超低滲透儲層注水開發(fā)過程中的敏感性與結(jié)垢分析

超低滲透儲層注水開發(fā)過程中的敏感性與結(jié)垢分析

0低滲透油藏開發(fā)使用的技術(shù)對策隨著新疆油氣勘探和勘探技術(shù)的發(fā)展，致密、低滲透的新疆油田開發(fā)出來了。此類油藏開發(fā)前期主要通過優(yōu)化井網(wǎng)形式、儲層改造及超前注水等技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)合理有效動(dòng)用。如何在新區(qū)塊開發(fā)的初期就明確儲層損害的潛在因素,盡早采取有效的保護(hù)措施,是改善此類低滲透油藏開發(fā)效果、提高油田經(jīng)濟(jì)效益所面臨的重要課題之一。以新疆油田某區(qū)塊超低滲透油藏為例,從儲層特征分析入手,研究了注水過程中主要的損害機(jī)理,并提出了相應(yīng)的儲層保護(hù)措施,以期為超低滲透油藏注水開發(fā)過程中的儲層保護(hù)提供有力依據(jù)。1層的特性1.1儲層儲層類型及儲層參數(shù)新疆油田某區(qū)塊油藏含油層系為三疊系中統(tǒng)克拉瑪依組(T2k),油藏埋深為1678~2730m?？松辖M(T2k2)劃分為S1,S2,S3,S4和S5砂層組,克下組(T2k1)劃分為S6,S7和S8砂層組,其中S1,S5和S7砂層組為主要的含油層系。儲層巖性主要為砂礫巖、礫狀砂巖,其次為含礫砂巖與砂巖。礫巖成分主要為變質(zhì)巖塊和凝灰?guī)r,砂巖成分以凝灰?guī)r和變質(zhì)巖為主。碎屑顆粒以次棱角—次圓狀為主,其次為次棱角狀,分選差;雜基平均含量為4.5%;膠結(jié)物主要為方解石,平均含量為4.2%;膠結(jié)類型以孔隙型為主,顆粒接觸方式主要為線接觸?？松辖M儲層孔隙類型以粒內(nèi)溶孔為主,其次為粒間溶孔和界面縫;克下組儲層孔隙類型以粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔為主,其次為界面縫及微裂縫。其儲層參數(shù)如表1所列。從表1可以看出,克上組儲層孔喉半徑和滲透率分布范圍較寬,其微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較為嚴(yán)重,孔喉發(fā)育較差—中等,且連通性較差;克下組儲層孔喉半徑和滲透率發(fā)育情況較克上組要好,但孔喉發(fā)育和連通性均較差,因此該區(qū)塊儲層為典型的低孔、超低滲儲層。儲層的滲透率低,孔喉小以及連通性差,增加了油氣的滲流阻力,若水驅(qū)開發(fā)控制不當(dāng),造成黏土礦物膨脹分散和運(yùn)移,則極易堵塞孔喉,對儲層造成很大的損害。1.2x射線衍射分析儲層的敏感性強(qiáng)弱與黏土礦物的類型和含量有關(guān)。根據(jù)美國學(xué)者摩爾的研究,儲層中黏土礦物含量小于5%的為較好儲層,而黏土礦物含量為5%~20%的儲層物性較差,尤其是水敏性礦物含量較高的儲層,容易造成儲層孔喉嚴(yán)重堵塞。根據(jù)X射線衍射黏土礦物分析可知,該區(qū)塊克拉瑪依組油藏儲層黏土礦物含量較高,以伊/蒙混層和高嶺石為主,其全巖心X射線衍射分析數(shù)據(jù)如表2所列。從表2可以看出:(1)含量較多的伊/蒙混層礦物多數(shù)呈薄膜狀分布于巖石顆粒表面,與外來流體接觸后容易發(fā)生水化膨脹,造成蒙脫石和伊利石分散剝落成細(xì)小顆粒,除引起速敏性損害之外,還會造成儲層孔隙和喉道縮小,滲透率下降。(2)伊利石和高嶺石顆粒是造成儲層速敏性損害的主要黏土顆粒,尤其是高嶺石,一般在孔隙和喉道中呈書頁狀、片狀或蠕蟲狀產(chǎn)出,多由長石顆粒遭受酸性溶蝕改造而形成,在堿性環(huán)境下易發(fā)生溶蝕,因此具有速敏、堿敏及水敏性潛在損害;鱗片狀伊利石以骨架顆粒薄膜狀產(chǎn)出,毛發(fā)狀、纖維狀伊利石在孔隙中搭橋生長、交錯(cuò)分布,容易膨脹失穩(wěn),導(dǎo)致微粒運(yùn)移,阻塞喉道,對儲層具有速敏、水敏和堿敏性潛在損害。