油气层保护-敏感性分析

油气储层地质学基础BasisofHydrocarbonReservoirGeology于兴河教授博士生导师中国地质大学（北京）能源学院石油教研室Tel:82320109或82321857(O)Email:[e-mail]5,2009第八章储层敏感性分析BillYu第一节储层敏感性机理第二节储层敏感性评价第三节开发过程中储层性质的动态变化March5,20092第一节储层敏感性机BillYuz储层损害是由储集层内部潜在损害因素及外部条件共同作用的结果。z内部潜在损害因素主要指储集层的岩性、物性、孔隙结构、敏感性极流体性质等储集层固有的特征。z外部条件主要指的是在施工作业过程中引起储层孔隙结构及物性的变化，使储集层受到损害的各种外界因素。z一般而言，储集层的敏感性是由储层岩石中含有的敏感性矿物所引起的。敏感性矿物是指储集层中与流体接触易发生物理、化学或物理化学反应并导致渗透率大幅下降的一类矿物。z常见的敏感性矿物可分为水敏性矿物、酸敏性矿物、碱敏性矿物、盐敏性矿物及速敏性矿物等（表8-1），与之相对应的是层的五敏（表8-2）。March5,20093第一节储层敏感性机表8-1可能损害地层的几类敏感性矿物（据张绍槐，罗平亚，1990BillYuMarch5,20094第一节储层敏感性机表8-2储层的五敏性含义流速增加引起渗透率下降造成地层的损害与地层不配伍的流体使地层中粘土矿物变化引起的地层损害储层在盐液作用下渗透率下降造成地层损伤酸液与地层酸敏矿物反应产生沉淀使渗透率下降碱液在地层中反应产生沉淀使渗透率下降BillYu储层五敏速敏性水敏性盐敏性酸敏性碱敏性形成因素粘结不牢固的速敏矿物在高流速下分散、运移而堵塞孔隙和喉道流体使地层中蒙皂石等水敏性矿物发生膨胀、分散而导致孔隙和喉道的堵塞盐液进入地层引起盐敏性粘土矿物的膨胀而堵塞孔隙和喉道盐酸或氢氟酸与含铁高或含钙高的矿物反应生成沉淀而堵塞孔隙引起渗透率降低地层矿物与碱液发生离子交换形成水敏性矿物或直接生成沉淀物质堵塞孔隙March5,20095第一节储层敏感性机一、储层的速敏性BillYuz储层因外来流体流动速度的变化引起地层微粒迁移，堵塞喉道，造成渗透率下降的现象称为储层的速敏性。z速敏性研究的目的在于了解储层的临界流速及渗透率的变化与储层中流体流动速度的关系。(一）速敏矿物与地层微粒速敏矿物是指在储层内，随流速增大而易于分散迁移的矿物。高岭石、毛发状伊利石以及固结不紧的微晶石英、长石等，均为速敏性矿物。如高岭石，常呈书页状（假六方晶体的叠加堆积），晶体间结构力较弱，常分布于骨架颗粒间而与颗粒的粘结不坚固，因而容易脱落、分散，形成粘土微粒。March5,20096第一节储层敏感性机¾地层内部可迁移的微粒包括三种类型：BillYu1、储层中的粘土矿物，包括速敏性粘土矿物（高岭石、毛发状伊利石等）和水敏性粘土矿物（蒙皂石、伊/蒙混层）等，水敏性矿物在水化膨胀后，受高速流体冲击即会发生分散迁2、胶结不坚固的碎屑微粒，如胶结不紧的微晶石英、长石等，常以微粒运移状堵塞孔隙喉道；3、油层酸化处理后被释放出来的碎屑微粒，如硫酸盐矿物（石膏、重晶石、天青石）、硫铁矿、岩盐等，由于温度和压力变化，引起溶解和再沉淀，或入侵滤液与地层流体发生有机垢（石蜡、沥青）和无机结垢（CaCO3、FeCO3、BaSO4、SrSO4）而堵塞孔隙喉道。March5,20097第一节储层敏感性机(二）外来流体速度对微粒迁移和孔喉堵塞的影¾地层微粒堵塞孔喉通常存在三种形式：1、细粒物质在喉道处平缓地沉积（SmoothDeposition）；BillYu2、微粒在喉道产生桥堵（PoreBridging），堵塞流动通道；3、较大颗粒恰好嵌入喉道，形成卡堵（SizeExclusion）。当外来流体的流速过大或存在压力激烈波动时，与喉道直径较匹配的微粒开始移动．一方面这部分微粒可以在喉道处形成较稳定桥堵，另一方面由于此时流速较大，成桥过程中流体对微粒的击力也较低速时强。