儲層的敏感性特征及開發(fā)過程中的變化

1、儲層的敏感性特征及開發(fā)過程中的變化摘要：由于儲層巖石和流體的性質(zhì)，儲層往往存在多種敏感性，即速敏、水敏、鹽敏、酸敏、堿敏、應(yīng)力敏感性和溫度敏感性等七種敏感性。不同的敏感性產(chǎn)生的條件和產(chǎn)生的影響都有各自的特點。本文主要從三個部分研究分析了儲層的敏感性特征。即：粘土礦物的敏感性；儲層敏感性特征；儲層敏感性在開發(fā)過程中的變化。通過這三個方面的研究，希望能給生產(chǎn)實際提供理論依據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)合理的生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：粘土礦物；儲層；敏感性1粘土礦物的敏感性特征隨著對儲層研究進(jìn)一步加深，除了進(jìn)行常規(guī)的空隙結(jié)構(gòu)和空隙度、滲透率、飽和度等的研究外，還必須對儲層巖心進(jìn)行敏感性分析，以確定儲層與入井工作液接觸時，可能產(chǎn)生

2、的潛在危險和對儲層可能造成傷害的程度。由于各種敏感性多來至于砂巖中粘土礦物，因此它們的礦物組成、含量、分布以及在空隙中的產(chǎn)出狀態(tài)等將直接影響儲層的各種敏感性。1.1 粘土含量在粒度分析中粒徑小于5um者皆稱為粘土，其含量即為粘土總含量。當(dāng)粘土礦物含量在1%5%時，則是較好的油氣層，粘土礦物超過10%的一般為較差的油氣層1。1.2 粘土礦物類型粘土礦物的類型較多，常見的有蒙皂石、高嶺石、綠泥石、伊利石以及它們的混層粘土2。粘土礦物的類型和含量與物源、沉積環(huán)境和成巖作用階段有關(guān)。不同類型的粘土礦物對流體的敏感性不同，因此要分別測定不同儲集層出現(xiàn)的粘土礦物類型，以及各類粘土礦物的相對含量。目前多彩采

3、用X射線衍射法分析粘土礦物。常見粘土礦物及其敏感性如表1所示。1.3 粘土礦物的產(chǎn)狀粘土礦物的產(chǎn)狀對儲層內(nèi)油氣運動影響較大，其產(chǎn)狀一般分為散狀（充填式）、薄層狀（襯底狀）和搭橋狀1。在三種粘土礦物類型中，以分散式儲滲條件最好；薄層式次之；搭橋式由于孔喉變窄變小，其儲滲條件最差。除此之外，還有高嶺石疊片狀，伊/蒙混層的絮凝狀等，而且集中粘土礦物的產(chǎn)狀類型也不是單一出現(xiàn)的，有時是以某種類型為主，與其它幾種類型共存。表1 常見粘土礦物極其敏感性分析敏感性礦物潛在敏感性敏感程度產(chǎn)生條件抑制方法蒙脫石水敏速敏酸敏322淡水系統(tǒng)淡水系統(tǒng)、較高流速酸化作業(yè)高鹽度流體、防膨劑酸處理低流速酸敏抑制劑伊利石速敏微

4、孔隙堵塞酸敏221高流速淡水系統(tǒng)HF酸化低流速高鹽度流體、防膨劑酸敏抑制劑高嶺石速敏酸敏32高流速，高PH值壓裂酸化作業(yè)微粒穩(wěn)定劑、低流速酸敏抑制劑綠泥石酸敏水敏速敏221淡水系統(tǒng)高流速酸化作業(yè)高粘度流體、防膨劑低流速酸敏抑制劑混層粘土水敏速敏酸敏221淡水系統(tǒng)高流速酸化作業(yè)高粘度流體、防膨劑低流速酸敏抑制劑含鐵礦物酸敏Fe(OH)3沉淀21高PH值富氧系統(tǒng)酸敏抑制劑除氧劑、除垢劑2儲層敏感性特征常規(guī)儲層的敏感性評價包括速敏、水敏、鹽敏、酸敏這五種評價。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，增加了應(yīng)力敏感和溫度敏感，故目前儲層敏感性評價共七種，其目的在于找出油氣層發(fā)生敏感的條件和由敏感引起的油氣層傷害程度，為各

