[科普中国]-油气层伤害

油气储层的敏感性

油层伤害主要是储层与外来流体接触后发生五敏效应, 或颗粒堵塞储层孔隙造成的。五敏效应是由储层本身的固有特性决定的, 储层的固有特性是造成储层伤害的内因, 外来流体的作用是造成储层伤害的外因。储层五敏即速敏、水敏、盐敏、酸敏、碱敏。

(1) 速度敏感性: 速敏性是指因流体流动速度变化引起地层中微粒运移、堵塞喉道,造成渗透率下降的现象。

(2) 水敏感性: 水敏感性是指与储层不配伍的外来流体进入储层后粘土矿物膨胀、分散运移而导致渗透率下降的现象。

(3) 盐度敏感性: 盐度敏感性是指储层在系列盐水的作用下, 粘土矿物水化膨胀而导致渗透率下降的现象。

(4) 酸敏感性: 酸敏感性是指酸液进入储层后, 与酸敏性矿物发生反应, 产生沉淀或颗粒, 导致渗透率下降的现象。

(5) 碱敏感性: 与储层接触到的工作液具有较高的pH 值时, 高pH 值的液体进入地层导致地层中粘土矿物和硅质胶结的结构破坏, 引起储层伤害, 称为碱敏感性。1

后果1、降低产能产量，储量产能估算不准，影响制定开发方案；

2、增加试油、酸化、压裂、修井等工作量，增加成本；

3、影响最终采收率，损伤油气资源。2

伤害类型敏感性矿物的伤害在外界条件的影响下, 储层受内在因素的作用而使渗透性能降低, 这就是通常所说的储层本身的潜在伤害。这种内在因素包括以下几个方面。砂岩储层中, 石英、长石、云母、重矿物及岩石碎屑组成岩石的骨架, 粘土、钙质、铁质、硅质等胶结物质和泥质、粉砂类杂基作为填充成分分布于骨架间。

骨架颗粒和填充成分中有许多遇外界酸碱、温度、压力、水质变化而敏感的矿物, 这些矿物的稳定性由弱到强可依次为粘土类杂基-化学胶结物( 碳酸盐为主) -火山岩屑-长石-石英和变质结晶岩屑。粘土类矿物中, 高岭石在流体流速较高的情况下, 容易迁移而堵塞喉道; 蒙脱石遇到淡水会发生膨胀, 减小孔隙和喉道的体积; 片状伊利石容易原地搭桥而堵塞孔喉; 绿泥石遇酸产生沉淀, 在孔喉中结垢, 降低渗透性; 化学胶结物中, 碳酸盐遇盐酸溶解, 遇氢氟酸则产生大量氟化钙沉淀; 火山岩屑在压力的作用下发生塑性变形、压实而降低孔隙度; 长石解理发育, 容易沿解理缝风化而转化为易迁移、膨胀的粘土矿物。碳酸盐岩储层中, 骨架颗粒通常是一些被称为砂屑、鲕粒、团粒、生物碎片的盆内碎屑, 充填成分主要是后期结晶的碳酸盐矿物, 少量泥质和有机质。这类储层存在三类敏感性矿物。一是后期结晶的碳酸盐晶粒, 常附着于颗粒边缘, 是影响储层渗透性能的主要因素。在流体速度较高的情况下, 这些晶粒发生迁移并与泥沙相混, 在局部集中堵塞孔喉。二是粘土含量相对偏高时, 膨胀、搭桥、迁移等作用方式在碳酸盐晶粒间会产生很大的效应。三是隐晶碳酸盐矿物在盐酸的作用下发生熔解, 因为它遍布于填隙物和颗粒本身, 如果酸溶量过大, 岩石骨架结构会遭到破坏, 从而伤害油层。其他储层类型中, 也存在各种各样的敏感性矿物。

粘土矿物普遍存在于砂岩储层中, 在火山岩、碳酸盐岩、洞穴堆积岩等特殊类型储层中也有不同程度的分布。粘土矿物的结构类似于云母, 具有单个或多个层状结构(右图) , 是一类含水铝硅酸盐矿物, 粒径由1 μm 至5 μm 之间。

