油气藏地层水蒸发产生盐析的研究新进展.pdf

5 0 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ P RODUCT I ON T EC HNOL OGY 2 0 0 9年 9月 S e p ．2 0 0 9 油气藏地层水蒸发产生盐析的研究新进展 蒋红梅 ， 汤 勇 ， 陈 文 ， 何 良泉。 ， 李 旭4 ， 黎阳龙 1油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学2江苏油田 3胜利油田4冀东油田南堡作业区5川庆钻探工程公司 蒋红梅等．油气藏地层水蒸发产生盐析的研究新进展． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 5 5 0 5 3 摘要 在 国内外有关盐析的研 究 中均忽略 了高温条件下地层水蒸发 过程 中盐析对油 气藏 流体 相态、 渗 流和 开发动态的影响。从地层水蒸发过程中盐析的产生机理分析着手， 得 出影响盐析的主要因素是地层水的矿化度， 且盐析主要发生在近井带和井筒中， 其中以近井带5 m范围内最为严重。盐析一旦发生会堵塞孔道， 伤害储层， 减 少气并的产能。并以渗透率的下降程度作为评判盐析对储层伤害程度的指标。分析地层水的化学组成变化。 从而 进行盐析的早期测定， 并根据不同地层水水型确定不同的盐析判定原则。综合分析认为， 针对地层水蒸发过程中 产生的盐析 现象 ， 研 究盐析的渗流理论 和盐析规律 以及盐析对储层的伤害具有 重要 的科 学意义。 关键词 地层水；蒸发 ； 盐析； 储层伤害； 早期检测 中圈分类号 T E 3 1 1 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 8 X ． 2 0 0 9 ． 0 5 ． O 1 8 随着油气勘探开发技术的不断发展 ， 国内外发 现了越来越 多的高温 高压油气藏_ 1 J 。在高温高压 地层条件下， 地层水极易被蒸发 ， 从而以气态形式进 入到油气藏流体 中。地层水蒸发导致气体中的含水 量增加 ， 剩余地层水的矿化度增加 ， 当剩余地层水矿 化度达到临界值 ， 盐就会产 生沉淀 ， 即“ 盐析 ” _ 2 J 。 盐析一般发生在近井地带和井筒 内， 盐析 的产生会 堵塞孔道 ， 降低地层渗 透率 ， 导致井 的生产 能力下 降， 严重时甚至可能使井废弃。 目前国内外均发现 了许多产生盐析的油气 田， 如 国外的 P i n e y w o o d s 油田 、 R o t l l e g e n d e 气 田 、 北 海 B r a g e油田 等； 国内盐析情况 比较严重的油 田 以中原油田、 长庆马岭油 田为代表 ， 盐析情况较轻的 有吐哈丘 陵油 田、 善鄯油 田等 』 。国外 在 2 0世纪 7 0年代就 已经有 了关于地层水蒸发及盐析方面的 研究 ， 但在盐析的产生规律等方面尚未形成一个成 熟的理论 ， 而国内关于地层水蒸发和盐析方面的研 究几乎为空白 J 。 本文从地层水蒸发过程中盐析的产生机理 、 对 储层的伤害以及盐析的早期检测几个方面做了广泛 的调研， 指出盐析对于高温高压油气藏的开采机理 和开发动态的影响不容忽视 ， 进一步开展地层水蒸 发产生的盐析规律及其对储层伤害的研究对于指导 该类油气藏的正确开发具有重要理论和应用价值。 一 、地层水蒸发过程中盐析的产 生机理 K l e i n i t z 在储气水层 中通过压 降试井 检测到 了 N a C 1 沉淀 ， 指出 N a C 1 沉淀的产生是 由于饱和盐 水充填到了孔 隙中， 并评价了盐析对于生产动态的 影响。P l a c e和 S m i t h 通过 比较 P i n e y w o o d s 油 田某 口井产 出流体 中 C 1 一 ／ K 值和 c l 一 ／ L i 值的减小程 度， 认 为裸 眼段 的 N a C l 沉淀对产量的下 降影 响很 大， 并指出只有当产油层 的矿化度超 出上覆高饱 和 度层的矿化度 时， 才会产生盐沉淀进而发生堵塞。 Mo r i n和 Mo n t e l 在研究地层 中 N a C 1 沉淀的原因时 认为 ， 盐析是由传质现象引起 的， 在传质过程中， 所 有的地层盐水或者部分地层盐水被蒸发进气相中。 