本发明涉及一种改善含有粘土矿物质的碳水化合物地质层的渗透性及防止这种地质层的渗透性损坏的方法，更具体说，本发明涉及一种可同时起到下列作用的方法，即（1）改善含有粘土矿物质的碳水化合物地质层的渗透性;（2）防止这种地质层的渗透性损坏;和（3）改善把蒸汽喷射入这种地质层中的喷射性。

蒸汽喷射技术如：蒸汽激励和蒸汽溢流，已经用于萃取固定不动的原油和增加从较旧的油井回收的油量，这类油井由于天然场压太低无法独立产油，它们被设计成通过降低原油的粘度来减少储油层的流动阻力。

这类技术包括每次将几千立方米的循环的高温湿蒸汽喷入油井。这类湿蒸汽是水蒸汽与变量的热的液态水的混合物，湿蒸汽的量通常为35%～80%。由于湿蒸汽中的两个相之间的密度差，汽相优先进到油井的喷射区段的上部，而液相则优先进到下部。

含粘土矿物质的碳水化合物地层的渗透性损坏的问题，正是与使用这类湿蒸汽有关的。“粘土矿物”是高岭土、伊利石、缘泥石、蒙脱石及它们的混合物一类矿物质的通用术语。这些矿物的绝大多数都有十分独特的、由含水铝硅酸盐薄层组成的书状结构。在蒸汽喷射过程中，新鲜的水与这些粘土矿物的反应，其状很象浸渍的一本湿书，它们膨胀、发皱和破损。一些粘土矿物在蒸汽喷射过程中遇到新鲜水时，其体积膨胀到原先体积的600%～1000%。这就引起： （1）供流体流动的孔隙体积减少，和（2）由于碎石块移动而堵塞了孔隙通道。粘土矿物的膨胀和粘土碎块的迁移严重地抑制了蒸汽喷入地质层的喷射性。含有粘土矿物的地质层对新鲜水的喷射极为敏感，这种喷射可引起粘土矿物分散和迁移。当碎块向下游移动时，它们会并联孔隙缩颈，使得在整个孔隙网络形成小型滤块。这就在液态水喷入的下部区段降低蒸汽的喷射性，而且在发生汽相凝结的喷射区上段降低蒸汽的喷射性。在某些情况下，粘土物质的结构膨胀可能成为渗透性降低的原因之一。

众所周知，当粘土矿物的层间有钠离子时，就会大大膨胀，一个钠离子可以吸收12个或更多不规则取向的水分子。如果粘土矿物层间的钠离子被铵离子或钾离子替换的话，膨胀问题便可大大减小。

各种铵盐已被用来控制湿蒸汽的PH值和减少硅石的溶解。但是，对于粘土矿物含量高的储油层，足于解决硅石溶解问题的铵离子的浓度却不足以减少由于粘土矿物造成的渗透性损坏。

本发明参考的美国专利No.4，549，609（Watkins等人，申请日：1984.8.15）试图解决上述问题。它提出将一种含氮的氨性化合物喷射到湿蒸汽中，以减少由于硅石溶解引起的渗透性损坏。但该专利无法解决与铵盐处理有关的另一个问题。

为了处理粘土矿物含量高的储油层以防止由粘土矿物造成的渗透性损坏，必须向蒸汽中加入较大量的铵盐。处理含粘土的地质层以防止由于粘土矿物造成的渗透性损坏所需的铵离子浓度要比处理蒸汽以减少由于硅石溶解所造成的渗透性损坏所需的铵离子浓度高得多。这样大量加入铵离子到供给水中会在蒸汽发生器中产生由于铵离子分解造成的酸度提高而造成的严重问题。在上述美国专利No. 4，549，609的方法中，蒸汽发生器排出的残余液相的PH值受到监控，以确定该方法是否正确地实施。但是另一方面在我们的方法中，主要监控汽相凝结物的铵离子浓度，而残余液相的PH值则是其次要监控的。因此，有必要进一步改善蒸汽喷射处理，使之即防止含粘土矿物的碳水化合物地层的渗透性变坏，又改善喷入地层的蒸汽喷射速度。本发明的主要目的就是提供这样一种方法。

