油气层内部微粒运移造成的地层损害

实践证明，微粒运移在各作业环节都可能发生，而且在各种损害的可能性原因中是最主要的一种。它是比较普遍和相当严重的地层损害，几乎所有生产油、气的油气层都含有一些细小矿物（黏土和粉砂）颗粒，它们是可运移的微粒的潜在物源，微粒运移损害是由包括黏土颗粒、非晶质硅、石英、长石、云母和碳酸盐岩石颗粒等多种微粒运移造成的。岩相学资料表明，所有含有多于10%黏土碎屑岩的油气层、含有碎屑黏土的生物扰动岩以及含有自生孔填矿物的岩石都对微粒运移敏感。孔填和孔衬矿物裸露于流体的流动表面，容易与进入地层内的任何流体接触并控制着物化反应的速度。这对大多数含微粒的矿物尤其是高比面的黏土矿物极为重要。微粒运移是一种运移、转移现象，主要取决于水动力的大小，流速过大和压力波动过大都会促使微粒运移。微粒要么胶结在骨架颗粒上，要么松散地附着在孔壁上。如果流体的粘滞力和界面力能使微粒脱落运移，那么发生运移的微粒是松散附着的微粒，而不是与基岩胶结良好的微粒。但是，如果流体产生的水动力很大，超过了微粒间或微粒与基岩间的胶结强度，那么与基岩胶结良好的微粒变得松散易动，它们将随流体运动而运移至孔喉处，要么单个颗粒堵塞孔隙，要么多个颗粒同时通过孔喉时桥架在孔喉处形成桥堵，并拦截后来的颗粒造成堵塞性损害。

4．3．3．1　微粒运移研究的现状

目前普遍认为，微粒在多孔介质中运移和沉积是在紊流状态，在大于极限流速的高流速和压力激烈波动等条件的作用下，微粒就要发生移动。通过岩心流动实验和模拟实验以及生产分析，可以确定极限流速值。超过此速度微粒就会活化、运移。运移的微粒在孔喉处会再次沉积下来。极限流速与下述参数有关：

（1）油气层岩石的成岩性、胶结性等。

（2）岩石润湿性。

（3）微粒润湿性。

（4）孔隙几何形状和流道表面粗糙度。

（5）携带液的离子强度和pH值。例如J．O．Amaefule等认为，在水湿砂岩中用氯化钾盐水溶液确定出来的携带微粒的极限流速比用氯化钠和氯化钙的盐水溶液确定出来的值要大。

（6）界面张力和流体粘滞力。

4．3．3．2　微模型可见技术研究微粒运移

中国石油天然气总公司油井完井技术中心与西安石油学院开发研究室合作，通过微模型可见技术研究了地层损害机理，取得了一些满意的结果。

4．3．3．2．1　实验方法和装置

微模型实验的核心部件是微模型块。它是由两块玻璃板组成，其中一块用化学蚀刻的方法把网状孔隙结构刻成二维模型；另一块上有进出孔，以便液体和颗粒流进和流出。在这种二维模型中，均质孔隙结构是一种理想化模型，而非均质孔隙结构则是以真实岩心的孔隙结构为样板，经特殊处理方法制成。为了不同的实验目的，微模型还设计成层状模型和动滤失模型，以期模拟增产措施中的分层堵塞和钻井施工中的动滤失条件。微模型被装在一个专用的夹持器里，用接触压力使之密封。当颗粒进入微模型后，用放大倍数为2500倍的光学显微镜动态监视颗粒的全部运动过程，并记录在录像带上。同时，对流速、流量和压力差等影响参数也进行监测。当正向流动堵塞实验完成后，随即进行反冲洗实验，以评价反冲洗效果。该实验的关键在于模型块制作水平和制出的模型块与要模拟的多孔介质（即真实地层的孔隙结构）的接近程度。

微粒运移与堵塞实验主要观察和研究微粒物质在多孔介质内的运动状况及运动规律，同时对颗粒堵塞现象及其过程进行观察和研究，并研究不同尺寸颗粒的堵塞特征及颗粒形状对其在多孔介质内的运动情况的影响。当颗粒形成堵塞后，需要考察一些解救措施（反冲洗或压力激动）的解堵作用大小（即解堵效果评价），该实验的流程如图4－6所示。

4．3．3．2．2　实验结果及分析

微模型实验虽然和常规岩心流动实验大体相似，但是两者的实验记录形式却完全不同。后者大都是以具体的数字来反映实验所要寻找的规律或趋势，而前者的实验所要反映的规律或趋势的所有信息全部包含在图像里，因此微模型实验结果的分析“处理”需要通过反复观看、对比分析、研究记录实验现象及实验过程的录像带来进行。我们所进行的微粒运移与颗粒堵塞的实验研究，目的在于考察微粒运移与颗粒堵塞的特征、规律及其影响因素，并为采取措施防止微粒运移与颗粒堵塞问题的发生找到依据。