粘土矿物对砂岩储层有着不同程度的危害, 采油生产中由于粘土矿物引起的产量降低问题十分普遍。砂岩中的粘土矿物分布极广, 最常见的有蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石, 还有在粘土矿物相互转换其间呈过渡状态的混层矿物, 如伊/ 蒙混层和绿/ 蒙混层矿物。蒙脱石对储层的伤害特征是遇淡水发生膨胀, 堵塞孔喉; 伊利石对储层的伤害特征是喉间“ 搭桥” 和形成易动微粒; 高岭石对储层的伤害特征是在流速作用下发生迁移, 其晶片横截面容易堵塞于孔喉间; 绿泥石对储层的伤害特征是遇酸产生酸敏, 形成絮凝沉淀物, 堵塞孔喉; 混层矿物具有端元矿物的两重伤害性质, 对储层危害更大。不同的砂岩类型中, 各种粘土矿物的相对含量各异（右图）。

在半咸的海相条件下, 如河口湾、分流河道和河流河道中常有伊利石的富集;在有机物质含量较高的微咸海水形成的砂体中, 绿泥石含量往往高于其平均丰度值; 从火山灰或那些广泛排水的沼泽地区取来的样品中, 蒙皂石含量非常丰富; 伊利石和绿泥石混合物及伊/ 蒙混层矿物在急速沉积(如在深水盆地中的浊流) 的砂岩中最常见, 如果在物源中有富含铁镁的岩石, 则更是如此; 高岭石在中粗粒砂岩中最常见, 如曲流河或辫状河道沉积砂岩、砂坝砂岩或堤坝砂岩。粘土矿物的晶体结构对于粘土矿物类型划分、物理化学性质以及成岩过程中粘土矿物的变化, 都有很大关系。

粘土矿物是沉积岩中的不溶残积成分, 其化学稳定性比组成岩石骨架的矿物及岩石碎屑还要稳定。因此, 对灰岩储层酸化时用盐酸就可以将其孔喉间的结晶碳酸盐溶解, 达到疏通渗透性的目的, 对粘土矿物则不行。虽然氢氟酸能够溶解硅酸盐矿物, 但如果向砂岩储层中注入氢氟酸, 溶解能力最强的不是粘土矿物, 而是长石、石英和岩石碎屑。这种溶解结果势必造成储层内填充成分尚未溶解, 而岩石骨架已受到破坏, 达不到储层渗透性改善的目的。

因此, 长期以来, 国内外学者致力于研究一种“ 独特” 的酸( 或碱) , 使之注入储层后, 能够先溶解粘土后溶解颗粒, 或只溶解粘土不溶解颗粒, 再或溶解粘土的速度大于溶解颗粒的速度。然而, 近30 年来的研究成果表明, 这种酸始终没有诞生。于是,

20 世纪80 年代中期产生了一种新思路, 即利用粘土矿物的表面积远远大于颗粒表面积,使酸液充分与粘土接触, 接触面大于颗粒溶浸面, 用“ 以多胜少” 的方法赢得溶解速度上的优势。这一技术思路的关键环节就是要使酸的溶解速度尽可能的慢, 以期达到更多的溶解粘土的目的。但使用何种酸液才能达到这一目的, 则经历了一个漫长的研究实践过程,以至于现在仍处于对酸液的有效性及配比进行不断摸索的过程中。最初考虑到用低浓度氢氟酸处理地层, 但不论粘土和颗粒的溶解效率如何, 副矿物和沉淀物的形成已使储层的渗透性更加降低。后来考虑到给溶解过程造就一种环境, 防止副矿物和沉淀物形成, 于是考虑到盐酸配合酸化, 取得一定效果后, 土酸———盐酸与氢氟酸混合酸化( 有时盐酸作前置液施工) 工艺得到推广, 于是将一定浓度范围的氢氟酸和一定浓度范围的盐酸混配的土酸系列在石油开发中得到全面运用。然而, 土酸在相对低渗透储层酸化中应用的成功率比较低, 以致于造成大量的资金浪费。为了达到前述溶蚀机理的理想目的, 油田化学专家们在缓蚀酸的研制上费了很大的功夫, 相继研制出了加缓蚀剂的土酸、氟硼酸、顺序土酸、含醇土酸、有机土酸、自生土酸、缓冲液氢氟酸等砂岩酸化用液, 砂岩储层的酸化有效率得到提高。

