储层损害及类型

1. 储层损害

储层损害是指在油气井完井和生产阶段，造成减少油气层产能或降低注气、注液效果的各种阻碍。

根据多孔介质中流体渗流理论，油气从油气层流向井底，进而形成产能，其流动规律遵从达西定律。在控制油气井产能的众多因素中，储层渗透率属于储层自身物性。当储层受到损害时，宏观上表现为储层渗透率下降。因此，保护油气层的核心问题就是保护储层的渗透率。

油气藏多孔介质中的流体向产油气井作径向渗流的过程如图3-70所示。如果将流体视为不可压缩，且保持稳定流状态，油气井产能计算公式为：

油气田开发地质学

式中：Q——流体流量 （油井产量），cm³/s；K——油层岩石渗透率，μm²；h——油层厚度，cm；μ——流体粘度，mPa·s；p_e——供油区外边界压力，MPa；p_w——井底压力，MPa；r_e——供油区外边界半径，cm；r_w——油井半径，cm。

图3-70 流体径向流入井筒模型

当油气层受到损害后，在近井筒附近形成一个低渗透的损害带 （图3-71），流体要经过两个渗透区才能流入井筒。根据达西公式可知：油井产量＝损害带油量＝未损害带油量，即：

油气田开发地质学

图3-71 井眼周围损害带示意图

式中：K_d——损害带渗透率，μm²；K_e——未损害带渗透率，μm²；r_d——损害带半径，cm；p_d——半径为r_d处的压力，MPa； ——油气层平均渗透率 （或称总视渗透率），μm²。

而p_e-p_w＝（p_e-p_d）＋（p_d-p_w），因此有：

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可见，决定油气井产能的平均渗透率 和K_d有关。产层未受损害时，K_d＝K_e＝ 地层流体不能流入井筒，油气井产能丧失。因此，对于某一油气井，其地层条件 （r_e，h，μ）、油气井条件 （r_w） 及生产方式 （p_e-p_w） 确定后，导致产量下降的主要因素是地层渗透率下降。因此渗透率是评价油气层损害的一项重要指标。

2. 储层损害类型

从钻头钻开油气层起，在整个开发过程中，油气层相继受到钻井、注水泥、射孔、防砂、酸化、压裂、注水、三次采油等工程处理。这些油气井工程作业都要接触各种工作液，都会不同程度地破坏油气层原有的物理一化学平衡状态。因此，几乎每一个生产工序都可能给油气层带来损害。关于油气层损害分类. 很多学者从不同角度提出了不同的分类方法。P. B. Basan （1985） 在用地层损害指数评价泥质砂岩流体敏感性的研究中，将油气层损害归纳为表3-9中的10种类型；而Charles H. Hewitt （1988） 在研究水敏性储层时，对油气层损害问题分类的方法如表3-10所示。

L .Alegne （1990） 等在研制诊断地层损害问题的专家系统时，对损害问题的分类以油气层损害原因和根源为依据，用模拟专家分析的方法查找地层损害的原因。O. G.Kersey（1999） 在论述岩石学分析在非损害性钻井、完井及增产措施设计中的作用时，着重分析了储层潜在的敏感性，并以此为基础将储层损害分为水敏性、酸敏性、微粒运移、结垢及出砂等几种类型。

表3-9 油气层损害与产生原因分析

表3-10 油气层损害分类

（1） 水敏性损害

水敏性是指岩石与外来水接触后，其中的粘土矿物发生膨胀水化、分散脱落、运移，而导致地层渗透率降低的现象。水敏性损害是各种油层损害类型中最复杂、最主要的一种。产生水敏性损害的原因，一方面是由于膨胀性粘土遇水膨胀，减小了油层的孔隙通道；另一方面是一些非膨胀性粘土遇水产生分散脱落，释放微粒，并且微粒随流体运移而堵塞孔隙通道。最易产生水化膨胀的粘土矿物有蒙脱石、伊利石/蒙脱石、绿泥石/蒙脱石混层矿物。这是由于蒙脱石的晶体构造使其具有较大的阳离子交换能力和较高的晶层底面水化能。在钻开油层之前，粘土矿物与地层水达到膨胀平衡状态。打开油层后，外来流体随之进入油层。当进入油层的流体的化学成分和矿化度与其不配伍时，岩石中的膨胀性粘土便能在其外表面或单元晶层间吸附大量水分子，使体积发生膨胀。而且，粘土分子结构内吸附的水量受可交换阳离子数的控制。因此，不同种类的蒙脱石粘土膨胀能力也不同，钠蒙脱石具有最强的膨胀性，可膨胀到原来体积的10倍；钙蒙脱石只具有中等膨胀能力。此外，高岭石、伊利石等非膨胀性粘土，在与阳离子浓度较低或者有反絮凝离子的水接触时，原有的絮凝平衡状态遭到破坏，使粘土颗粒产生分散，从砂粒表面脱落下来，而随流体在油层孔隙内运移。同时，膨胀性粘土遇水膨胀后引起的物理不稳定性也促进了分散和运移的发生。粘土膨胀和分散运移的最终结果都是造成油层渗透率的损害。

