海上低滲油田注水水質(zhì)對儲層影響實驗研究

姜維東，徐文江

油氣田水處理

海上低滲油田注水水質(zhì)對儲層影響實驗研究

姜維東，徐文江

（中國海洋石油有限公司開發(fā)生產(chǎn)部，北京100010）

針對海上低滲油田注水水質(zhì)不達標問題，通過理論分析和室內(nèi)實驗的方法，從儲層傷害機理、固相顆粒濃度、粒徑中值、含油量和配伍性等方面開展了注水水質(zhì)對儲層影響的實驗研究，并依據(jù)企業(yè)標準對渤中25油田的水質(zhì)控制指標進行了優(yōu)化設計。研究結果表明，水質(zhì)傷害儲層的重點在懸浮固體含量、粒徑中值和含油量，當二者共存時將加重傷害程度；為最大限度地降低傷害程度，優(yōu)化設計渤中25油田的有效注水水質(zhì)控制指標為：懸浮顆粒粒徑中值為1～2μm，懸浮顆粒質(zhì)量濃度為1～3mg/L，含油為5～10mg/L，傷害率控制在20%～40%，實現(xiàn)低滲油田的有效注水開發(fā)。

海上油田；低滲儲層；水質(zhì)影響

注水過程中引起的儲層損害主要依賴于油層自身條件（巖性、孔隙結構）及所含流體性質(zhì)與注入水水質(zhì)兩個方面〔1-2〕。注入水中的堵塞物主要來源于注入水中的地層微粒、黏土、油滴、懸浮砂粒、細菌或細菌體、注入水中腐蝕產(chǎn)物、注入的混合流體間化學產(chǎn)物或單一流體的化學分解或降解產(chǎn)物〔3-4〕。通常情況下，油田注入水多來自于地層水和生產(chǎn)污水，注入水與地層水的配伍性相對較好，而注入水儲層損害重點在懸浮固體、含油和腐蝕的影響。但隨著油田的持續(xù)開發(fā)，部分油田由于儲層條件發(fā)生變化使得原本穩(wěn)定的環(huán)境遭到破壞，導致注入水與儲層巖石和流體出現(xiàn)不配伍引起儲層損害。

因此研究注水水質(zhì)對儲層吸水能力的影響規(guī)律尤為重要。筆者以滲流力學為理論基礎，結合理論分析和室內(nèi)物理模擬實驗方法，以渤中25油田為例，研究了海上低滲油田注水水質(zhì)對儲層影響機理，給出了海上低滲油田水質(zhì)指標設計依據(jù)和控制要求，為海上低滲油田有效注水開發(fā)提供依據(jù)。

1　實驗材料與方法

1.1巖心

實驗巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結巖心（模擬沙河街組層位），柱狀巖心外觀幾何尺寸D 2.5 cm× 10 cm，巖心基質(zhì)滲透率與渤中25油田儲層巖心相似（0.6～563.1mD，1mD=1×10-3μm2，下同）。

1.2實驗材料

用水采用地層水和注入水，離子組成如表1所示。

表1　渤中25油田注水離子組成

標準顆粒為高度交聯(lián)的苯乙烯/二乙烯基苯；用油為油田原油，經(jīng)過處理后使用；乳化劑為OP-10（無色透明液體）。

1.3實驗方法

黏土礦物的類型和含量的檢測實驗參照《沉積巖中黏土礦物和非黏土礦物X衍射分析方法》（SY/T 5163—2010）；儲層敏感性和流動實驗參照《儲層敏感性流動實驗及評價方法》（SY/T 5358—2002）；靜態(tài)實驗參照《油田水分析方法》（SY/T 5523—2006）標準執(zhí)行。

2　水質(zhì)影響機理分析

2.1懸浮物顆粒粒徑中值

懸浮固體指懸浮在水中的固體物質(zhì)，包括不溶于水中的無機物、有機物及泥砂、黏土、微生物等。注入水中的固相顆粒對儲層損害程度主要是看顆粒大小與儲層孔喉大小的匹配程度。當懸浮物顆粒粒徑小于1/7孔喉直徑可隨注入水流動，不致嚴重堵塞近井地帶（半徑小于10m）；等于孔徑1/7～1/3的固相顆?？蛇M入近井地帶形成內(nèi)泥餅，嚴重損害近井地帶的滲流通道；大于1/3喉道直徑時，固相顆粒多在射孔炮眼滲濾面處堵塞，形成較易處理的外泥餅，隨著近井地帶壓力沖擊作用，可解除近井地帶堵塞作用，改變注入量。

