第19卷 第3期 西南石油学院学报 Vol.19 No.31997年 8月 Journal of S outhwest Petroleum Institute Aug 1997储层伤害源—定义、作用机理和描述体系Ξ康毅力 罗平亚 高约友(西南石油学院油井完井技术中心,四川南充637001) (河南石油勘探局) 摘要 根据储层损害的特殊性和损害机理,将储层伤害源定义为:打开储层时,在温度压力环境下,由于储层内组分或外来组分与储层组分作用所发生的变化,导致岩石孔隙结构的调整并引起绝对渗透率降低的物质。
储层伤害源包括内伤害源、外伤害源和复合伤害源三个部分。
内伤害源是储层内固有的,外伤害源是引入的,复合伤害源是内、外伤害源相互作用的产物。
伤害源作用机理研究表明,伤害源是一个复杂的系统,具有明显的结构层次和功能,可划分为五级描述体系,这就为保护油气层技术系统工程提供了理论依据。
主题词 储集层;结构;孔隙度;污染源;系统中图分类号 P618.130.23随着地层损害研究的深入[1],特别是对一地区或油田进行详细的保护储层技术研究之后,人们希望将地层损害的特征表述在剖面图上,以指导下一步作业或为邻区提供借鉴,为此中国石油天然气总公司开发局曾下文要求各油田根据自己的实际情况,建立伤害源剖面图。
然而伤害源的定义、限定范围以及如何全面有效地把握主要的伤害源等技术问题至今尚未圆满解决。
1 储层伤害源的定义在环境保护科学领域中,经常使用“污染源”这一术语。
在水污染控制工程中,污染源指污染纯净水体的沉积物(及其所携带的有害物)、重金属、氮磷化合物以及有毒有机物、或溶解有有害气体的水,或被污染的水体等[2]。
污染源实际上是“物”源,即污染物的来源。
这点与沉积学中的物源(母岩区)相似,如果把进入水盆地中沉积物当做污染物的话,那么“物源”也就成为“污染源”。
针对地层损害(Formation Damage),曾提出过含义相同、或相近,但称谓不一致的几个术语,如污染源、损害源、伤害源、损害的内因和外因等。
考虑到地层损害的特殊性,以及对“伤害源”的提法已为多数人接受或认同,我们建议统一使用“伤害源”,以避免称谓上的混乱。
国内较早使用“污染源”这一词,在正式报告中见于《岩性测试及分析技术研究》国家“七五”重点科技攻关项目成果报告75-02-03-01,该报告由中原石油勘探局与西南石油学院共同完成。
文中多次提到“污染源”,并限定为“敏感性组分———储层在流体作用下易发生Ξ1996—10—31收稿康毅力,男,1964年生,讲师,在读博士生,主要从事粘土矿物在石油工程中的应用研究物理的、化学的以及物理化学反应的组分”。
很明显,这里定义的仅仅是岩石中的矿物组分。
“伤害源”的定义取决于“地层损害”的定义。
目前,比较普遍而又较确切的地层损害定义为:“当钻井、完井、采油、增产、修井等各种作业时,在储集层近井壁带造成流体产出或注入自然能力的任何障碍都是地层损害[1,3,4]。
这个定义是广义的,实际上它包括了相对渗透率的影响、润湿性的变化和粘性流体浸入所引起的液锁。
狭义的地层损害仅考虑孔隙结构的改变而引起的绝对渗透率降低。
为简明起见,我们拟将伤害源限定在使孔隙结构改变而引起的绝对渗透率降低的“物”源上,而不涉及相对渗透率问题,也不包括环境,如温度、压力的变化。
储层伤害源定义为:打开储层时,在温度压力环境下,由于储层内组分或外来组分与储层组分作用所发生的变化,导致岩石孔隙结构的调整并引起绝对渗透率降低的物质。
