柴汝寬 劉月田 何宇廷 王靖茹 樊平天

（1. 中國石油大學（北京） 油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249； 2. 延長油田股份有限公司南泥灣采油廠， 陜西 延安 716000）

0 引 言

鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏儲量巨大， 但是采收率普遍較低（小于20%）［1-3］， 在考慮經(jīng)濟效益的前提下進一步提高采收率成為當務之急。 水驅(qū)作為經(jīng)濟的開發(fā)方式在鄂爾多斯盆地被廣泛應用［4-5］。 當前注水開發(fā)主要采用同層水回注方式進行， 這樣可以有效避免儲層傷害， 但是同時存在注入難度大、 注入水突進快、 水淹嚴重以及提高采收率效果差等方面的問題［6-8］。 基于鄂爾多斯盆地致密油藏實際情況， 選擇一種經(jīng)濟、 高效、 環(huán)保的提高采收率技術(shù)， 對致密油開發(fā)具有重要意義。

低鹽度水驅(qū)是指根據(jù)儲層礦物和流體特性有針對性地調(diào)整注入水離子組成， 通過改變儲層潤濕性及油水相互作用實現(xiàn)采收率提高的新技術(shù)［9-12］。 由于其特有的經(jīng)濟性、 高效性以及環(huán)境友好性而引起廣泛地關(guān)注。 蘇文博等［13］研究發(fā)現(xiàn)高鹽度水驅(qū)與低鹽度水驅(qū)均存在最佳注水速度， 且低鹽度水驅(qū)的最佳注水速度小于高鹽度水驅(qū)最佳注水速度。 陳晨等［14］通過研究鹽水離子組成對原油中酸／堿極性組分在石英表面吸／脫附的影響， 發(fā)現(xiàn)中性／弱堿性地層水條件下， 原油中酸性極性組分橋接二價陽離子吸附在石英表面； 堿性組分不穩(wěn)定吸附于石英表面。 弱酸性條件下， 酸性極性組分通過氫鍵吸附在石英表面； 堿性組分電離后通過庫侖力吸附在石英表面。 H.Al-saedi 等［15］利用巖心驅(qū)替實驗研究砂巖油藏低鹽度水驅(qū)機理并分析黏土的影響， 認為砂巖油藏低鹽度水促進原油中酸性組分在砂巖表面發(fā)生離子交換反應， 加速酸性組分脫附， 引起潤濕性改變， 進而提高采收率。 T.Austad 等［16］通過巖心驅(qū)替實驗研究砂巖油藏低鹽度水驅(qū)作用機理， 認為低鹽度水注入加速了巖石表面Ca2+的脫附， 造成溶液—黏土表面pH 值的局部上升。 OH-與巖石表面吸附的酸性和堿性原油組分快速反應， 造成了潤濕性的改變和采收率提高。 Q.Xie 等［17］利用zeta 電位和巖心驅(qū)替實驗研究砂巖油藏低鹽度水驅(qū)機理，研究認為降低注入水礦化度和增加二價離子質(zhì)量濃度， 可以引起巖石表面電荷增加， 造成雙電子層膨脹， 巖石表面向水濕轉(zhuǎn)化， 進而提高采收率。 崔傳智等［18］基于DLVO 理論和擴散雙電層理論， 建立了表征巖石—水膜—原油系統(tǒng)界面間相互作用的分離壓力模型， 從微觀受力角度分析了低礦化度水驅(qū)對巖石潤濕性的影響。 研究發(fā)現(xiàn)， 少量二價陽離子可產(chǎn)生極負的分離壓力， 水相潤濕角維持在20°左右； 一價陽離子質(zhì)量濃度降低、 分離壓力逐漸增大， 巖石轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆疂瘛?前人研究主要集中于常規(guī)中高滲透油藏， 并且提出了潤濕性改變、 雙電子層擴張以及類堿驅(qū)等多種低鹽度水驅(qū)作用機理及有效性的條件［19-20］： （1） 地層水礦化度高； （2） 砂巖儲層黏土質(zhì)量濃度高； （3） 注入水礦化度為1 000～5 000 mg／L等。 然而， 鄂爾多斯盆地致密砂巖油藏注水開發(fā)并不能完全滿足上述條件， 例如，鄂爾多斯盆地缺乏淡水的現(xiàn)狀決定了很難將注入水礦化度降低至1 000 ～5 000 mg／L。高礦化度下通過調(diào)整離子組成能否實現(xiàn)致密砂巖油藏采收率的提高， 以及其對應的作用規(guī)律、 機理均有待于深入研究。

本文將巖心驅(qū)替實驗、 潤濕角測定實驗、 界面張力以及界面擴張流變測定實驗相結(jié)合研究低鹽度水驅(qū)在鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖油藏的適用性并分析其作用規(guī)律與機理， 為鄂爾多斯盆地低鹽度水驅(qū)的實際應用奠定基礎。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品