5、類工作液的設(shè)計、油氣層傷害機(jī)理分析和制定系統(tǒng)的油氣層保護(hù)技術(shù)方案提供科學(xué)的依據(jù)。2.1 儲層速敏性儲層因外來流體流動速度的變化引起地層微粒遷移，堵塞喉道，造成滲透率下降的現(xiàn)象稱為儲層的速敏性3。速敏性研究的目的在于了解儲層的臨界流速及滲透率的變化與儲層中流體流動速度的關(guān)系。2.1.1 速敏礦物與地層微粒速敏礦物是指在儲層內(nèi)，隨流速增大而易于分散遷移的礦物。高嶺石、毛發(fā)狀伊利石以及固結(jié)不緊的微晶石英、長石等，均為速敏性礦物。如高嶺石，常呈書頁狀（假六方晶體的疊加堆積），晶體間結(jié)構(gòu)力較弱，常分布于骨架顆粒間而與顆粒的粘結(jié)不堅固，因而容易脫落、分散，形成粘土微粒。地層內(nèi)部可遷移的微粒包括三種類型：（

6、1）儲層中的粘土礦物，包括速敏性粘土礦物（高嶺石、毛發(fā)狀伊利石等）和水敏性粘土礦物（蒙皂石、伊/蒙混層）等，水敏性礦物在水化膨脹后，受高速流體沖擊即會發(fā)生分散遷。（2）膠結(jié)不堅固的碎屑微粒，如膠結(jié)不緊的微晶石英、長石等，常以微粒運移狀堵塞孔隙喉道；（3）油層酸化處理后被釋放出來的碎屑微粒，如硫酸鹽礦物（石膏、重晶石、天青石）、硫鐵礦、巖鹽等，由于溫度和壓力變化，引起溶解和再沉淀，或入侵濾液與地層流體發(fā)生有機(jī)垢（石蠟、瀝青）和無機(jī)結(jié)垢（CaCO3、FeCO3、BaSO4、SrSO4）而堵塞孔隙喉道。2.1.2 外來流體速度對微粒遷移和孔喉堵塞的影響當(dāng)外來流體的流速過大或存在壓力激烈波動時，與喉道

7、直徑較匹配的微粒開始移動。一方面這部分微?？梢栽诤淼捞幮纬奢^穩(wěn)定“橋堵”，另一方面由于此時流速較大，成“橋”過程中流體對微粒的擊力也較低速時強(qiáng)。因此，導(dǎo)致巖石中的喉道在較短時間大量地被塞，造成多孔介質(zhì)滲透能力驟然減小，此時的流速即為臨界流速。臨界流速所標(biāo)志的并不是微粒運移的開始，而是穩(wěn)定“橋堵”的形成。流速增加將導(dǎo)致巖石滲透率的大幅度降低，其滲透率的傷害可達(dá)原始滲透率的20-50%，甚至超過50%。當(dāng)流速超過一定值時，啟動的微粒粒徑過大，與喉道直徑不匹配，難以形成新的“橋堵”，而隨著流速的進(jìn)一步增加，高速流體沖擊著微粒和“橋堵”，一部分微粒可能被流體帶出巖石，從而使?jié)B透率回升。2.1.3 流體

8、性質(zhì)對速敏性的影響對速敏性有影響的流體性質(zhì)主要為鹽度、pH值以及流體中的分散劑，這些性質(zhì)對水敏性粘土礦物的分散遷移影響較大。低鹽度的流體使水敏性粘土礦物水化、膨脹和分散，它們較低的流速下便會發(fā)生遷移，并可堵塞喉道，從而導(dǎo)致巖臨界流速值減?。煌瑫r，由于水敏性粘土在低鹽度流體中水化膨脹，在高速流體沖擊下易于分散，這樣，不僅釋放更多更細(xì)小的粘土微粒，而且釋放出由粘土礦物作為膠結(jié)的其它礦物顆粒，從而使地層微粒數(shù)量增加，使速敏性增強(qiáng)。分散劑對速敏性的影響與高pH值流體相似。鉆井液濾液是強(qiáng)的粘土分散劑之一，由此引起的粘土分散導(dǎo)致的滲透率害不容忽視。2.1.4 儲層物性對速敏性的影響儲層物性對速敏性也有一定

