[科普中国]-油层伤害类型

油层伤害的机理

造成油层伤害的因素是极其复杂的，采取有效的防治措施的前提首先是诊断伤害类型。下面将油层伤害的机理归类为微粒因素、流体因素、油藏岩石因素、毛管力因素、微生物因素、化学反应因素。

微粒因素内部微粒：油层内部粘土的膨胀、运移和再沉积是油层伤害的主要因素之一。沉积中的粘土有两个来源：碎屑粘土和自生粘土，所有类型的粘土都具有吸水特性，有的甚至会与水发生水合作用，产生膨胀Neasham(1977)4将粘土按其存在形式分为三类：

①分散游离粘土，它随机附着在孔隙表面或充填在孔隙之中；

②孔隙表面沉积粘土，以相对连续或以薄层状态附着在孔隙表面上；

③孔隙“桥接”粘土，其以纤维状存在. Almon和Davies(1981)5将油藏中的粘土按成分分为四类：高岭石、蒙脱石、伊利石和绿泥石，不同的粘土对地层造成的伤害机理不同。高岭石具有微小膨胀性能，这类粘土可以释放到流体中,若孔隙表面不重新吸附，会产生运移，因而产生的是“运移型”地层伤害；蒙脱石是膨胀型粘土,遇到淡水后能够膨胀到原来体积的几倍,膨胀的结果导致孔隙度降低,渗透率下降.伊利石能够形成多种晶体结构,有时以不规则的纤维状结构在孔隙中生长;绿泥石是强酸敏的,酸处理后同铁的化合物作用形成沉淀.同时,砂岩油藏还存在其他微粒:如石英、长石、云母、方解石、白云石、菱铁矿、氯化物和重晶石等.这些微粒同粘土微粒一样，也会在孔隙表面沉积，在孔喉处发生“桥塞”或卡堵。外部微粒:在油田开发中，注入流体也可能含有各种微粒杂质.外部固体微粒的入侵、在孔隙内运移、孔隙表面沉积或孔喉处卡堵，也会在注入井附近产生严重堵塞。

流体因素在多相流体系，Mungn(1965)6发现，当孔隙中存在油、气或者有机物附着在孔隙表面上时会降低油层伤害。Clementz(1977)7提出：地层原油中重质组分吸附在岩石空隙表面上，能够使粘土稳定，抑制油层伤害。Sarkan和Sharma(1990)8认为：多相流存在时，油层伤害变弱，在水敏油层中，当油层伤害是由粘土微粒或其他微粒造成的情况，地层原油的存在减少了注入或滤失到地层中的水与孔隙表面接触的机会，从而减少了地层微粒运移的机会。Muecke(1979)9研究认为微粒的润湿性和界面张力严重影响着多相体系中的微粒运移，不配伍的流体同孔隙表面接触是导致粘土水合和地层微粒运移的主要因素。

油层岩石因素岩石的润湿性是油层岩石孔隙中控制流体的位置、流动和分布的主要因素。对于水湿岩石，水附着在岩石孔隙表面，占据相对较少的孔隙体积；油湿岩石情况相反。当岩石孔隙表面具有油湿特性时，水与岩石孔隙表面接触的面积大大减少，结果地层微粒或粘土释放到水中的量相应的减少，地层伤害减轻；油湿岩石表面也有不利的一面，因为它会使地层原油的相对渗透率降低；此外有机物质在孔隙表面的吸附和沉积也会导致油层伤害。

毛管力因素在两相流体系中，毛管力对微粒起到两方面的作用：①毛管力效应导致局部压力扰动，会使微粒流动，也会降低孔喉处微粒的“架桥”作用9；②毛管力的扰动作用，会使流体携带微粒流动的临界流速降低10。

