注水过程中油气层的损害机理

7．3．1．1　水侵、水锥引起的地层损害

水驱油藏中通常存在着三种油水界面，如图7－2所示。最低（原始）油水界面：在此深度以下无油产出；生产油水界面：在此深度以下无工业价值油产出；最高油水界面：在此深度以下产含水油，此深度随生产而上升。可见在水驱油气藏中有水侵入是正常的。但是对于层状或多层油气藏，水侵现象更加复杂。图7－3所示的水指进就是水通过较高渗透率地层的不均匀水侵现象。因为水在高渗透层中运动较快，这些层中的油或气一般首先采完。这种水指进现象对开采速度是敏感的，损害主要机理是降低油的相对渗透率。

图7－2　带气顶水驱砂岩油藏中流体的分布

图7－3　非均匀油藏中不规则的水侵

水锥（图7－4）常发生在没有遮挡层且具有裂缝或固井质量不佳的油气井中，由于水在生产层中跨越层理面作垂直向上运动而形成水锥。在垂直裂缝发育的碳酸盐岩油气藏中，可以形成很严重的水锥。高速采油也可以加重水锥的形成，如我国的任丘油田。

出水引起水侵、水锥和相对渗透率降低，导致地层损害和产量下降。而人工注水会引起水侵或水锥，造成地层损害。

7．3．1．2　注入水与地层岩石不配伍

注入水与地层岩石不配伍表现在以下几个方面：

（1）注入水造成地层黏土矿物水化、膨胀、分散和运移；

图7－4　水锥的形成

（2）由于注水速度过快，引起地层松散微粒分散、运移；

（3）注入水中的机械杂质粒径、浓度超标，堵塞孔道等。

注入水使地层黏土水化膨胀甚至分散、运移，是注水损害的重要原因之一。许多储层含有多达10%～15%的黏土矿物成分。其产状和微结构各异，当使用与黏土不相容的注入水时，会使油藏的孔隙度和渗透率降低。地层损害主要表现为：

1）二价离子的释放能造成表面活性剂的沉淀和聚合物的失效；

2）与表面电荷作用，同时出现的离子交换反应，能够造成地层结构的破坏；

3）黏土膨胀使孔喉通道变小或堵塞、黏土的机械运移（黏土微粒发生分散、运移）；

4）岩石矿物成分与注入水发生化学反应或化学沉淀等。

不少地层是水润湿的，这种水润湿地层变成油润湿后可以将油的渗透率平均降低约40%。这种损害对气井也同样存在。损害方式多数以水锁或乳状液堵塞的方式出现。砂岩油井更容易遭到此类损害，含低密度沥青的砂岩油井更为严重。此外，一切含有阳离子表面活性剂过滤液、防腐剂、杀菌剂、破乳剂、含沥青油基液盐水、含油液体等都会使砂岩、黏土岩、碳酸盐岩等孔喉表面转为油润湿性，从而造成严重的水锁和乳状液堵塞损害。

注入水的注水速度与注水储层岩石结构的不配伍会产生速敏反应，地层岩石产生新的微粒并运移堵塞孔喉通道，造成地层损害。损害程度主要由能运动的地层微粒数量、粒度分布及与孔喉的级配、微粒的类型来决定。

注入水中的机械杂质堵塞地层常表现为以下形式：①射孔孔眼变窄；②固相颗粒侵入地层在井壁带形成泥饼；③井底位置相对升高；④射孔孔眼堵塞。机械杂质堵塞地层的严重程度是地层孔喉与机械杂质颗粒大小匹配关系的函数。机械杂质浓度越高，地层堵塞越严重，注水井的吸入能力衰减越快。

