低滲透油藏有效注入水水質(zhì)界限

熊生春，儲(chǔ)莎莎，趙國(guó)梅，何　英，竇景平

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.中國(guó)石油青海油田分公司，甘肅敦煌736202）

低滲透油藏有效注入水水質(zhì)界限

熊生春1，儲(chǔ)莎莎1，趙國(guó)梅2，何英1，竇景平1

（1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.中國(guó)石油青海油田分公司，甘肅敦煌736202）

注水是低滲透油藏補(bǔ)充地層能量的主要方式，而注入水水質(zhì)是影響注水開發(fā)效果的關(guān)鍵因素。在低滲透油藏注入水水質(zhì)推薦指標(biāo)中沒有注入水礦化度的相關(guān)指標(biāo)，且對(duì)滲透率低于10×10-3μm2的儲(chǔ)層沒有進(jìn)一步的劃分。通過恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，分析喉道分布差異及主流喉道對(duì)滲透率貢獻(xiàn)程度，剖析不同滲透率級(jí)別儲(chǔ)層影響注水效果的關(guān)鍵喉道區(qū)間；通過室內(nèi)巖心水驅(qū)物理模擬實(shí)驗(yàn)，定量分析粘土微粒運(yùn)移與水化膨脹對(duì)滲流能力的影響程度，結(jié)合喉道分布特征，初步提出了低滲透油藏不同滲透率儲(chǔ)層注入水礦化度、顆粒粒徑和顆粒濃度的水質(zhì)界限。研究結(jié)果表明，巖心滲透率越低，注入水礦化度越接近地層水礦化度；巖心滲透率越低，注入水顆粒粒徑越大，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力傷害越大；巖心滲透率越低，注入水顆粒質(zhì)量濃度越高，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力傷害越大。

低滲透油藏 注入水水質(zhì)界限 喉道半徑 粘土礦物 顆粒粒徑 顆粒質(zhì)量濃度

低滲透油藏是目前各油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力［1-4］，其開發(fā)面臨的主要問題是單井產(chǎn)量低、遞減快和采收率低，主要根源是能量難以得到有效補(bǔ)充［5-8］。低滲透油藏主要靠注水補(bǔ)充能量［9-10］，注入水水質(zhì)是注水有效開發(fā)的基本前提和重要保證。不同滲透率油藏儲(chǔ)層對(duì)注入水水質(zhì)的要求不同，目前低滲透油藏注入水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［11］將滲透率劃分為小于10×10-3，10×10-3～50×10-3，50×10-3～500×10-3，500×10-3～1 500×10-3和大于1 500×10-3μm2共5個(gè)區(qū)間，滲透率小于10×10-3μm2的儲(chǔ)層沒有劃分標(biāo)準(zhǔn)，但目前主要開發(fā)的低滲透油藏的滲透率均小于5×10-3μm2，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)難以滿足低滲透油藏有效注水的需求。

影響低滲透油藏注水開發(fā)效果的因素有儲(chǔ)層粘土礦物、注入水礦化度、懸浮物粒徑和懸浮物含量。為了厘清其對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響程度，筆者設(shè)計(jì)一系列室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)，研究水驅(qū)前后礦物成分變化、不同顆粒粒徑和濃度對(duì)巖心的傷害程度，并結(jié)合儲(chǔ)層喉道分布特征，總結(jié)出不同滲透率儲(chǔ)層注入水礦化度、顆粒粒徑和顆粒濃度等水質(zhì)主要參數(shù)的界限，進(jìn)一步細(xì)化了注水水質(zhì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為低滲透油藏有效注水開發(fā)提供了依據(jù)。

1　喉道分布特征

μm2時(shí)，喉道半徑以微喉道為主，滲透率貢獻(xiàn)全部來自半徑小于1μm的喉道。巖心滲透率為0.1×10-3～1×10-3μm2時(shí)，半徑小于2μm的喉道所占比例平均為96.2%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為76.8%；半徑大于2μm的喉道所占比例平均為3.8%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為23.2%。巖心滲透率為1× 10-3～5×10-3μm2時(shí)，半徑小于2μm的喉道所占比例平均為83.0%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為51.6%；半徑大于2μm的喉道所占比例平均為17.0%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為48.4%。巖心滲透率為5×10-3～10×10-3μm2時(shí)，半徑小于2μm的喉道所占比例平均為40.6%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為19.6%；半徑大于2μm喉道所占比例平均為49.4%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為80.4%。巖心滲透率大于10×10-3μm2時(shí)，半徑小于2μm的喉道所占比例平均為11.9%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為9.1%；半徑大于2μm喉道所占比例為88.1%，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率平均為90.9%。因此，巖心滲透率越低，小喉道所占比例越高，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率越大；巖心滲透率越高，半徑大于2 μm的喉道所占比例越高，其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率越大。在注水開發(fā)過程中，不同儲(chǔ)層的滲透率降低主要是由于注入水水質(zhì)影響了喉道半徑。因此，不同滲透率級(jí)別的低滲透油藏，需要進(jìn)一步分析水質(zhì)對(duì)其滲流能力的影響程度。

