化学驱油中的地层损害

目前化学驱粗略地分为聚合物驱、表面活性剂驱和碱驱三大类。近年来又发展成为碱－聚合物驱和碱－表面活性剂－聚合物三元复合驱。因此，聚合物作为驱油助剂应用最广。下面将按三种化学剂对地层引起的损害分述如下。

7．4．2．1　聚合物引起的地层损害

利用高分子聚合物水溶液可提高注入水黏度，降低水的流度，增大注入水的波及区域，从而提高水驱油的采收率。目前，聚合物驱通常还与其他方法（如活性剂驱）相结合，以改善驱替液的驱油效率。在聚合物驱油过程中，导致地层伤害的主要原因有：大分子聚合物在孔隙介质中的滞留，高黏聚合物使胶结松散砂粒运移，聚合物溶液与地层流体、矿物等的不配伍等。

目前化学驱中所用聚合物主要有两种，一种是部分水解聚丙烯酰胺，另一种是黄孢胶生物聚合物。从产品形状来看，前者为干粉、乳状液、胶板和水溶液；后者为干粉和发酵液。干粉易于运输，但如果分散溶解得不好，易形成“鱼眼”而堵塞地层。特别是聚合物干粉颗粒极不均匀，微颗粒太多，更易形成鱼眼。为防止形成鱼眼，在配制聚合物溶液时要让颗粒均匀分散。一旦形成鱼眼，需通过过滤器除去。黄孢胶产品中存在细菌噬体和微凝胶，也会引起地层堵塞，这是目前国内产品注入性能不好的主要原因。国外产品多用酶分解的办法除去，为防止地层损害，在注入前需进行严格的质量监督，其过滤比超过1．2～1．5的产品不能使用。

在驱油过程中，大分子聚合物在孔隙介质中的滞留，不仅会使聚合物溶液流度增加，导致流度控制失败，而且会损害地层，改变孔隙结构，降低渗透率。高分子滞留的主要方式有三种，即吸附滞留、水力滞留和机械捕集，其中最主要的是吸附滞留。

7．4．2．1．1　吸附滞留

吸附滞留的结果是聚合物大分子会堵塞小孔隙。导致聚合物吸附既有内因也有外因。内因主要是水解度和平均分子量以及聚合物的浓度。其中，浓度的影响比较复杂，它也直接影响机械捕集的大小。外因主要是矿物成分及岩石润湿性等。

研究还表明，随着聚合物分子量的增加，水解度的增大，吸附量在减少。随着含盐（如NaCl）浓度的增加，水解和未水解的聚丙烯酰胺的吸附量都会随之增大。

此外，关于岩石润湿性对吸附的影响在很多资料中也都有报道，结论是聚合物在水湿岩石上的吸附比油湿上的吸附量大。其原因可解释为能溶于水的聚合物是极性的，对水有很大的亲合力。

7．4．2．1．2　机械捕集和水力滞留

机械滞留是大分子在小孔隙入口处的一种过滤作用，滞留的结果会使聚合物浓度降低，同时堵塞小孔隙。也有研究指出，这种滞留是可逆的。即当聚合物浓度减小时，被捕集的大分子又会重新被溶解。因此，当进行聚合物驱时，间隔地用淡水驱代替聚合物驱效果可能更好。水力滞留主要受流速和流动方向的影响。地层孔隙结构直接影响聚合物溶液的流动方向，一般认为流动方向改变幅度越大，滞留量越大；随着流速的改变，如降低流速后再增大流速则滞留量也会增加。另外，聚合物分子量大，在同样浓度下可产生更高的黏度，因此人们希望采用分子量尽可能高的聚合物，以获得最大的黏度，聚合物分子量与岩石的渗透率间存在一定的配伍性。若分子量过高，通过孔隙介质时发生严重的剪切降解，不仅得不到相应的黏度，反而使注入压力上升造成不应有的能量消耗和地层损害。增大炮眼直径，扩大渗滤面积，选择适宜的聚合物分子量和注入速度是聚合物驱设计中应该注意的问题。