提出了影响盐析的 3个条件 ①气体在不同含水饱 和度层间流动时， 某一层未饱和气体可能蒸发另一 层的盐水 ， 从而产生盐层。一般来说 ， 这种现象发生 在井射孔层段的顶部或裸眼井段； ②压力大幅度降 低 ， 为井筒中的局部蒸发创造 了有利条件 ， 从而有利 于岩盐的析出； ③随着气体的流动 ， 微小原生水滴迅 速被蒸发 ， 从而导致盐 晶体 的产生。D i e t z s c h L l 提 收稿 日期 2 0 0 9 0 41 7 基金项 目国家 自然科学基金项 目“ 考虑地层水蒸发的高温高压油气藏相态和渗流机理研究” 编号 5 0 6 0 4 0 1 1 的资助。 作者简介 蒋红梅 1 9 8 4 一 ， 女， 硕士研究生， 2 0 0 6年毕业于西南石油大学， 主要从事油藏工程、 油藏数值模拟方面的研究工作。地址 6 1 0 5 0 0 I t J q 省成都市新都区西南石油大学研究生部硕 2 0 0 7级 2班 ， 电话 1 3 4 3 8 4 7 5 8 3 2 ， E ma i l 2 8 4 8 1 4 6 5 3 q q ． c o m 第 3 2卷第 5期 V0 1 ． 3 2 No ． 5 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆ P R OD U C T I O N T E C HN O L O G Y 51 出了“ 动态” 晶胞模型， 用 以模拟影响盐沉淀的主要 参数 ， 并指出衰竭气藏 中的盐析区别于注干气到储 气的多孔 水层 中的盐析 。W．K l e i n i t z ， M．K o e h l e r 和 G．D i e t z s c h u 4 从地层水和气体 之间 的热力平衡 以及溶解盐和地层水之 间的热力平衡 两个方面 出 发 ， 研究了地层压力和溶解盐对水相的影响， 解释了 盐运移和析出的机理。 在生产过程 中， 井附近 3 0 m 的范围内均可能产 生盐析， 这在一定程度上取决于地层水的初始矿化 度[ 1 o 3 。一旦盐析产生 ， 近井 5 m范围内较严重 。 研究发现 ， 在气／ 水体系平衡 的条件下， 当采收率超 过 3 8 ％时 ， 盐水密度为产生盐析 的盐水临界密度 ， 开始 出现盐析。当采收率超过 5 0 ％时， 没有地层水 产出。 以甲烷中的含水量为例 ， 图 1 说 明了衰竭气井 中盐析的产生 ⋯。 压力 1 0 P a 图1甲烷中的含水量随地层压力的变化图 当该气藏地层压力降至 2 0 0 x 1 0 P a ， 甲烷 中的 含水量开始快速增加 。地层压力 降低 ， 地层水蒸发 就快， 剩余地层水的矿化度因此而增加， 当增加到地 层水的临界矿化度开始出现盐析。产生盐析的盐离 子在地层水中的分布方式与运行行为是其盐析过程 的一部分 ， 与离子强度 、 离子活度直接相关 ， 主要取 决于地层水的矿化度。 当地层水不运移并且盐不蒸发时 ， 地层 中任意 处的盐离子含量应该保持不变 ， 即 S M i lCo r t s t 当压力下降时 ， 一部分地层水被蒸发 ， 则剩余地 层水的矿化度发生变化 ， 故有 S x M i l S M 从而可以得到剩余地层水的矿化度为 S M W -M a l U 当 M≥Mc m ， 盐析产 生。其 中， 州 是地 层 水的临界矿化度 。 中原油 田 C O 吞 吐试验研究表明 ， 近井带堵塞 的原 因之一就是该油田地层水矿化度含量高。高矿 化度地层水 的存在使得油气层开采时井筒和油水集 输管网盐析十分严 重 。采 出过程 中温度和压力 的变化有利于井筒内特别是井筒下部和近井地带的 盐析 。 二、 盐析造成的储层伤害 盐析一旦发生 ， 首先会堵塞孔道 ， 一方面 ， 缩小 渗流空间， 从而降低地层的绝对渗透率 ； 另一方面， 增加流动阻力 ， 降低油气 的相对渗透率 ， 最终影响井 的产能。 Z u l u a g a ， E ． 和 Mo n s a l v e ， J ． C ． _ l 研究了气 藏中 的水蒸发。实验采用 N a C I 浓度为 1 0 0 k g ／ m 的盐水 和低含水量 的工业 甲烷 ， 使 甲烷流过原始含水饱 和 度 S i 1 8 ％ 状态下 的岩样进行水蒸发实验。