1.1.1 巖心

采用延長組長6 油層組露頭巖心進行巖心驅(qū)替實驗和潤濕性測定實驗。 巖石樣品的X 射線衍射結(jié)果， 見圖1。 將樣品測得的2θ-強度數(shù)據(jù)與已知礦物標準2θ-強度數(shù)據(jù)組進行對比， 可得出各組分礦物質(zhì)量分數(shù)： 斜長石39.5%， 石英36.6%，黏土礦物8. 6%，鉀長石6. 6%，硬石膏以及方解石分別為5.0% 和2%， 同時含有微量菱鐵礦（1.7%）。 驅(qū)替用（1、 2 號） 和潤濕角測定用（3號） 致密砂巖巖心物性數(shù)據(jù)見表1。 由表1 中可知， 該巖心孔隙度、 滲透率低， 束縛水飽和度高。

表1 驅(qū)替用巖心物性參數(shù)Table 1 Parameters of the physical property for the displacing cores

1.1.2 原油

實驗用油為延長組長6 油層組實際原油， 測得相關(guān)參數(shù)見表2。 將原油按4 組分分離方法進行分離， 得到原油中瀝青質(zhì)、 膠質(zhì)、 飽和烴和芳香烴4組分含量。

表2 原油族組成及相關(guān)性質(zhì)Table 2 Group compositions and related properties of the crude oil

1.1.3 注入水

地層水離子組成參照延長組長6 油層組實際地層水（表3）。 首先稱量化學試劑置于蒸餾水中，然后高速攪拌1 h 確保溶質(zhì)溶解均勻， 最后將水溶液通過直徑1 μm 過濾膜過濾后待用。 實驗用水溶液配置過程中化學藥劑按照CaCl2、 MgCl2、 KCl、NaCl、 Na2SO4和NaHCO3順序依次添加， 可降低由于離子間優(yōu)先反應造成的有效離子的消耗。 溶液即用即配， 盡量避免空氣中雜質(zhì)的影響。 其中，F(xiàn)W 為地層水； FW-0.5Ca2+是指水溶液礦化度保持不變 Ca2+質(zhì)量濃度降低一半的水溶液；FW-3.0S是指水溶液礦化度保持不變SO42-質(zhì)量濃度增大3 倍的水溶液。

表3 實驗用水溶液的離子組成Table 3 Ion compositions of the experimental brine

1.2 實驗過程

1.2.1 巖心驅(qū)替實驗

利用索氏提取法對實驗用1、 2 號巖心進行清洗； 將1、 2 號巖心置于恒溫箱中70 ℃條件下烘干（首次烘干48 h， 而后每烘干8 h 后冷卻稱質(zhì)量，前后3 次質(zhì)量差在10 mg 以內(nèi)）， 獲取潔凈巖心，稱量干質(zhì)量； 將巖心置于抽濾瓶中抽真空24 h 并飽和地層水， 稱量濕質(zhì)量。 根據(jù)質(zhì)量差計算其孔隙體積（PV）； 將飽和地層水后的巖心置于巖心夾持器中， 首先以0.50 mL／min 的速度飽和原油至巖心出口端流量、 壓力穩(wěn)定， 再提高流速至1.50 mL／min，累計飽和原油10 PV， 計量產(chǎn)出水量， 計算束縛水飽和度； 巖心在30 ℃條件下老化30 d， 制備不同離子組成的水溶液并進行驅(qū)替， 驅(qū)替速度穩(wěn)定在0.25 mL／min，實時記錄產(chǎn)出油量。待巖心出口端壓力穩(wěn)定并且產(chǎn)出液含水率達到98%以上， 更換注入水， 進行后續(xù)連續(xù)驅(qū)替。 為模擬油藏實際情況， 驅(qū)替實驗在30 ℃條件下進行。1、 2 號巖心驅(qū)替過程見表4。

表4 1、 2 號巖心驅(qū)替方案Table 4 Displacing processes of Core 1 and Core 2

1.2.2 潤濕性實驗

將3 號巖心清洗、 干燥并切割成直徑25 mm、厚度8 mm 的薄片， 拋光制成實驗用巖片； 將巖片放入抽濾瓶中抽真空并飽和地層水12 h， 使地層水充滿巖片的孔隙； 之后將巖片放入原油中浸泡， 置于30 ℃恒溫箱中老化30 d， 使巖片飽和原油。

(3)燒烤。低溫烹飪結(jié)束后，打開真空包裝袋，將雞翅均勻的擺放在墊有烹調(diào)紙的烤盤上，放入烤箱中間層，選擇熱風燒烤模式，設置溫度、時間，啟動熱風燒烤。