9、的影響，尤其是喉道的大小、幾形狀對儲集層的傷害尤為明顯。比如大孔粗喉型的砂巖儲集層，喉道是孔隙的縮小部分、孔喉直徑比值接近于1，一般不易造成喉道堵塞，但容易造成出砂。而對于喉道變細(xì)的砂巖儲集層、孔隙喉道直徑差別特別大，喉道多呈片狀、彎片狀或束狀，易形成微粒堵塞喉道。2.2 儲層的水敏性儲層的水敏性是指當(dāng)與地層不配伍的外來流體進(jìn)入地層后，引起粘土礦物水化、膨脹、分散、遷移，從而導(dǎo)致滲透率不同程度地下降的現(xiàn)象4。儲層水敏程度主要取決于儲層內(nèi)粘土礦物的類型及含量。大部分粘土礦物具有不同程度的膨脹性。在常見粘土礦物中，蒙皂石的膨脹能力最強(qiáng)，其次是伊/蒙和綠/蒙混層礦物，而綠泥石膨脹力弱，伊利石很弱，高

10、嶺石則無膨脹性。儲層水敏性與粘土礦物的類型和含量以及流體礦化度有關(guān)。儲層中蒙皂石（尤其是鈉蒙皂石）含量越多及水溶液礦化度愈低，則水敏強(qiáng)度愈大。2.3 儲層的鹽敏性堿敏性是指堿性工作液進(jìn)入儲層后，與儲層巖石或儲層液體接觸，并使儲層滲流能力下降的現(xiàn)象5。當(dāng)不同鹽度的流體流經(jīng)含粘土的儲層時，在開始階段，隨著鹽度的下降，巖樣滲透率變化不大，但當(dāng)鹽度減小至某一臨界值時，隨著鹽度的繼續(xù)下降，滲透率將大幅度減小，此臨界點的鹽度值稱為臨界鹽度6。粘土膨脹過程可分兩個階段：第一階段是由表面水合能引起的，即外表面水化膨脹；第二階段被稱為滲透膨脹階段，即內(nèi)表面水化階段。2.4 儲層的酸敏性酸敏性是指酸液進(jìn)入儲層后與

11、儲層中的酸敏性礦物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生凝膠、沉淀，或釋放出微粒，致使儲層滲透率下降的現(xiàn)象7。酸敏性導(dǎo)致地層損害的形式主要有兩種：一是產(chǎn)生化學(xué)沉淀或凝膠，二是破壞巖石原有結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生或加劇速敏性。酸敏性礦物是指儲層中與酸液發(fā)生化學(xué)沉淀或酸化后釋放出微粒引起滲透率下降的礦物。一般地，酸化處理中，多用鹽酸處理碳酸鹽巖油層和含碳酸鹽膠結(jié)物較多的砂巖油層，用土酸（鹽酸和氫氟酸的混合物）處理砂巖油層（適用于碳酸鹽含量較低、泥質(zhì)含量較高的砂巖油層）。所以酸化過程中的酸液包括鹽酸（HCl）和氫氟酸（HF）兩類。2.5 儲層的堿敏性堿敏性是指具有堿性（pH值大于7）工作液進(jìn)入儲層后，與儲層巖石或儲層流體接觸而發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)