2.2懸浮固體含量（TSS）

注入水中的懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中滯留過程通?？煞殖?個階段，即沉積、架橋、內(nèi)部堆積和外部濾餅。因此，在低濃度沉積階段，由于顆粒很少，基本觀察不到滲透率會有明顯的變化；當濃度增加時，在多顆粒架橋階段，只有少量顆粒被捕獲所以滲透率下降很慢；在內(nèi)部堆積階段，大部分流動顆粒被捕獲導致滲透率的急劇減??；而當形成外部濾餅時，滲透率的變化則很緩慢。通過控制注入水中固體懸浮顆粒粒徑中值和濃度可以最大限度地降低該類損害。

2.3含油影響

油珠根據(jù)粒徑可分為：（1）浮油：粒徑≥100μm，污水中約占25%～50%，易于去除；（2）分散油：粒徑為10～100μm，可以去除；（3）乳化油：粒徑為1× 10-3μm～10μm，較難去除，需使用絮凝劑；（4）溶解油：粒徑≤1×10-3μm，占總含油量的1%以下，不作為污水處理的對象。

油田注水過程中，乳化油滴的來源主要是由于原油自帶環(huán)烷酸、脂肪酸等天然表面活性劑注入水進入地層后與地層中的殘余油接觸，在剪切力作用下產(chǎn)生乳化而形成乳化油滴；另外由于注入水中或污水中表面活性劑存在和注水過程中水力攪拌作用，會使注入水中所含的原油發(fā)生乳化。

乳化油對地層損害的主要形式是吸附和賈敏效應，賈敏效應具有加合性，許許多多的液珠向地層流動時會產(chǎn)生更大的堵塞作用。同時乳化油滴與固相微粒共存比單一微粒造成的地層損害更為嚴重。而如果原油不發(fā)生乳化，含油率較高時也會降低水的有效滲透率，從而降低水的流動能力。但由于乳化油滴是可變形粒子，在某一壓力下油滴可能無法通過孔隙喉道，但當流動壓力增加時，油滴可借助自己良好的變形特點通過喉道，解除近井地帶由于壓力虛高而出現(xiàn)的堵塞現(xiàn)象，增加注入量。

3　實驗結果分析

3.1儲層孔隙結構特征

渤中25油田儲層孔喉特征實驗結果如表2所示。由表2可見，渤中25油田沙河街儲層埋藏深，成巖程度高，孔隙度低，滲透能力較差。沙河街組儲層的儲集空間為原生粒間孔、次生孔為主，ⅡEs為常規(guī)低滲，ⅢEs為特低滲。

表2　渤中25油田儲層孔喉特征與分類

沙河街儲層黏土礦物含量較少，主要為伊利石/伊蒙混層，其中伊利石含量較高，通過渤中25油田巖心的SEM分析如圖1所示。

圖1　渤中25油田巖心SEM

由圖1可見，掃描電鏡下伊蒙混層或呈蜂窩狀包裹或充填粒間孔隙或呈橋接狀充填粒間孔隙，伊利石呈絲縷狀，具有強水敏和酸敏特征。

對渤中25油田沙河街儲層的綜合分析如圖2所示。

圖2　渤中25油田沙河街儲層主流喉道分布

由圖2可見，沙河街儲層喉道主要類型為低孔-（特）細喉。考慮到油層的非均質(zhì)性，為了兼顧不同滲透率性能的油區(qū)，沙河街S2油層主流喉道半徑取4μm、S3主流喉道半徑取1.5μm作為設計依據(jù)較為合適。

3.2固相顆粒對儲層影響

考慮實驗影響因素和水平對固相顆粒對儲層影響進行了正交設計實驗，如表3所示。實驗結果如表4所示。

表3　正交實驗考慮因素與水平設計

表4　注入水含懸浮顆粒傷害實驗結果統(tǒng)計數(shù)據(jù)

