典型岩性控制的凝灰岩类储层及油井工作液研究进展.pdf

13石油化工引言典型岩性控制的高黏土矿物复杂岩性类储层凝灰岩因其强度低、孔隙度大、胶结弱的特性，极易水化膨胀给安全生产和经济建设造成严重影响。当钻遇凝灰岩地层时，凝灰岩的水化膨胀、分散不仅会导致井壁失稳、钻头泥包和井眼净化困难等一系列问题，而且造成压裂低砂比产生砂堵，导致施工失败，影响凝灰岩储层的进一步勘探开发。甚至在驱油阶段，引起水敏伤害，降低地层渗透率，堵塞地层孔道。因此，在油气勘探过程中，特别是进入低渗致密油气藏开发阶段，一是要保质保量提高钻完井速度；二是要规模化开发以水平井规模化压裂方式进行开采，目前大多以水基压裂液为主，但大量的液体进入地层，储层岩心黏土矿物极易水化膨胀，造成严重的伤害，产量严重下降，不利于油田的效益开发。因此，本文从凝灰岩类储层的岩性、物性、矿物特性、储集空间特征、岩心水敏作用机理以及在油气井中压裂液应用方面进行综述，并对未来适用于此类储层油气井压裂液提出几点想法及期望。一、凝灰岩的储层特征凝灰岩是一种典型岩性控制的高黏土矿物复杂岩，它主要由火山爆发而喷出的火山物质经搬运，沉积压实和水化学胶结等一系列物理化学作用固结成岩，是粘土物质胶结或被火山灰水解物质经压实而形成的粒度小于2mm或是更小的火山物质。以火山灰为主，此外还含有一定量的岩屑、晶屑和玻屑。凝灰岩储层的认识对致密油气田有效勘探开发具有重要意义，各地区凝灰岩储层特征虽然有其独特性，但也有其一致性。本文在大量文献调研的基础上，概括凝灰岩储层特征：第一，储集空间复杂。空间结构复杂，孔缝类型多样，几何形态各异，孔缝分布不均，孔隙连通性差。孔喉比大、喉道数量少、孔隙匹配性差；第二，岩性复杂、种类繁多。有火山熔岩，又有火山碎屑岩，多种岩性交替互层；第三，矿物组合多样。主要包括石英、长石、方解石、白云石等矿物；第四，物性差。多为低孔、低渗储层。火山岩渗透率低，储层孔隙度小；第五，非均质性严重。火山岩储层在垂向上和横向上均会表现非均质性。二、凝灰岩水化膨胀垮塌及抑制机理1.凝灰岩水化膨胀垮塌机理凝灰岩作为一种特殊的岩石，其成分和结构均比较复杂，若在工程设计中不能作出正确评价，施工方法缺乏应变能力，将给实际工程带来意想不到的危害。因此，要解决高膨胀凝灰岩带来的问题，必须研究凝灰岩膨胀崩塌机制。国内外对凝灰岩膨胀垮塌机理进行了相关研究，通过对凝灰岩矿物成分分析、微观尺寸、力学性质及黏土化学反应等方面研究了凝灰岩外观形貌、孔隙的类型，孔隙与孔喉的形状、大小、分布特征以及它们之间的连通和配置关系等。对该类岩性储层得到了一定的认识：含高黏土矿物岩石不完全由膨胀性黏土矿物引起，还可能是凝灰岩中含有大量的强亲水性矿物成分吸水膨胀以及可溶盐快速溶解所致。本文将通过以下几个方面详细阐述凝灰岩水化膨胀、垮塌作用机理：（1）粘土矿物吸水膨胀崩解机理粘土矿物遇水时就会发生吸水膨胀、崩解作用。组成粘土矿物的基本结构单元主要有两种，分别为硅氧四面体和铝氧八面体，而蒙脱石、高岭石、伊利石类都是由基本结构单元SiO4四面体和Al-（OH）八面构成。四面体晶片和八面体晶片按适当的方式结合，构成晶层，晶层按不同的比例配合，组成粘土矿物的基本结构层。对于不同的粘土矿物，晶体结构的差异导致其与水结合典型岩性控制的凝灰岩类储层及油井工作液研究进展廖天琪四川申和新材料科技有限公司成都分公司【摘要】典型岩性控制的水敏性凝灰岩储层，因其易水化膨胀的特性给现场施工带来较大难度，因此，分析了凝灰岩储层特性、水化膨胀坍塌机理，概述了凝灰岩储层压裂液室内研究及现场成功应用案例，并针对典型岩性控制的凝灰岩储层非均质性强、强水敏等现状对开发油气井压裂液的发展提出了一些建议，以期为凝灰岩储层压裂液体系的选择提供借鉴和参考。