通 过在 C MS一3 0 0设备 中测定蒸发前 、 后干岩心 的克 氏渗透率 ， 从而确定 出盐析对 于地层绝对渗透率 的 影响。 结果表明， 渗透率降低 1一K A ／ K b 如 范 围大 约为 1 4 ％ ～ 2 1 ％。由此说明， 降低是储层损害 的第 一 步 ， 并随时问而累积 ， 从而对储层造成更严重的损 害。 E． Z u l u a g a等 以疏松 O t t a w a s a n d p a c k s 和致 密 B e r e a岩心为研究对象。通过气体流经多孔介质 引起地层水蒸发以及对储层损害的实验研究 了盐析 对渗透率的影响。研究表 明， 蒸发过程 中在 多孔介 质 中沉淀的 N a C 1 造成了渗透率的降低 。 对于疏松的 O t t a w a岩心 ， 矿化度为 1 5 g ／ L的盐 水导致渗透率降低 了 0 ％ ， 矿化度为 5 5 g ／ L的盐水 导致渗透率降低 了 2 l ％ ， 而高矿化度为 1 5 0 g ／ L的 盐水 ， 渗透率的降低将达到 5 0 ％左右 。由此说明矿 化度的大小会影 响最终渗透率值 。矿化度越高 ， 渗 透率降低越多 ， 伤害越大。 对于致密 的 B e r e a岩心 ， 测定 了空气渗透率和 盐水渗透率 表 1 。 表 1 B e r e a 岩心 的渗透率及储层伤 害表 m 多孔 矿化度 储层伤害 ％ 介质 g ／ L 1 0～ m 2 1 0～ m K Be r e aM2 1 50 7 4．1 5 8．1 7 0 53 Be r e aM3 5 5 1 44．1 8 7． 7 52 43 B e r e aM5 l 5 1 7 9 ． 1 1 3 9 ． 2 l 8 9 通过空气测得的渗透率损害程度为 1 8 ％ ～ 7 0 ％ 。通过盐水测 得 的渗透率 损害程 度为 9 ％ 一 5 2 钻 采 工 艺 DRI LL I NG ＆ PR0DUCT 【 ON TE CHNOL 0GY 2 0 0 9年 9月 S e p ．2 0 0 9 5 3 ％。在测量流体渗透率期 间， 流体可 以减缓 N a C 1 沉淀 ， 并且能够引起空气渗透率和盐水渗透率 的不 同。比较疏松砂岩和致密 B e r e a 岩样的储层伤害程 度 ， 可以看 出， 致密岩心 的渗透率破坏更大， 储层伤 害更严重。 地层 中产生盐析的范围会随着生产的进行变得 越来越大 ， 甚至在生产套管和射孔层段均可能产生 盐析。为 了消除或尽可能减小盐析对生产的影响 ， 维持或恢复地层原始渗透率状态 ， 对于盐沉淀的清 除及预防， 除用刮刀等机械移 除井筒和射孔层段 的 盐垢外 ， 还可采用淡水处理 。 三 、 盐析的早期测定 为了尽可能早地 了解地层的盐析状况 ， 对盐析 采取防治措施 ， 从而尽量减小盐析引起的储层伤害 和井产能的减损程度 ， 对地层进行盐析的早期测定 是非常必要的。在该类油气藏 的开采中， 增产措施 快速实现的一个重要条件就是基于盐析 的早期测 定。经验表明， 井的采油／ 气指数的变化不能用于预 测盐析产生与否。 G r a h a m 1 4 ] 等通过一组计算来预测北海地层 的 盐析。结果表明， 1 9 5 C时大约蒸发 了4 0 ％的水 ， 造 成大量盐析。然而 ， 该计算模型存在一定的局限性 ， 当受高矿化度盐水影响时， 会造成预测不准确。E ． Z u l u a g a和 L _ W． L a k e 提 出了一个水蒸发的半解 析模型 ， 通过一个新 的平衡常数 从而预测 出在 多孔介质中有更多的矿物沉淀 。 C a r p e n t e r 1 6 ] 许 多年 前就 已经认 识 到 了 Z e c h s t e i n含盐层序地层中海水的蒸发， 各种沉积层序里 盐水中溶解离子 的浓度变化 。在蒸发过程中取得水 样并进行分析从而确定水样的化学组成 ， 并在此基 础上确定出离子浓度和盐水的相应密度 。该分析可 以表明油气藏和井中存在无机垢 。 W．K l e i n i t z ． M．K o e h l e r 和 G ．D i e t z s c h 提 出 根据 R o t l l e g e n d e气 田产 出地层水 的化学组 成对井 下盐析进行早期测定 ， 也就是用夹带水 中的 N a ／ K、 N a ／ C a C 1 、 N a ／ L i 等值测定盐析的产生。一旦发 生盐析， 这些 比值显著变化。