储层地质学.docx
《储层地质学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《储层地质学.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
储层地质学
第八章储层敏感性
油气储层中普通存在着粘土和碳酸盐等矿物。
在油田勘探开发过程中的各个施工环节——钻井、固井、完井、射孔、修井、注水、酸化、压裂直到三次采油过程，储层都会与外来流体以及它所携带的固体微粒接触。
如果外来流体与储层矿物和流体不匹配，会发生各种物理化学作用，导致储层渗流能力下降，从而在不同程度上损害了油气储层的生产能力，甚至不能发现或产出油气。
油气储层与外来流体发生各种物理或化学作用而使储层孔隙结构和渗透性发生变化的性质，即称为储层的敏感性。
这是广义的储层敏感性的概念。
储层与不匹配的外来流体作用后，储层渗透性往往会变差，会不同程度地损害油层，从而导致产能损失或产量下降。
因此，人们又将储层对于各种类型地层损害的敏感性程度，称为储层敏感性。
为了保护油气储层，充分发挥其潜力，必须充分认识储层，了解储层敏感性机理，进行各种敏感性评价。
第一节储层损害的原因与类型
几乎所有井的油层都会受到不同程度的损害。
储层损害的类型很多，专家学者从不同的角度对储层损害的类型作了不同方式的归纳（Basan,1985；keysey,1986；Amaefule等，1988；Alegve,1989；张绍槐等，1993）。
储层伤害的内因是储层本身的岩石性质、孔隙结构及流体性质，它是储层本身的固有特性，是储层伤害的客观条件和潜在可能性。
储层伤害的外因是各种工作液的固相和液相性质以及井下作业造成的压差、温度、作用时间等，它是破坏储层原始物理的、化学的、热动力学和水动力学平衡状态的因素。
储层内因和外因的综合作用便导致了储层的损害。
根据储层损害的原因，可将储层损害分为以下四种因素十种类型（表8—1）。
一、外来颗粒的侵入
外来流体携带的颗粒进入储层后可能导致储层伤害，包括二种损害类型，其一为外来固相颗粒的侵入和堵塞，其二为外来微粒的侵入和堵塞。
1.外来固相颗粒的侵入和堵塞
钻井液、完井液等各种工作液以及压井流体和注入流体往往含有二种固相颗粒：
一类是为保持工作液密度、粘度和流变性等而添加的有用颗粒及排堵剂、暂堵剂等，另一类是有害颗粒及杂质甚至岩屑、砂子等固相物质及固相污染物质。
由于井眼液柱压力和地层压力间不平衡，这些外来固相物质就从裸露的井壁壁面、射孔孔道及裂缝处侵入储层，甚至堵塞孔隙和裂缝。
外来固相颗粒的侵入与储集层本身的孔缝大小特别是孔喉特征有关。
外来固相颗粒侵入储集层主要是在泥饼尚未形成之前，其侵入深度可达10cm，侵入的深度越深，对地层的损害越大。
理论研究和生产实践表明：
对低孔低渗砂岩储层来说，外来固相颗粒侵入浅且数量少，相对于滤液侵入造成的损害来说，可能不是主要的危害。
对中、高孔隙度和渗透率的砂岩储层来说，外来固相颗粒侵入储集层的深度较大，所造成的危害性则相对较大。
对缝洞型碳酸盐岩储层来说，外来固相颗粒的侵入则更容易，损害也更为严重。
如果储集层段发生井漏，在堵漏和压井等作业中，往往造成严重损害。
2.外来微粒的侵入和堵塞
作业过程中工作液的滤液和注入流体可侵入地层较深处，其中所携带的微粒（粘土、有机化合物）则可导致地层孔隙喉道的堵塞。
钻井工作液滤液的侵入深度比固相颗粒侵入深度大，其深度可达2～6m，因此对地层造成的影响更大。
影响滤液侵入深度的因素有压差、浸泡时间、泥饼质量、失水速度和地层渗透率。
注入流体，如注水开发过程中的注入水，侵入深度很大，如果其中含有杂质（微粒），则杂质可随着流体进入地层深处，堵塞孔隙喉道，从而降低储层渗透率，使储层发生损害。
表8-1储层损害的原因与类型
原因
类型
外来颗粒的侵入和堵塞
外来固相颗粒的侵入和堵塞
外来微粒的侵入和堵塞
外来流体与岩石的相互作用
粒土矿物的水化膨胀
地层内部微粒迁移
酸化过程中的化学沉淀
外来流本与储层流体的不配伍性
乳化堵塞
无机结垢
有机结垢
铁锈与腐蚀产物的堵塞
微生物作用
细菌堵塞
二、外来流体与岩石的相互作用