表1　不同滲透率巖心不同喉道半徑所占比例及滲透率貢獻(xiàn)率Table1　Proportionsofdifferent throat radiusand the corresponding penetration contribution rate in differentpermeability cores

儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要由喉道和孔隙組成，是影響儲(chǔ)層滲流能力的主要因素［12-13］。通過恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，測(cè)試9塊低滲透油藏巖心喉道分布，巖心滲透率為0.08×10-3～18.56×10-3μm2，喉道半徑為0～6 μm。從表1可以看出，當(dāng)巖心滲透率小于0.1×10-3

2　注水水質(zhì)影響因素

2.1粘土礦物

粘土礦物對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的作用機(jī)理主要有粘土分散、脫附、微粒運(yùn)移（伊利石、綠泥石、高嶺石等）和水化膨脹（蒙脫石、伊/蒙混層等）2種［14-17］。在水驅(qū)開發(fā)過程中，因?yàn)檎惩练稚ⅰ⒚摳胶臀⒘＿\(yùn)移會(huì)使得粘土礦物隨水流出，粘土含量降低；而水化膨脹導(dǎo)致粘土礦物與儲(chǔ)層表面作用力增強(qiáng)，流動(dòng)能力減弱。儲(chǔ)層粘土礦物的成分不同，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響程度也不一樣。

選取12塊不同級(jí)別滲透率的巖心，對(duì)其水驅(qū)前后的粘土礦物含量（表2）進(jìn)行分析。由表2可以看出，水驅(qū)后12塊巖心平均粘土礦物含量由17.1%下降到16.0%，其中伊/蒙混層相對(duì)含量增加2.58%，伊利石相對(duì)含量下降1.17%，高嶺石相對(duì)含量下降1.16%，綠泥石相對(duì)含量下降0.25%。研究結(jié)果表明，粘土礦物在驅(qū)替壓力作用下脫附、顆粒運(yùn)移，導(dǎo)致粘土礦物含量下降。低滲透油藏儲(chǔ)層中粘土礦物含量較高，在長(zhǎng)期注水開發(fā)過程中粘土礦物成分發(fā)生變化，導(dǎo)致易膨脹的伊/蒙混層等相對(duì)含量增加，不配伍的水質(zhì)會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成重復(fù)傷害［18］，導(dǎo)致注水壓力高，注水難度大。

表2　水驅(qū)前后粘土礦物各組分含量變化Table2　Contentchangesof claymineralsand each componentbeforeand afterwater flooding

2.2注入水礦化度

不同儲(chǔ)層中，粘土礦物微粒運(yùn)移和水化膨脹都會(huì)改變儲(chǔ)層滲流能力，其作用機(jī)理的影響程度存在差異，通過向巖心中注入不同礦化度的水來量化微粒運(yùn)移和水化膨脹對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響程度。選取4塊不同滲透率級(jí)別巖心，用地層水飽和后，在相同驅(qū)替速度下，依次用不同礦化度的水進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表3）可以看出，當(dāng)注入水為蒸餾水時(shí)，4塊巖心滲透率變化分別是88.4%，70.1%，54.1%和41.3%，其中顆粒運(yùn)移造成的傷害分別是23.4%，13.8%，8.7%和5.2%，水化膨脹造成的傷害分別是65.0%，56.3%，45.4%和36.1%。以滲透率為0.38×10-3μm2的巖心為例，注入水為地層水時(shí)，巖心滲透率變化為23.4%；注入水為蒸餾水時(shí)，巖心滲透率變化為88.4%，即注入水與地層水礦化度相差越大，對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害越大。巖心滲透率越低，水化膨脹所造成的滲透率降低幅度越大。參照行業(yè)規(guī)范［19］，以滲透率變化20%作為注入水臨界礦化度的依據(jù)，可以確定不同滲透率巖心的注入水礦化度界限。分析可知，滲透率分別為0.38×10-3，1.26×10-3，7.44×10-3和18.56×10-3μm2巖心的臨界注入水礦化度分別為1，0.72，0.58和0.38倍地層水礦化度。將臨界注入水礦化度與滲透率進(jìn)行擬合，得到注入水礦化度與滲透率的關(guān)系為