因此，导致岩石中的喉道在较短时间大量地被塞，造成多孔介质渗透能力骤然减小，此时的流速即为临界流速8-1）。临界流速所标志的并不是微粒运移的开始，而是稳定桥堵的形成。March5,20098•第一节储层敏感性机理流速增加将导致岩石渗透率的大幅度降低，其渗透率的伤害可达原始渗透率的20-50%，甚至超过50%。当流速超过一定值时，启动的微粒粒径过大，与喉道直径不匹配，难于形成新的桥堵，而随着流速的进一步增加，高速流体冲击着微粒和桥堵，一部分微粒可能被流体带出岩石，从而使渗透率回升（图8-1）。图8—1岩石流动实验曲线BillYuMarch5,20099第一节储层敏感性机理(三）流体性质对速敏性的影响BillYu¾对速敏性有影响的流体性质主要为盐度、pH值以及流体中的分散剂，这些性质对水敏性粘土矿物的分散迁移影响较大。z低盐度的流体使水敏性粘土矿物水化、膨胀和分散，它们较低的流速下便会发生迁移，并可堵塞喉道，从而导致岩临界流速值减小；同时，由于水敏性粘土在低盐度流体中水化膨胀，在高速流体冲击下易于分散，这样，不仅释放更多更细小的粘土微粒，而且释放出由粘土矿物作为胶结的其它矿物颗粒，从而使地层微粒数量增加，使速敏性增强。z分散剂对速敏性的影响与高pH值流体相似。钻井液滤液是强的粘土分散剂之一，由此引起的粘土分散导致的渗透率害不容忽视。March5,200910第一节储层敏感性机理(四）储层物性对速敏性的影响¾储层物性对速敏性也有一定的影响，尤其是喉道的大小、几形状对储集层的伤害尤为明显。BillYuz比如大孔粗喉型的砂岩储集层，喉道是孔隙的缩小部分、孔喉直径比值接近于1，一般不易造成喉道堵塞，但容易造成出砂。而对于喉道变细的砂岩储集层、孔隙喉道直径差别特别大，喉道多呈片状、弯片状或束状，易形成微粒堵塞喉道。March5,200911第一节储层敏感性机理二、储层的水敏性BillYu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。储层水敏程度主要取决于储层内粘土矿物的类型及含量。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，蒙皂石的膨胀能力最强，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.储层水敏性与粘土矿物的类型和含量以及流体矿化度有关。储层中蒙皂石（尤其是钠蒙皂石）含量越多及水溶液矿化度愈低，则水敏强度愈大。March5,200912第一节储层敏感性机理三、储层的盐敏性BillYu¾储层盐敏性（saltsensibility）是指储层在系列盐液中，由于粘土矿物的水化、膨胀而导致渗透率下降的现象。储层盐敏性实际上是储层耐受低盐度流体的能力的度量，度量指标即为临界盐度。¾当不同盐度的流体流经含粘土的储层时，在开始阶段，随着盐度的下降，岩样渗透率变化不大，但当盐度减小至某一临界值时，随着盐度的继续下降，渗透率将大幅度减小，此临界点的盐度值称为临界盐度。粘土膨胀过程可分两个阶段:z第一阶段是由表面水合能引起的，即外表面水化膨胀;z第二阶段被称为渗透膨胀阶段，即内表面水化阶段。March5,200913第一节储层敏感性机理四、储层的酸敏性BillYu¾酸敏性（acidsensibility）是指酸液进入储层后与储层中的酸敏性矿物发生反应，产生凝胶、沉淀，或释放出微粒，致使储层渗透率下降的现象。¾酸敏性导致地层损害的形式主要有两种，z一是产生化学沉淀或凝胶，z二是破坏岩石原有结构，产生或加剧速敏性。¾酸敏矿物是指储层中与酸液发生化学沉淀或酸化后释放出微粒引起渗透率下降的矿物。一般地，酸化处理中，多用盐酸处理碳酸盐岩油层和含碳酸盐胶结物较多的砂岩油层，用土酸（盐酸和氢氟酸的混合物）处理砂岩油层（适用于碳酸盐含量较低、泥质含量较高的砂岩油层）。