图4－6　颗粒运移与堵塞实验流程图

从实验过程及结果来看，颗粒运移与颗粒堵塞具有如下一些特征：

（1）细长颗粒在孔隙内运移时，其最大尺寸方向平行于流线，在孔道突然变大的地方可能会发生旋转。其他形状的颗粒在孔道中运移时亦可能发生旋转，这主要是由于孔道弯弯曲曲、千变万化，导致颗粒流速和流向不断改变造成。

（2）细长颗粒不易形成桥塞，即便形成桥塞也是不稳定的。因为细长颗粒在外力的作用下会发生卷曲或破坏。相对来说，球形颗粒形成的桥堵是稳定的（在相同条件下）。

（3）盲孔内沉积。当颗粒进入盲孔内，由于携带液的运动速度为零，其受到的阻力很大而又失去了动力，因此，在重力的作用下沉降下来，堆积在盲孔内。后来的颗粒同样也会在惯性的作用下进入盲孔，然后在自身重力的作用下沉降下来。颗粒在盲孔内逐渐沉积，越积越多，最后堵塞这一盲孔。后来的颗粒无法进入，这一过程才告结束。当颗粒浓度较大时，盲孔被堵情况较为严重，相反则较轻。

（4）在喉道处堵塞。这是一种很普遍的现象。当单个颗粒尺寸比喉道尺寸要大时，单个颗粒就会首先在喉道处造成堵塞，然后拦截后来的颗粒，在喉道处沉积，造成伤害堵塞。当单个颗粒尺寸小于喉道尺寸时，两个颗粒或多个颗粒在喉道处形成桥塞，拦截后来的颗粒，造成喉道堵塞。

（5）在极不光滑孔壁上沉积。由于孔隙弯弯曲曲、千变万化，在孔隙内运动着的颗粒也因此时常改变流速和方向，不断碰撞孔壁，失去能量，如果孔壁很粗糙，碰撞在孔壁上的颗粒在很大摩擦力的作用下就可能因此滞留下来。沉积下来的颗粒又增加了孔壁的粗糙度，使沉积下来的颗粒继续增多，在流速不大的情况下，就可能堵塞这一孔道。

（6）同一尺寸同一浓度的颗粒，在不同压差的作用下，对地层有不同程度的损害。当压差较大时，颗粒侵入深度较深，堵塞较严重，且不易反冲洗掉。相反，当压差较小时，颗粒侵入深度也较浅，堵塞也不严重，反冲洗能解堵。

（7）同一浓度不同尺寸的颗粒在相同驱替压力的作用下，尺寸很小的颗粒很容易通过模型，难以形成堵塞。但在实际油藏中这些颗粒会侵入地层深部，在三维孔隙系统中也会造成堵塞。实验还发现，当颗粒尺寸接近于孔隙尺寸的1／3到1／2时，颗粒很容易形成桥塞。

（8）不同尺寸的颗粒混合在一起，如8．7μm的颗粒混上3～5μm的颗粒，对地层造成的伤害（堵塞）远比单一尺寸（8．7μm或3～5μm）的颗粒对地层造成的伤害要严重。这其中的原因也很简单，大尺寸的颗粒先形成桥塞，小尺寸的颗粒则填充间隙，形成致密的堵塞带。因此，我们可以利用这一原理，在各种完井作业过程中人为地让颗粒先在井壁附近形成一层致密的堵塞带（或称屏蔽带），以防止外来流体和颗粒的侵入，然后在井投产时采用物理的或化学的方法加以解除，从而达到保护油层的目的。

（9）反冲洗的解堵作用是有条件的。如果正向流动时所形成的桥塞是在很大压力的作用下形成的，则反冲洗就很难解除堵塞。从我们的实验可以证实这一点。当用0．15MPa的压力（压力梯度为5MPa／m）进行实验，反冲洗用模型所能承受的极限压力0．5MPa进行解堵实验，结果无明显的效果。当用较小的压力进行实验，所造成的堵塞一般都能通过反冲洗使大部分解堵，解堵压力为正向流动压力的2～3倍。

（10）解堵过程是间歇进行的而不是连续进行的。当反驱压力由小到大达到某一阈值时，松散的颗粒首先就会被反冲洗掉，“解散的”颗粒又有可能反向形成堵塞。当反驱压力又上升到某一阈值时，较为致密的堵塞就会被冲开，此时压力值一般为正向波动形成堵塞时压力值的2倍左右。