表3　不同滲透率巖心注入不同礦化度注入水實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3　Experiment resultof injectedwaterwith varioussalinity injected into variouspermeability cores

式中：c為注入水礦化度，mg/L；K為滲透率，10-3μm2。

2.3注入水顆粒粒徑

首先選用粒徑分別為0.25，0.5，1.0和1.5μm的顆粒配制懸浮液，懸浮液質(zhì)量濃度均為0.1mg/L；然后選用滲透率分別為0.38×10-3，1.26×10-3，7.44×10-3和18.56×10-3μm2的4塊巖心，依次注入含不同顆粒粒徑的懸浮液進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試注入水顆粒粒徑對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響（表4）。

表4　不同滲透率巖心注入不同顆粒粒徑懸浮液實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table4　Experiment resultofsuspensionwith various diametersofparticles injected into variouspermeability cores

從表4可以看出，依次注入不同顆粒粒徑的懸浮液進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)后，4塊巖心最終滲透率損害率分別為95.1%，61.3%，36.4%和24.8%，即巖心滲透率越低，注入水顆粒粒徑對(duì)儲(chǔ)層滲流能力影響越大。以滲透率為1.26×10-3μm2的巖心為例，注入4種不同顆粒粒徑的懸浮液，滲透率損失率從13.3%增加到61.3%。結(jié)合表1和表4可知，當(dāng)注入水中懸浮物顆粒粒徑小于0.5μm時(shí)，將堵塞半徑小于1μm的喉道，雖然半徑小于1μm的喉道占全部喉道的38.67%，但其對(duì)滲透率累積貢獻(xiàn)率僅為8.94%，所以對(duì)巖心滲透率不會(huì)造成大幅度傷害，滲透率損失小于20%。當(dāng)注入水中懸浮物顆粒粒徑逐漸增加到1.5μm時(shí)，逐漸堵塞半徑大于1μm的喉道，滲透率損害率逐漸增大。因此，注入水顆粒粒徑增大，巖心滲透率損害率增加。參照行業(yè)規(guī)范［19］，以滲透率變化20%作為注入水顆粒粒徑劃分的依據(jù)，可確定不同滲透率巖心注入水顆粒粒徑界限，并保證其注入水顆粒粒徑對(duì)滲透率的損害率在20%以內(nèi)。研究結(jié)果表明，滲透率分別為0.38×10-3，1.26×10-3，7.44×10-3和18.56×10-3μm2的臨界注入水顆粒粒徑分別為0.18，0.42，0.68和0.98μm。將臨界注入水顆粒粒徑與滲透率進(jìn)行擬合，得到注入水顆粒粒徑與滲透率的關(guān)系式為

式中：r為注入水顆粒粒徑，μm。

2.4注入水顆粒質(zhì)量濃度

根據(jù)注入水顆粒粒徑對(duì)儲(chǔ)層滲流能力影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，滲透率分別為0.38×10-3，1.26×10-3，7.44×10-3和18.56×10-3μm2的臨界注入水顆粒粒徑分別為0.18，0.42，0.68和0.98μm。因此分別選用0.2，0.4，0.7和1.0μm的4種顆粒粒徑配制懸浮液，每一種顆粒粒徑配制的懸浮液質(zhì)量濃度分別為0.5，1.0，1.5和2.0mg/L。然后選用滲透率為0.38×10-3，1.26×10-3，7.44×10-3和18.56×10-3μm2的4塊巖心，依次注入不同顆粒濃度的懸浮液進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試注入水顆粒濃度對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響（表5）。

表5　不同滲透率巖心注入不同顆粒質(zhì)量濃度懸浮液實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table5　Experiment resultofsuspensionwith various concentrationsofparticles injected into variouspermeability cores

從表5可以看出，依次注入不同顆粒質(zhì)量濃度的懸浮液進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，4塊巖心最終滲透率損害率分別為95.3%，65.3%，40.7%和28.2%，即巖心滲透率越低，注入水顆粒質(zhì)量濃度對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響越大。以滲透率為1.26×10-3μm2的巖心為例，當(dāng)注入顆粒粒徑為0.4μm，懸浮液顆粒質(zhì)量濃度依次為0.5，1.0，1.5和2mg/L時(shí)，巖心滲透率損害率分別為18.2%，35.4%，50.8%和65.3%。因此隨著注入水顆粒質(zhì)量濃度的增大，巖心滲透率損害率逐漸增加。參照行業(yè)規(guī)范［19］，以滲透率變化20%作為臨界懸浮顆粒質(zhì)量濃度劃分的依據(jù)，可確定不同滲透率巖心注入水顆粒質(zhì)量濃度界限，并保證其注入水顆粒質(zhì)量濃度對(duì)滲透率的損害率在20%以內(nèi)。研究結(jié)果表明，滲透率為0.38×10-3，1.26×10-3，7.44×10-3和18.56×10-3μm2巖心的臨界注入水顆粒質(zhì)量濃度分別為0.34，0.55，0.87和1.31mg/L。將臨界注入水顆粒質(zhì)量濃度與滲透率進(jìn)行擬合，得到臨界注入水顆粒質(zhì)量濃度與滲透率的關(guān)系式為式中：w為注入水顆粒質(zhì)量濃度，mg/L。