即使如此, 砂岩储油层的37% ( 国外) ～46% (国内) 仍在工艺上认为是难动用的含油层系, 这部分油气储量是当前油层保护与油层改造的重点目标, 粘土有效溶蚀问题仍是油层保护学科研究的方向。1

沉积与成岩作用对储集层的伤害沉积作用决定了储集层原始孔隙度的数量与大小。在某一特定环境中, 沉积的砂体可能保留有很高的孔隙度, 而在另一环境中沉积的砂体孔隙度可能很低。在湖泊与河流接壤的扇形沉积体中, 扇端往往沉积有粒度很细的粉砂层, 并普遍见有碳酸盐矿物的结晶, 使得油气储集层内孔隙数量少, 粒径小, 渗透性差, 储集层原始孔隙率由于结晶矿物的胶结而受到严重伤害; 扇中区沉积的砂体, 由于其填隙物和结晶矿物少, 原始孔隙得到了有效的保护, 储集层的储集性与渗透性相对较好; 扇根部位由于邻近物源, 泥质蚀变物来不及经重力淘洗或分选, 与粗细不均的碎屑物一同沉积, 造成了储集层原始空间的严重伤害,尽管孔隙粒径较大, 但渗透性仍然很差。

成岩作用是影响储集层孔隙及渗透性变化的主要因素。压实作用使沉积岩体积缩小,颗粒堆积方式由原来的点接触变成线接触或凹凸接触, 颗粒支架间形成的多配位数孔隙仅有部分残留、甚至消失, 储集层渗透性受到伤害。矿物的重结晶和石英次生加大作用多发生在储集层孔隙内, 新生矿物( 或再生矿物) 占据了有限的储集空间, 使储集层渗透性愈变愈差。溶蚀、交代作用有时有利于增加储集层内的孔隙度, 但同时使地层水矿化度升高, 开发注水过程中, 容易使地层水性质变得复杂, 在储集层内形成副产物, 如各种碳酸盐、硫酸盐和铁化合物沉淀等。压融作用是对储集层渗透性最具危害性的成岩现象, 常发生于深埋的储集岩内, 是在温度、压力、介质环境影响等因素共同作用下发生的, 其结果是使两个颗粒融合交生在一起, 使储集层喉道变窄形成堵塞, 渗透性严重下降, 油层渗透率伤害十分明显。1

钻井液滤液与储层不配伍造成的伤害对探井钻井来讲, 钻井液是首先与储层接触的液体。滤液进入油气层后, 对油气层损害是最严重的, 滤液浸泡的时间也是最长的。这种损害在钻开储层后整个过程中都一直存在着, 进入地层量大小与钻井液静、动滤失有关系。当然, 损害也与钻井储层时形成的泥饼质量有关, 其泥饼质量控制是降低滤失量的关键技术。一般情况下, 从钻井工程安全需要和减少油气层伤害程度来看, 控制滤失量越小越好, 但泥浆投入成本也就意味着越高。滤液进入储层后从两个方面损害储层。

(1) 与储层中的流体发生一系列物理和化学反应, 最终导致储层伤害水锁钻井液滤液进入储层后, 会使储层中水的饱和度增加, 油的相对渗透率降低,从而影响油相的运移。水锁作用对低渗透储层有着严重影响, 尤其是气层, 煤成气层影响更为严重, 对于低渗透油气勘探, 钻井液的水锁损害必须采取相应技术加以解决。乳化钻井液滤液进入储层后, 与储层中油相由于化学作用, 形成乳状液。这种乳状液由于具有相当高的液相指度, 在地层孔隙中也就相当稳定, 而且较大的液滴会堵塞一些细小的孔隙, 这一点可以从试油初期排液过程中, 地层中往往会先期排出大量乳化水得到证实。