(3)綠泥石以柳葉狀垂直骨架顆粒生長,或以絨球狀集合體充填于孔隙中;綠泥石與酸溶液反應(yīng),釋放出易于生成沉淀的陽離子(Fe2+,Mg2+),堵塞儲層孔喉,造成酸敏性損害。由此可以判斷出,該區(qū)塊儲層可能存在速敏與水敏性潛在損害。2儲層損害與黏土礦物的關(guān)系當(dāng)外來流體進(jìn)入儲層后,因與儲層巖石不匹配而導(dǎo)致儲層中的黏土礦物發(fā)生水化膨脹、微粒運(yùn)移或產(chǎn)生沉淀堵塞孔喉,從而降低儲層滲透率,引起儲層損害,而幾乎儲層的每個(gè)損害環(huán)節(jié)均與黏土礦物的參與有關(guān)。其中引起速敏性損害的黏土礦物主要為伊利石和高嶺石;引起酸敏性損害的黏土礦物主要為綠泥石;引起水敏性損害的黏土礦物主要為蒙脫石;伊/蒙混層主要引起鹽敏與水敏性損害,其次為速敏性損害。選用百63井、百71井以及21012井的巖心進(jìn)行了儲層損害分析實(shí)驗(yàn),并依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),評價(jià)了注入水對儲層的損害程度。2.1稀油污水、稠油濾后水、成垢水及成垢離子組成分析該區(qū)塊回注水全部來自百口泉注水聯(lián)合站,該站所處理的污水主要為稠油區(qū)來液和稀油區(qū)來液,分別有稀油污水和稠油污水2套處理系統(tǒng),注入水主要為稀油污水與稠油污水按照約1∶1混合注入。將現(xiàn)場取回的稀油污水和稠油污水用0.45μm的濾膜精細(xì)過濾,分別得到稀油濾后水和稠油濾后水,再將這2種濾后水按1∶1混合(下文簡稱1∶1混合水)作為敏感性評價(jià)實(shí)驗(yàn)用水。地層水、稀油濾后水、稠油濾后水及1∶1混合水這4種類型水樣的離子組成、礦化度和水型分析如表3所列。從表3可看出,這4種水樣均為弱酸性,成垢離子主要為Ca2+,而這4種水樣均屬于碳酸氫鈉型,在酸性條件下,對地層具有一定的腐蝕性。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對儲層敏感性進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明:該區(qū)塊儲層無速敏性損害,但具有中等偏強(qiáng)的水敏、較強(qiáng)的鹽敏以及中等偏強(qiáng)的堿敏性損害。(1)儲層黏土礦物的性質(zhì)按照水敏性損害實(shí)驗(yàn)評價(jià)步驟,選取該區(qū)塊3塊巖心進(jìn)行了水敏性損害評價(jià)實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如表4所列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該區(qū)塊儲層的水敏指數(shù)為58.62%~65.05%,平均水敏指數(shù)為61.54%,表現(xiàn)為中等偏強(qiáng)的水敏。分析認(rèn)為,克下組儲層的黏土礦物以伊/蒙混層為主,掃描電鏡下呈不規(guī)則狀及似蜂巢狀集合體(圖1),一般呈薄膜狀包裹于碎屑顆粒表面,具有較強(qiáng)的水化膨脹能力。伊利石主要以片狀、發(fā)絲狀和卷曲片狀分布于粒間孔隙內(nèi)或顆粒表面,使孔隙在原來的基礎(chǔ)上變成大量的微孔隙,并使流體在孔隙中的通道變得曲折,滲透率大大降低,對儲層存在較強(qiáng)的水敏性潛在損害。在注水開發(fā)過程中,注入油氣層的流體首先與黏土薄膜發(fā)生反應(yīng),容易導(dǎo)致水化膨脹、分散、運(yùn)移以及堵塞孔喉,嚴(yán)重?fù)p害儲層。(2)儲層中伊/蒙混層礦物含量與滲透率的關(guān)系根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),選用21012井的3-2號巖心進(jìn)行了鹽敏性損害評價(jià)實(shí)驗(yàn)(表5)。