3　注入水水質(zhì)參數(shù)界限

低滲透油藏不同滲透率儲(chǔ)層的喉道分布、粘土含量和粘土成分都是影響注水有效性的重要因素。根據(jù)所得注入水礦化度、注入水顆粒粒徑和注入水顆粒質(zhì)量濃度與滲透率的擬合關(guān)系式，并結(jié)合喉道分布特征，初步確定低滲透油藏不同滲透率級(jí)別的儲(chǔ)層注入水礦化度、注入水顆粒粒徑和顆粒質(zhì)量濃度的界限（表6）。

表6　低滲透油藏儲(chǔ)層參數(shù)與注入水水質(zhì)界限Table6　Reservoir parametersand injected waterquality limitsof the low permeability reservoirs

4　結(jié)束語

在通用的注入水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)注入水礦化度沒有相關(guān)說明。通過水驅(qū)物理模擬室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究得知，粘土礦物的2個(gè)作用機(jī)理粘土分散、脫附、顆粒運(yùn)移和水化膨脹對(duì)儲(chǔ)層滲流能力影響程度存在差異，當(dāng)蒙脫石、伊/蒙混層等具有膨脹作用的粘土礦物含量較多時(shí)，注入水礦化度對(duì)儲(chǔ)層滲流能力具有顯著的影響，并且不同滲透率的儲(chǔ)層對(duì)注入水礦化度的要求也是不同的，滲透率越低越接近地層水礦化度。注入水顆粒粒徑越大，顆粒質(zhì)量濃度越高，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力傷害越大。這次研究并未對(duì)含氧量、含油量和細(xì)菌含量進(jìn)行分析，因此，研究結(jié)果具有一定的局限性，今后可以采用類似的實(shí)驗(yàn)方法確定其他注入水水質(zhì)指標(biāo)界限。

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編輯王星

Quality lim itof effective injection water in low permeability reservoirs

Xiong Shengchun1，Chu Shasha1，ZhaoGuomei2，He Ying1，Dou Jingping1

（1.Langfang Branch，PetroChina Research InstituteofPetroleum Exploration&Development，Langfang City，HebeiProvince，065007，China；2.PetroChina QinghaiOilfield Company，Dunhuang City，Gansu Province，736202，China）

Injection water is themain way to supply formation energy in the low permeability reservoirs，and waterquality is the key influencing factor ofwater flooding effect.Related salinity index of the injection waterwasnotproposed by the recommended specification of the injectionwater quality using in the low permeability reservoir.There are no standards for dividing the reservoirwith permeability less than 10×10-3μm2.The throat distribution difference and the contribution of the dominant throat to the permeability were analyzed through constant velocity mercury injection experiment，and the key throat intervals influencing injectionwatereffect in differentpermeability reservoirswere obtained.The effectsof clay particlemigration and hydration expansion on seepage capacity were analyzed quantitatively.The limits ofwater salinity，particle size and particle concentration with different permeabilities in the low permeability reservoirwere initially proposed by laboratory core physicalsimulation ofwater flood combined with throatdistribution.The results show that if core permeability is lower，the injection water salinity is closer to the formation water salinity；the damaged degree on reservoir seepage capacity isdeeperwith larger particle sizeorhigherwaterparticle concentration.

low permeability reservoir；injection water quality limit；throat radius；claymineral；particle diameter；particle concentration

TE348

A

1009-9603（2015）03-0100-06

2015-03-20。

熊生春（1981—），男，湖北宜昌人，高級(jí)工程師，博士，從事低滲透油藏滲流理論研究。聯(lián)系電話：（010）69213407，E-mail：xiong shengchun@petrochina.com.cn。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“特低滲油藏有效開發(fā)技術(shù)”（2011ZX05013-006），中國(guó)石油科技攻關(guān)項(xiàng)目“柴達(dá)木盆地難采儲(chǔ)量有效動(dòng)用技術(shù)攻關(guān)研究”（2011E-0307）。