本发明提供一种改善在含碎石的地质层中输送流体的效率并防止这种地质层的渗透性损坏的方法。通过去除地质层之一部分中的液态水而增加该部分的渗透性可以提高流体输送效率。通过喷射湿蒸汽到地质层中可以防止由于粘土矿物引起的渗透性损坏，这种湿蒸汽的汽相中含有氨和二氧化碳。

在湿蒸汽的汽相中应有足够的氨以便在汽相凝结物中产生足够的铵离子，来防止与汽相接触的那片地层的渗透性变坏。在汽相中也应有足够的二氧化碳，以便使汽相凝结物的PH值保持在7.5～10.5之间。在湿蒸汽中还可以加入氯化钾，以防止与湿蒸汽的剩余液相接触的那片地质层的渗透性损坏。湿蒸汽喷射后，就使地质层内的液态水基本上全部汽化，并使汽化的水离开该部分地层。

在一个实施例中，将氯化钾加入供给水中，用这样供给水产生湿蒸汽，在湿蒸汽中加入足够的无水氨，足于在湿蒸汽的汽相凝结物中形成一定的铵离子浓度，有效地防止与汽相接触的那片地层的渗透性变坏。将足够量的二氧化碳加入湿蒸汽中，有效地保持汽相凝结物的PH值在7.5～10.5之间。将上述方法处理过的湿蒸汽喷入地质层内。

在另一个改型的实施例中，将干蒸汽喷入在地层的油井内。这种 干蒸汽含有足够的氨，以便在蒸汽凝结物中形成一定的铵离子浓度，有效地防止与蒸汽接触的那片地层的渗透性损坏，在干蒸汽中还有足够的二氧化碳，以保持蒸汽凝结物的PH值在7.5～10.5之间。

下面参考附图来更好地理解本发明。附图只不过是范例，不应看作是本发明的限止范围。

图1、2和3示出使模拟的蒸汽发生器排出的剩余液相流动对用三种砂制的芯塞的渗透性的影响的试验结果。

图4、5和6示出关于使模拟的汽相凝结物流动对三种砂的芯塞的渗透性的影响的结果。

从广义来说，本发明包含防止含有粘土矿物的碳水化合物地质层的渗透性损坏。这是由于向这种地质层中喷射一种湿蒸汽的结果，在这种湿蒸汽的汽相中含有（a）足够的氨，以便在湿蒸汽的汽相凝结物中形成足够的铵离子，来防止该汽相附近的地层的渗透性损坏，（b）足够的二氧化碳，以便使湿蒸汽的汽相凝结物的PH值保持在7.5～10.5之间。在湿蒸汽中最好还含有足够的氯化钾以防止与湿蒸汽的剩余液相接触的那片地层的渗透性损坏。

添加三种化学物质既可以在剩余液相区又可以在汽相凝结区控制PH值和防止渗透性损坏。加入氯化钾和无水氨可防止通常的粘土矿物问题所引起的渗透性损坏，加入二氧化碳可控制蒸汽发生器排出水的PH值以防止由于过度的岩石溶解引起的渗透性损坏。氯化钾可以加到供给水中，二氧化碳和氨则必须喷射到发生器的管道出口。二氧化碳不应喷射到氨的管道上游。可用在氨喷射点的下游喷射氨（以混合物形式）以保证在加入二氧化碳之前氨与蒸汽充分地混合，这就防 止了对钢质管道（特别是在蒸汽温度下）十分有害的局部酸性状态。