外来流体与储层岩石的相互作用是储层损害最重要的原因。
包括以下三种类型。
1.粘土矿物的膨胀
不匹配的外来流体进入储层后，使储层中的粘土矿物发生变化，即水化、膨胀，甚至堵塞孔隙喉道，降低储层的渗透率，造成储层伤害，这就是储层的水敏性。
易发生水敏的矿物主要为蒙脱石、伊/蒙混层矿物等。
2.地层内部微粒的迁移
由于外来流体的流速过大或压力波动过大，促使储层内部的微粒发生迁移，堵塞孔隙喉道，从而造成渗透率下降，这就是储层的速敏性。
而发生速敏的矿物主要为高岭石、伊利石、微小的碳酸盐矿物等。
3.酸化过程造成的化学沉淀
在酸化增产措施中，由于配方不合适或措施不恰当，酸化液进入地层后与酸敏性矿物发生反应并产生沉淀或释放出颗粒，使储层渗透率下降，这就是储层的酸敏性。
如盐酸与含铁矿物（铁绿泥石、铁方解石等）发生反应后易形成氢氧化铁凝胶沉淀；氢氟酸与方解石等含钙矿物发生反应形成氟化钙沉淀等。
三、外来流体与地层流体的不配伍性
如果进入储层中的外来流体与地层流体之间的配伍性不好，在储层条件下，就会引起有害的化学反应，形成乳化物、有机结垢、无机结垢和某些化学沉淀物，从而导致地层损害。
1.乳化堵塞
油田不同作业过程中经常使用的许多化学添加剂，可能与地层流体之间发生有害化学反应，从而改变了油水界面张力和导致润湿性的转变。
这种变化会降低油气在近井壁附近侵入带的有效渗透率，同时可能造成外来油相与地层水之间的混合或外来水相流体与地层中的油相混形成油或水作为外相的乳化物（即油包水、水包油的乳化物和乳化液）。
比孔喉尺寸大的
乳化液滴可能堵塞喉道、增加粘度、降低碳氢化合物的有效流动能力，损害产层产能。
2.无机结垢堵塞
无机结垢，如硫酸钙、硫酸锶、硫酸钡和碳酸铁是最普遍但并不容易发现的井下堵塞之一。
无机结垢可以发生在井筒内，也可以发生在地层孔隙中。
因此，应避免含Ba、Ca、Sr的流体与含的流体相接触，一旦结垢，处理起来很复杂。
对于溶解性差的结垢，如硫酸钡等，用现行的办法几乎是不可能处理的。
3.有机结垢堵塞
主要是石蜡的析出及堵塞。
油藏中的石油以及其中的石蜡和沥青成分是处于一种平衡状态的。
这一平衡状态在油井开采过程中可能被破坏。
pH值很高的滤液侵入井眼附近的油层会导致沥青从原油中沉淀出来；若注入流体的温度大大低于油层温度时，石蜡就会从原油中沉淀出来，从而导致地层损害。
4.铁锈与腐蚀产物的堵塞
在一般的注水系统中，铁的锈蚀产物和其它腐蚀产物也会堵塞储层。
堵塞的严重程度取决于腐蚀产物的数量、性质以及侵入地层的深度。
所形成的腐蚀产物视腐蚀过程和液体的环境特性有所不同。
在溶有H2S的条件下，溶解的氧生成氢氧化铁之类的产物；在含H2S的水中，当pH值接近7时，形成硫化铁沉淀，当水中有CO2时，还会形成另一种堵塞腐蚀产物，即碳酸铁。
四、微生物作用主要是细菌堵塞。
在向储集层中注入外来流体（主要是注水）以及下入管柱作业时，往往把细菌和空气带入井中和地层中。
带入井内和地层中的细菌属于好氧菌或称为好气性微生物，它们需要氧气或空气才得以生存和繁殖；而在地层内部往往存在有厌氧菌及硫酸盐还原菌，为嫌气性微生物，不需要氧气就能生存而繁殖，甚至可以吐放氧气。
这样，在地层中的好气性微生物和嫌气性微生物就能够相互依存形成代谢产物的繁殖，从而聚集产生累积沉淀，并导致地层堵塞，影响产能。
表8—2综述了在建井及油藏开采不同阶段（如钻井、固井、修井、压裂酸化、钻杆测试、一次采油及注液开采阶段）储层损害严重性的相对大小。
表8—2建井—油藏开采阶段储层损害严重性的相对大小（据Amaefule等，略修改）
储层损害类型
钻井固井
完井
修井
压裂酸化
钻杆测试
一次采油
注液开采
外来颗粒堵塞
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡
﹡﹡﹡
－
﹡
－
－
微粒迁移（速敏）
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡
粘土膨胀（水敏）
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡
﹡﹡﹡
－
－
－
﹡﹡
乳化堵塞/水锁
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
﹡
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
有机结垢
﹡
﹡
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
－
﹡﹡﹡﹡
－
无机结垢
﹡﹡
﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
﹡
－
﹡﹡﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
次生矿物沉淀
－
－
－
－
﹡﹡﹡﹡
－
﹡﹡﹡
细菌堵塞
﹡﹡
﹡﹡
﹡﹡
－
－
﹡﹡
﹡﹡﹡﹡
出砂
－
﹡﹡﹡
﹡
﹡﹡﹡﹡
－
﹡﹡﹡
﹡﹡
注：
﹡表示该类损害程度，越多，表明损害越严重。
第二节储层敏感性机理
从储层损害的原因和类型来看，储层的敏感性主要表现在外来流体与岩石的相互作用方面，以及由此导致的储层的水敏性、盐敏性、速敏性、酸敏性和碱敏性。
一、储层的水敏性
在储层条件下，粘土矿物通过阳离子交换作用可与任何天然储层流体达到平衡。
但是，在钻井或注水开采过程中，外来液体会改变孔隙流体的性质并破坏平衡。
当外来液体的矿化度低（如注淡水）时，可膨胀的粘土便发生水化、膨胀，并进一步分散、脱落并迁移，从而减小甚至堵塞孔隙喉道，使渗透率降低，造成储层损害。
储层的水敏性是指当与地层不配伍的外来流体进入地层后，引起粘土矿物水化、膨胀、分散、迁移，从而导致渗透率不同程度地下降的现象。
储层水敏程度一方面取决于储层内粘土矿物的类型及含量，另一方面取决于外来流体的矿化度。
1.粘土矿物的膨胀性
大部分粘土矿物具有不同程度的膨胀性。
在常见粘土矿物中，蒙脱石的膨胀能力最强，其次是伊/蒙和绿/蒙混层矿物，而绿泥石膨胀力弱，伊利石很弱，高岭石则无膨胀性（表8-3）。
粘土矿物的膨胀有两种情况：
一种是层间水化膨胀（内表面水化），它是由于液体中阳离子交换和层间内表面电特性作用的结果，水分子易于进入可扩张晶格的粘土单元层之间，从而发生膨胀；另一种是外表面水化膨胀，当粘土矿物表面表生水化，形成水膜（一般为四个水分子层左右），使粘土矿物发生膨胀，而且比表面越大，膨胀性愈强。
粘土矿物为层状硅酸盐，其膨胀性取决于晶体结构特征。
层间电荷为零的电中性层和层间无阳离子的层状结构，一般不膨胀，如高岭石，其为1:
1型层状结构，由一个四面体片和一个八面体片组成，层间缺乏阳离子，阳离子交换能力弱，层间膨胀非常弱，只靠外表面水化撑开晶层，且高岭石比表面又较低，故高岭石几无膨胀性。
伊利石、蒙脱石、绿泥石矿物属2:
1型结构，由二个四面体片和一个八面体片组成。
伊利石虽具有较大的层电荷，并且层间具有较强的静电吸引力，但为钾离子所补偿。
在加入水时，层间钾离子并不发生交换作用，故层间不发生水化膨胀，因此，伊利石只发生外表面水化，其阳离子交换量与膨胀率均小于蒙脱石。
而在蒙脱石的层状结构中，具有离子半径小的Ca2+和Na+，这些阳离子的水化和溶解都会引起晶体膨胀。
蒙脱石的膨胀特性，还取决于复合层阳离子的种类。
钠蒙脱石比钙蒙脱石的膨胀性强，当有淡水注入时，钙蒙脱石略显膨胀，而含钠高的蒙脱石可膨胀至原体积的6倍至10倍。
但当蒙脱石层间有K+离子时，在水中不具有膨胀性，原因是钾离子的大小正好填满蒙脱石复合层的间隙，这与伊利石的情况相同。
表8-3常见粘土矿物的主要性质
特征
矿物
阳离子交换
[mg（当量）/100g]
膨胀性
比表面
（m2/cm3）
相对溶解度
盐酸
氢氟酸
高岭石
3～15
无
8.8
轻微
轻微
伊利石
10～40
很弱
39.6
轻微
轻微至中等
蒙脱石
76～150
强
34.9
轻微
中等
绿泥石
0～40
弱
14
高
高
伊/蒙混层
较强
39.6～34.9
变化
变化
2.外来流体性质与临界盐度
当外来流体为高浓度盐水时，粘土矿物（包括蒙脱石在内）均不膨胀或膨胀性很弱；而当外来流体为淡水时，粘土矿
升级会员 