【关键词】凝灰岩；储层特性；水化膨胀；坍塌机理；油气井压裂液【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.16.00514石油化工的形式和能力不同。根据粘土矿物与水结合的形式，把粘土矿物的吸水膨胀机理主要分为外部膨胀和内部膨胀（晶格膨胀）。外部膨胀机理：粘土矿物颗粒度非常小，具有较强的结合水分子的特性，当它们与水接触时，水分子迅速进入层状粘土矿物颗粒之间，使层间水分子层不断扩层，粘土矿物层片间距增大。内部膨胀（晶格膨胀）机理：水分子进入内部晶层的膨胀叫作晶格膨胀，此时水分子进入晶层内部，发生晶格取代作用，使晶面间距增大。晶格取代会产生较多的负电荷，因此必须吸附周围等量的阳离子，使晶层分子层不断叠加，晶胞间距增大或扩散层增厚，导致岩石体积膨胀。同时粘土矿物不均匀的膨胀力也使得岩石内产生了不均匀的应力，产生大量的微裂缝，引发了岩样的孔隙结构运动，加速岩石吸水膨胀坍塌。（2）可溶性矿物/盐快速溶解机理粘土矿物吸水往往不一定是凝灰岩吸水膨胀的唯一原因，粘土矿物含量低同样会发生岩石膨胀的情况。水进入凝灰岩后，凝灰岩中的可溶盐溶解速度极快，盐的局部快速溶解使凝灰岩结构松软，凝灰岩强度降低。溶解于水中的元素以离子状态存在于岩石的空隙溶液中，因吸水变相和结晶而引起黏土体积的膨胀。因此，易溶矿物的溶解机制改变了岩石原有的矿物成分，导致物质的物理化学性质发生变化，其微观孔隙结构也就不同，岩石结构变得疏松，力学强度大幅下降。（3）矿物胶结弱化机理凝灰岩的膨胀强度和湿化崩解特性与泥质膨胀岩的成岩胶结程度密切相关，成岩胶结程度愈高，强度愈高，崩解性也就越弱。凝灰岩胶结物是孔隙溶液中沉淀出来的矿物质通过化学和生物化学作用将松散的沉积物粘结成坚硬岩石。胶结物划分为水溶性和水稳性胶结物质两类。水溶性胶结物包括易溶盐、亲水性有机质等。遇水产生膨胀，完全溶解或部分溶解，很容易在流动水（渗透）环境中被水带走，胶结丧失。水稳定性胶结物质遇水不发生反应，如一些游离氧化物，憎水性有机物、难溶盐结晶体等，此类胶结物的遇水稳定性对凝灰岩的崩解可以产生较好的抑制效果。因此，凝灰岩崩解性的强弱与胶结物胶结作用的强弱及其浸水稳定性有着密切关系。（4）孔裂缝发育坍塌机理凝灰岩孔隙和裂缝的多少和分布状态与膨胀的速度和程度密切相关，凝灰岩孔隙种类多样，主要有粒间孔、粒内孔和微裂隙，孔隙结构复杂，从微孔到大孔均有分布，并以介孔为主，凝灰岩的微孔隙是水分子进入和流通的重要通道，能够为水的进入软化提供途径，水分子通过微孔隙进入凝灰岩内部，溶解比较容易反应的矿物，加速了微孔隙的扩展、延伸和贯通，提高凝灰岩裂缝发育，加速了凝灰岩的吸水膨胀速度，导致凝灰岩渗透率增加。同时，膨胀加大地层压力，使产生新的孔隙裂缝。促进凝灰岩膨胀坍塌。2.黏土水化抑制作用机理各种黏土都会吸水膨胀，只是不同的黏土矿物水化膨胀程度不同而已。黏土水化膨胀受三种力制约：表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。表面水化机理为黏土表面上的H+和OH-通过氢键吸附水分子以及通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子，表面水化是一种短程范围内的相互作用力，这个作用进行到黏土层间有四个水分子层的厚度，其厚度为10(1nm)。而当黏土层面间距超过10时，表面吸附能量已经不是主导作用，此后黏土的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。由此可知，要完全抑制黏土水化膨胀，则需同时有效抑制黏土表面水化、渗透水化及双电层斥力作用。经过多年研究发展，大量学者提出不同的黏土水化作用机制，包括：晶格固定与拉扯（插层）、压缩双电层、包被隔水、表面改性（表面电性和亲水性）、离子交换、活度平衡、多点吸附机理等，以上所述几种抑制水化机理其核心是抑制黏土表面水化、渗透水化及双电层斥力作用从而达到抑制黏土水化膨胀的目的。