油气层损害机理.ppt

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1、油气层损害机理,第一节 概述,第三节 外因作用下引起的油气层损害,第二节 油气层潜在损害因素,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,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。,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

2、、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。,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；,外来流体与地层流体间的不配伍造成：,外来流体与储集层岩石的相互作用造成：,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层的危害性大小按序排列

3、，分出主次，并找出主要因素。,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;,储集层主要类型：砂岩（或碎屑岩）储集层和碳酸岩储集层。这两大类储集层的储集空间各不相同，,储集层的主要特征：储集层岩石骨架颗粒和填隙物等岩矿组织结构、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。,粒间孔隙型储集层砂岩油气藏裂缝孔隙储集层碳酸盐岩油气藏（双重介质）,按储集空间特点可分,裂缝性储集层页岩、变质岩、火成岩、致密砂岩油气藏，开发难度大，成本高。,第二节 油气层潜在损害因素,一

4、、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。杂基和胶结物又可合称为填隙物。他们直接决定了储集层岩石的基本特征。,1)碎屑颗粒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。,2)填隙物（杂基和胶结物）填隙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。,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。细粉砂质的粒径一般小于0.003mm，粘土物质的粒径一般小于0.004mm，具有很大的表面积。是储集层敏感性的内

5、在因素。,杂基(或基质):,是对骨架颗粒起胶结作用的化学沉淀物。胶结物是指孔隙内各种化学沉淀的结晶或非晶质的自生矿物。这些自生矿物形成于骨架颗粒之间的孔隙中，无论是以充填、衬垫或是以桥接的方式分布于孔隙中，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。因此，它们是增加储集层敏感性极为重要的内在因素。,胶结物：,胶结类型,基底胶结：,孔、渗性能极差，高束缚水含量。储油气空间多是填隙物中的微孔隙和微裂缝。要特别注意压裂液的配伍性。,孔隙胶结：,填隙物是直接影响油气运移的敏感性矿物。应作充分的认识和敏感性评估。,接触胶结：,填隙物更少，只有在颗粒接触处才出现。孔渗性

6、能很好。,2.储层孔喉类型与油气层损害的关系,孔喉特征与油气层损害的关系,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；,3.储层岩石孔隙结构参数与油气层损害的关系,4.孔隙度和渗透率与油气层损害的关系,对于一个渗透性很好的油气层来说，可以推断它的孔喉较大或较均匀，连通性好，胶结物含量低，这样它受固相侵入损害的可能性较大,对于一个低渗透

7、性油气层来说，可以推断它的孔喉小或连通性差，胶结物含量较高，这样它容易受到粘土水化膨胀、分散运移及水锁和贾敏损害,孔隙度和渗透率是从宏观上表述储层孔隙结构特征的基本参数。渗透率是孔隙大小、孔隙均匀性和连通性的共同体现。,二.储层敏感性矿物与油气层损害的关系,是指储集层中与流体接触易发生物理、化学和物理化学反应并导致渗透率大幅度下降的一类矿物。敏感性矿物是评估储集层对流体敏感性而采用的名词。,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

8、类型和程度取决于敏感性矿物的种类、含量和分布状态。,2.敏感性矿物特点,1.敏感性矿物的定义,3.敏感性矿物种类,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。,(1)水敏和盐敏（性）矿物,水敏性矿物的水化膨胀过程,矿化度降低,层间吸附的阳离子数量减小,层间静电斥力增加、层间距加大,水进入层间进一步使层间距增加,从层间分开成为自由的片状颗粒,胶体体系的稳定性,电离作用吸附作用离子溶解作用晶格取代摩擦带电,a.胶体粒子带电的原因,电离作用,吸附作用,离子溶解作用,b.胶体粒子稳定

9、的原因,吸引能(EA)分子间吸引力(范氏引力)胶体表面扩散双电层斥力 电位(E)胶体粒子间的总作用能(Er),图2 双电层模型,聚合物和表面活性剂的稳定作用,絮凝处理的原理及影响因素,a.絮凝机理,压缩双电层机理:加入高价反离子，会减小水化膜的厚度,降低电位，增大粒子间的吸引力，胶体粒子得以并聚。吸附电中和机理:吸附架桥机理:链状高分子化合物在胶体粒子间发生吸附而形成桥联，分子链通过运动、旋转等，使胶体粒子逐渐变大，最终形成絮体。沉淀网捕机理:,吸附架桥原理,b.影响絮凝效果的主要因素,水温；水的pH值；水的浊度；搅拌状况；絮凝药剂性质(种类、加量、加入顺序)；处理工艺等。,含油污水水质分析选

10、择加药的种类与加量加药顺序充分混合(管道混合器)；足够的反应时间(反应罐)；停留时间(沉降罐或气浮设备)；过滤状况等(过滤器等)。,c.絮凝处理的一般方法,有机絮凝剂,d.絮凝剂的种类,阴离子型高分子絮凝剂阳离子型高分子絮凝剂非离子型高分子絮凝剂,无机絮凝剂,复合型无机絮凝剂：主要有聚合氯化铝铁(PAFC)、聚氯硫酸铁(PFCS)、聚合硅酸硫酸铝、聚硅 氯化铝（PASC）等多种类型。,聚合型絮凝剂：主要有聚合氯化铝(PAC)及聚合硫酸铁（PFS),无机盐类混凝剂：铝盐(硫酸铝、明矾等)和铁盐。,处理前原水 处理后水 蒸馏水 中原油田文一污水站含油污水处理效果对比图(2002年),榆林天然气处理