7．3．1．3　注入水与地层流体不配伍

注入水与地层流体不配伍主要表现在注入水与地层水不配伍，产生沉淀和结垢；注入水造成地层温度下降，也会产生有机垢。一般而言，离子浓度、pH值、总含盐量、溶解度、温度、压力、接触时间和搅动程度对结垢都会产生影响。要强调的是，注入水引起的大面积地下温度下降，不仅使油变稠，使流动阻力增加，而且常常会引起有机垢、无机垢同时产生，堵塞油气层。油田常见的水垢如表7－1所示。结垢是油田水水质控制中遇到的最严重问题之一。垢物颗粒可以在地层和井筒的各个部位聚集结垢，或以悬浮颗粒的形式存在于流体中，在流动过程中可能堵塞孔喉通道，或在储、渗空间岩石表面结垢聚集，减少了孔隙通道有效横截面积，甚至会完全堵死孔隙，从而损害地层。当然，注入水中如有超标的细菌、溶解氧、铁离子、二氧化碳等都极易产生各类沉淀，堵塞地层。注水引起地层损害的具体分类如表7－2所示。

表7－1　油田常见水垢

表7－2　注水引起的地层损害类型

7．3．1．4　注水中不合理的工作制度造成的损害

7．3．1．4．1　注入水强度过大引起的速敏损害

注入水的注入速度过大，易引起地层的速敏性损害。这种损害是由于油气层岩石本身的微粒（又称地层微粒）在过大的注水速度作用下发生脱落、运移、沉积堵塞造成的。地层微粒的矿物组分常常以石英微粒较多，其次是黏土矿物微粒和其他非黏土矿物微粒。黏土矿物常以水化—分散—运移—堵塞的方式损害地层；非黏土矿物常以启动—运移—沉积堵塞方式损害地层。地层微粒损害的第一步是“启动”，是造成损害的关键性的一步。若注水速度控制在不产生“启动”的速度范围之内，便没有后继的运移和沉积堵塞，这就避免了速敏损害的发生。人们以临界启动速度定量描述微粒启动的难易程度，临界启动速度越小，微粒越易启动、运移。在实验室速敏研究中，常从实验曲线中求得临界速度，从而导出工程中相应的注水速度，采用该注水速度可避免速敏损害发生。

在注水过程中，地层微粒在油气层中的运移，是随着油水流动而移动的。水润湿的微粒在水中运移，油润湿的微粒在油相中运移，而混合润湿的微粒则在油水界面上移动。

微粒沉积堵塞是由于微粒运移时不断碰撞孔壁而失去能量造成的。沉积堵塞常受孔壁粗糙度和孔道弯曲度影响，孔壁弯曲度越大，微粒越易碰撞孔壁，沉积颗粒愈多，几率越大，堵塞越严重。同时，微粒尺寸分布范围越广，形成的堵塞越不易消除；微粒浓度愈高，沉积越易发生；注入水的流速越高，堵塞带越紧密，当改变流动方向和流速时，不易被破坏。由此可见，注水中注水速度不合理时，对油气层产生的损害不能低估。

7．3．1．4．2　其他不当操作引起的损害

操作不当引起的损害有：

（1）作业时，因压井液浸入注水层段而造成的损害，及快速放喷降压造成的损害。

（2）注水井酸化措施不当，破坏了岩石骨架结构或生成沉淀物，造成地层的二次损害。

（3）未按规定程序洗井，井筒不清洁，从而使井筒中的污物随注入水浸入地层造成的堵塞。

7．3．1．5　其他杂质引起的地层损害

油田地下水回注油层时常因水中有黏土、烃类等杂质堵塞注水井地层。注入水中含有细菌，细菌分解产物也能引起注水地层堵塞。在注水过程中经常会出现地层黏土膨胀、分散、运移和出砂问题，导致地层损害。

综上所述，注水过程中造成油气层损害的原因包括水侵、水锥及注入水与地层岩石和流体的不配伍性、注水工作制度不合理等。其中水质所引起地层损害包括两个基本因素：注水地层自身的岩性与它所含流体特性；注入水的水质。前者是客观存在的，是引起地层损害的潜在因素，而后者是诱发地层损害发生的外部因素，是可以通过主观努力来控制的，因此，控制注入水水质、采用合理注水强度，平稳注水是减少注水损害的技术关键。