润湿反转润湿性是控制油藏流体在孔隙介质的位置、流动和分布的重要因素, 对于水和油的相对渗透率有很大影响。当砂岩由亲水表面向亲油表面转化时, 水的渗透率将上升, 油的流动阻力将增大, 这会影响试油产量。对于砂岩油藏, 当钻井液中使用了如阳离子表面活性剂时, 极易造成润湿反转, 导致储层伤害。1

(2) 与储层中敏感性矿物发生水化, 膨胀等作用, 导致储层伤害就胜利探区大部分油田的主力油层矿物成分组成看, 沙三段以上地层都存在有敏感性矿物, 自下而上, 敏感性矿物成分含量也逐渐增大。钻井液滤液进入这类储层后, 与粘土发生水化反应, 水化可以分为表面水化和渗透两种形式, 最终导致粘土发生膨胀、分散。特别是沙河街组的沙三段以上、东营组、馆陶组地层中含有的大量如蒙脱石、伊/ 蒙混层等粘土在分散后, 膨胀后体积可以增大几十倍, 致使始渗透率降低几十倍。如郑家沙一、沙三段的强水敏地层, 若使用常规钻井液体系而不采取针对性预防措施, 初期试油产量极低, 多为无工业油流。

另外, 钻井液滤液进入储层后, 在地下温度和压力条件下, 可以使水敏性相对不强的伊利石、高岭石等粘土矿物, 发生复杂反应, 特别是以前使用的FCLS 体系, 在高pH 值条件下, 极易促使不活泼矿化向分散性矿物转, 从而促使这类粘土矿物的膨胀和分散。3

钻井液中固相颗粒对储层的伤害钻井液中存在着两种固相: ① 有用固相, 如膨润土, 重晶石等; ②无用固相, 如钻屑, 分散性差的劣质粘土等。

钻井液中固相进入储层主要集中在泥饼形成以前, 影响钻井液滤失量和巩固井壁主要有以下方面:

固相颗粒的大小分布影响储层渗透率。固相在钻井液静、动压差的作用下, 在钻开新眼前或井壁在钻开失稳后, 进入油气层内部, 堵塞了孔隙、裂缝, 使近井壁带渗透率下降。固相对储层的伤害与储层孔隙大小、钻井液中固相颗粒大小有较大的关系。

一般来讲, 固相进入高中渗透储层的深度最深可达几米, 而对于低渗透储层, 这种伤害要轻一些, 可能仅发生在近井壁带, 固相含量越高, 分散得越细, 这种侵入损害就越严重。特别是钻井液的膨润土, 是伤害油层的主要固相, 进入储层后(除非是特高渗透层)在孔喉处发生堆积堵塞。

较细颗和亚微米级的固相对储层的渗透率损害是严重的, 当颗粒直径小于1/10 孔隙直径时, 颗粒就会迅速地侵入储层内, 而在岩石表面不能形成泥饼。如果颗粒直径大于孔隙直径的1/ 3 , 固相则不能进入储层产生固相损害, 在砂岩孔隙表面形成虚泥饼, 滤失量得不到有效控制, 反而又会引起滤液的进一步损害。

钻井工程事故造成储层伤害探井钻井施工由于录取资料多、钻井参数选定缺少依据、所钻遇地层情况不清, 钻井时间一般较开发井长, 单从钻井液滤液和固相随着时间浸泡、影响油层污染的角度讲, 这方面的污染也是相当严重的。另一方面, 钻井工程事故多, 井下情况复杂也是勘探钻井的一大技术难点。当井下出现事故造成工程扩眼, 必然使井壁多次失稳, 泥饼从形成到垮塌经过多次循环, 使井壁扩大。3