这里有几点需要强调说明:①打开储层,指钻井、完井、采油、增产、修井等各项作业;②储层,包括油层、气层或水层;③储层内组分,包括矿物和储层内流体(油、气、水),但排除孔隙结构;④温度、压力环境,包括储层原始的状态和打开储层之后的状态,因储层内组分不包括孔隙结构,故此处由于压力变化而引起的应力敏感性也不属伤害源范畴;⑤外来流体,包括液流、气流或多相流。
它们可以是溶液(液态溶液和气态溶液),也可以是胶体,还可以是图1 伤害源的类型划分悬浮液的滤液、乳状液或泡沫;⑥外来组分与储层组分作用,指外来流体携带的固相进入储层,外来流体流速对矿物稳定性的破坏,外来流体与地层流体和岩石发生反应等;⑦所发生的变化,系指物理的、化学的或物理化学的变化;⑧孔隙结构的调整与绝对渗透率的降低,前者为伤害源作用的结果,后者是表现,绝对渗透率的降低体现了孔隙结构变化;⑨伤害源伤害的是孔隙结构。
由此我们认为,伤害源包括三个方面:内伤害源、外伤害源和复合伤害源。
内伤害源是储层内固有的;外伤害源是引入的;复合伤害源是内、外伤害源相互作用的产物(图1)。
2 储层伤害源作用机理图2 内伤害源伤害储层的机理2.1 内伤害源内伤害源指储层内的组分(矿物和流体)。
在未打开储层时,所处温度、压力条件是平衡的(动态平衡)。
打开储层之后,未与外来流体接触部分的储层处于内伤害源作用范围。
温度、压力降低,可引起水中的无机组分以无机垢形式伤害储层,或原油中的石蜡、沥青以有机垢形式伤害9第3期 康毅力等:储层伤害源———定义、作用机理和描述体系储层,或在高压降下地层流体的流出造成的储层微粒运移而堵塞孔喉(图2)。
2.2 外伤害源外伤害源指外来流体及其中的组分。
打开储层后,外伤害源对储层的损害表现之一为流体中的固相堵塞孔喉,固相的类型有粘土、钻屑、加重材料、堵漏材料、固相的沉淀、有机物。
它们可来自钻井液、完井液、修井液、注入水、酸化压裂液等。
从这点来讲,流体仅作为载体,伤害源是其中携带的固相。
伤害程度取决于压差ΔP ,浸泡时间t 和固相浓度、粒度分布以及孔喉大小与分布(图3)。
图3 外伤害源伤害储层的机理外来固相与外来流体作用伤害储层主要发生在施工中使用的固相与后来的其它类型工作液发生反应,形成不溶物(或沉淀),使孔喉被堵塞。
如若钻井液加重材料(或桥堵剂)使用菱铁矿,而后又用HC1酸化,在有氧的条件下残酸液就会形成Fe (OH )3沉淀。
此外,外来流体之间也还存在配伍性问题,表现在流体接触顺序、流体类型及组成方面上。
若流体不配伍,形成的沉淀亦可堵塞孔喉。
2.3 复合伤害源单纯的内、外伤害源对地层的损害很少是孤立的,常常是两者相互作用,互为条件,共同图4 复合伤害源伤害储层的机理伤害储层,称之为复合伤害源。
储层不同于纯净的水体,储层具有不同的敏感性,同一外来流体对于不同储层产生的损害程度不一样,这也是复合伤害源的特色之一,此外复合伤害源所污染的既不是矿物,也不是地层流体,而是孔隙结构。
复合伤害源伤害储层的作用机理有:外来流体与岩石作用、外来流体与地层流体作用。
结果,会发生速敏、水敏、盐敏、碱敏、酸敏,产生有机垢和无机垢的沉淀。
复合伤害源对地层的损害程度取决于储层的流体、矿物与外来流体性质的配置关系,如图4所示。
01西南石油学院学报 1997年3 储层伤害源系统结构和描述体系由前文的讨论知道,伤害源是一个复杂的系统[5],具有明显的结构层次和功能。
为了图5 伤害源描体系及伤害源系统结构图阐述问题方便,将伤害源描述体系分五级(图5)。
一级:伤害源,为超系统,包括三个二级系统:内伤害源、复合伤害源、外伤害源。