应注意聚合物与地层水的不配伍性。地层水中的某些化学组分可显著地影响化学驱的动态，而各种水的组成通常变化很大。地层水与聚合物的配伍性主要需要考虑地层水的含盐，特别是二价阳离子的情况。如果地层水的矿化度过高，将会引起聚合物分子的聚集。大分子的相互聚集不但导致聚合物用量过大，使溶液产生沉淀，而且相互缠绕的大分子会影响聚合物在多孔介质中的性质，堵塞油层，使注入能力降低、渗透率降低。如地层中存在的高价铁离子（Fe3＋）容易和聚合物发生交联反应形成微凝胶而堵塞地层。实验表明，若水中Fe3＋含量小于1mg／L就有堵塞的可能，若Fe3＋含量大于1mg／L，就可产生明显堵塞使注入压力上升。

聚丙烯酰胺聚合物存在着盐敏效应，水中含盐量越高，聚合物溶液的黏度越低。为了增高聚合物溶液的有效黏度，往往采用淡水配置聚合物溶液，并且把有无淡水来源作为能否采用聚丙烯酰胺聚合物驱的重要因素之一。注入淡水可能会加剧地层水中水敏矿物所造成的地层损害，这也是聚合物驱设计中应该注意的问题。

应注意聚合物与地层岩石的不配伍性。研究表明，在油湿油藏或砂粒表面油膜上，聚丙烯酰胺的吸附量几乎为零，而在强亲水（完全水湿）模型上出现最大的吸附量。但由于实际岩石的润湿性是非均质性的，也就是说小孔隙和胶结部位可能水湿，大孔隙的内表面为油湿，这就预示着注进油藏中的聚合物吸附分布同样也是不均匀的。聚合物在小孔隙和胶结点处的吸附会给流体的流动造成阻力，伤害地层。为防止地层损害，在正式注入聚合物之前，应该进行单井试注试验，考察注入能力，也可以进行单井吞吐，根据降解选择适宜的分子量。聚合物储罐应由塑料衬里或不锈钢制成，所有注入管线和油管进行内防腐，以减少Fe3＋含量，或注入浓度为100mg／L的柠檬酸，使形成微凝胶的堵塞减至最小。聚合物溶液要通过5μm的滤器，除掉鱼眼和微凝胶。聚丙烯酰胺为阴离子型聚合物，因此在防止微生物降解时不能采用阳离子型杀菌剂，防止相互作用造成地层损害。如果已发现由聚合物堵塞造成的损害，可以引入次氯酸钠溶液解堵。

7．4．2．2　碱剂引起的地层损害

在碱水驱和各种复合驱中都要使用碱性化学剂，一方面与原油中有机酸反应形成天然表面活性剂降低界面张力，另一方面可降低岩石表面对注入的表面活性剂造成的吸附。化学驱中常用的碱剂为Na2CO3、Na4SiO3和NaOH。注入碱剂使pH值升高，改变了岩石表面原来的双电层，由于静电排斥作用，更易使黏土颗粒从岩石表面释出和运移，加剧了微粒运移的地层损害。pH值升高，黏土矿物的膨胀加剧，使水敏性增强。因此，在设计碱水驱时必须首先进行碱敏性试验，以确定该地层是否适合于碱水驱。在高pH值下，地层内更易结垢。碱剂引起的结垢主要为两种。一种是碳酸盐垢，特别是注入碳酸钠时，碳酸钠可以与地层水的钙离子形成碳酸钙沉淀。为此，应对地层岩石进行离子交换容量分析，分析沉淀的可能性。最好用结垢预测模型，预测结垢可能性和潜量，预先采用防垢措施。

结垢的另一种可能是碱使矿物溶解造成的，特别是注入强碱NaOH时更为严重。碱与石英、长石和各种黏土矿物都可以反应，使碱耗损，降低了碱的有利作用。碱溶解矿物后形成的硅、铝等物质会形成新的矿物（如沸石）又沉积下来，堵塞喉道降低渗透率。碱与石英等反应还会形成高水合的非晶态硅酸盐沉淀，或与碳酸盐形成混合垢堵塞地层。非晶态硅酸盐即使不沉淀，在以后水驱时，由于碱耗在驱替前沿碱浓度降低，pH值下降还会形成无定形的硅凝胶。这在注入原硅酸钠碱剂时就特别明显，美国威明顿油田碱水驱时由于这种原因使油井产量骤减，甚至不能开井生产。为提高碱驱效果和减少结垢的可能性，注入水最好进行软化处理。特别是在设计中要进行充分的碱敏性评价，以选择合适的碱型。若黏土膨胀，可以用钾碱代替钠碱。