微生物因素如果生产井或注水井井底适合细菌等微生物生长和繁殖的环境,微生物的大量繁殖及其分解产物也可能在井周围产生污染，伤害油层。

化学反应因素在油田开发中，由于温度、压力等因素的变化会引起油层内部本身流体组分的变化，流体与流体、流体与岩石矿物的反应，产生各种有机或无机伤害。在各种提高采收率措施(EOR)中，不配伍的外部流体也可能与油层内部流体或组成油层岩石的各种矿物发生反应产生有机或无机污染物。

产生油层伤害的工艺过程钻井钻井对油层的伤害有两个主要来源11①滤失到地层的钻井液与油层岩石矿物的反应。②钻井液中固体微粒的入侵，降低该类伤害可通过采用配伍的钻井液和平衡钻压来实现。

固井水泥的水合和同氢氧化钙作用会导致沉淀；滤失到地层的氢氧化钙同地层内部的硅反应生成硅酸钙等化合物;水泥微粒的入侵也产生伤害.

射孔完井在含有固体微粒的钻井液或完井液中或者当射孔层段井筒内流体压力过高时,射孔砂岩地层会造成明显的油层伤害.各种研究表明,在射孔完井过程中为了最大限度地降低油层伤害，应采取以下措施：①控制泥浆滤失②用过滤干净的射孔液③采用负压射孔④射穿污染的区域⑤要有足够的射孔密度来弥补地层的非均质性和表皮伤害⑥用干净管柱避免同射孔液反应生成化合物，采用兼有压裂功能的射孔器。

悬挂式非胶结割缝管完井在生产中流动的砂粒、粘土、胶质、沥青质和石蜡等物质在割缝处发生聚结堵塞。用水力喷射和有机溶剂相结合的方法可清除该类型的油层伤害。

防砂在弱胶结油层中，通常采用防砂措施来降低或消除从钻井、完井、生产到修井等油井作业过程中导致的油层伤害。下面介绍防砂措施和有可能造成的伤害。①裸眼砾石充填：在砾石充填井中,尽管砾石充填层的渗透率值在理论上是相当高的(100～1 000μm2)，而实际上由于微粒的入侵只有理论值的几分之一12。砾石充填层就像一个伤害的表皮层。因此，低质量的砾石和不干净的砾石充填液是所有类型的砾石充填方式完井产生堵塞的根源。

②射孔砾石充填完井：矿场应用表明，裸眼砾石充填完井的产量要比射穿砾石层的套管完井的产量高得多.在射孔砾石充填完井方式中,大的压力降消耗在长而细的射孔道内,较大的限制了产量。

③筛网和预制砾石充填衬管完井：采用这种完井方式用来防砂,必须慎用，因为泥质固体、地层微粒和有机沉积物非常容易发生堵塞。

④塑料胶结完井：该方法的不利因素在于入侵微粒卡在胶结处,降低渗透率.该技术的常见失败原因在于不能保证预处理液和胶结剂到达预定的部位。

⑤羟基铝胶结完井：近年来该技术用来处理不太严重的出砂油层13，其机理是在修井和增产措施中起稳定粘土的作用。但是，其稀释或作为后置液时可能形成沉淀。

⑥蒸汽作业中的防砂:有关研究表明，砾石充填砂和地层砂在高的pH值下的蒸汽中会很快溶解,结果导致防砂失败,近井带处砂粒移动。3

生产过程尽管随着油田开采的衰竭，油井的产能自然递减。但是开发过程中的油层堵塞会加剧油井产量的衰减。生产曲线的对比、压力恢复试井和井间对比是诊断油层伤害的通用方法。进行必要的岩心分析，对产出的流体和井下装置及地面设备上的沉积物进行化验分析能够为诊断提供重要的线索。下面是常见的伤害：

(1)无机堵塞：无机垢在油层孔隙和井筒内的沉积都会导致油井产量的下降.常见的无机垢沉积物是碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸铁等不溶物质。