三级,子系统(亦称子伤害源),共有七个子伤害源:地层流体、储层矿物～地层流体、地层流体～外来流体、储层矿物～外来流体、外来固相、外来固相～外来流体、外来流体～外来流体。
四级,为组元,是子伤害源的次级系统。
概括地讲,有四种组元,即地层流体、储层矿物、外来固相、外来流体。
某一组元可以独立地,或与一种以上的组元联合作用而伤害储层,如图2、3、4所示。
五级,为伤害要素(伤害因子)。
它们构成了伤害物或污染物,是造成地层损害的物质因素,下面按四种组元类型举例说明伤害要素。
(1)地层流体地层水:K +、Na +、Ca 2+、Mg 2+、SO 2-4、CO 2-3、HCO -3。
气:CO 2、烃类气体。
油:石蜡、沥青质、胶质。
(2)储层矿物矿屑(及岩屑):石英、长石、云母、绿泥石、碳酸盐矿屑及岩屑、含铁重矿物、纹层状粘土、基质(灰泥、云泥、粘土)。
自生矿物:自生石英,尤其是微晶石英;自生粘土,高岭石、绿泥石、蒙脱石、伊利石、伊/蒙混层;碳酸盐矿物,(铁)方解石、(铁)白云石、菱铁矿;硫化物,黄铁矿;硫酸盐矿物,硬石膏、重晶石;沸石类矿物,方沸石。
(3)外来固相粘土、钻屑、加重材料、堵漏材料、管线腐蚀物、固相无机沉淀物、有机物、细菌。
(4)外来流体淡水、低矿化度水、高矿化度水、酸液、碱液、蒸汽、注入气体、活性水、聚合物溶液等。
11第3期 康毅力等:储层伤害源———定义、作用机理和描述体系4 储层伤害源工程应用储层中的矿物构成孔隙的基本格架和边界。
而地层流体则充填孔隙之中。
在打开油气层之前,流体与矿物保持物理———化学平衡状态,孔隙结构的变化十分缓慢,而且带有特定成岩作用阶段的烙印。
打开油气层的作业及油气层开发过程中,由于条件的变化(温度、压力、流体流速、流体化学成分),会使储层孔隙结构向两相截然相反的方向转化,这个转化相对地质作用事件而言是急剧的,甚至是不可逆的。
使孔隙结构向变差的方向转化的过程,就是地层损害、导致地层损害的直接原因是构成孔隙格架和边界的矿物重新分布,或有新的固相物引入,从而缩小喉道尺寸,使孔隙间连通性变差。
因此,研究伤害源首先应认识储层固有的物性及孔隙结构,它们是伤害物作用的对象。
储层伤害源分析表明,地层损害也是一个结构层次鲜明的系统,这就为“保持油气层技术是一项系统工程”提供了理论依据,工程设计应充分认识其重要性,例如措施流体设计不仅要考虑该流体与储层流体和矿物的作用,还应考虑措施前使用的流体历史和今后的作业可能性。
图6～图9概括了四种组元及组元之间作用损害储层的各种组合情况。
图6 外来流体与其它组元构成的子伤害源系统 图7 地层流体与其它组元构成的子伤害源系统图8 储层矿物与其它组元构成的子伤害源系统 图9 外来固相与外来流体构成的子伤害源系统已经明确伤害源伤害的是孔隙结构空间,而且伤害源是物质源,那么就能够根据储层物性、孔隙结构性质,将伤害源的详细特征及各种潜在的损害类型及程度绘制在一张综合图中,作者曾在南阳下二门油田伤害源研究中做过尝试,并取得比较满意的效果。
21西南石油学院学报 1997年5 结语(1)储层伤害源是“物源”,伤害源污染、伤害的对象是孔隙结构。
(2)根据作用机理和伤害的范围、特点,将伤害源划分为内伤害源、外伤害源和复合伤害源。
(3)伤害源是一个复杂的系统,具明显的结构层次和功能,建立了五级描述体系。
(4)伤害源分析表明地层损害也是一个系统,这就为“保护油气层技术是一项系统工程”提供了理论依据。
(5)伤害源理论分析有效地指导了伤害源剖面图编制,并为工程设计打下基础。