低鹽度水驅(qū)提高采收率實(shí)驗(yàn)研究

蘇文博，劉月田*，皮 建，王云鵬，李長勇

1.“油氣資源與探測(cè)”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國石油大學(xué)，北京 昌平 102249 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 朝陽 100028

引 言

低鹽度水驅(qū)指油田注入水礦化度低于油藏原始地層水礦化度，通常注入水礦化度低于5 000 mg/L[1]。利用低鹽度水驅(qū)開發(fā)油藏是近年來油藏開發(fā)領(lǐng)域較為活躍的研究方向。低鹽度水驅(qū)的成功實(shí)施一般需要滿足以下條件：存在地層水、極性官能團(tuán)、黏土礦物以及合理的低鹽度注入水。地層水中的高價(jià)陽離子、原油中的極性官能團(tuán)以及巖石中的黏土礦物為離子交換、橋接和擴(kuò)散提供了基礎(chǔ)，合理鹽度范圍內(nèi)的低鹽度注入水則是低鹽度水驅(qū)成功的關(guān)鍵。與其他化學(xué)驅(qū)和熱采方法相比，低鹽度水驅(qū)具有成本低廉、操作簡單以及風(fēng)險(xiǎn)較低等特點(diǎn)，具有很大的應(yīng)用潛力和推廣空間[2-4]。

近20年來，國外進(jìn)行了許多低鹽度水驅(qū)提高采收率的室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。以Soraya和Austad等為代表的研究人員，在室內(nèi)對(duì)低鹽度水驅(qū)的機(jī)理及影響因素等進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究[5-14]；在礦場(chǎng)試驗(yàn)方面，科威特石油公司最早在砂巖油藏開展了利用低鹽度水驅(qū)技術(shù)提高油田開發(fā)效果的研究，發(fā)現(xiàn)低鹽度水驅(qū)可使殘余油飽和度降低25%～50%[15]。后繼研究者對(duì)不同類型的油藏進(jìn)行了不同方式的礦場(chǎng)試驗(yàn)，均取得了較好的應(yīng)用效果[16-21]。對(duì)低鹽度水驅(qū)機(jī)理的研究雖取得了顯著的進(jìn)展，但仍未得出一致的結(jié)論[22-24]。

目前，國外提出的低鹽度水驅(qū)機(jī)理主要包括：類堿驅(qū)、微粒運(yùn)移以及多組分離子交換引起的儲(chǔ)層潤濕性改變[3]。國內(nèi)在低鹽度水驅(qū)方面的研究較少，只有吳曉燕在室內(nèi)研究了轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)機(jī)對(duì)低鹽度水驅(qū)效果的影響[25]，因此，亟需對(duì)低鹽度水驅(qū)進(jìn)行更加全面深入的研究。

本文利用巖芯物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)均質(zhì)砂巖巖芯進(jìn)行低鹽度水驅(qū)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，用不同鹽度、相同注水速度以及相同鹽度、不同注水速度的水進(jìn)行驅(qū)替，分析鹽度及注水速度對(duì)采出程度的影響，給出了此類油藏利用低鹽度水驅(qū)開發(fā)提高采收率的有效途徑。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步深入探討低鹽度水驅(qū)技術(shù)及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)中所用巖芯為孔滲條件基本一致的人造砂巖巖芯，直徑2.5 cm，長7.5 cm，氣測(cè)滲透率2 000 mD。鑒于砂巖中黏土礦物的存在對(duì)低鹽度水驅(qū)的效果起著至關(guān)重要的作用[26]，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了人造巖芯中黏土礦物的組成，如表1所示。

表1 人造巖芯黏土礦物含量Tab.1 The clay mineral content in artificial cores

所用地層水（鹽度為238 460.5 mg/L）及不同鹽度鹽水為用蒸餾水與以下試劑混合而成：氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、碳酸氫鈉、無水硫酸鈉。以上試劑均為分析純，產(chǎn)自北京化工廠。所用不同鹽度鹽水的成分和性質(zhì)見表2。

表2 不同鹽度鹽水的離子濃度及鹽度Tab.2 The ion concentration and salinity of different salinity saline

實(shí)驗(yàn)用油為大慶油田原油與柴油按體積比1：3混合配制的模擬油，地面條件下模擬油各指標(biāo)如下：密度 0.861 g/cm3，黏度 17.85 mPa·s，瀝青含量0.46%，膠質(zhì)含量3.21%。