三、凝灰岩储层压裂液研究及现场应用凝灰岩储层高含黏土矿物导致经常会出现膨胀、分散、运移等状况，使得地层渗透率降低，严重影响油田的正常生产运营，尤其在具有黏土矿物含量高、胶结弱、浸泡易散等岩性控制的高黏土矿物复杂岩性储层中更为明显。针对不同的油气储层概述凝灰岩储层压裂液室内及现场应用情况：1996年，杨振周采用磷酸酯作为稠化剂、含活性铝盐为交联剂及醋酸钠为破胶剂研发了适用于强水敏低渗透油气储层的柴油基冻胶压裂液。2005年，王玉普等人针对海拉尔油田沉凝灰岩强水敏储层研发了一套乳化压裂液体系，成功解决了早期砂堵问题，并取得了良好的改造效果。2012年，李超等人研制出一种高效防膨降滤失压裂液体系，该体系在90条件下，防膨率7.1%，滤失系数低于610-4m/min0.5，具有较好的防膨性、降滤失性。2015年，王勇等报道吐哈油田三塘湖马56区块条湖组为致密灰岩储层利用滑溜水弱15石油化工交联液体系沟通天然裂缝的分段压裂技术路线，为油田的高效开发奠定了基础。Qu等人针对阿根廷San Jorge盆地凝灰岩储层开发了一套清洁酸性交联冻胶压裂液体系代替传统胍胶压裂液，残渣含量远低于胍胶压裂液，可提高油气产量28倍。综上所述，截至目前高含凝灰岩储层主要集中在油基压裂液、乳化压裂液、交联压裂液研究方面，开发规模较小。油基压裂液对高黏土矿物含量的水敏地层防膨效果较好，不会造成黏土矿物膨胀、运移、堵塞地层孔隙，伤害地层渗透率。乳化压裂液防膨机理为压裂液进入地层在岩石表面形成膜结构，阻止乳化压裂液向岩石渗透，有利于岩石稳定；同时乳化压裂液增粘隔阻作用及柴油和水两相流动过程增大了流动阻力，因此，降低压裂液滤失。交联冻胶压裂体系其黏度远高于非交联体系或油基压裂液体系，因此可以有效隔阻压裂液向地层漏失。针对此类高含量凝灰岩储层，采用水基压裂液进行水平井规模开发现场应用尚未见报道。四、总结及展望随着我国基础设施建设和石油勘探的深度实施，在矿山、地下工程项目、油气井勘探开采等涉及凝灰岩软岩亦不可避免。针对典型岩性控制水敏性凝灰岩储层强度低、孔隙度大、遇水膨胀等特性如何妥当处理实际工程是当前亟待解决的关键问题。故本文提出以下建议：第一，虽然目前国内外对凝灰岩的物理特性和崩解机理有了较深的认识，但地下工程仍是一个比较复杂的难题。应针对各区域凝灰岩不同特点进行系统的物理力学特性分析，在充分认识其崩解机理和发展规律等理论基础上有针对地提出有价值的施工工艺和技术，更好的解决现场实际工程。第二，在石油压裂改造过程中，具有综合性能良好的压裂液是应对凝灰岩吸水膨胀坍塌的关键，而开发新型多功能抑制效果的防膨剂单体是核心。通过优化压裂液配方试剂，研发出低成本高效防水化压裂液体系。第三，创新配套技术。防膨性压裂工艺应采用多方面设计相结合方式，优化液体组合模式，采用复合防膨压裂液体系以应对复杂的水敏、盐敏凝灰岩地层。第四，开发新型多功能的压裂液体系，使高效防水化化学剂的研发应该向着低成本、绿色环保、适应性强的方向进行，以获得环境效益和经济效益的结合。参考文献：1W.WEDEKIND,R.LOPEZ-DONCEL,R.DOHRMANN.Weathering and deterioration of volcanic tuff rocks used as naturalbuilding stone caused by moisture expansionJ.Geophysical Research Abstracts,2012.2TAKAHIRO OYAMA，MASAHIRO CHIGIRA.Weathering rate of mudstone and tuff onold unlined tunnel wallsJ.Engineering Geology,1999(55):15-27.3张伟超，李银保，张国富，李晓鹏，李占森，李文锋.