實(shí)驗(yàn)采用10000mg/L,6000mg/L,4000mg/L,3000mg/L,2000mg/L和1000mg/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽水及蒸餾水組成7級礦化度,其中標(biāo)準(zhǔn)鹽水配方為NaCl∶CaCl2∶MgCl2·6H2O=7.0∶0.6∶0.4(質(zhì)量比)。圖2為巖心鹽敏性損害實(shí)驗(yàn)曲線。圖2中Ko表示實(shí)驗(yàn)中礦化度為10000mg/L時(shí)所測得的巖心滲透率,Ki表示實(shí)驗(yàn)中礦化度分別為6000mg/L,4000mg/L,3000mg/L,2000mg/L和1000mg/L時(shí)所測得的巖心滲透率,Kw表示實(shí)驗(yàn)中使用蒸餾水所測得的巖心滲透率。從表5和圖2可以看出:隨著標(biāo)準(zhǔn)鹽水礦化度的降低,巖心滲透率損害程度逐漸增加。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鹽水礦化度從6000mg/L降到4000mg/L時(shí),巖心滲透率損害程度>5%,表明此時(shí)巖心已經(jīng)發(fā)生了鹽敏性損害,因此判定其臨界礦化度為6000mg/L;而蒸餾水驅(qū)替過后的巖心滲透率為0.075mD,由此可以計(jì)算出鹽敏指數(shù)為84.71%,表現(xiàn)為強(qiáng)鹽敏。觀察巖心掃描電鏡(圖3)可以發(fā)現(xiàn),克下組儲層中伊/蒙混層礦物含量較高,大量存在于孔隙和喉道中。隨著注入水(標(biāo)準(zhǔn)鹽水)礦化度的降低,伊/蒙混層礦物發(fā)生水化膨脹,縮小了孔隙空間和喉道,從而導(dǎo)致滲透率下降。此外,當(dāng)伊/蒙混層礦物膨脹到一定程度時(shí),會發(fā)生分散、運(yùn)移,在孔喉縮徑處形成堵塞,導(dǎo)致儲層滲透率降低。(3)不同驅(qū)替液ph值對巖心滲透率的影響根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),選用百63井的16號巖心進(jìn)行了堿敏性損害評價(jià)實(shí)驗(yàn)(表6)。實(shí)驗(yàn)采用與地層水礦化度等同的KCl鹽水,在加入不同量的NaOH后,配成不同pH值的實(shí)驗(yàn)流體進(jìn)行評價(jià)。圖4為巖心堿敏性損害實(shí)驗(yàn)曲線。圖4中Ko表示實(shí)驗(yàn)中pH值為6.4時(shí)所測得的巖心滲透率,Ki表示實(shí)驗(yàn)中pH值分別為7.0,8.0,9.0,11.0和13.0時(shí)所測得的巖心滲透率。從表6和圖4可以看出:隨著驅(qū)替液pH值的升高,巖心滲透率損害程度逐漸增加。當(dāng)驅(qū)替液pH值從8升至9時(shí),巖心滲透率損害程度>5%,表明此時(shí)巖心已發(fā)生堿敏性損害,因此判定其臨界pH值為8;當(dāng)驅(qū)替液pH值升至13時(shí),巖心滲透率損害程度達(dá)到53.6%;隨后,再繼續(xù)使用與地層水等礦化度的KCl鹽水驅(qū)替巖心,其滲透率僅恢復(fù)了8.8%。由此表明,當(dāng)巖心發(fā)生堿敏性損害后,其滲透率基本不可恢復(fù),而堿敏指數(shù)為53.6%,表現(xiàn)為中等偏強(qiáng)堿敏。分析認(rèn)為,高嶺石礦物在堿性溶液中易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致分散、運(yùn)移而堵塞孔喉。高嶺石在掃描電鏡下呈六邊形鱗片狀或柱狀(圖5),隨著pH值的升高,高嶺石容易失穩(wěn)溶解,并分散、運(yùn)移,這是導(dǎo)致儲層堿敏性損害的主要因素之一。此外,地層水中的Ca2+和Mg2+在堿性環(huán)境下,與溶液中的OH-結(jié)合生成難溶于堿的Mg(OH)2和Ca(OH)2沉淀,與溶液中的CO32-和HCO3-生成MgCO3和CaCO3沉淀,進(jìn)一步降低了儲層的滲透率。