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備有：X射線衍射儀（深圳市艾蘭特科技有限公司）、真空泵（V-i120SV 型）、多功能巖芯驅(qū)替物理模擬裝置（海安石油科技儀器有限公司）、高精度電子天平（精度0.1 mg，北京梅特勒-托利多儀器公司）、恒溫箱（海安石油科技儀器有限公司）、黏度計(jì)（NDJ-5S型）、恒速恒壓泵（DZ47-60型）以及活塞容器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

方案1：高鹽度轉(zhuǎn)低鹽度水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，即首先用FW驅(qū)替巖芯至不出油之后，用FW-20進(jìn)行轉(zhuǎn)注至不出油之后，再用FW-100轉(zhuǎn)注至不出油為止。

方案2：不同鹽度相同注水速度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，即在相同注水速度（0.20 mL/min，根據(jù)前期速敏實(shí)驗(yàn)確定）下用表2中不同鹽度的鹽水以及蒸餾水，分別對(duì)巖芯進(jìn)行驅(qū)替，直至不出油為止。

方案3：相同鹽度不同注水速度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，即在相同注入水鹽度下，選用注入速度0.10，0.20，0.30，0.40，0.50及0.75 mL/min，分別對(duì)巖芯進(jìn)行驅(qū)替，直至不出油為止。在此方案中，選用兩種鹽度的水分別進(jìn)行不同注入速度下的水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，一種是用在方案2中使采收率達(dá)到最大的低鹽度水，另一種是用地層水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將人造巖芯放入抽濾瓶中，用真空泵抽真空2 h，之后用地層水飽和4 h，記錄飽和地層水前后巖芯的質(zhì)量；

（2）用原油驅(qū)替飽和地層水后的巖芯，達(dá)到流量穩(wěn)定狀態(tài)，直到不出水，記錄驅(qū)出的地層水的體積，計(jì)算束縛水飽和度和原始含油飽和度；

（3）將飽和油的巖芯放到恒溫箱中，在90?C條件下老化7～10 d，得到鹽水驅(qū)替前所用的油濕性巖芯；

（4）按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄不同注入水PV數(shù)下驅(qū)出的油水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 方案1：高鹽度轉(zhuǎn)低鹽度水驅(qū)實(shí)驗(yàn)

整個(gè)驅(qū)替過程中原油的采出程度隨注入PV數(shù)的變化情況如圖1所示。

圖1 整個(gè)水驅(qū)過程采出程度隨PV數(shù)變化圖Fig.1 The recovery varies with the PV number throughout the water flooding process

由圖1可知，在地層水驅(qū)替前期，采出程度隨注入水PV數(shù)的增加而增加，達(dá)到3 PV后，采出程度基本不再增加，最終采收率為56.30%。在5 PV之后用FW-50（鹽度為4 769.2 mg/L）在相同注入速度下進(jìn)行轉(zhuǎn)驅(qū)，最終采收率為58.15%，提高了1.85%。在此基礎(chǔ)上，再用FW-100（鹽度為2 384.6 mg/L）在相同注入速度下轉(zhuǎn)驅(qū)，最終采收率又提高了1.48%，達(dá)59.63%?？偟膩碚f，在地層水驅(qū)替的基礎(chǔ)上，通過低鹽度水驅(qū)使采收率提高了3.33%。由此證明了低鹽度水驅(qū)技術(shù)的有效性。

在用低鹽度水（FW-50、FW-100）進(jìn)行驅(qū)替過程中，原油中的極性組分與水中離子發(fā)生皂化反應(yīng)，降低界面張力，促進(jìn)原油解吸，使巖石向親水方向轉(zhuǎn)變；同時(shí)，在連續(xù)驅(qū)替作用下，巖石內(nèi)部的伊利石、云母等黏土礦物逐漸溶解并發(fā)生運(yùn)移，改變注入水液流方向，提高注入水波及效率。整個(gè)驅(qū)替過程中，低鹽度水驅(qū)的類堿驅(qū)、誘發(fā)黏土顆粒運(yùn)移以及促使巖石潤濕性改變的作用得到有效發(fā)揮，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)驅(qū)替過程原油采收率的逐步提高。