(2)有机堵塞：常见的有机堵塞物是石蜡、胶质、沥青质等高分子原油组分.这些有机垢可以在井筒内部沉积,也可以在近井带周围沉积.胶质、沥青质对油层的伤害机理为①堵塞孔喉;②吸附在孔隙表面,将岩石的水润湿转变成油润湿特性,从而减小油相的有效渗透率;③形成乳状液,增加流体粘度.Mansoori G A将这种沉积特性归类为四个效应(多分散效应、胶体效应、凝聚效应和动电学效应)。清除近井带的有机垢常用的方法是:井下加热、向地层反挤热油或其他解堵剂。原油中的沥青质具有界面性和胶体化学特性,在油层孔隙内流动时会形成沥青微粒。

(3)出砂伤害：胶结疏松的砂岩油层中，砂的生产不仅会加速和破坏生产设备,而且会造成地层坍塌,在这样的稠油油田中，防砂装置的使用会大大降低产量。

(4)热力采油中的伤害：在注蒸汽过程中,高温的蒸汽或水可以溶解粘土型胶结物,在流动过程中，由于温度下降会沉积下来，在火烧油层的前缘温度可达800℃ ,可导致油层矿物的溶解和重新组合,改变原有的沉积特性。3

流体注入①悬浮的粉砂、粘土、垢、污油和细菌等微生物伤害:注入水中的悬浮固体微粒很可能伤害油层.不配伍的水会发生化学反应形成沉淀,堵塞注水井.防止这些物质的堵塞的有效方法是:对注入水进行各种净化处理,保证水质和进行配伍性研究。

②腐蚀物堵塞:铁的腐蚀产物是注水过程中典型的堵塞油层岩石孔隙的物质.油层岩石伤害的程度取决于铁的腐蚀产物数量、性质和入侵深度.缺少硫化氢而溶有氧的流体环境会生产氢氧化铁.在含硫的环境里,当pH值接近于7时会生成硫化铁沉淀.在溶有氧的含酸盐水存在时,腐蚀伤害不仅更加剧烈,而且二次反应会加剧油井堵塞。③注气伤害：用注气来维持油层压力时,如果气体压缩机的润滑剂在进入井口之前没有清除掉,则会随气体进入油层,造成堵塞.此外,二氧化碳气的注入驱油会出现类似于酸化导致的伤害。

④流体注入导致温度变化引起的伤害:如果注入低温水,则会降低油层温度,破坏沥青质等重质组分在油中的溶解稳定性;在注蒸汽过程中,高温的蒸汽或水可以溶解粘土型胶结物,在流动过程中,由于温度下降会沉积下来。3

修井和油井作业中修井液的质量严重影响着作业的效果.固体微粒、乳化油、化学反应产物、有机和无机物的沉积、流体的不配伍都是修井过程中造成油层伤害的因素.由于作业流体的矿化度导致的盐敏效应和作业中过高的压差会导致微粒的运移。另一个伤害来源是含有胶质、沥青质和石蜡等有机物.此外作业管线中的污物、铁锈和污油被带到井底,进入油层，造成堵塞.为了减小修井作业过程中的伤害,应采取如下措施：①采用配伍的修井液；②在地面进行过滤；③用能够“桥堵”在油层孔隙处,而且在油井重新生产后轻易溶解的化学制剂来减少修井液的漏失；④通过减小井筒和油层的压力差来减少修井液的漏失；⑤用酸和溶剂的混合物以及机械方法来清除注入管线内的杂物；⑥采用井底过滤器。3

实施增产措施过程中尽管采取增产措施的目的是提高油井的产量,而实际上增产措施过程中也伴随着油层伤害.如果增产措施得当,那么油井的产量提高.如果伤害的一面占了主导地位,那么油井不仅不能增产,反而有所下降,或者有效期很短,产量很快衰减,不能达到预期的经济效果。

酸化过程：①氢氟酸酸化产物可能沉淀:氢氟酸酸化砂岩油层产生堵塞的实例已有所报道[26,27].酸化过程中除了初次溶解反应外，铝硅酸盐的二次和三次反应生成的沉淀物也会严重影响着酸化效果,油层中的含钙矿物和含钠粘土反应后也会生成难溶沉淀.解决这些问题的措施是在注入氢氟酸之前,先用盐酸做预处理.在酸化后及时重新投产也可以减小由于溶解后的物质重新发生沉淀导致的堵塞。然而,更通用的方法是将酸化后的工作液等生成物顶替的到油层深处。