（2） 酸敏性损害

酸敏性是指岩石与酸液接触后，发生有害反应生成沉淀或岩石解体产生地层微粒，而引起油层渗透率降低的现象。工程中最常见的酸敏性损害是对盐酸 （HCl） 和氢氟酸（HF） 的敏感性。油层岩石中当有铁质绿泥石和黄铁矿等含铁矿物存在时，将对进入油层的盐酸及高氧流体最敏感。因为这些矿物在溶解于溶液时，释放出的铁离子会生成Fe（OH）₃，凝胶而堵塞油层孔隙喉道。方解石、白云石等含钙的碳酸盐矿物则对氢氟酸最敏感。它们会与氢氟酸发生有害反应，生成不溶解的氟化钙沉淀。另外，其他矿物，如硅酸盐矿物，溶解后释放出硅离子，可与进入油层的低浓度的氢氟酸沉淀出 ［Si （OH）₄·nH₂O］ 水化胶体物质。这些物质都可以减小孔道面积或堵塞喉道而降低岩石渗透率。如果储层岩石胶结物中可酸溶物含量高，酸液对骨架的溶解会造成岩石的非固结状态和颗粒运移而损害油层。

（3） 微粒运移损害

微粒运移是指由于流体流速较高或压差波动较大，使储层中固有的颗粒脱落，随流体发生移动，在孔隙喉道中形成 “桥堵” 或 “帚状” 堆积而阻挡流体流动。在水敏性损害中论述的分散/运移与微粒运移是有差别的。前者产生的机理是一种电化学反应，后者主要是流速对微粒的扰动作用。并且，一般讲，分散/运移只是指那些粘土粒级的颗粒的作用，而微粒运移的 “粒源” 则很广泛，包括所有粒级的矿物及其他组分颗粒。它可以是岩石颗粒，也可以是有机颗粒，如含碳有机物残渣及不能移动的烃类颗粒等。产生 “粒源” 的原因很多，一般来讲，胶结不好的 （弱胶结或未胶结） 地层，或者以粘土为主要胶结物的地层，对于流速引起的微粒运移损害最敏感。另外，疏松地附着于岩石孔隙壁处的各种覆盖物也是重要的 “粒源”。

（4） 结垢损害

油田生产过程中的结垢问题可能发生在各种作业中，而且可能发生在井筒和管线内，也可能发生在地层孔隙内。井筒和管线装备中的结垢问题容易被发现，因此早已引起矿场工程师们的高度重视。然而从保护油气层的角度来说，研究发生在地层内的结垢问题更为重要，处理这种结垢也比处理管内的结垢更为困难。地层结垢泛指在地层孔隙内形成的各种沉淀物，它包括无机垢和有机垢两大类。形成结垢是由于地层岩石和流体的内在原因和外界物理化学因素引起的。无机结垢是很多生产井和注入井主要的损害原因。形成无机垢的原因很多，如果地层岩石中含有石膏、重晶石、水镁石、石灰石、天青石、岩盐及含铁矿物时，会成为引起地层结垢的潜在因素。当油层被打开后，外来液进入油层，改变了地层流体成分，同时地层压力、温度条件改变，使原有的热动力学和化学平衡状态被打破，盐水溶液中一些可溶性物质达到过饱和的程度，从而导致垢片的形成。另外，不配伍流体在进入地层后产生有害混合，也会生成垢物，这种情况在开采过程经常有发生。很多事例表明，在注水、注气 （汽） 及注化学驱油剂时，由于使用不配伍的水质，会产生大量的结垢而损害油气层。在油田作业中常见的无机垢物有碳酸钙、硫酸铁、氧化铁、硫酸钙、硫酸钡、碳酸铁、硫酸锶等。在化学驱油中有时还出现碱垢。有机结垢同样也是由地层内在因素和外界原因引起的。研究表明，原油中的蜡和胶质沥青是有机垢的主要来源。当油层未打开时，蜡和胶质沥青作为原油的组分之一在原油中处于溶解平衡状态，打开油层后，这种平衡状态可能被破坏。由于向地层注入流体等原因使原油温度低于析蜡点时，石蜡就会从原油中沉淀出来。pH值很高的滤液侵入井眼附近区域的油气层会导致沥青从原油中沉淀出来。另外，由于沥青质在原油中是一种胶体的分散体，它以高分子量的多核芳烃聚集在小分子的天然树脂和石蜡烃上。这些球状的聚集体密度约为1.2g/cm3，直径约3.0～6.5nm，并以固有的吸附层而稳定地分散着。酸化作业时，沥青质原油对Fe2＋和Fe3＋非常敏感。生成的铁化物在地层中形成的不溶性的胶体沉淀，既可堵塞地层，又是一种乳化稳定剂，促使沥青胶质堵塞地层。

