砂岩储集层中含有泥质和多种黏土矿物, 前者以极细粒沉积矿物颗粒为主, 后者常见有高岭石、蒙脱石或伊/蒙混层、伊利石、绿泥石等。不同的黏土矿物及组合类型对流体具有不同的敏感性。如蒙脱石遇淡水膨胀、绿泥石遇盐酸出现氢氧化铁沉淀, 伊利石遇氢氟酸产生氟硅酸钾等, 这些将破坏储集层渗透性, 影响原油的产出, 是储集层渗透性伤害的关键因素（见图1）。

图1

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	图1 储集层中黏土矿物及其形成的伤害类型

微粒嵌堵伤害是指泥质和以高岭石为主的自形晶粒状黏土矿物（长石蚀变产物）在储集层中呈游离、分散状态, 随流体流动呈现不规则移动, 其本身晶型呈假六边形“ 书页状” 集合体, 比表面积大, 一旦被流体冲散, 很容易在储集层喉道中集结、阻滞嵌堵, 造成储集层渗透性伤害, 降低原油产出量（见图1a、图1d、图1g）。控制这类伤害的关键因素为地层流体的流动速度, 高岭石晶体的分散流动需要一定的启动流速, 当流体流动速度小于该临界值时, 高岭石黏贴于颗粒表面或半充填于孔隙中, 对储集层原始渗透率影响不大; 当流体流动速度大于等于该临界值时, 高岭石微粒将大范围随流体移动, 对储集层渗透性将造成严重伤害, 油井产量迅速降低, 甚至完全不出液。许多商业发现受制于高岭石大范围集结而不能动用^{[11, 12, 13]}。

容易发生膨胀的黏土膜是原始沉积物中的泥质成分在颗粒搬运过程中黏附于颗粒表面而形成的“ 膜” 状蒙脱石或伊/蒙混层矿物（见图1b、图1e、图1h）。由于成岩作用早期沉积水环境偏中性, 黏土膜多由蒙脱石组成, 随着埋藏加深, 一般经历由蒙脱石→ 90%混层比的伊/蒙混层→ 10%混层比的伊/蒙混层→ 伊利石的转化过程。由蒙脱石组成的黏土膜膨胀性最强, 在淡水环境下可膨胀为原来体积的5~8倍。随着混层比的降低, “ 膜” 的膨胀能力由强变弱, 但随致密化程度的增高储集层物性越来越差, 即使微弱的黏土膨胀也能造成储集层较为严重的渗透性伤害。一般情况下浅层油藏或油质偏稠的油藏常常伴生大量膨胀性黏土矿物, 济阳坳陷的深层沙四段下亚段、孔店组— 中生界“ 红层” 储集层呈低孔、低渗特征, 成岩环境特殊, 膨胀性黏土相对集中, 因此微弱的黏土膨胀就可能造成储集层渗流通道的强烈堵塞。

针、片状黏土“ 搭桥” 伤害是指针、片状结构的伊利石或伊/蒙混层（有时呈卷片状、板状结构）桁架于两个或多个颗粒之间形成的“ 搭桥” 状结构形态（见图1c、图1f、图1i）。这种形态能够阻塞流体在孔喉间的流动, 移动微粒也可能被阻滞于此, 形成淤积, 从而大大降低储集层渗透性。深层超低渗透储集层常见此种堵塞类型, 大部分低渗透砂岩多见伊利石分布, 但不是所有的伊利石产状都是“ 搭桥” 状, 多数伊利石片晶呈不规则状赋存于储集层中, 对储集层渗透性亦会造成不利影响。

储集层组构中除骨架颗粒外, 孔隙、喉道中的填隙矿物类型、数量及敏感性主导着储集层物性的发育条件。其中, 结晶盐对储集层孔隙度、渗透率的影响不容忽视, 其分布广泛、类型多样、含量不均。最常见的结晶盐矿物类型有方解石（碳酸钙）、白云石（碳酸钙镁）、菱铁矿、硫酸盐和含铁碳酸盐胶结物。

