粘土膨胀控制.ppt

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第三节粘土膨胀控制,第三节粘土膨胀控制,一、粘土膨胀的危害粘土矿物是由原生矿物经风化和成土作用重新形成的一类次生矿物，属于层状硅铝酸盐。

在注水作业中最感兴趣的粘土矿物主要有蒙脱石、伊利石、高岭石、伊/蒙间层和绿/蒙间层等。

它们在与水或有机化合物接触时，有不同的膨胀性。

第三节粘土膨胀控制,1.常见的粘土矿物类型就成因来说，粘土矿物分为原生粘土矿物、次生粘土矿物和复合成因的粘土矿物。

成因不同，就影响粘土矿物的产出状态。

原生粘土矿物是与较粗的沉积颗粒一道沉积下来，或是在成岩作用较早阶段渗滤进入孔隙，以杂质形式充填于孔隙中，颗粒细小，在一般显微镜下形态模糊，难以看清楚。

实际上，像这种最初外来的细小微粒，在孔隙水较为活跃的地带都发生了以原来的矿物微粒为成核质点，从周围流体介质中俘获利于自己生长的物质而不断变大，形成具有复合成因的粘土矿物。

这种成因的粘土矿物多以团粒状充填于孔隙中。

另外就是次生成因的粘土矿物，如长石类矿物在成岩过程中因孔隙流体活跃而发生蚀变，粘土矿物从孔隙流体中淀出等。

形成以栉壳环边状产出的绿泥石，以桥接于颗粒间产出的伊利石，以薄膜状产出于颗粒表面的蒙脱石或其混层等。

高岭石多充填于孔隙中。

第三节粘土膨胀控制,第三节粘土膨胀控制,2.典型粘土对储层敏感性的特征高岭石是比较稳定的非膨胀性的粘土矿物，一般不易水化分散。

但在一定高流速流体的冲击作用下，会导致解理裂开分散，产生分散运移而损害储集层。

另一种高岭石呈天然水化形成多水高岭石，在脱水前比脱水后易分散运移。

蒙脱石与水接触时，水溶液中的离子成分、浓度变化都将极大地引起蒙脱石的物理化学性质的变化。

由于蒙脱石与水溶液的阳离子交换，随着蒙脱石与水溶液接触含量与时间的增加，水化程度和晶面间距增大。

若在流体流动冲击下（无论是酸或碱介质条件下都是如此），会导致晶层膨胀裂开，呈凝聚体伴随流体运移，损害储集层。

第三节粘土膨胀控制,伊利石是一种不膨胀的粘土矿物，但在某些情况下，如弱酸性水的淋滤作用，最终会导致晶层面K+离子脱出而被其它的阳离子（Na+、Ca2+、或H2O）替代，出现晶层膨胀。

绿泥石晶层一般不具有膨胀性，但降解绿泥石，将同伊利石失去K+一样而膨胀。

混层粘土矿物在储集层中较常见，由于混层中膨胀层的膨胀与收缩，对储集层物性和地层损害有极度影响。

所以，人们常以混层矿物中膨胀层的比例来评价储层潜在的问题的程度。

混层矿物中相间的膨胀层，常因盐度的波动而收缩和膨胀不定。

当然，主要是以膨胀和分散运移两种方式伤害地层，混层比是储集层潜在伤害的重要参数。

第三节粘土膨胀控制,第三节粘土膨胀控制,粘土矿物除上述水敏（盐敏是水溶液的特殊情况，即高矿化度水溶液的敏感性）、速敏外，储集层还存在酸敏（碱敏是酸敏的特例，即pH值变化）即通常所说的“五敏”。

酸敏是指储层岩石与流体作用产生化学沉淀或酸蚀后释放出的微粒运移引起渗透率下降。

第三节粘土膨胀控制,3.粘土矿物对储层的伤害对于不同种类的粘土矿物在相同或不同的油田储层改造措施中具有各自的主要伤害方式，有其特殊性。

如绿泥石或含有绿泥石层的矿物在酸化作业中容易产生酸敏。

但就伤害方式的普遍性来看，各类粘土矿物都有一定的分散性、膨润性、吸附性、阳离子交换性，造成微粒运移和由阳离子交换结垢，伤害储层又是其共性。

实际上，在地层中只要地层微粒（37m）存在，就会出现微粒运移，就有伤害储层的可能性（MukulM，Sharma,1993）。

同样，地层流体中若含有活动的二价阳离子（Ca2+、Mg2+），就有可能结垢伤害储层。

第三节粘土膨胀控制,

（1）结垢由粘土矿物的结构知道，各粘土矿物都有一定阳离子交换能力。

而阳离子交换是结垢的一大主要原因，这主要是溶液中的Na+等去交换了粘土矿物中所含的部分二价Ca2+、Mg2+等。

对于这种结垢机理在实验室已得到很好的证实。

用不同浓度的NaOH与Na2CO3分别对蒙脱石进行浸泡处理，在一定的反应时间后分别进行XRD分析。

结果表明：

无论是何种浓度的NaOH溶液还是Na2CO3溶液，随着反应时间延长蒙脱石的一级峰由低角度（大间距）向高角度（小间距）发生漂移，证明原来高晶面间距的Ca-蒙脱石发生Na+交换了Ca2+而成了低晶面间距的Na-蒙脱石。