（5） 水锁损害

水锁一般指由于水进入油层后引起的液体堵塞，它是一种物理原因的损害。一方面，由于外来水的渗入，改变了油气层中的油水分布，含水饱和度增大而含油饱和度降低，必然导致油相渗透率减小，在相同的生产方式下，油井产量下降；另一方面，由于水的渗入，油气层孔道中呈两相共流状态，不连续相则形成液珠在流动过程中将产生阻碍流动的各种毛管力效应。由于油气层孔隙网络的复杂性和不均匀性，这些毛管力效应便成为不可忽视的流动阻力。显然，水锁损害与岩石矿物组成无关，只与两相流体的界面张力有关。因此，无论哪种岩性的油层都存在水锁损害的可能性。

（6） 润湿性改变损害

不同油气层岩石表面具有不同的电性和润湿性，一般可分为亲油岩石和亲水岩石两大类。这里所说的润湿性改变损害是指由于岩石吸附化学剂改变岩石表面润湿性而造成油气层油相渗透率下降的损害。这种类型的损害与岩石成分有关。砂和粘土都是含硅质物质，通常其表面呈负电性，用阴离子型化学剂处理时，不吸附或吸附很少，而阳离子表面活性剂却能牢固地吸附在砂岩表面，使其具有亲油性。石灰岩在pH值为0～8的环境下，大多数表面带正电荷，阴离子表面活性剂常使石灰石或白云石变为亲油表面，而阳离子表面活性剂则可使其成为亲水表面。据一些文献报道，水润湿地层转变为油润湿地层后，可使油相渗透率降低40％。可见，由于岩石润湿性转变给油层带来的损害也是不可忽视的。

（7） 固相颗粒侵入损害

固相颗粒侵入是指入井流体直接将固相颗粒带入地层，堵塞孔隙喉道，进而损害油气层渗透率。固相颗粒包括无机固相颗粒和有机固相颗粒。首先，侵入地层的固相颗粒来自钻井完井施工作业。由于井内液柱压力与地层压力的不平衡，在井眼表面、射孔孔道及裂缝孔隙内形成滤饼，使过滤面堵塞。这种堵塞与液体的滤失性能、固相含量、液柱压差、环空流速、转速，以及施工液与地层接触时间有关。固相颗粒侵入油气层是在滤饼形成之前发生的。在注水开采过程中，如果注入水水质不符合要求，固相悬浮物和细菌随之侵入地层，其损害范围会更大，损害程度也更严重。固相颗粒侵入损害的根源受外界因素的影响，而固相颗粒侵入后使油气层渗透率下降的幅度与岩石的孔隙结构有关，因此固相颗粒侵入损害是所有油藏都会面临的损害问题。

（8） 出砂损害

当油气层岩石属于弱胶结或未胶结型时，在高速采油的情况下，岩石结构的完整性遭到破坏，发生解体，形成松散的砂粒或微粒物质。其中较大的颗粒形成架桥或卡堵而堵塞孔隙。较小的颗粒随油流流向井筒，造成油井出砂，堵塞生产层段，甚至引起地层滑移而挤坏套管，迫使油井停产。另外，在施工作业中，如果工作液使用不当，造成胶结物中粘土矿物分散或者其他矿物的溶解，破坏了岩石的胶结状况，也会导致或加剧油井出砂带来的油气层损害。

从上述损害类型可以看出，几乎所有的储层损害都是一系列物理、化学过程的结果。一些损害是由于储层岩石的特殊矿物性质和结构特征所造成的，属于储层潜在的损害因素，也称为储层敏感性。通常把那些极易带来损害的矿物称为敏感性矿物。另一些损害则是由于特殊的工艺条件造成的，属于工程因素。