济阳坳陷原始沉积的地层水多为咸水、半咸水, 从浅埋作用阶段开始, 即有大量的结晶盐生成; 深埋作用过程中, 由于泥岩压实排出的水（生油窗内常见大量的烃-酸流体）、深部热源水、断裂窜层水等外来水的混入^{[14, 15]}, 溶解度和矿化度不断发生变化, 由此造成了一系列结晶物的出现和早期结晶盐的溶解, 由于这些作用类型均发生于储集层孔隙、喉道内, 对砂体储集性能影响非常明显。

结晶盐的胶结、充填、交代、溶蚀和再沉淀等成岩作用也会对储集层的渗透性造成伤害, 主要存在孔隙嵌晶（斑块状分布）、喉道-裂缝脉状充填、颗粒环边泥晶化黏结、铁离子浸染以及酸敏等5种伤害类型（见图2）。

图2

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	图2 储集层组构中结晶盐的形成与充填方式

①孔隙嵌晶伤害：主要发生于储集层的颗粒骨架间, 沉积初期高盐度水体浸入疏松的高渗透砂体内, 随气候变化, 蒸发作用导致尚未固结或弱固结砂体内水体的溶解度进一步降低, 结晶盐不断析出, 滞留于高孔高渗砂体的孔隙中; 随着压实作用的深化, 骨架颗粒和结晶盐一同被压实, 孔隙体积进一步缩减, 结晶盐逐步填满孔隙, 最终致使砂岩体变得更为致密, 渗透性降低。该类结晶盐如不受后期成岩-流体影响则多不含铁, 结晶颗粒较为粗大, 一般呈粗晶— 巨晶块体, 后期因压实而破裂、变形、压嵌, 有时呈现原始沉积颗粒的假象（见图2a、图2b）。

②喉道-裂缝脉状充填伤害：成岩期外来流体携带大量的钙、铁、镁等阳离子进入砂体, 砂体内原有的裂缝或贯穿喉道为其主要运移路径, 阳离子结晶过程主要发生在该路径上。薄片下常常见到脉状充填的结晶盐与早期残留的油气运移标志（沥青质叠合）（见图2c、图2d）。这类伤害将导致储集层喉道和原有的导流缝隙受到堵塞, 大大降低储集层的渗流性能。

③颗粒环边泥晶化黏结伤害：沉积物中除碎屑颗粒外, 也伴有大量的泥质。骨架颗粒的表面常发育一层泥膜, 泥膜在成岩期受流体环境的影响, 亦常混有一些细粒结晶物或自身发生晶质化, 其结果是对颗粒的黏附性越来越强, 且体积“ 越滚越大” , 最终导致喉道闭塞、孔隙缩小, 渗透性降低（见图2e）。

④铁离子浸染伤害：泥质成分是一种蚀变产物, 最易蚀变的原岩矿物为云母、闪石等暗色矿物, 该类矿物中多含铁离子, 因而压实作用排出的液体中多携带铁离子。铁离子进入砂体最易浸入到结晶盐的晶格中, 形成含铁方解石（见图2f）和含铁白云石, 甚至形成菱铁矿。被铁浸染的结晶盐后期一旦被有机酸和作业酸溶解, 将会游离出大量的铁离子, 在pH值大于3.98时（室内实验经验值）将产生氢氧化铁沉淀, 堵塞储集层孔隙和喉道, 伤害储集层渗透性。

⑤酸敏伤害：结晶盐的酸敏伤害主要是针对土酸系列的敏感。土酸是油田常用的、也是必不可少的酸化用液, 目的主要是利用其中的盐酸溶解碳酸盐, 利用其中的氢氟酸溶解黏土等硅酸盐填充物。但该原理中存在一个用酸矛盾问题, 即对碳酸盐和黏土矿物同时存在的储集层进行土酸酸化时, 由于盐酸与结晶盐反应的速度非常快, 所以酸液进入地层后首先反应的是盐酸, 其对方解石和白云石快速溶解, 并释放出大量的钙、镁、铁离子, 这些阳离子由于呈游离状, 很容易被氟离子所捕获, 形成大量的氟硅酸钾等硅酸盐沉淀物, 对孔喉形成二次堵塞, 伤害储集层渗透性。