12、生沉淀，并使儲層滲流能力下降的現(xiàn)象8。堿性工作液通常為pH值大于7的鉆井液或完井液，以及化學(xué)驅(qū)中使用的堿性水。這些流體進(jìn)入儲層，使其產(chǎn)生堿敏性的機(jī)理主要為：粘土礦物在堿性工作液中發(fā)生離子交換，成為較易水化的型粘土，使粘土礦物的水化膨脹加劇，導(dǎo)致水敏性。堿性工作液還會與儲層礦物發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)，與堿的反應(yīng)活性從高到低依次為：高嶺石、石膏、蒙皂土、伊利石、白云石和沸石，而長石，綠泥石和細(xì)石英砂的反應(yīng)活性中等。堿與礦物反應(yīng)的結(jié)果不僅導(dǎo)致陽離子交換，甚至有可能生成新的礦物。這些新生礦物沉積在儲層中，導(dǎo)致起滲透率損害。由于堿性工作液與儲層礦物或儲層流體不配伍，破壞了儲層原有的離子平衡，產(chǎn)生堿垢，降

13、低儲層的滲透率。高pH值環(huán)境使礦物表面雙電層斥力增加，部分與巖石基質(zhì)未膠結(jié)的或膠結(jié)不好的地層微粒，將隨堿性工作液運移，并在喉道處“架橋”，堵塞孔喉。2.6 儲層應(yīng)力敏感性在油田開發(fā)過程中，空隙壓力的改變、油氣滲流或開采工藝導(dǎo)致儲層地應(yīng)力發(fā)生改變，而應(yīng)力場的改變反過來影響儲層巖石的空隙度和滲透率，并影響油氣在空隙或裂縫中的流動，導(dǎo)致儲集層滲透率、孔隙度降低的現(xiàn)象為應(yīng)力敏感性8。在不同的儲層中，滲透率的應(yīng)力敏感程度差異較大，影響儲層滲透率應(yīng)力敏感性的主要因素如表2所示。表2 壓力敏感性及其作用效果影響因素作用效果儲層滲透率初始滲透率越小，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)儲層巖石類型巖石硬度越小，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)膠結(jié)類

14、型和程度膠結(jié)程度越低，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)流體飽和度含流體飽和度越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)泥質(zhì)和雜質(zhì)含量泥質(zhì)和雜質(zhì)含量越大，應(yīng)力敏感性越強(qiáng)壓力敏感性的影響因素包括儲層原始滲透率；儲層巖石的孔道類型；儲層巖石顆粒的分選性和磨圓度；儲層巖石泥質(zhì)含量；儲層含水飽和度（特指氣層）；碎屑顆粒成分的相對含量。2.7 儲層溫度敏感性由于外來流體進(jìn)入底層引起溫度下降從而導(dǎo)致地層滲透率發(fā)生變化的現(xiàn)象。溫度敏感性的目的是研究溫度敏感引起的地層傷害程度，為合理開發(fā)和保護(hù)油氣層提供幫助。3儲層敏感性在開發(fā)過程中的變化由于儲層巖石物性和流體性質(zhì)的多樣性，油氣田開發(fā)過程中采用的各種工藝措施，都將給儲層帶來很多的敏感性傷害。3.1 鉆

15、井過程的儲層敏感性損害常規(guī)鉆井大多使用水基鉆井液，在鉆井過程中一般情況泥漿柱壓力大于或略大于地層壓力，泥漿濾液侵入現(xiàn)象必然存在，而且壓差越大侵入越嚴(yán)重，浸泡時間越長侵入越嚴(yán)重。對于強(qiáng)水敏性儲層，必然會產(chǎn)生嚴(yán)重的水敏性傷害10。強(qiáng)水敏性地層的黏土水化膨脹、分散、運移，易造成儲層孔道堵塞等水敏性傷害，因而必須提高鉆井液的抑制性和封堵性。因此，選取正確的鉆井液，對鉆井液與地層巖石和流體進(jìn)行適應(yīng)性評價尤為重要。例如納米乳液暫堵鉆井液具有低濾失量、強(qiáng)抑制性和防塌能力、滲透率恢復(fù)率高的良好特征，在巖心外部和內(nèi)部形成了較好的泥餅，能有效抑制黏土水化膨脹和分散，起到有效的屏蔽暫堵作用。3.2 酸化改造的儲層敏