7．4．2．3　表面活性剂引起的地层损害

在化学驱中使用表面活性剂，大多数为石油磺酸盐，这是一种阴离子型表面活性剂。它与一切阳离子表面活性剂和聚合物不配伍。使用它不仅损失了表面活性剂，形成的沉淀物还会引起地层损害。磺酸盐在三次采油过程中导致地层损害的主要原因是磺酸盐的沉淀、乳状液的形成及吸附等。在驱油过程中，石油磺酸盐将与地层水及黏土中的可交换多价阳离子形成磺酸盐沉淀。沉淀的形成，不仅会导致表面活性剂的损失，而且将会堵塞岩石孔隙，甚至改变表面活性剂驱油体系的性能以及降低油-水间界面张力的能力。石油磺酸盐与地层水和黏土中的Ca2＋、Mg2＋都能形成沉淀，其反应方程式为：

在驱油过程中，一旦沉淀发生，一方面沉淀物会堵塞孔隙，使孔隙体积减小，渗透率降低，驱油效果也随之降低。另一方面对黏土矿物，由于Ca2＋被Na＋交换，使黏土的水敏性大大增加。影响沉淀的因素包括：

（1）含盐量。地层水的含盐度是影响磺酸盐沉淀损失的一个重要因素。随着含盐度的增加，石油磺酸盐在地层水中的沉淀越来越大。当地层水的含盐度为700×10－6时，沉淀损失几乎在70%以上。

（2）温度。随着温度的升高，石油磺酸盐的溶解度越来越大，沉淀减少。

（3）pH值。随着pH值的增加，石油磺酸盐的沉淀损失量减少。

油水乳状液造成地层损害是化学驱油层损害的主要形式之一。碱剂以及在注水过程中由于界面扰动会形成油水的自发乳化或剪切乳化。活性剂的存在，或地层中微粒的存在使乳状液稳定而难以聚并。无论是水包油还是油包水乳状液，都会使流体黏度增高，流动阻力增大（碱驱开采重油例外，它是使重油乳化，使乳状液黏度低于重油黏度提高采收率的）。乳状液在孔隙介质中移动会引起孔道内压力不规则的瞬时波动，其结果可促进地层内微粒移动，产生地层损害。油水乳化有时也是提高采收率的机理之一。如乳化捕集机理就是为了让原油乳化后堵塞高渗透层大孔道，扩大水的波及体积，此时不应属于地层损害之列，正如注入聚合物让其在地下交联产生凝胶进行调剖一样。

在活性剂驱油中，表面活性剂的吸附值得注意，特别是当地层中含有大量黏土（如高岭土、蒙脱石等）时，吸附量是相当可观的。由于吸附损失，将导致活性剂流体驱油效果的大大减弱。在实际生产中，吸附和沉淀同时存在，而且很难划分出吸附量和沉淀量分别占多大比例。

为了减少活性剂在地层中的沉淀、吸附等问题，目前可采用两种方法：一种是在注入液中加入碱，如碳酸钠等。这类添加剂增加了体系的pH值，从而减少了黏土表面的正电位，使表面活性剂的吸附量减少。同时，对于地层水中的钙、镁离子，添加剂还能起沉淀剂的作用，使沉淀物固定在黏土表面上。当然，尽管这些添加剂对减少表面活性剂损失很有效，但是，由于沉淀的形成最终还是会损害油层，不同程度地降低地层渗透率。另一种是在注入液中加入能螯合二价阳离子的螯合剂，如三聚磷酸盐、六偏磷酸盐、乙二胺四乙酸（EDTA）和木质磺酸盐等。特别是近年来提出的聚磷酸盐降低表面活性剂损失，在实验中取得了令人满意的效果，其最主要的机理是聚磷酸盐对溶液中钙离子有络合作用。