所以酸化过程中的酸液包括盐酸（HCl）和氢氟酸（HF）两类。March5,200914第一节储层敏感性机理五、储层的碱敏性BillYu¾碱敏性（natronsensibility）是指具有碱性（pH值大于7）油田工作液进入储层后，与储层岩石或储层流体接触而发生反应产生沉淀，并使储层渗流能力下降的现象。¾碱性工作液通常为pH值大于７的钻井液或完井液，以及化学驱中使用的碱性水。这些流体进入储层，使其产生碱敏性的机理主要为：z粘土矿物在碱性工作液中发生离子交换，成为较易水化的型粘土，使粘土矿物的水化膨胀加剧，导致水敏性。MH+NaOH=MNa+H２OMarch5,200915第一节储层敏感性机理五、储层的碱敏性BillYuz碱性工作液还会与储层矿物发生一定程度的化学反应，与碱的反应活性从高到低依次为：高岭石、石膏、蒙皂土、伊利石、白云石和沸石，而长石，绿泥石和细石英砂的反应活性中等。碱与矿物反应的结果不仅导致阳离子交换，甚至有可能生成新的矿物。例如：碳酸盐OHSi（OH）Si（OH）OHSi（OH）OHO这些新生矿物沉积在储层中，导致起渗透率损害。z由于碱性工作液与储层矿物或储层流体不配伍，破坏了储层原有的离子平衡，产生碱垢，降低储层的渗透率。---4432March5,200916第一节储层敏感性机理2NaOHCa2BillYuNaSiO3CaNa2CO3Ca2Ca（OH）2+2NaCaSiO32Na2CaCO32Naz高pH值环境使矿物表面双电层斥力增加，部分与岩石基质未胶结的或胶结不好的地层微粒，将随碱性工作液运移，并在喉道处架桥，堵塞孔喉。五敏实验是评价和诊断油气层伤害的最重要的手段之一。一般来说，对每一个区块，都应该做五敏实验，再参照表8-6进行完井过程中保护油气层技术方案的制定，并指导生产。March5,200917项目速敏实验第一节储层敏感性机理表8-6五敏实验结果的应用实验结果及其应用BillYu（1）确定其它几种敏感性实验（水敏、盐敏、酸敏、碱敏）的实验流速；（2）确定油井不发生速敏伤害的临界产量；（包括由速敏和水（3）确定注水井不发生速敏伤害的临界注入速率，如果注入速率太小，不能速敏）水敏实验盐敏实验（升高矿化度和降低矿化度的实验）酸敏实验碱敏实验March5,2009满足配注要求，应考虑增注措施；（4）确定各类工作液允许的最大密度。（1）如无水敏，则进入地层的工作液之矿化度只要小于地层水矿化度即可，不做严格要求；（2）如果有水敏，则必须控制工作液的矿化度大于Cc1；（3）如果水敏性较强，在工作液中要考虑使用粘土稳定剂。（1）对于进入地层的各类工作液都必须控制其矿化度在两个临界矿化度之间，即Cc1工作液矿化度Cc2；（2）如果是注水开发的油田，当注入水的矿化度比Cc1要小时，为了避免发生水敏伤害，一定要在注入水中加入适合的粘土稳定剂，或对注入水进行周期性的粘土稳定剂处理。（1）为基质酸化之酸液配方设计提供科学的依据；（2）为确定合理的解堵方法和增产措施提供依据。（1）对于进入地层的各类工作液都必须控制其pH值在临界pH值以下；（2）如果是强碱敏地层，由于无法控制水泥浆的pH值在临界pH之下，为了防止油气层伤害，建议采用屏蔽式暂堵技术；（3）对于存在碱敏性的地层，要避免使用强碱性工作液。18第一节储层敏感性机理六、储层的水锁效应BillYu在油气开发过程中，钻井液、固井液及压裂液等外来流体侵入储层后，由于毛细管力的滞留作用，地层驱动压力不能将外来流体完全排出地层，储层的含水饱和度将增加，油气相渗透率将降低，这种现象称之为水锁效应。¾造成水锁效应的原因有内外两方面的因素：z储层孔喉细小、存在敏感性粘土矿物，是造成外来流体侵入引起含水饱和度上升而使油水渗透率下降的内在原因；z侵入流体的界面张力、润湿角、流体粘度以及驱动压差和外来流体侵入深度等则是外部因素。¾水锁效应大小的决定因素为储层毛管半径。解决水锁效应的最佳途径是减小外来流体侵入储层的总量及深度，而加大返排压差，采用低粘度