滞力温度影响油气层流体产生无机和有机沉淀物造成损害无机垢的形成是由于油层压力的下降，它的流体中气体不断脱出，促使生成的CaCO3沉淀生成有机垢的生成是因油气层压力降低，促使石蜡沉积，造成堵塞产生应力敏感性损害随着岩石的有效应力 (=PV-PR)就增加，使孔隙流道被压缩，尤其是裂缝一孔隙型流道更为明显，导致油气层渗透率下降 造成应力敏感性损害。压漏油气层造成损害引起出砂和地层坍塌造成损害当油气层较疏松时，若生产压差太大，可能引起油气层大量出砂，造成油气层坍塌，产生严重的损害。加深油气层损害的深度当作业压差较大时，在高压差的作用下，进入油气层的固相量和滤液量必然较大，相应地固相损害和液相损害的深度加深从而加大油气层损害的程度。2.温度变化引起的油气层损害增加损害程度温度越高，各种敏感性损害程度就越强引起结垢损害温度降低，可能引