利用座滴法測定潤濕角（圖2）， 具體步驟：利用石油醚清洗實驗容器， 真空干燥， 而后將配置好的水溶液置于其中形成水環(huán)境； 循環(huán)水浴將實驗容器內(nèi)水溶液溫度穩(wěn)定在30 ℃， 壓力穩(wěn)定在4.3 MPa；將老化的巖片置于實驗容器內(nèi)的巖心架上， 利用U 型針滴定15 μL 原油在巖片的表面，使用CCD 相機實時拍照記錄油滴形態(tài)， 測定潤濕角， 連續(xù)測量300 min。 每組實驗進行3 次， 計算潤濕角平均值。

1.2.3 界面張力和界面擴張流變實驗

利用懸滴法測定油水界面張力（圖2）， 實驗步驟： 利用石油醚清洗實驗容器， 真空干燥， 而后將配置好的水溶液置于其中形成水環(huán)境； 循環(huán)水浴將實驗容器內(nèi)水溶液溫度穩(wěn)定在30 ℃， 壓力穩(wěn)定在4.3 MPa； 將15 μL 原油懸掛于U 型探針前端，使用CCD 相機實時捕捉油滴形態(tài)并計算界面張力，測量時間300 min。 每組實驗進行3 次， 計算油水界面張力平均值。

懸滴法計算界面張力計算公式［21-22］為

式中：γ——界面張力， mN／m；

Δρ——兩相密度差， g／cm3；

g——重力加速度， 980 cm／s2；

2 實驗結(jié)果

2.1 巖心驅(qū)替

圖3 為不同質(zhì)量濃度Ca2+溶液驅(qū)替時采收率和驅(qū)替壓力變化曲線。 由圖3 中可知， 地層水注入階段最終采收率穩(wěn)定在28.08%， 注入壓力穩(wěn)定在3.81 MPa；注入水更換為FW-0.5Ca2+， 采收率進一步增加至31.40%， 增加量為3.32%， 注入壓力降低到2.96 MPa； 繼續(xù)降低溶液中Ca2+質(zhì)量濃度，原油采收率繼續(xù)增加至34.58%， 增加量為3.18%， 注入壓力繼續(xù)降低至2.37 MPa。 綜上可知， 在保證注入水礦化度不變的前提下， 降低注入水Ca2+質(zhì)量濃度可以有效提高致密砂巖油藏采收率。

2.2 潤濕角測定

2.3 油水相互作用

2.3.1 界面張力測定

圖6 為不同Ca2+和SO42-質(zhì)量濃度的水溶液與原油間界面張力的變化曲線。 由圖6 （a） 可知，在保證注入水礦化度不變的前提下， 調(diào)整注入水Ca2+質(zhì)量濃度可以有效改變油水界面張力。 FW、FW-0.5Ca2+和FW-0.2Ca2+水溶液與原油間界面張力分別穩(wěn)定在19.87、 16.84 和15.01 mN／m。 即隨著水溶液中Ca2+質(zhì)量濃度的降低， 油水界面張力不斷降低， 油水相互作用不斷增強。 因為地層水中Ca2+質(zhì)量濃度過高， 油水界面附近極性原油組分因“鹽析” 作用的排斥而遠離， 造成高界面張力。 降低Ca2+質(zhì)量濃度后， “鹽溶” 作用逐漸增強， 界面處吸附的原油組分排列更加緊密， 界面張力不斷降低。 由圖6 （b） 可知， 在保證注入水礦化度不變的前提下， 調(diào)整注入水SO42-質(zhì)量濃度可以有效改變油水界面的張力。 FW、 FW-2.0SO42- 和FW-3.0SO42-水溶液與原油界面張力分別穩(wěn)定在19.87、 17.52 和16.12 mN／m。 即隨著水溶液中SO42-質(zhì)量濃度的增加， 油水界面張力不斷降低，油水相互作用不斷增強。 相較于Ca2+， SO42-對界面張力的影響相對較弱。 SO42-主要通過消耗水溶液中Ca2+， 減弱過量Ca2+引起的“鹽析” 作用，實現(xiàn)界面張力的降低。

2.3.2 界面擴張流變測定

3 結(jié) 論

（1） 低鹽度水驅(qū)通過調(diào)整注入水離子組成增強巖石表面水濕性以及油水相互作用， 進而提高致密砂巖油藏采收率。 其中， 降低Ca2+質(zhì)量濃度或增加SO4

2-質(zhì)量濃度效果最為明顯。

（2） 低鹽度水驅(qū)對巖石表面潤濕性有重要影響。 Ca2+質(zhì)量濃度降低或SO42-質(zhì)量濃度升高均可以促進巖石表面吸附原油組分解離， 引起巖石表面水濕性增強。

（3） 低鹽度水驅(qū)對油水相互作用有重要影響。Ca2+質(zhì)量濃度降低或SO42-質(zhì)量濃度增加均可以增加極性原油組分在油水界面的吸附， 造成油水界面張力降低、 油水界面黏彈性增強。