沉积物的埋藏、压实作用是孔隙度降低的直接影响因素^[16]。从开始沉积的非固结— 弱固结到深埋过程中的固结-强固结等各个阶段, 岩石的孔隙度不断降低。成岩矿物的不断生成、堵塞, 增加了孔隙度及渗透性降低的速度, 最终成为低渗透层。机械压实的主要伤害是使储集层喉道逐渐变窄, 渗透性降低, 即便没有完全堵塞, 但喉道直径降低至一定尺度后, 在油藏开发过程中, 将会发生“ 水锁” 、“ 贾敏” 等效应, 影响流体流动。其次, 岩石体积的压缩可导致黏土矿物变形、收缩、压紧、迁移、脱水等现象, 在后期地层水参与下, 微弱的黏土膨胀和微量的黏土迁移即可造成窄细喉道的敏感性堵塞, 降低储集层渗透性。

另外, 骨架颗粒因压实作用不再互为点状、线状接触, 而是变为压嵌、缝合状接触, 压实过程中将储集层中的原油分隔为相互孤立的“ 不可动油” , 增加开采难度。

对已经遭受伤害的低渗透砂岩储集层进行基质酸化增产改造, 必须针对储集层岩石“ 组构要素” 研制出能够有效溶解黏土矿物和结晶盐的酸溶配方, 除扩充储集层孔隙体积外还能有效保护岩石的孔隙架构。由于填隙矿物类型多样, 与岩石架构的颗粒成分化学性质趋同, 无法完全溶解、去除填隙物^{[17, 18]}。

有效溶解对流体有明显阻滞作用的主要填隙物成分, 有效提高储集层渗流能力是酸化（酸压）的主要目的（溶解）; 被溶解填隙物的反应残渣必须从岩石架构中分离出来（溶离）, 才能有效改善和保护孔隙之间的连通性, 按此原理可形成“ 分步溶解、溶离” 增产改造技术。

以“ 分步溶解、溶离” 原理为基础研发的酸化（酸压）配方以缓释酸为主体, 以超分子溶剂取代盐酸溶解碳酸盐、利用氟化氢铵+氟硼酸+氟磷酸复合体系溶解硅酸盐, 分步溶解、逐级实施, 最终达到扩孔增渗的目的：①该方法不仅规避了传统用酸中由矿物之间的酸溶矛盾而导致的阳离子结晶问题, 也解决了盐酸溶解含铁碳酸盐和绿泥石后, 游离出的铁离子沉淀问题; ②为高岭石的有效溶解创造了有利条件, 高岭石具有较大的比表面积, 酸化配方中的缓蚀复合酸对高岭石晶片具有极强的润湿性, 虽酸性极弱, 但与高岭石晶片具有较大的接触润湿面积, 能够迅速占据高岭石的簇状晶片表面, 缓慢溶解并逐渐吞噬高岭石残晶, 解决传统酸化过程中高岭石尚未溶解, 骨架颗粒先被溶解的棘手问题; ③针对氟硅酸钾等副产物的防护可以充分利用超分子溶剂的络合作用, 该溶剂通过集成二甲苯等有机溶剂和镍、锌、铬、铜、钡等阳离子添加剂自主合成, 不仅能够分解结晶盐, 而且能够络合金属阳离子并抑制其沉淀, 同时能够把矿物残渣分解为更小的微粒, 微粒被络合后随后续酸液被推向储集层基质深部更为宽泛的空间并分散固定下来。

经室内实验与现场应用（成功应用超过100口井）证实该方法是可靠的, 解决了传统酸化后需要及时返排残酸的技术难题, 施工中可在关井至酸液基本呈现中性时进行无返排投产作业。

储集层填隙物包括10余种黏土矿物及其变种以及碳酸盐、硫酸盐等化学胶结物, 这些矿物具有强敏感性, 是储集层（特别是低渗透储集层）渗透性伤害的主要影响因素, 严重影响原油的产出。解除泄油带内基质填隙物的堵塞、提高近井地带渗透率是储集层增产的关键。

对储集层样品进行岩石薄片浸渍实验和样品断面溶浸实验, 在显微镜（偏光镜、实体镜）下反复观察溶解效果（见图3）。浸渍实验前偏光镜观测岩石颗粒边缘模糊、粒间细粒填隙物较多（见图3a）, 浸渍实验后颗粒骨架清晰, 颗粒间的填隙物及黏附于颗粒上的矿物被逐步溶出, 岩石孔隙度增大（见图3b）。岩石断面酸液溶浸实验也具有同样效果, 溶解前砂岩组构填隙物混杂、含量高（见图3c）, 溶解后砂岩组构填隙物含量降低、类型减少, 粒间孔隙增多（见图3d）。