實驗結果分析可知，對于不同滲透率的巖心，當懸浮顆粒粒徑中值固定時，隨著顆粒濃度的增加，其堵塞程度有所增大。懸浮顆粒質(zhì)量濃度分別為1、3mg/L時，對儲層的傷害低于15%；質(zhì)量濃度為5、7 mg/L的懸浮顆粒溶液產(chǎn)生的傷害程度在15%～20%。對比可知，高濃度的顆粒溶液對儲層傷害較快。

3.3含油對儲層影響

考慮實驗影響因素和水平進行了正交設計實驗，如表5所示。由于實驗考察的是低滲油田注水水質(zhì)，所以不考察巖心滲透率＞100mD的情況，實驗結果如圖3所示。

表5　正交實驗考慮因素與水平設計

由圖3可見，含油情況對滲透率小于10mD的巖心傷害不大，均小于10%，主要原因是油珠被擋在巖心表面無法進入。對于巖心滲透率為50mD左右的巖心隨著乳化液中含油濃度增加，儲層傷害程度增大，油珠質(zhì)量濃度小于10mg/L時，對巖心傷害程度低于20%，油珠質(zhì)量濃度大于15mg/L時，對巖心傷害程度低于40%，超過20%，與滲透率小于10mD的巖心相比傷害程度明顯增加。

3.4注入水與地層水配伍性評價實驗

不同類型水源在不同混合比例條件下與地層水的配位性實驗結果如表6所示。

圖3　不同含油量注入水對巖心的傷害程度

表6　注入水與地層水配位性評價實驗結果

由圖3分析可知，沙河街混注時，污水、清水體積比≥4∶1時，沉淀較少；結垢量：污水回注＜清污混注＜清水；若要注污水，采用清污交替注入傷害最小，避免直接接觸，同時注入水中必須加入適量防垢劑。

4　渤中25油田注入水水質(zhì)設計

針對注水水質(zhì)的影響機理和實驗分析結果，結合企業(yè)標準，對渤中25油田的注入水水質(zhì)進行了設計，并進行了復合因素評價，最終給出渤中25油田的注入水水質(zhì)主要控制指標。

4.1控制指標的低限設計

（1）懸浮物粒徑。配伍性實驗結果表明，對渤中25油田沙河街組儲層來說，綜合考慮各層組滲透率主要集中在50mD，推薦沙河街儲層水處理要求達到懸浮物粒徑中值應小于1μm。

（2）懸浮物質(zhì)量濃度。當顆粒粒徑中值在1μm左右，要將儲層損害程度控制在20%以內(nèi)必須使懸浮物質(zhì)量濃度控制在1mg/L以下。

（3）含油量?？刂朴椭橘|(zhì)量濃度＜5mg/L時，傷害率在20%以內(nèi)，因此要求含油為5mg/L。

4.2控制指標的高限設計

（1）懸浮物粒徑。對于沙河街儲層來說喉道在1～4μm對應的低傷害固相顆粒粒徑上界在0.06～2.6μm之間（平均1.3μm）。喉道在3.5～4.6μm對應的低傷害固相顆粒粒徑上界在2.2～3μm之間（平均2.6μm）。喉道在6.4～12.4μm對應的低傷害固相顆粒粒徑上界在4.3～8.3μm之間（平均6.3μm）。沙河街組儲層主要集中在50mD左右，結合巖心評價實驗結果，推薦整個油田水處理要求達到懸浮物粒徑中值上限應小于2μm。

（2）懸浮物濃度。根據(jù)沙河街組儲層巖心懸浮物實驗結果，當顆粒粒徑中值＜2μm，要將損害程度控制在30%以內(nèi)必須使顆粒質(zhì)量濃度控制在3mg/L以下。

（3）含油量。沙河街組儲層，油珠質(zhì)量濃度＜15 mg/L傷害率可控制在30%以內(nèi)，因此含油量高限設為10mg/L。

4.3水質(zhì)指標設計結果

綜合高低限設計結果，推薦渤中25油田注入水配伍性水質(zhì)指標如表7所示。

表7　渤中25油田注水水質(zhì)推薦標準

4.4水質(zhì)指標的合理性復合檢驗

為了評價配伍性水質(zhì)指標的合理性，需要對水質(zhì)控制指標（即懸浮顆粒和乳化油）進行復合因素評價實驗。以檢驗配伍性水質(zhì)指標在各主要因素同時存在的情況下，水質(zhì)對儲層的傷害程度有多大，以及時調(diào)整這些主要控制指標。