伤害过程判识利用酸、水、速、碱、盐五种敏感性实验对开发井全直径岩心样品进行流动测试, 可以测出油层的各种敏感性程度, 从而使用一种低敏感的流动作为作业液的参照标准。然而, 油层伤害的真正原因有时并不局限于粘土矿物引起的敏感性上, 而是与油层岩石类型和特有的成分、结构形态、孔隙类型、喉道的发育等因素有关。就某一敏感性粘土矿物而言, 在不同的孔隙形态和不同渗透能力的储层中, 敏感性发生的程度不一致, 敏感性矿物的数量也不一定与敏感性伤害程度有关。在低孔低渗储层类型中, 5% 的蒙脱石对储层会产生极大的伤害; 而在高孔高渗储层类型中10%的蒙脱石对储层仅产生微乎其微的影响。

因此, 要判断储层伤害原因和如何对储层实施有效保护, 就必须了解储层内部结构、矿物成分、孔喉填隙物以及影响储层渗透能力的综合因素。储层静态分析方法就是在此思路上建立起来的。其目的就是要揭开储层内部奥秘。首先确诊储层“ 病因”, 在有目的的情况下对症下药, 找出解除伤害的最佳方式, 以期在最小的经济成本投入下, 对油层进行有效改造, 创造经济效益。

储层微观机制分析也称油层保护静态分析, 是从研究岩石的原始结构和矿物组成出发, 对岩石中各种影响流体渗透能力的因素进行细致的分析, 这项分析所依据的手段是偏光显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、元素光谱分析仪等光、电学精密仪器。利用这些仪器和合理的技术分析流程, 就能找出油层伤害的真实原因。实践证明, 这项技术是寻找油层伤害原因的有效手段。

动态分析方法除五敏流动实验外, 还包括利用静态分析方法设计的有效溶蚀酸的机配试验。利用这种试验, 可对自行设计的适合于储层的用液进行验证。油层保护静、动态分析流程的工作原理是在掌握油藏开发背景的基础上, 取油层岩心样品, 对其进行新鲜断面的素描, 包括油渍分布状态、渗水性、渗油性及表面酸溶性等。

借助荧光薄片, 可对矿物的油浸性进行分析; 利用偏光显微镜, 研究储层岩石类型及矿物组成, 分析岩石的骨架结构及储集空间类型, 对填隙物的种类及颗粒间的接触关系进行定性描述, 观察岩石横断面的可见面孔率, 分析孔隙连通性及流体在其中的渗透性; X􊄮衍射仪可对岩石矿物成分、粘土成分进行定量测试; 利用扫描电镜观察矿物( 尤其以填隙物形式存在于孔喉中的粘土矿物和碳酸盐矿物) 的结晶形态、保存方式及分布状态; ICP 发射光谱仪可以测定岩石中的元素组成, 研究敏感元素对储层的伤害。综合上述测试及分析,确立油井作业过程中引发的油层伤害和储层内在伤害类型, 最后利用敏感性实验及机配试验对诊断结论进行验证, 验证后的结论提交现场实施( 右图) 。敏感性实验的理论依据是: 在一个封闭试验系统中, 岩石允许液体通过的量与驱动流体的压力、实验岩心柱的截面积和储层渗透率成正比; 与液体的粘度和岩心柱长度成反比。试验的经过是把经洗油和抽真空的岩心, 用模拟地层条件下配置的液、气体饱和, 在封闭系统中, 分别对其不断升压、提速, 改变矿化度、pH 值或酸液压注, 测量流出的液体量, 计算和绘制相应的渗透率变化曲线( 敏感性强度) 及中间渗透率突然受到伤害而降低的拐点( 临界点) 。这一技术求取的敏感性值, 准确度高, 并可以通过实验液的调整, 进行入井液的配伍评价。1

常规分析方法油气储层的敏感性类型与强度, 即其在被钻开后渗透率的变化, 与储层岩石含敏感性矿物的种类、数量、产状, 以及被钻开后相遇的工作液物理和化学性质有直接的关系。用岩心模拟地层条件进行试验、求取参数, 属岩心敏感性试验技术范畴; 而用含敏感性矿物的种类、数量、产状及其与工作液间可能发生的各种物理、化学反应, 推测可能引起储层渗透率的变化值, 并评价该储层的敏感性伤害类型和强度, 则属于机理性油气层保护分析方法的范畴。敏感性矿物种类、数量和产状, 可以通过岩心或岩屑的薄片用扫描电镜、X射线衍射等常规岩石学分析项目得到, 入井液和其他工作条件是设计参数, 利用这些参数就可以根据它们之间的相关性和可能引起渗透率下降的各种物理和化学反应, 预测和评价敏感性伤害。