11、厂高含醇、含铁、含油污水,预处理前 预处理前加热 预处理后加热,氢氧化钠对高含铁、含醇、含油污水预处理的影响（氢氧化钠加入前后对比）,加药顺序对榆林天然气处理厂含醇污水预处理效果的影响(先加碱后加双氧水),加药顺序对榆林天然气处理厂含醇污水预处理效果的影响(先加双氧水后加碱),榆林天然气处理厂高含醇、含铁、含油污水絮凝沉降过程（1.0小时）,榆林天然气处理厂高含醇、含铁、含油污水絮凝沉降过程（5分钟）,延长油矿清污混合污水(处理前外观),延长油矿清污混合污水(处理后外观),延长油矿清污混合污水(絮凝过程),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+、Ca

12、2+、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)；,酸化过程中岩石的溶解反应,a.盐酸与岩石的反应：,(2)酸敏性矿物,是指储集层中与酸液作用产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。,b.土酸与岩石的反应,当pH=2时，Fe3+开始生成Fe(OH)3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。,造成储层酸敏性的原因,a.铁的氢氧化物沉淀,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

13、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。,当pH在27之间,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,Al 3+3OH-Al(OH)3,c.氟化物的沉淀：,当残酸pH值上升到34时，开始生成Al(OH)3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。,d.氟硅酸盐与氟铝酸盐沉淀,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，并水解生成正硅酸：,e.硅酸

14、凝胶的生成,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。,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。,f.酸化释放出的矿物微粒引起的损害,(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。,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+，使粘土表面负电荷增加，使晶层间

15、斥力增大，使粘土更易水化膨胀和分散运移。,粘土矿物在碱性溶液中易于分散而造成损害,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：,

16、粘土矿物平行于骨架颗粒排列，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,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。,（2）栉(zhi)壳式,栉壳式产状,(3)桥接式,(4)孔隙充填式,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。,粘土充填在骨架颗粒之间的孔隙中，呈分散状，粘土

17、粒间微孔隙发育。以高岭石、绿泥石为主呈这种产状，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,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。,5.敏感性矿物的含量与损害程度的关系,三、油气层岩石的润湿性与储层伤害的关系,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,润湿性的定义：,四、油气层流体性质与油气层损害的关系,1.地层水性质,当油气层压力和温度降低或人侵流体与地层水不配伍时，会生成CaCO3、CaSO4、Ca

18、(OH)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。,包括矿化度、离子种类和含量、pH和水型等。,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

19、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:,

20、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；,颗粒一般在近井地带造成较严重的损害；,损害特点：,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,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；,定义：,水敏性矿物含量及

21、存在状态均相似时，高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。,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；,碱敏性损害,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。,定义：,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

22、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。,表4-2 碱敏性评价结果(塔里木东河塘),注：K表示pH值为7的渗透率与其它pH值的渗透率之差,酸敏性损害,油气层酸化处理后释放大量微粒，矿物溶解释放出的离子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,定义：,岩石由水润湿变成油润湿引起的损害,水润湿变成油润湿的后果有：油由原来占据孔隙中间部分变成占据小孔隙角隅或吸附颗粒表面，大大地减少了油的流道；使毛管力由

23、原来的驱油动力变成驱油阻力，使Ko下降15%85%。,pH值聚合物处理剂无机阳离子温度,影响因素有:,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,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

24、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：

25、,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,影响微粒运移并引起堵塞的因素有:,颗粒级配和颗粒浓度,孔壁粗糙,流体流速(生产压差),流速方向不同,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。,表4-3 有效应力

26、与渗透率之间关系,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，可能引起无机垢和有机垢沉淀.,T，CaCO3、CaSO4溶解度，SrSO4、BaSO4溶解度。,3.生产或作业时间对油气层损害的影响,生产或作业时间延长，油气层损害的程度增加,影响损

27、害的深度,1.气层压力敏感性,气层应力敏感性就是在开采过程中，由于储层上覆地层岩石压力固定，随着天然气的采出，储层的孔隙压力必然下降，这样，上覆岩石压力与储层孔隙压力之间就产生一个更大的正压差，这一压差破坏了储层岩石的原有压力平衡，使储层岩石受到压缩，而使其孔隙度减小和渗透性降低。,三、气藏特殊损害,2.气层流速敏感性,在气田的开采过程中，气体流动与液体流动一样，在流速过大的情况下，由于气体的流动对储层岩石的冲蚀作用强，会使储层中的微粒发生运移，微粒运移到孔喉处也可能产生堵塞，造成储层渗透率降低。,3.气层水侵损害,对于矿化度较低的水来说，气层水侵损害可能主要由毛管压力产生的水锁损害所引起;而对于矿化度很高的水而言，当这种水侵入气层后，一部分小孔道中的侵入水可能因不能被返排出来，而引起储层水锁损害，另外一种就是结盐损害。,4.气层油侵损害,对于凝析气藏，在开采过程中，凝析气在流入井眼时，由于温度和压力的改变，可能会有凝析油析出，产生凝析油损害。对于注气开采的气层，压缩机中的机油随注入气进入储层，并在气层中积累，也可能严重降低气层的渗透率。,作 业,1.什么是油气层潜在损害因素?包含那些因素？详细叙述他们与储层伤害的关系。2.什么是油气层损害的外因?包含那些因素？外因与内因相互作用后会产生那些类型的储层伤害？并分别描述其伤害特点。,