第三节粘土膨胀控制,另一种结垢机理是：

在碱驱化学驱过程中，碱可与酸性氧化物SiO2和中性氧化物Al2O3反应生成各自的酸根，在与二价离子结合生成硅酸钙和铝酸钙等垢造成储层伤害。

这种结垢机理已经为研究所证实。

第三节粘土膨胀控制,

（2）微粒运移在一般情况下，伊利石、绿泥石属于晶层非膨胀性矿物，而蒙脱石、含蒙脱石层的混层矿物属于晶层膨胀矿物。

这只是针对粘土矿物晶层而言，为内部膨润。

实质上，由于粘土矿物颗粒微细，比表面大，液体分子在其表面吸附很强；其二，由于粘土矿物晶片易碎，往往在破裂边缘局部产生多余的电荷，对极性分子来说有较大的亲和力；其三，多数粘土矿物沿001方向解理较为完全，解理缝较发育，水分子可进入其间，造成颗粒分散与外部膨润现象。

当有合适的外来离子时，可发生一定数量的阳离子交换。

综合结果就是微粒运移和结垢。

当然，这种现象对于蒙脱石及含蒙脱石层的混层矿物就更为明显。

第三节粘土膨胀控制,二、粘土膨胀的预测方法1.润湿性法通过查阅大量的文献可以看出，水湿的地层变成油湿后，可以将油相的渗透率平均降低约40%，可见其危害性，因此有必要对其展开详细的研究。

润湿性的主要影响因素有矿物成分、水的含盐度和pH值、束缚水饱和度、孔隙结构特别是孔隙壁的曲度。

孔隙界面的润湿性是影响各种流体相分布和运移、含油气地层伤害程度的重要因素之一。

由于岩石润湿性因岩石和流体的相互作用以及储层流体条件的变化而反转，因此，预测润湿性反转对地层伤害的影响是一个非常复杂的课题。

虽然，形成储集岩的矿物通常是水湿的和重有机物质的沉积，例如沥青质和石蜡，在油藏长期开采过程中，可能使其变为混合润湿或油湿，这取决于原油的组成和储层条件。

润湿性可用各种方法表示，包括Amott和USBM指数。

在油藏的开采过程中，润湿性可随着各种不同的情况而变化。

第三节粘土膨胀控制,

（1）水岩石相互作用对矿物润湿性的影响润湿性是沉积层中的一个重要特性，影响到油层中流体的分布、毛细管压力、相对渗透率和流体性质（Dubey和Waxman,1991）。

润湿性是不混溶流体优先在固体表面上扩散的一个量度（Civan和Donaldson,1987;Gratton等,1995），因此，当水趋于扩散覆盖到固体表面时，这种固体称之为水湿物质，反之称之为油湿物质。

接触角是衡量流体在单一连续表面上扩散能力和润湿特性的一个好的指标。

当接触角度较小（90），表明润湿性特弱；90表示为中性润湿性，流体接触角正好是90度的概率非常小。

第三节粘土膨胀控制,储层岩石的润湿性控制了体系的位置、流体分布及流动性质，影响地层毛细管压力、相对渗透率及残余油饱和度，因而决定了储层原油采收率。

注水采油时，水湿系统的原油采油率比油湿系统高。

由于原油采收率的提高意味着巨大的经济效益，因而成为世界上各大公司竞相开展的研究课题，目前主要通过模拟实验法进行研究。

研究表明：

影响储层润湿法的因素包括：

原油中分离出的表面活性物质、矿物（尤其是粘土矿物）表面吸附原油重质组分-沥青质和树脂组分的含量及氮、氧、硫极性化合物的吸附量。

岩石吸附极性含量组分低，则水湿性强；相反，则油湿性强。

控制树脂和沥青质在矿物表面上吸附的关键因素包括：

矿物表面上水膜的存在及其厚度和稳定性；矿物基质的的化学性质与结构；原油中沥青质和树脂的含量；原油中沥青质和树脂以胶束聚集体的形式存在；原油中的烃类馏分稳定胶束聚集体或使之溶解成为真溶液的能力（林壬子等，1995）。