2.2儲層用滲排垢與沉降垢的物理結(jié)果油藏采用稀油污水和稠油污水按1∶1混合作為注入水,由于回注污水通常含有各種成分的離子,而不同水型的水在混合或回注過程中隨著環(huán)境條件的改變(如溫度、壓力、離子平衡等)而發(fā)生變化,使原來穩(wěn)定的水體系失穩(wěn),不僅造成注水系統(tǒng)結(jié)垢,管線腐蝕,還會在巖石孔隙表面產(chǎn)生沉淀,堵塞儲層孔喉,引起注水壓力升高,從而影響油田正常生產(chǎn)。碳酸鹽垢是油田生產(chǎn)過程中最為常見的一種沉積物。常用的預(yù)測碳酸鈣結(jié)垢趨勢的方法有2種:一種是飽和指數(shù)法(SI);另一種是穩(wěn)定指數(shù)法(SAI)。其結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果如表7所列。從表7可以看出:在儲層溫度(44℃)條件下,經(jīng)精細(xì)過濾后的稀油濾后水有結(jié)垢的趨勢,稠油濾后水有輕度結(jié)垢的趨勢,而1∶1混合水也有結(jié)垢的趨勢。因此,基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)方法,使用物理配伍方法研究稠油濾后水與稀油濾后水混合結(jié)垢的情況。將物理-化學(xué)反應(yīng)后再次形成于水中的垢稱為懸浮垢,將附著于錐形瓶表面的垢稱為沉降垢,將懸浮垢量與沉降垢量之和定義為總垢量。稠油濾后水與稀油濾后水混合結(jié)垢變化情況如表8所列。從表8可以看出:在儲層溫度(44℃)條件下,這3種水樣都有一定的結(jié)垢產(chǎn)生,而單一的稀油濾后水總垢值最大,且主要為沉降垢。當(dāng)稀油濾后水和稠油濾后水按1∶1混合后,形成了大量的懸浮垢和沉降垢。由此可見,當(dāng)注采井網(wǎng)直接采用稀油污水和稠油污水按1∶1混合注入的注水方式時(shí),容易形成結(jié)垢物,堵塞注入管線,甚至在注入地層之后堵塞孔喉,損害儲層,造成注入壓力升高,嚴(yán)重影響油藏的開采工作。利用掃描電鏡對懸浮垢和沉降垢的形貌作了進(jìn)一步分析。從圖6可以看出:濾膜懸浮垢顆粒分布較分散,晶體發(fā)育良好,同時(shí)可見方解石式菱面體晶面,粒徑為40~60μm[圖6(a)];而沉降垢顆粒分布密集,部分顆粒呈定向性排列,晶形發(fā)育差,粒徑為20~40μm[圖6(b)]。因此,稀油濾后水和稠油濾后水按1∶1混合后形成的懸浮垢和沉降垢粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于儲層平均孔喉半徑(克上組平均孔喉半徑為0.21μm,克下組平均孔喉半徑為0.34μm),在混合注入中容易堵塞孔喉,造成儲層損害。通過X射線能譜分析,對1∶1混合水產(chǎn)出垢樣進(jìn)行了元素分析,其分析統(tǒng)計(jì)如表9所列。從表9可看出,盡管懸浮垢和沉降垢在分布形態(tài)、晶形、粒徑等方面存在明顯差異,但結(jié)垢成分基本相同,C,O和Ca這3種元素含量之和超過95%,因此判定垢型為CaCO3。3加入水對敏感性的影響該區(qū)塊儲層的臨界礦化度為6000mg/L,而混合水的礦化度為4891.26mg/L,注入水礦化度過低容易導(dǎo)致儲層巖心發(fā)生水敏性損害,給油田開發(fā)帶來極為不利的影響,因此采取有效的措施預(yù)防水敏性損害顯得尤為重要。在注入水中添加合適的防膨劑,以防止黏土水化膨脹,同時(shí)聚結(jié)黏土礦物防止分散、運(yùn)移;或者添加鉀鹽增加注入水的礦化度,同時(shí)可以通過離子擴(kuò)散讓敏感性礦物晶層得到K+,使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使膨脹性礦物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的礦物?；旌献⑷胨|(zhì)不達(dá)標(biāo),結(jié)垢較為嚴(yán)重,且以沉降垢為主。若直接采用稀油污水和稠油污水混合注入,可能會由于注入水的結(jié)垢而堵塞注入管線及儲層孔喉,造成注入壓力升高,嚴(yán)重影響油藏的開采工作。因此,應(yīng)制定嚴(yán)格的回注水標(biāo)準(zhǔn),采取精細(xì)過濾等措施控制注入水中的