氯化钾通常用在油田作为正在钻取和充填的流体的添加剂，以防止在敏感砂地内的渗透性损坏。盐可溶入水中，形成一种浓的溶液，这种溶液用泵打入蒸汽发生器的供水管上游与供给水混合，以保持在供给水中有一定的浓度。盐必须干净，不含有不溶性固体物。氯化钾价格适中，并可以从许多油田服务公司买到。

无水氨通常在油田不用，但它可以兼价买到，因为它是可作为农用氮肥的。氨在大气压下是气体，但在贮存和运输过程中则为加压过的液体，可以从大多数大的农用供应作坊买到。

二氧化碳是一种工业气体，可以用较低的价格以加压液体状态购到。它有时在油田中使用，可从某些油田服务公司和许多气体供应厂购买。

本发明的另一种改型的方法是向地层中喷入干蒸汽，这种蒸汽含有足够的氨。以便在蒸汽凝结物中产生足够的铵离子，防止与凝结物靠近的那片地层的渗透性损坏，还含有足够的二氧化碳以保持蒸汽凝结物的PH值在7.5～10.5之间。

实例

我们对渗透性测定方法的研究表明，盐水和空气对来自Coalinga的蒙脱石Temblor砂芯的渗透性有很大的差异。当这些芯塞在测量之间进行大气干燥时，渗透性提高。

渗透性的这种提高，是由于在干燥过程中粘土矿物的结构发生变化之故。当水从含粘土的砂中蒸发时，在大孔隙中的水首先蒸发，随着干燥的进行，空气/水的界面退到越来越小的孔隙内。最后，大多数剩余的重力水留在镶衬孔壁的粘土基体内。当空气/水界面退回到 这种易碎的粘土基体内时，界面表面张力引起粘土粒子歪扭并向孔壁移动，干燥完成时，粘土就铺在孔壁上，这就增加了孔隙有效尺寸，提高了测量的渗透性。

当这种芯塞再用盐水浸湿时，其渗透性就比完全干燥时稍低，这是由于粘土表面的再次水化过程中铺织过程是不完全可逆的。最为重要的是，干燥后的盐水的渗透性通常要比干燥之前高得多。这种干燥对渗透性的残留影响可用来增加含粘土矿物的储油层砂地中的渗透性。为了使这种方法成为一种可行的野外作业的方法，就需要一种实际的方法来干燥近油井区的地质岩层。本发明充分参考的美国专利No：453，652“通过去除液态水来改善含碎石的地质层的渗透性”（申请日：1989.12.20）讨论过这样的方法。最实际的方法可能就是蒸汽喷射和排放，也就是通过喷射蒸汽和排放蒸汽来加热靠近油井的地层，这就使砂子干燥。这种方法在可用蒸汽发生器或锅炉的蒸汽激励和喷射区（如加利福尼亚州的San  Joaquin  Valley）是最合适的。如果与有计划的循环蒸汽激励作业结合起来，就会更加诱人，因为增加的成本仅仅是进行排放蒸汽作业的成本。

最初的实验室工作基于在对流式烘箱中空气干燥岩石。为了试验现场方法（蒸汽/排放）的可行性，我们发展了一种在我们的高温渗透仪中实际模拟在野外进行的方法中用的各步骤的程序。下面叙述用高温渗透仪模拟各种野外操作和状态对芯塞获得的全部结果。

用Temblor砂制的芯塞的初步结果表明，在模拟的蒸汽发生器废水的喷射过程中发生严重的渗透性损坏。当使冷（73°F）的发生器废水流动时，当使热（450°F）的发生器废水流动时，都发生 上述的渗透性严重损坏的情况。因此，必须添加化学物质以防止蒸汽喷射过程中的渗透性损坏。这些化学处理包括在下面要讨论的某些实验室实际模拟的实践中。

用一种制芯塞的装置从保存的芯取出直径为1英寸的芯塞。由于芯的成分和状态之故，不可能在凝结时切出芯塞。该芯塞用ACCUPERM法混和地清理，当流过1N的NaCl时，测量其液体渗透性。