这些认识对改善储层性质是极有益的。

第三节粘土膨胀控制,

（2）孔隙物质中润湿性分类及其判断依据注水过程中为防止腐蚀和结垢经常需要加入缓蚀剂和阻垢剂，回注的产出水中可能还含有乳化剂和表面活性剂。

这些化学剂的主要成分具有很强的极性，趋于吸附在砂粒和碳酸盐颗粒上。

这种化学吸附可引起渗透率和润湿性的改变（通常会更亲油）。

第三节粘土膨胀控制,孔隙物质中的润湿性可分为两大类：

1）均匀或均质的润湿性；2）不均匀或不均质的润湿性（Cuiee,1991;Kovseck等，1992；McDougall和Sorbie，1995）。

均匀润湿的孔隙物质的整个孔隙表面要么是完全水湿要么是完全油湿。

然而，大多数沉积层是非均匀的，因为它们一般包含分离的水湿区和油湿区。

沉积岩中可以划分为两类不均匀润湿性：

1）混合润湿性；2）部分润湿性（McDougall和Sorbie，1995）。

混合润湿性描述的岩石仅仅有较大的油湿的孔隙和较小的水湿孔隙，造成这种混合润湿的条件是油优先运移到大孔隙中，接着发生沉淀，例如沥青质、蜡、树脂，从而将水湿变为油湿（McDougall和Sorbie，1995）；而部分润湿性描述的是由于表面矿物类型的不同岩石在许多部位具有不同的表面特性。

因此在部分水湿地层中，水湿和油湿的孔隙可以遍及所有的大小孔隙。

第三节粘土膨胀控制,正如McDougall和Sorbie（1995）指出：

“岩石-卤水-油系统的润湿性不能用一个接触角来描述，因为决定系统润湿性的孔隙空间是各个三相接触区的多个接触角。

一个完全润湿性的描述需要孔隙空间的形态描述和接触角作为流体分布的一个边界条件。

”因此，孔隙物质润湿性描述是一相艰巨的任务。

如Robin等（1995）所述的：

“接触角是一个宏观的概念。

”Jerauld和Rathmell（1997）认为当视（如实测的）接触角30（测量值）时，地层优先水湿；当150时为优先油湿；当30150时，则为混合湿发生。

第三节粘土膨胀控制,量化润湿性的一个实用方法是流体驱替过程中的简化研究（Sharma,1985）。

正如Grattoni等（1995）阐述的：

驱替过程是将润湿相饱和度增加时成为吸收，而润湿相饱和度减小时成为排出。

每单位体积的驱替作用等于毛细管压力曲线所指示的面积（Yan等，1997）。

因此，Donaldson等（1980）用一种实用方法，即将毛细管压力零线上下的毛细管压力曲线面积A+和A之比的对数定义为润湿性指数，使确定孔隙介质润湿性的难度得以减轻Donaldson和Crocker（1980）的USBM。

第三节粘土膨胀控制,于是，根据方程（5-22），将孔隙物质划分为：

（1）WI0，水湿；

（2）WI0，中性润湿；（3）WI0，油湿。

很多研究已经指出，在地层伤害过程中润湿性变化是由于岩石、流体和颗粒的相互作用等造成的孔隙表面特征改变所致。

Donaldson（1995）的图5-17表示砂岩的毛细管压力曲线和由粘土堵塞造成的润湿性变化。

第三节粘土膨胀控制,第三节粘土膨胀控制,同样地，用Amott（1959）对水的润湿性指数也能表示，正如Jerauld和Rathmell（1997）所述，一种相的Amott（1959）指数定义为自吸收量与吸入和外替入量的和之比，即：

Amott-Harvey润湿性指数则定义为：

第三节粘土膨胀控制,Jerauld和Rathmell（1997）指出，Amott-Harvey润湿性指数与Prudhoe的初始饱和度呈线性关系，随该初始饱和度增加而增加。

Ertekin和Watson（1991）指示，润湿性指数与平均孔喉长度呈负相关，随长度而下降。

Durand和Rosenberg（1998）用低温扫描电子显微镜研究，确定了含粘土地层总体或视润湿性受粘土矿物的类型、形态、数量、位置，以及捕获在孔隙空间中的流体影响很大。

他们的解释是，当水湿高龄石和片状伊利石在原油中老化时，这些矿物吸收某些原油成分而变成油湿。

而纤维状的伊利石显示出对油的任何亲和性，仍然保持油湿状态。

第三节粘土膨胀控制,因此，即使含少量片状伊利石的高龄石在用油老化后也能使含粘土的砂岩成为油湿。

一旦转化成油湿系统，就像Durand和Rosenberg在图5-18中示意描述的那样，由于毛细管力大，含粘土砂岩滞留原油，成为排斥水。