生产过程 中气体夹带 的地层水里的离子分布的分析可以有效指导盐析的 早期测定 。 由于各离子 比值是盐水密度的函数 ， 从各 离子 比值 的变化可 以确定 出盐 析产生的时间。研究发 现 J ， 当盐水密 度达到 1 ． 2 3 5 g ／ c m 后可 以观察到 盐析。达到这个密度后， 所有离子的浓度随着密度 呈线性增加。对比各离子比值在盐析前 p 1 ． 1 0 0 1 ． 2 3 5 g ／ c m 、 后 P 1 ． 2 5～1 ． 3 0 g ／ c m 的敏感性 ， 发现盐析前 N a ／ K值约为 1 6 ， 盐析过程中该值迅速 降至 1 6以下 。盐析前 N a ／ L i 值约为 4 6 0 ， 盐析过程 中 N a ／ L i 4 0 0 。 从海水的蒸发可知， 钾盐在沉积层序末期析出； 在初始含盐层序 中， 钾 、 锂以及溴化物滞留在溶解物 中。当盐结 晶后 ， N a 浓度降低。因此， 常采用钠和 钾的比值作为盐析早期测定的一个指标 。 1 ． O 0 1 ． O 5 1 ． 1 0 1 ． 1 5 1 ． 2 0 1 ． 2 5 1 ． 3 0 1 ． 3 5 1 ． 4 O 1 ． 4 5 密度 g ／ c m3 图2某气田N a ／ K 值与盐水密度的关系图 由于 M g C O 在水 中的溶解度 0 ． 2 2 3 g ／ L 几乎 是 C a C O 在水 中溶解度 0 ． 0 5 3 g ／ L 的4倍 ， 因此与 Mg C O 相比， C a C O 是一种难溶 盐， 优先沉淀析 出。 这种情况也导致 C O ； 一离子在水 中的浓度相应降 低 ， 使得 Mg C O 的析出趋势同样相应降低， 所 以首 先析出的是 C a C O 沉淀 。同样 ，C a S O 析出趋势也 低于 C a C O [ 1 7 J 。不同油气藏地层水水型不同， 析 出 的盐不 同， 则预测盐析的原则不同。 预测 C a C O 析 出的方法 有两 种， 一 种是 基 于 O d d o和 T o m s o n的研究饱和 比法 ， 另一种是基 于 中原油田研究 的饱 和指数 S I 和稳定指数 S A I 法 。饱和 比的定义如下 s 肛 式 中 一饱和 比； O , i c a 和 C O 一离子的活度； 。 一 C a C 0 ， 的热力学溶度积。 若 S R1 ， 体系过度饱和 ， 可能出现沉淀。 饱和指数 S I 和稳定 指数 S A I 法主要用 于 C a C O 盐析的趋势预测。S I 0表示产生盐析 ， S I 0表示地层水 中 C a C O 处于 平衡稳定状态。S A I 4 ． 5～ 5 ． 0时盐析较严重， S A I 5 ． 0～ 6 ． 0时轻度盐析， S A I 6 ． 0～7 ． 0时微盐析 或腐蚀 ， S A I 7 ． 0～ 7 ． 5时腐蚀显著。 C a S O 析出的判定原则 计算 出的石膏溶解 第 3 2卷 V 0 1 ． 3 2 第 5 期 No ． 5 钻 采 工 艺 D R I L UN GP R O D U C T I O N T E C HN O L OG Y 5 3 度与地层水中 c a 和 s 0 一 离子的实际浓度 m g ／ L 进行比较 ， 若石膏溶解度值 比 c a 和 s 0 一 离子二 者 中任何一种离子浓度都大时 ， 则地层水未被石膏 饱和 ， 不会 出现 C a S O 析出现象 ； 若石膏溶解度值小 于c a 和 S O 一 离子这两种离子浓度中较小者时， 则就可能析出 C a S O 。 四、 结论 1 国内外均发现 了许多产生盐析 的油气 田。 盐析会堵塞孔道 ， 减损井的产能， 且会随着地层水的 蒸发对油气藏的相态产生影 响， 最终会影响油气藏 的正确开采 ， 因此 ， 考虑地层水蒸发过程中的盐析是 正确开发高温高压油气藏的保证之一。 2 盐析一般产生在 近井地带 和井筒 中， 且在 近井 5 i n范围内较严重。地层水的盐析程度直接决 定了其对储层的伤害程度 ， 即渗透率的下降程度 ， 主 要影响因素是地层水 的矿化度 。盐析 的早期测定 ， 多数采用分析地层水的化学组成的方法。根据地层 水各离子比值 的变化可 以确定出盐析产生的时间。 由于不同油气藏的地层水水 型不 同， 析 出的盐物质 不同， 则各类盐析物质有不同的判定原则。 