2.2 方案2：不同鹽度相同注水速度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

取8個(gè)巖芯，飽和油并老化相同時(shí)間后，用表2中的鹽水分別進(jìn)行驅(qū)替，驅(qū)替速度為0.20 mL/min，直至驅(qū)出的流體中不含油為止。各驅(qū)替情況下原油的采出程度隨注入水PV數(shù)的變化情況如圖2所示，原油的最終采收率對(duì)比如圖3所示。

結(jié)合圖2、圖3可以看出，在進(jìn)行低鹽度水驅(qū)時(shí)，就提高原油采收率而言，存在最佳鹽度值。隨著注入水鹽度的降低，采收率先升高后降低。在注入水鹽度在2 384.6 mg/L時(shí)，采收率達(dá)到最大值。繼續(xù)降低鹽度，采收率逐漸降低，當(dāng)鹽度降低至1 192.3 mg/L及以下時(shí)，采收率迅速下降，比用地層水驅(qū)替時(shí)采收率還要低。

圖2 不同鹽度水驅(qū)替時(shí)采出程度變化曲線圖Fig.2 The variation curves during different salinity water flooding processes

當(dāng)注入水鹽度過高時(shí)，水中的二價(jià)離子（主要是Ca2+、Mg2+）能強(qiáng)烈地吸附在黏土物質(zhì)表面并與原油中的瀝青、膠質(zhì)等極性物質(zhì)形成金屬復(fù)合物，不利于原油的解吸以及巖石向親水方向的轉(zhuǎn)化；而在注入水鹽度過低時(shí)，巖石中的黏土礦物發(fā)生膨脹或反絮凝，導(dǎo)致孔隙吼道堵塞，巖芯滲透率下降。一般情況下，低鹽度水驅(qū)的最低門限值為1 000.00 mg/L[27]。在最佳注入鹽度條件下，低鹽度水驅(qū)的類堿驅(qū)、誘發(fā)黏土顆粒運(yùn)移以及促使巖石潤濕性改變的作用得到最大程度發(fā)揮，原油采收率也最高。

圖3 不同鹽度水驅(qū)替時(shí)采收率對(duì)比圖Fig.3 The comparison diagram of different salinity water flooding processes

2.3 方案3：相同鹽度不同注水速度驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

在此方案中，選用兩種鹽度的水分別進(jìn)行不同注水速度的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)：一種是在方案2中得到的使采收率達(dá)到最大的FW-100（鹽度為 2 384.6 mg/L），一種是地層水FW，分別代表低鹽度水與高鹽度水。設(shè)置注水速度 0.10，0.20，0.30，0.40，0.50和0.75 mL/min。

用FW與FW-100在上述注水速度下分別對(duì)巖芯進(jìn)行驅(qū)替時(shí)，采出程度隨注入水PV數(shù)的變化情況如圖4所示。

圖4 不同注入速度下用FW與FW-100進(jìn)行水驅(qū)采出程度隨注入水PV數(shù)變化圖Fig.4 The recovery varies with the PV number under different injection rates using FW and FW-100

從圖4可以看出，在相同注水速度下，高鹽度與低鹽度水驅(qū)時(shí)采出程度隨注入體積的變化情況存在差別，且在注入速度0.40 mL/min前后，二者的差別形式明顯不同。在注入速度小于0.40 mL/min時(shí)，在相同注入體積情況下，相較高鹽度水驅(qū)，低鹽度水驅(qū)時(shí)的采出程度更高，達(dá)到最大采出程度所需要的時(shí)間也更長；而在注水速度大于0.40 mL/min時(shí)，相同注入體積情況下，低鹽度水驅(qū)時(shí)的采出程度相對(duì)更低，達(dá)到最大采出程度所需的時(shí)間也更短。

當(dāng)注水速度小于0.40 mL/min時(shí)，高鹽度水驅(qū)不能引起儲(chǔ)層潤濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，在較短時(shí)間內(nèi)采出程度已趨于穩(wěn)定；而對(duì)低鹽度水驅(qū)來說，由于注入水與儲(chǔ)層逐漸發(fā)生反應(yīng)，儲(chǔ)層巖石的潤濕性逐漸向偏水濕的方向轉(zhuǎn)變，促進(jìn)原油的解吸，從而采出程度持續(xù)增大，最終采出程度也更高。由于水-原油-巖石之間的反應(yīng)需要時(shí)間，因此低鹽度水驅(qū)達(dá)到最大采出程度所需要的時(shí)間也更長。