16、感性損害酸化技術(shù)是油層改造常用的技術(shù)之一，其通過酸液溶蝕巖石孔隙中的堵塞物或基巖本身的某些礦物成份，從而改善巖石內(nèi)部孔道的連通性，解除地層污染，恢復(fù)和提高地層的滲透率，從而達(dá)到增產(chǎn)增注的目的。但有些砂巖儲層的空隙填充的粘土礦物含有大量的綠泥石、蒙脫石等酸敏性礦物，其化學(xué)性質(zhì)活躍，在常規(guī)土酸酸化過程中溶解，形成絮凝物或沉淀，導(dǎo)致嚴(yán)重的儲層傷害，降低酸化效果。因此，對該儲層進(jìn)行酸化適應(yīng)性研究和選擇正確的酸化施工工藝，可以有效的減小酸化引起的敏感性傷害11。3.3 壓裂改造的儲層敏感性傷害壓裂是指采油或采氣過程中，利用水力作用，使儲層形成裂縫，增加儲層的孔隙度和滲透率的一種方法，又稱水力壓裂。雖然壓

17、裂能改善儲層性質(zhì)，但是也可能出現(xiàn)一些儲層傷害現(xiàn)象。如壓裂也注入儲層時流速都很高，這往往會造成速敏性傷害。儲層微粒和支撐劑隨著壓裂液一起高速流動，可能會堵塞原始的儲層孔隙，形成“死胡同”，使壓裂通道控制的儲層空間大大減小。當(dāng)使用水基壓裂液時，會對水敏性儲層造成嚴(yán)重的水敏性傷害，使儲層物性變差，起不到增產(chǎn)改造效果。壓裂液的溫度一般都低于儲層流體溫度，較大的溫差可能改變儲層的物性，造成溫度敏感性傷害，降低儲層的滲透力。3.4 開采過程中的敏感性傷害隨著油氣的不斷采出，儲層性質(zhì)會發(fā)生一系列的變化，這個過程中可能會發(fā)生水敏、速敏和應(yīng)力敏感性現(xiàn)象等。隨著開采時間的增加，剩余油飽和度不斷下降，含水飽和度不斷

18、升高。原來含油氣空間與地層水接觸，產(chǎn)生水敏性傷害，把一些未來得及被水軀替的微小油氣單元鎖死在孔隙中，降低了油氣的最終采收率。生產(chǎn)初期，隨著井筒附近的油氣采出，生產(chǎn)壓差不斷增大，使得孔隙中的微小顆粒隨著流體一起運動是卡死在喉道中，發(fā)生速敏現(xiàn)象，降低了儲層的滲透率。隨著油氣的不斷采出，儲層的內(nèi)壓下降，在上覆巖層壓力的作用下，發(fā)生應(yīng)力敏感性現(xiàn)象，使儲層中的一些裂縫性孔隙被壓合，降低了儲層的滲透率12。3.5 注水開采中的敏感性傷害隨著地層壓力的下降，井的產(chǎn)量也隨之下降。為了維持井的正常生產(chǎn)，通常最經(jīng)濟(jì)有效的辦法就是注水開發(fā)。隨著外來水侵入儲層，將對敏感性儲層造成相應(yīng)的傷害13。外來流體與儲層物性不配伍，使其發(fā)生物理膨脹或產(chǎn)生化學(xué)沉淀，堵塞喉道，造成水敏性傷害。當(dāng)注入水流速大于臨界流速時，使儲層中的速敏性礦物運移，堵塞一些小孔喉，造成滲透率下降。注入水的溫度一般都低于儲層流體溫度，較大的溫差可能改變儲層的物性，造成溫度敏感性傷害，降低儲層的滲透率。4結(jié)論綜合不同儲層的巖石性質(zhì)和流體性質(zhì)，儲層敏感性包括速敏、水敏、鹽敏、酸敏、堿敏、應(yīng)力敏感性和溫度敏感性等七種敏感性。研究儲層巖石和流體的敏感性，分析儲層敏感性在開發(fā)中的變化，非常重要。這可以給我們制定合理的開發(fā)方案、保護(hù)油氣層、改善油氣層滲透率等提供依據(jù)，從而提高油氣藏的最終采收率，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。9參