3 综合 国内外关 于盐析的研究 状况可知 ， 目 前尚未形成成熟的地层水蒸发过程中盐析的渗流理 论和产生规律。为 了能全面正确地认识盐析 ， 有必 要进一步开展地层水蒸发产生的盐析规律及对储层 伤害方面的研究。 参考文献 [ 1 ] 汤勇， 杜志敏， 孙雷， 等． 考虑地层水蒸发的异常高温油 气藏相态和渗流研究 现状 [ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 7 ，3 0 5 8 2 8 5 ． [ 2 ] 汤勇， 杜志敏， 张哨楠 ， 等． 高温气藏近井带地层水蒸发 和盐析规律研究 [ J ] ． 西南石油大学学报，2 0 0 7 ，2 9 2 9 6 9 9 ． [ 3 ] P l a c e M C， a n d S mi t h J T ．A n U n u s u a l C a s e o f S a l t P l u g - g i n g i n a Hi g hP r e s s u r e S o u r G a s We l l [ C] ．p a p e r S PE1 3 2 46 p r e s e n t e d a t t he 5 9t h An n um Te e hn i c M Co n f e r e n c e a n d e x h i b i t i o n ， H o u s t o n ， T X ． S e p t ． 1 61 9 1 9 8 4 ． [ 4 ] K l e i n i t z W， K o e h l e r M a n d D i e tz s e h G ．T h e P r e c i p i t a t i o 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Me e t i n g h e l d i n P i t t s b u r g h，P e n n s y i v a n i a ，U 。 S A ， 61 0 S e p t e mb e r 2 0 03． [ 1 3 ]Z u l u aga E ， Mu n o z N I ， a n d O b a n d o G A ．A n E x p e r i m e n - t M St ud y t o Ev a l ua t e W a t e r Va p o riz a t i o n a n d F o r ma t i o n Da ma g e C a u s e d b y Dr y G a s F l o w T h r o u g h P o r o u s Me d i a [ C] ．S P E 6 8 3 3 5 p r e p are d a t th e S P E I n t e ma t i o n M S y m - p o s i u m o n Oi l f i e l d S c a l e h e l d i n Ab e r d e e n，UK，3 0 3 1 J a n u a r y 2 0 01 ． [ 1 4 ]G r a h a m G M，e t a 1 ．T h e I m p l i c a t i o n o f H P ／ H T R e s e rvo i r C o n d i t i o n s o n t h e S e l e c t i o n a n d Ap p l i c a t i o n o f C o n v e n t i o n a l S c Me I n h i b i t o rsT h e rmM S t u d i e s [ C] ．S P E 3 7 2 7 4 p r e s en t e d a t t he 1 99 7 S PE I n t e rna t i o na l S y mpo s i um o n Oi l fie l d Ch e mi s t ry ， Ho u s t o n， TX． Fe b． 1 821． [ 1 5 ]Z u l u a g a E， a n d L a k e L W．S e m i A n 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