當(dāng)注水速度大于0.40 mL/min時(shí)，對(duì)于低鹽度水驅(qū)來說，由于注水速度較快，水中離子未能及時(shí)與儲(chǔ)層發(fā)生反應(yīng)，單位時(shí)間單位巖石表面上反應(yīng)的離子數(shù)太少，低鹽度水促使巖石表面向水濕性方向轉(zhuǎn)化的作用不能充分發(fā)揮出來，因此較早時(shí)間達(dá)到最大采出程度且值較低；而對(duì)于高鹽度水驅(qū)來說，由于離子濃度較高，能夠克服低鹽度水驅(qū)時(shí)單位時(shí)間單位巖石表面積上反應(yīng)的離子數(shù)太少的局限，離子數(shù)能得到及時(shí)補(bǔ)充，使得高速下的高鹽度水驅(qū)具有接近相對(duì)低速下低鹽度水驅(qū)驅(qū)油效率的趨勢(shì)，導(dǎo)致原油最終采出程度較高。

將高鹽度與低鹽度水驅(qū)時(shí)原油的采收率隨注水速度的變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 高鹽度與低鹽度水驅(qū)時(shí)采收率隨注水速度變化情況Fig.5 The recovery varies with the injection rates during high/low salinity water flooding

從圖5可以看出，無論采用高鹽度水驅(qū)還是低鹽度水驅(qū)，采收率隨注水速度變化的趨勢(shì)均為先增大后減小，低鹽度水驅(qū)的最佳注水速度（0.20 mL/min）要小于高鹽度水驅(qū)的最佳注水速度（0.40 mL/min），且在注水速度較低（＜0.30 mL/min）時(shí)，低鹽度水驅(qū)的采收率明顯高于高鹽度水驅(qū)時(shí)，而在注水速度相對(duì)較高（＞0.40 mL/min）時(shí)，高鹽度水驅(qū)的采收率略高于低鹽度水驅(qū)時(shí)的情況。

低速下，由于低鹽度水驅(qū)有使儲(chǔ)層潤濕性向親水性轉(zhuǎn)變的特性，使得低鹽度水驅(qū)時(shí)的采收率明顯高于高鹽度水驅(qū)；而在高速驅(qū)替下，低鹽度水驅(qū)誘發(fā)儲(chǔ)層潤濕性轉(zhuǎn)變的作用不能得到發(fā)揮，高鹽度水驅(qū)在一定程度上克服了低鹽度水驅(qū)單位時(shí)間單位巖石表面上反應(yīng)的離子數(shù)太少的局限，能夠獲得相對(duì)較高的采收率。

3 結(jié) 論

（1）用地層水（鹽度為 238 460.5 mg/L）對(duì)巖芯驅(qū)替至不出油之后，再用FW-50（鹽度為4 769.2 mg/L）及 FW-100（鹽度為 2 384.6 mg/L）進(jìn)行連續(xù)驅(qū)替，采收率分別提高1.85%、1.48%，累計(jì)提高3.33%。證明了低鹽度水驅(qū)技術(shù)提高原油采收率的有效性。

（2）低鹽度水驅(qū)存在最佳鹽度值。當(dāng)鹽度在2 384.6 mg/L左右時(shí)，低鹽度水驅(qū)采收率最大。鹽度過低時(shí)，引發(fā)黏土礦物膨脹或反絮凝，導(dǎo)致孔隙吼道堵塞、巖芯滲透率下降，低鹽度水驅(qū)提高采收率作用不能得到發(fā)揮。

（3）當(dāng)注水速度在0.40 mL/min之前時(shí)，在相同注入體積情況下，相較高鹽度水驅(qū)，低鹽度水驅(qū)的采出程度更高，達(dá)到最大采出程度所需要的時(shí)間也更長；而在注水速度大于0.40 mL/min時(shí)，相同注入體積情況下，低鹽度水驅(qū)時(shí)的采出程度相對(duì)更低，達(dá)到最大采出程度所需的時(shí)間也更短。

（4）無論采用高鹽度水驅(qū)還是低鹽度水驅(qū)，采收率隨著注水速度變化的趨勢(shì)均為先增大后減小，即存在最佳注水速度，且低鹽度水驅(qū)的最佳注水速度要小于高鹽度水驅(qū)的最佳注水速度。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，低鹽度水驅(qū)要選用較低的注入速度，而在選用較高鹽度的水進(jìn)行驅(qū)替時(shí)，要適當(dāng)提高注入速度。

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