②酸化过程中可能产生松散的固体:酸化过程中另一个伴随问题是固体微粒的释放和地层的坍塌。

③酸化反应中的有机物附着问题:酸化时常遇到的失败是由于岩石或垢的表面附着有有机物,酸液不能与岩石或垢直接接触。

④不干净的管柱导致的伤害:酸化中使用的不干净的管柱是污染物的一个来源。

⑤碳酸盐岩石的微粒释放:即使在碳酸盐油层中，盐酸酸化后的油井产量也会很快明显下降,这是因为酸化过程中会有不反应的固体微粒的释放。

⑥铁反应物沉淀：不论何中类型的酸化处理,必须考虑到酸的反应产物.在很多情况下,油层矿物或金属(比如铁锈和井的金属设备在酸中的溶解产物)在酸反应消耗后pH值升高到中性或碱性时,可能重新沉淀下来。

⑦胶体淤积物的堵塞:含有沥青质原油中的沥青物质的沉积是酸化过程中造成油层伤害的另一个来源.当原油的pH值由于酸的接触而降低时,导致这些淤积物的生成.通过降低酸的强度,采用有机酸或用有机溶剂预处理等措施来降低酸化导致的沥青质堵塞。

⑧深井和高温井的堵塞:当酸化这样的碳酸盐油层时，盐酸在近井带迅速反应掉,难以实现深层酸化.用提高酸的用量可以弥补酸在近井带的大量消耗导致的不能深层酸化。也可以用低温的预处理液降低温度来降低在近井带的反应速度。此外，在热井处理时，用有机缓蚀剂来抑制井下设备腐蚀的方法也并不可靠。甲酸、醋酸等有机酸可以用来减轻高温下的腐蚀问题。3

压裂水力压裂是一种常见的增产措施.完善的设计和深层压裂可增产10倍甚至更高的产量。增产效果的大小取决于产生的导流裂缝的质量。

①支撑物的堵塞:压裂时经常忽视压裂液的质量,而实际上因为压裂液的质量产生的裂缝导流能力的影响会严重地影响压裂的效果.稠化压裂液的浓缩、难以破坏的粘稠液、胶体破坏的残余物、破碎的支撑剂其他滤失剂的捕集都会降低裂缝的导流能力。

②裂缝的闭合：压裂的机理、设计(尤其是在深井中)影响着压裂效果。通过对水力压裂的应力分析研究表明:如果井附近的裂缝内没有支撑物支撑，那么裂缝会闭合，严重影响压裂的效果。3

油层伤害的防止及解除技术油层伤害问题的防止是非常重要的，因为许多伤害是不可逆的,即使是可逆的,将其恢复也是相当困难的，需要昂贵的经济投入。目前采用的技术有：热力技术、各种机械和化学防砂技术、各种防止微粒运移、粘土膨胀技术和化学溶剂、压裂技术、水力震荡.目前,电磁波、微波、超声波等新技术用来解除油水井近井带的堵塞。3

结语油层伤害问题，尤其是近井带的污染、堵塞问题伴随着整个油田开发历史。油层伤害是复杂多样的，油田与油田之间，甚至同一油田的井与井之间的伤害都可能存在很大的差异。要获得最大的产能,从钻井开始就应该采取严格有效的油层保护措施，对出现的油层伤害问题应该深入研究，从事油田工作的工程师、地质家、化学工作者等人的综合研究可以获得油层伤害的最好诊断和最佳解决途径.然而,最大限度地降低包括生产在内的各项作业中导致的伤害问题，取决于下至操作工人上至油田开发决策者之间的每个油田工作者对油层伤害机理的认识程度和各项作业中防止油层伤害技术的应用程度以及各个环节之间的协调程度。3