注蒸汽采油引起的地层损害

蒸汽驱中引起地层损害的主要原因有黏土的不稳定、岩石矿物的溶解以及蒸汽凝析液与地层水的不配伍。此外，锅炉排出物中的悬浮固体颗粒对地层的伤害也不容忽视。

蒸汽驱主要用于重质油藏的开采，而大多数重油油藏的岩性特征是胶结疏松或非固结的松散砂层，且敏感性黏土的含量高。对这类油藏，研究注入蒸汽过程中造成的伤害机理就十分重要。

7．4．1．1　注蒸汽采油地层损害分析

7．4．1．1．1　黏土的不稳定性引起的地层损害

黏土的不稳定性表现在驱油过程中出现黏土的膨胀和微粒的分散、运移。这种不稳定性首先决定于黏土本身的结构、分布、产状等；其次受到其他外界因素的影响，如蒸汽凝析液的含盐量、pH值、蒸汽注入速度及蒸汽温度等。

（1）含盐量的影响。蒙脱石、剥蚀的伊利石、剥蚀的绿泥石和某些混合黏土层都具有很强的水敏性。注入低矿化度的水或不同组分的地层水，将引起某些黏土物质的絮凝作用。这将会导致油层结构的不稳定和微粒运移，接着产生孔隙喉道的梗卡和堵塞。这将导致地层渗透率不可逆转地下降。

L．Lois的实验证明了这一点。他采用不同的流体，如地层水、无离子水、蒸汽凝析液、KCl盐水等，按一定顺序通过岩心，得出如图7－5所示的结果。

由图可看出，当蒸汽凝析液中含盐量增大时，地层中的黏土得到一定程度的稳定。因此，在蒸汽驱中需要把注入蒸汽的含盐量保持在一定的高度。

（2）凝析液pH值的影响。许多研究者认为，注入液pH值对黏土的分散、运移、堵塞油层有很大的影响，特别是当溶液的pH值高时，可溶解SiO2胶结物，释放出细粒物质而堵塞油层。pH值高的溶液还对黏土矿物起分散作用，破坏油层中黏土矿物表面化学平衡，这些都会导致颗粒的分散、运移而损害油层。

L．Lois的实验表示了高pH值凝析液与渗透率之间的关系，如图7－6所示。

由图7－6可看出，随着pH值的升高，渗透率逐渐降低，而且即使是适中的碱性介质（pH＝9～10），也会使渗透率降低。

图7－5　不同液体对渗透率的影响
1—100%、50%地层水；2—10%地层水；3—100%蒸馏水；4—100%地层水；5—25%凝析液；6—100%地层水；7—0．4mol KCl；8—100%凝析液

图7－6　pH值对渗透率的影响

在对蒸汽凝析液通过岩心后的排出物进行分析发现，在注入高pH值凝析液时，岩心中会排出分散得很细的固相微粒。这些微粒经X衍射分析鉴定为高岭石、蒙脱石和混合层黏土。这就启示我们，在现场注蒸汽中，为防止黏土的分散运移，需要注意控制蒸汽凝析液的pH值不能过高。

（3）温度的影响。注入蒸汽时，蒸汽的高温除加热原油外，对岩石特别是其中的黏土矿物会产生影响。

J．O．Ameafule等研究了温度对黏土稳定性的影响。实验分析发现，岩样在蒸馏水中加热到150℃，并在此温度下持续5d，矿物黏土颗粒（粒径小于4μm）的组成百分数增加了，即细小微粒增多了。

用上述相同的实验方法，比较了在更高温度（约180℃）下使用地层水和凝析液的实验结果，发现凝析液中黏土颗粒的组成百分数增加得更多。

有些研究者认为，在一定温度下，二氧化硅能够与油层中诸如高岭石和方解石等其他矿物起反应，形成像蒙脱石之类的可膨胀性黏土，使岩石水敏性增大。

此外，在一定的高温下，随着凝析液pH值的增高，黏土矿物将更加不稳定。

在上述含盐量、pH值、高温等对黏土的影响下，当注蒸汽时，就需要对注入速度加以考虑，过高的注入速度很容易使已分散的黏土微粒进行运移。

7．4．1．1．2　矿物溶解后造成的地层损害

矿物的溶解主要是指硅质的溶解，其次还有铝、硼等矿物的溶解。Read在一项早期的实验中已注意到砾石充填以及地层砂岩在蒸汽注入期间被溶解的许多问题。他的研究表明，矿物的溶解问题与随蒸汽一起注入地层的蒸汽发生器的凝析液的强碱性和离子浓度低等两种因素相关。另一位研究者N．C．Naderi注意到了温度的影响。他指出，随着温度和pH值的升高，石英砂和其他硅质矿物的溶解将迅速地增加，所以目前的注蒸汽方法会导致某些油层矿物明显地被溶解并使它们的活动性增加。他同时还指出，化学反应最激烈的地方是温度和pH值最高的井眼附近。因而砾石充填层会因化学反应而急剧变坏和迅速失效。随之，地层出现坍塌、空穴，接着还会产生尾管和套管事故等。图7－7表示在几种不同温度下（150℃、200℃、250℃），排出液的pH值与硅浓度的关系。图7－8表示高温下（177℃）排出液的pH值与SiO2溶解量（即浓度）间的关系。由图7－7和图7－8可以看出，随着pH值的增高（即排出液碱性增高），溶解的硅量也增大。当pH＞10时，溶解硅量增大很快，说明硅质对强碱性相当敏感。此外，当温度增高时，溶解硅量（即硅浓度）也相应增大。