芯塞被置于有1200磅/英寸2过载荷和800磅/英寸2孔压的高温渗透仪中。在试验室常温和2ml/min流速下流过1N的NaCl溶液，以便在存在条件下测出其初始渗透性，然后将模拟的蒸汽发生器废水流过，到稳定之后记下其渗透性。当发生器废水继续以2ml/min流速流动时，隔室的温度（包括废水温度）像实际上那么快升高到450°F。在450°F继续流动，并且继续监控渗透性，直到稳定为止。当温度保持在450°F，并使模拟的蒸汽发生器废水以2ml/min流速流动时，芯内的孔压在10分钟内降到50磅/英寸2，然后通过调节背压调节器使孔压调到近800磅/英寸2。注意，在这个排放阶段过程中芯塞上的有效应力要保持在不大于400磅/英寸2，在较高孔压下上述各项都相对稳定之后立即记下高温激励后渗透性。然后将隔室冷却至室温，再次测量渗透性，以确定最终的后处理渗透性。井中的蒸汽在正常喷射阶段有两个相：残留液体和汽体。这两种相在井中是分离的，在井的最底部的地层只有液体，而在最顶部则只有汽体。一部分发生器废水优先分配为汽相和另一部分成为液相。因此，在井的底部的地质层中的热液体的化学成分与接近井的顶部汽相凝结区的液体的化学成分是很不相同的。模 拟试验包括通过基于分配供给水组分和对合适的相的化学添加剂来制备蒸汽发生器废水的两个区内的状态来进行。

选用三种砂子来研究模拟的（井底部的）残留液相对渗透性的影响。从每一种砂子选择三个匹配的芯塞。用每种砂制的第一个芯塞用来模拟一种用蒸汽排放的（但不加化学物质）渗透性激励一干燥法。第二个芯塞用于模拟添加化学物质（但不用蒸汽排放）以控制蒸汽的残留液相的PH值，最后，第三个芯塞芯用来模拟既用蒸汽排放的渗透性激励一干燥法的激励，又用化学添加剂的激励以控制PH值和防止由于粘土分散引起的渗透性损坏。

我们还研究了模拟的汽相凝结物（在靠近井顶部的地层）对三种被选砂子的影响。也用每一种砂子制成三个匹配的芯塞，每个芯塞都按给定的流程进行试验，以达到上面所述同样的目的，但是，我们在此要模拟存在于汽相凝结区（井顶部）内的液体的化学组成和化学性质。

残留液相区（井的底部）：图1.2和3示出使模拟的蒸汽发生器废水残留液相流过芯塞的影响试验结果。

图1示出用第一种砂制的三个芯塞的试验结果。第一序列（标明“未处理”）表示经过渗透性激励一干燥的每道工序（不加化学物质）后的芯塞的渗透性。在喷射冷的发生器废水过程中渗透性大大降低，而在热的发生器废水流动时，又有所降低。这就意味着在通常循环的蒸汽工程中的发生器废水即使是冷态也对这种砂很有损害，在热态时就更糟。

排放作业使渗透性大大提高，但不足以弥补喷射流体所造成的损害。激励处理后，发生器废水对砂子也有严重损害。因此，需要进行某种处理以防止这种砂子的渗透性损坏。

地质层渗透性损坏的部分原因是由于多数蒸汽的液相的PH值和高温引起岩石的溶解和沉淀。在高温方面（蒸汽处理的目的之一是提高温度）没有太多的办法了，但在高PH值方面却可以做一些工作。高的PH值是由于碳酸氢盐在供给水中的分解所造成的，这就使得液体变成碱性很大，而汽相凝结物则变成稍带酸性。平衡两相中PH值的一个办法就是在供给水中加入铵盐（如同上述Watkin的专利所示的那样）。加入铵盐的量应大致相当于供给水中碳酸氢盐的浓度（化学当量）。