图3

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	图3 樊128井岩石薄片浸渍实验与溶解、溶离效果

采用“ 分步溶解、溶离” 方法, 开展各组实验, 优选出单矿物最优化学解堵方案。①高岭石：高温氟硼酸-氟磷酸-氟化氢铵自配复合体系, 配合有机阳离子黏土稳定剂和自制软防砂剂, 溶离率55%（以反应残液流出后原填隙物的溶蚀率计算）; ②伊利石：自制溶离酸（一种由氟硼酸、氢氟酸、甲酸、乙酸配制的混合剂）, 配合软防砂剂, 溶离率30%; ③蒙脱石：氟化氢铵与双季铵盐交替作用, 配合5%~15%氯化钾、氯化铵联合使用, 溶离率45%; ④伊/蒙混层：溶离酸、双季铵盐、氯化铵、盐酸、氟硼酸与软防砂剂混配, 溶离率38%; ⑤绿泥石：溶离酸与8%盐酸联合使用, 配合铁盐及超分子络合剂, 溶离率90%; ⑥含铁方解石：10%盐酸与铁螯合剂混合使用, 可部分溶解骨架颗粒, 扩渗效果最佳, 溶离率达98%; ⑦含铁白云石：超分子溶剂、盐酸与铁螯合剂混配, 可部分溶解骨架颗粒, 扩渗效果佳, 溶离率78%; ⑧硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等硫酸盐沉淀：高浓度超分子溶剂与弱酸联合使用, 溶解速度缓慢, 现场使用时要留有足够的反应时间, 最高溶离率24%; ⑨菱铁矿：盐酸、铁离子稳定剂、有机土酸联合使用, 实验室使用王水效果最好, 但考虑管柱腐蚀问题, 一般配合高浓度缓蚀剂使用, 溶离率88%; ⑩有机垢：复合解聚剂、溶剂油、有机土酸与超分子络合剂联合使用, 溶离率90%; ⑪近井钻井液（非基质酸化）：高浓度土酸系列与高温、高能缓蚀剂联合使用, 溶离率65%。

对于多种填隙物共存的储集层, 则应采取反向“ 分步溶解、溶离” 的方式进行酸压改造。如樊128-1井储集层呈现低孔低渗多敏感性特征, 其岩石的“ 组构要素” 为：架构颗粒→ 伊/蒙混层黏土膜→ 微晶含铁白云石→ 后期巨晶— 粗晶方解石→ 自生蛭石状高岭石。该井可采用如下施工流程：①溶离酸复配解除高岭石的伤害; ②盐酸复配解除方解石胶结物; ③超分子溶剂复配解除白云石的填堵; ④高温氟硼酸体系解除伊/蒙混层黏膜; ⑤无伤害顶替液溶离残渣, 施工时保证充足的关井反应时间, 确保残渣的有效溶离。

岩石的“ 组构要素” , 即矿物组成和结构构造形态, 构成了复杂的储油-聚油体系, 酸液进入岩石组构中所发生的化学反应非常复杂, 往往是溶解作用和再沉淀作用相伴生。在溶解作用发生的同时, 新生矿物常以絮状沉淀的形式出现。如果新生矿物所占据空间体积大于原填隙物空间体积, 储集层渗透性不但不能改善, 反而会进一步恶化。因此, 应该充分了解储集层岩石骨架特征, 鉴定骨架颗粒支撑下的填隙物成分、种类、数量、充填方式, 研究施工中填隙物的动态特征; 设计能够在地层条件下有效溶解填隙物、疏通储集层喉道并且对岩石骨架不会造成影响的酸溶方案; 优化溶解顺序, 分步实施酸化作业, 最终达到扩大孔隙体积、改善储集层渗透性、提高油井产量的目的。