图7－7　石英砂的溶解

图7－8　pH值与溶解的SiO2的关系

Lois在实验中还发现，铝化合物与硅化合物一样可以被溶解。溶解矿物的结果，除造成上述形式的井筒周围地层损害外，还造成另一种形式的损害，即当溶解了硅质的热水穿越地层时，在那些温度低于前缘温度的地层处，硅质反应物将重新沉析为一种凝状物质，它堵塞孔隙，并导致污染。例如在加拿大的一批注蒸汽井中，蒸汽凝析液和油层矿物的相互作用十分明显，产出的微粒主要是石英晶粒。因此，对于注蒸汽来说，必须采取防砂措施，找到一种适合于各自地层特征的防砂办法。此外，也可将高干度蒸汽注入地层，使其部分焦化和就地固结砂层，又不致引起油层渗透率的过分降低。

7．4．1．1．3　水热反应引起的地层损害

在高温高压和强碱条件下，黏土及其他微粒矿物通过物理化学作用及水热反应，形成许多新的矿物相，非膨胀性黏土转化为膨胀性黏土。实验表明，在不同介质、温度、pH值条件下，生成蒙脱石、伊利石、方沸石和水铝石等新矿物。

由于蒸汽注入油层时，油层矿物明显地溶解并使其活性增加，从而产生两种结果：一方面是在高温度和高pH值下井壁附近发生激烈反应，直接损害井眼附近的地层。例如砾石充填层会因化学反应而急剧变坏或迅速失效，油层松散甚至垮塌。另一方面当溶解了硅质的热流体穿越地层时，随着温度和pH值的降低，SiO2量减少，为生成新生矿物提供了Si。另外，硅质反应物将重新沉淀以一种凝状物质析出，堵塞孔隙，损害地层。

7．4．1．1．4　形成乳化引起的地层损害

一般来说，低密度淡水与原油之间比高密度盐水与原油之间更易产生乳化。由于乳化的产生通常与低密度原油和淡水及汽的凝析液有关，所以利用热水和蒸汽增产对乳化问题尤其敏感。油层乳化后形成高黏度不动相的圈闭，严重阻碍了运移相（油）的流动。

7．4．1．1．5　凝析液与地层水不配伍引起的地层伤害

在注蒸汽之前，需要对凝析液与地层水的配伍性进行研究。Lois对加拿大阿尔伯达和萨喀彻温地层水的研究表明，该地层水与直流蒸汽锅炉的排出物是不相容的。实验中把这些地层水与锅炉凝析液相混后，产生了絮凝状沉淀，并发现这些沉淀中的大部分是镁和钙的化合物。在矿场生产中也有这种情况发生。例如，加拿大某地区的两口井，经蒸汽吞吐后产生了严重的砂堵，使原油产量变得很低。对产出的固体颗粒分析表明，主要成分是含有镁、钙和铝的非晶质固体颗粒。另一方面，已经知道地层水中含有溶解的钙、镁离子，但这些井中随油一同产出的水中却根本没有这些离子。这一现象暗示，原来地层水中的钙、镁离子已和注入液起反应，生成了非常难溶的氢氧化镁［Mg（OH）2］和碳酸钙（CaCO3）等盐类。这种地层水和凝析液的不配伍，反应生成难溶的沉淀物，将导致渗透率的降低。解决蒸汽凝析液与地层不配伍的办法之—，是对锅炉给水进行预处理。此外，凝析液中悬浮固体颗粒对地层的损害也值得注意。在油田作业标准中规定，锅炉给水中的微细颗粒清除到40μm是必要的。然而Lois的报道指出，甚至在小于8μm范围的微细颗粒也会导致地层渗透率的下降。

综上所述，注蒸汽造成地层伤害的主要原因是由于蒸汽凝析液的高pH值、高温、低含盐量等所引起的黏土不稳定性、矿物的溶解，以及与地层水的不配伍等。此外，锅炉排出物的悬浮固体颗粒，也是造成油层损害的一个原因。

7．4．1．2　注蒸汽采油的油层保护

综上所述，矿物溶解、膨胀及矿物转化均能造成油气层的损害，尤其是发生了物化作用与水热反应。为了减少这些损害，对油层进行保护，需调整和控制注入蒸汽的质量与参数。

（1）蒸汽注入速度的控制。由于黏土矿物的水敏性，蒸汽凝析液的作用与此相似，故应控制其临界注入速度。

（2）注入蒸汽pH值的控制。应将pH值控制在某一临界值（实验结果表明，pH值以9为宜），在此临界值时的各种温度下，蒙脱石膨胀率最小，矿物溶解量最小，没有析出新的硅质矿物。

（3）采用合理的防砂措施。

（4）提高蒸汽的干度。

（5）对锅炉排出蒸汽进行处理，清除机械杂质。

（6）添加硝酸铵、氯化铵等胺盐，降低pH值和硅的溶解，其添加量与NaHCO3含量成正比。

在注蒸汽开采稠油过程中，油层的损害是极其复杂的，往往同时出现几种损害机理的综合作用，因而在油层保护措施方面应综合考虑各种方案，将油层损害降低到最低程度，达到保护油层的目的。