4．3．3．2．3　主要结论

通过大量的微模型实验，可以得出以下三点主要结论：

（1）颗粒浓度与颗粒级配是影响颗粒形成桥堵的主要因素，同时也是影响堵塞严重程度的主要因素。

（2）细小颗粒对地层孔隙造成伤害的主要机理是光滑沉积，而尺寸适当（即具有大、中、小尺寸且有一定粒级级配的颗粒群）的颗粒则以桥塞为主要机理。

（3）细长颗粒不能单独形成桥堵，球状颗粒相对而言能单独形成稳定的桥堵。

4．3．3．2．4　微模型可见技术实验研究的其他内容

除了微粒运移实验以外，我们还做了水锁效应实验。认识到束缚水的分布特征与孔喉结构特征有很大的关系，当孔喉比达一定值（约6～10）时，很容易造成水锁，严重影响油的采收率。

顺便说明，微模型可见技术正由定性的研究发展为定量的研究手段，争取能够定量测定实验参数。此外，正在研究制做三维立体模型。如果微模型可见技术突破了定量和三维这两个方面，它的研究成果就有更大的价值。

国外用这种方法研究微粒运移比我国早。在机理研究上有许多有价值的认识。例如Muecke通过微模型研究，深刻揭示了多孔介质中单相和多相流动时微粒运移的机理。图4－7为用单相（油、水或其他溶剂）携带微粒流动且流速足以悬浮微粒时微粒随流体同时移动，但是在一定条件下（孔喉窄流道条件）发生桥架性堵塞，已形成的桥堵有时可能会被反向流动的压力扰动所破坏，堵塞程度还取决于微粒的尺寸、大小级配和微粒在流体中的浓度等因素。

图4－8是在油、水两相并存的条件下，在油层中油流动时，束缚水是不流动的，水湿的微粒在束缚水膜的保护下是不移动的。本图说明微粒是否移动取决于它的表面润湿性（是水湿性的还是油湿性的）和界面张力的影响。还可以说明，在注水作业水驱油时，在含水区的水湿性微粒就可能开始移动而在含油区的水湿性微粒仍受束缚水的约束。这在注水驱油时，微粒可由原来不移动的状态变为可能移动的状态，是一个值得重视的问题。

图4－7　单相流动时，微粒随流动的液流运动状态

图4－8　当水相不流动时，水湿微粒的流动状态

图4－9中油、水是分层的，在油流动区水湿微粒受束缚水的影响被约束不能流动而在水流动区水湿的微粒要移动，且一般不会在孔喉处形成桥架堵塞。但须注意，这仅限于油、水分层流动的特殊条件。

图4－10说明当油气层中的油流动时，既可润湿油又能润湿水的混性润湿微粒，位于束缚水与油的油－水界面处，它能沿着油－水界面运动。当油运动时，受油的拉力影响，微粒沿着油－水界面运动；若油向反方向流动，微粒也可以沿着油－水界面反方向移动。它的运动受油流及束缚水水膜的双重影响。所以说，混性可湿微粒是可以运移的，但它被限制在油－水界面发生运移。

图4－9　在水和油分层流动时，水湿的微粒（在水流动区）移动的状态

图4－10　混性可湿微粒被约束在油－
水界面处运移的状态

前面已经说过，微粒运移的力与润湿力和界面力有关。微粒有时被润湿力和界面力控制而不能随油（水）流动，微粒受这类约束而不能运移，这本来是好事，可以防止微粒运移而造成的地层损害。加入油－水互溶剂后，能解脱这种约束而促使微粒运移，特别是在加入高浓度互溶剂时其效果更为明显。这种微粒运移机理有两点值得我们掌握与应用：

（1）如果微粒由于某种原因卡阻（桥堵）了油流孔喉等窄流道，加入油－水互溶剂则有利于解堵和减轻油气层已被损害的程度。

（2）如果不恰当地使用了油－水互溶剂（表面活性剂），也可能使原来被约束着的微粒发生“解脱”、“释放”而导致不应有的运移，这将损害油气层，造成速敏的可能性。

这一点应特别值得重视，我们不仅要注意流体的配伍性，还要依配伍性优选注入的活性剂、互溶剂，切勿“抓来就用”，认为“只要注入活性剂等化学处理剂就多多少少会有好处”。

上面的机理性认识有助于解释弱胶结性、成岩性差的油气层在出水之后往往跟着出砂的原因。在出水之前，只有油流动时，束缚水膜才能将微粒保持在原地。然而当油和水都流动时，大量的微粒物质都被带入井内（即出砂），它们或者被采到地面或者桥堵在井眼孔隙喉道的周围部位。这种桥堵增大了流体通过油气层的阻力，即增大了流动压差，从而更导致油气层损害。