模擬注入水復合體系巖心傷害評價實驗之一如圖4所示。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結果，且考慮注水井主要滲透率可知：

（1）若含油C0＜5 mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度Cs＜0.5 mg/L，懸浮物顆粒粒徑中值ds＜1μm，對巖心損害程度＜20%；（2）若含油C0＜5mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度Cs＜3mg/L，懸浮物顆粒粒徑中值ds＜1μm，對巖心損害程度＜20%；（3）若含油C0＜5mg/L，懸浮物質(zhì)量濃度Cs＜1mg/L，懸浮物顆粒粒徑中值ds＜3μm，對巖心損害程度＜20%。

圖4　復合體系巖心傷害評價實驗之一

根據(jù)大量復合因素實驗評價數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的水質(zhì)控制指標如表8所示。該優(yōu)化指標低限設計最大傷害程度為20%，屬于低傷害程度。高限設計最大傷害程度為30%～40%，屬于中等傷害程度。

表8　水質(zhì)控制指標優(yōu)化結果

5　結論

（1）海上低滲油田注水過程中引起的儲層損害主要依賴于油層自身條件（巖性、孔隙結構）及所含流體性質(zhì)與注入水水質(zhì)兩個方面，以堵塞和腐蝕傷害為主，其中懸浮固體含量、粒徑中值和含油是影響水質(zhì)的關鍵指標。（2）海上低滲油田有效注水水質(zhì)設計應在最大限度降低傷害程度的基礎上，綜合考慮懸浮物含量、粒徑中值、注入水含油量以及配伍性等對儲層的影響。（3）以最大限度地降低傷害程度，優(yōu)化設計渤中25油田的有效注水水質(zhì)控制指標為：懸浮顆粒粒徑中值為1～2μm，懸浮顆粒質(zhì)量濃度為1～3mg/L，含油為5～10mg/L，傷害率控制在20%～40%，基本可以實現(xiàn)低滲油田的有效注水開發(fā)。

［1］丘宗杰，張鳳久，俞進，等.海上油田采油工藝新技術與實踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：5-200.

［2］周守為，張鳳久，孫福街，等.中國近海典型油田開發(fā)實踐［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：9-123.

［3］吳鋒，李曉平，廖伍彬，等.注水水質(zhì)對低滲油藏開發(fā)指標的影響研究［J］.特種油氣藏，2007，14（4）：68-72.

［4］何國健，楊旭.低滲透油田注水開發(fā)注水水質(zhì)問題研究［J］.能源與環(huán)境，2008（2）：40-45.

Experimentalstudy on the influences ofwaterquality of injection water in offshore low-permeability oil fields on reserviors

JiangWeidong，XuWenjiang
（Development&Production Department，CNOOCLtd.，Beijing100010，China）

Aimingatthe problems that thewaterqualityof injectionwater inoffshore low-permeability oil fields could not reach the standard，the experimental research on the influences ofwater quality of injection water on reservoir bedshasbeen implemented，in aspectsofdamagemechanisms，concentration of solid particles，particle sizemedian，oil contentand compatibility，etc.，through theoreticalanalysisand indoor tests.Thewaterquality control indexes of Bozhong25Oilfield areoptimized and designed，according to the enterprise standard.The research resultsshow that the emphasis of the water quality damage reservoir is on the suspended solid content，particle sizemedian and oil content.When two of them coexist，the extentofdamagewillbe aggravated.In order to reduce the extentof damage asmuch aspossible，theeffective control indexesofwaterquality of injection wateroptimized in Bozhong25Oilfield areas follows：suspended particle sizemedian is1-2μm，suspended particlemass concentration 1-3mg/L，oil content5-10mg/L，and controlled damage rate20%-40%.Asa result，theeffective injection ofwater in low-permeability oil fields can be realized.

offshoreoilfield；low-permeability reservoir；waterquality influence

O657.3；TU991.21

A

1005-829X（2016）09-0085-04

姜維東（1980—），博士，高級工程師。E-mail：jiangwd@ cnooc.com.cn。

2016-06-22（修改稿）

中國海洋石油總公司綜合科研項目（CNOOC-KT125ZDXM07LTD-05）