(1) X 射线衍射粘土分析技术。

粘土矿物和某些含铁碳酸盐岩、硫酸盐岩等矿物, 在遇不配伍的入井液时与其发生反应, 易生成堵塞孔喉的沉淀物或微粒, 对储层的渗透率影响极大, 因此进行油气层保护分析的首要工作是要测定和研究储层中这些矿物的成分及含量, X 射线衍射分析是有效的手段。测定分为全岩和粘土含量两类, 测定方法是把提取的20～30 μm 的砂或泥质颗粒和小于4 μm 的粘土矿物制成定向片, 通过X 射线衍射仪测出衍射峰曲线, 再根据特征峰( d 值) 及其峰的面积, 计算出含量(右表)。

(2) 扫描电镜及图像孔隙分析技术。

扫描电镜分析主要提供下列信息:

① 孔喉大小、形态及其连通情况;

②矿物, 特别是充填于孔隙中的粘土矿物, 其类型、产状、含量及其可能引起的膨胀、迁移堵塞等敏感性伤害的可能性;

③颗粒和接触形态、粒间胶结物及其胶结程度。在矿物鉴定中, 除了根据形态特征鉴定外, 更重要的是要配合X能谱或电子探针从成分上确认, 以避免误鉴。

(3) 岩石薄片鉴定技术。

油层保护岩石薄片鉴定主要观察的内容是:

①孔隙大小、分布、连通性及其成因;

②组成颗粒的成分、大小、接触关系;

③胶结物成分与胶结强度;

④含铁碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐等易引起敏感性变化的矿物;

⑤ 泥质物的含量和微观产状;

⑥沉积相和成岩作用史。根据这些观察, 结合X 射线衍射对岩石矿物成分以及扫描电镜对岩石显微微观特征, 预测颗粒迁移、物理和化学作用及其可能引起的敏感性变化,预测酸化压裂对岩石结构改造或破坏的作用等( 上表 )。1

值得注意的是, 分析资料应与电镜和衍射资料配合解释。例如, 衍射分析测得某储层砂岩含泥质20% , 并以高岭石和伊利石占绝对优势, 但是用电镜观察, 没有太多的粘土矿物。这时就应进行细致的薄片观察, 可能伊利石组成了泥屑颗粒或泥质纹层, 而不是存在于孔隙中。根据衍射测定结果, 储层是高水敏的, 但是结合薄片分析, 这些速敏矿物一般情况下不会影响储层渗透率而伤害油层。又如, 潍北凹陷的昌17 井孔店组一段含油砂岩, 经X 射线衍射和薄片鉴定, 碳酸盐岩含量达18% , 所以决定酸化。后经薄片综合观察, 发现碳酸盐岩含量高是由再沉积的古生界碳酸盐岩岩屑颗粒引起, 与孔隙关系不大,于是现场取消了酸化压裂措施, 节约资金达数十万元。

(4) 压汞法测定毛细管压力曲线

确定孔喉分布特征技术(有岩心样品时进行)。汞对多数岩石来讲是非润湿性的。当在驱动压力作用下, 汞进入抽空的岩石孔喉中会受到毛细管的阻力。当驱动压力等于毛细管压力时, 汞就能克服阻力进入孔隙。汞先进入半径大、阻力小的毛细管, 随着压力的不断增加, 逐渐向半径小的毛细管内充填。根据不同压力下进入孔隙中汞的体积百分数, 就可以得到不同半径的毛细管数, 绘出毛细管压力曲线, 并测出孔喉半径与分布频率以及排驱压力中值。

一般情况下, 入井液中的固相颗粒直径大于孔喉直径的1/ 3 时, 形成外泥饼; 相当于孔喉直径的1/ 3～1/ 10 时, 会侵入孔喉, 形成内泥饼; 小于吼喉直径的1/ 10 时, 颗粒会在孔喉中自由移动。4