岩石与酸液发生作用旨在使储集层孔隙度和渗透率得到提高, 这是酸-岩作用建立的基本条件。鉴定储集层矿物成分和认清储集层微观结构形态是选择酸液的依据, 同时要考虑矿物的化学组成、储集层原始物性条件以及所含油、气、水的性质等。“ 分步溶解、溶离” 酸化（酸压）增产的主要原理可概括为：针对低渗透储集层有限的泄流半径, 采用“ 分步溶解、溶离” 酸化（酸压）处理技术, 在近井地带形成半径数米至数十米的高渗泄流带, 扩大泄流半径, 达到增产、增注的目的。

济阳坳陷樊128区块沙三段为低渗透砂岩储集层, 探井试油及开发初期单井产油量均偏低, 主要原因为储集层低孔低渗, 酸敏、速敏等伤害严重。按“ 分步溶解、溶离” 思路设计的酸化解堵方案, 在樊128-2井实施后获日产14 t高产商业油流。

济阳坳陷瓦屋地区夏463井砂岩储集层渗透率仅0.2× 10^-3 μ m², 无自然产能, 实施“ 分步溶解、溶离” 酸化措施, 初期产油量为8 t/d, 后期稳定在3~4 t/d, 目前累计产量超过1.0× 10⁴ t, 在超低渗油井中较为罕见。

济阳坳陷纯梁油区F151、F16、C26等区块古近系沙三段浊积砂岩和沙四段滩坝砂岩低渗透储集层, 经过多年开采, 地层能量严重下降, 单井出液量逐年递减, 多数油井已无经济效益。地层压力系数小于0.7时, 油井基本停产。经研究发现, 储集层中黏土矿物总量约为12%, 其中对储集层潜在伤害最大的假六边形“ 书页状” 高岭石、对酸极其敏感的绿泥石占黏土矿物的60%; 除黏土矿物外, 斑块状碳酸盐胶结物对储集层渗透性也具有伤害。

根据“ 分步溶解、溶离” 技术原理, 该区块采用的酸化方案为：①注入低浓度NH₄Cl前置液, 形成无副作用酸性介质环境, 并稳定高岭石; ②挤入适宜浓度的高温氟硼酸复合体系后置, 对高岭石进行缓慢补给性酸溶; ③注入中等浓度盐酸配以适量有机酸, 迅速溶解绿泥石, 在酸液耗尽之前（保持pH值小于3.98）返排反应残渣, 提高储集层孔隙度; ④使用异抗坏血酸辅助剂, 防止Fe²⁺、Fe³⁺的再次沉淀; ⑤使用浓缩磷酸或低浓度盐酸深入缓蚀少量碳酸盐胶结物。

采用该方案对F151-8等10余口井进行了改造, 均获得商业油流, 并实现稳产。措施前日产油0~0.90 t, 平均0.44 t, 含水率20%~100%, 平均73.6%; 措施后日产油2.40~3.50 t, 平均3.02 t, 含水率20.0%~80.0%, 平均48.6%, 效果良好。

济阳坳陷纯梁油区CX103井初期为油井, 后因地层能量不足转注, 转注初期注水顺畅, 经长时间注水后井底附近堵塞, 注水压力升高, 日注水量逐渐降低, 最终超过主管网限压停注。该类井在纯梁油区沙四段上亚段滩坝砂区块多达数十口, 严重影响了注水开发效果。

针对CX103井具体情况设计的“ 分步溶解、溶离” 酸化方案为：①超分子溶剂与复合酸联用, 先期溶解注水井井口因温度、压力变化导致溶解度降低而形成的碳酸盐结晶物; ②用氟硼酸、活性水、硝酸钠混合配成的“ 点触酸” 溶解、溶离储集层中各类黏土矿物, 并抑制残渣的二次堵塞。解堵工艺实施后, 设计配注30 m³/d, 实注30 m³/d, 稳定注水已超过1年。该油区采用该方法进行酸化的注水井共9口, 措施前泵压26.0~35.0 MPa, 平均31.0 MPa, 设计配注量26.0~36.0 m³/d, 平均31.4 m³/d, 实际注水量0~7.0 m³/d, 平均1.6 m³/d; 措施后泵压10.0~30.0 MPa, 平均24.0 MPa, 设计配注量12.0~30.0 m³/d, 平均21.3 m³/d, 实际注水量10.0~30.0 m³/d, 平均21.3 m³/d, 全部达到配注目标, 增注效果显著。