图1中渗透性图的第二列（“PH控制”）表示加入铵盐控制PH值时在流动程序过程中砂子的渗透性。应该注意，在蒸汽喷射时仍有严重损坏。但这种损坏比未经处理时轻。排放阶段使渗透性升高，在附加的发生器废水流动后，仍有较多激励的渗透性。显然，在防止渗透性损坏方面仍有要改进的地方。

图1中第三列（标记为“损坏控制”）表示既控制PH值又加入氯化钾到供给水中以防止由于粘土分散造成的渗透性损坏的情况。此时，在最初的蒸汽喷射阶段和排放阶段的流动过程中渗透性的损坏极小。排放作业对于激励渗透性非常有效，在随后的流动过程中添加化学物质可保持渗透性。

对其他两种砂子也得到十分相似的结果，如图2和3所示。由于一些尚不清楚的原因，一种用损坏控制的化学添加剂的芯塞在蒸汽排放阶段的渗透性提高只有两倍。而另外两种砂子的芯塞却提高3～4倍，这可能是由于单一测定的人为统计误差所致。

汽相凝结区（井的顶部）：图4.5和6示出模拟的汽相凝结物流过三种砂子的影响试验结果。

图4示出对用第一种砂制成的芯塞进行激励一干燥过程的每一工序后模拟的未处理汽相凝结物流动的结果，这些结果与上述对残留液相试验的结果很相似，这种液体对一种对水敏感的岩石有损害，因为汽相凝结物实际上是含有少量二氧化碳的蒸馏水。在图中，没有排放后渗透性的数据。但是流过冷的发生器废水（汽相凝结物）后测量的渗透性表明排放作业使渗透性有所增加。还有，存留的渗透性仍然比开始蒸汽喷射之前低得多。对其他两种砂子也得到同样结论，见图5和6。添加化学物质来防止在蒸汽喷射时由于粘土矿物造成的渗透性损坏对于汽相凝结区来说就象对于残留液相区那样重要。

汽相凝结区的化学添加剂没有多少可供选择，因为它必须通过汽相输送到该区域。幸好，铵离子可像钾离子那么有效防止渗透性损坏并且氨易于通过汽相来输送。无水氨可以喷射入蒸汽发生器的蒸汽流动管道的下游。这种氨极易分配给汽相并由水蒸汽带到油井上部的地层中。当水蒸汽凝结时，氨溶解到液态水中形成铵离子，这就阻止了粘土分散以及像渗透性损坏机理那样的结构膨胀。

氨处理的一种不希望有的影响是来自它使汽相凝结物具有较高的PH值。在蒸汽温度和高PH值下流动的水溶液可大量溶解硅质岩石，从而引起由于另一种机理的渗透性损坏。在图5和6中标明“0.25NNH3”的第二列表示向蒸汽发生器废水加入氨对汽相凝结区中其他两种砂的渗透性的影响。在两种情况下，渗透性损坏都有一定的减少，渗透性激励处理的总的性能都有改善，这种防止渗透性损坏的处理在冷态下是有效的，但在蒸汽温度下就无效，这无疑部分地由于加入氨引起PH值升高造成岩石溶解和沉淀的缘故。

图5和6中标有“NH3和CO2”的第三列示出在蒸汽发生器 管道下游加入氨和二氧化碳的影响，结果表明：无论是排放作业之前还是之后，添加二氧化碳对于减少由于高温水的流动造成的渗透性损坏是十分有益的。加入二氧化碳的目的在于控制由于加入氨造成的高PH值。二氧化碳也主要分配到蒸汽温度下的汽相中，并由水汽和氨输送到地层的汽相凝结区。当水蒸汽凝结时，二氧化碳和氨都溶解在水中，形成铵离子和碳酸氢盐离子，这就使水具有中性的PH值。

虽然上面结合具体实施例阐述了本发明，但是，本申请也应包括在不背离所附的权利要求书的精神和范围的情况下所做的各种变换和改型的方法。