凝灰岩资源化综合利用研究J.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，2020(87):212-218.4J.A.WOLFF,J.V.WRIGHT.Rheomorphism of welded tuffsJ.Journal of Volcanology and Geothermal RESEARCH,1981(10):13-34.5T.C.CHEN,M.R.YEUNG,N.MORI.Effect of water saturation on deterioration of welded tuff due to freeze-thaw actionJ.Cold Regions Science and Technology,2004(38):127-136.6郑明雄，李保珠.滇西大平掌铜矿凝灰岩的特性及防塌研究J.工程勘察，2020(87):212-218.7王海龙，王东升，仲帅.冀西北地区凝灰岩吸水及膨胀特性研究J.实验力学.2020，35(03):432-440.8WANJA WEDEKIND,RUBEN LO PEZ-DONCEL,Weathering of volcanic tuff rocks caused by moisture expansionJ.2013(69):1203-1224.9孙付来澜沧老厂铅矿高膨胀易垮塌凝灰岩的微观结构研究D昆明理工大学，2018(87):212-218.10宋碧涛，陈雪艳，谭敏，曾甘林，代囟.聚醚多元醇抑制膨润土水化作用机理研究J.复杂油气藏，2015(87):212-218.11KSHIRENDRA KUMAR MAHANTA,M.L.KANSAL.Estimation of the electric double layer thickness in the presence of twotypes of ions in soil waterJ.Applied Clay Science,2014(87):212-218.12B.TAN,N.L.THOMAS.A review of the water barrier properties of polymer/clayand polymer/graphene nanocompositesJ.Journal of Membrane Science,2016(514):595-612.13刘敬平，孙金声.页岩气藏地层井壁水化失稳机理与抑制方法J.钻井液与完井液，2016，33(03):25-29.14E.TERTRE,F.HUBERT,S.Ion-exchange reactions on clay minerals coupledwith advection/dispersion processes.ApplicationtoNa+/Ca2+exchange on vermiculite:Reactive-transportmodelingbatch and stirred flow-through reactor experimentsJ.Sciverse sciencedirect,2013(112):1-19.15陈强，魏子路，雷志永.锦州25-1南油田井壁稳定技术研究与应用J.中国海上油气，2017，29(03):95-100.16苏俊霖，罗亚飞，张勇.甲基硅酸钾页岩抑制剂抑制蒙脱石水化机理的分子模拟J.化学世界，2018(87):212-218.17杨振周.适用于强水敏性地层的柴油冻胶压裂液J.石油勘探开发科学研究院分院，1996(87):212-21.