利用動(dòng)電位現(xiàn)象提高三塘湖致密油儲(chǔ)層注水效率

吳 珂，何夢(mèng)卿，任穎惠

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；

2.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069）

利用動(dòng)電位現(xiàn)象提高三塘湖致密油儲(chǔ)層注水效率

吳 珂1，何夢(mèng)卿1，任穎惠2

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；

2.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069）

在石油工業(yè)眾多新技術(shù)中，動(dòng)電位現(xiàn)象已經(jīng)在提高致密油儲(chǔ)層采收率方面得以應(yīng)用，在海外油田該方法取得的技術(shù)、商業(yè)方面的成功也已見(jiàn)諸報(bào)道。模擬效應(yīng)的基本原理是預(yù)測(cè)孔隙壁上黏土由于孔喉擴(kuò)大或者新吼道形成導(dǎo)致的膠體的運(yùn)移。盡管如此，在注水井中該方面的相關(guān)工作卻不多見(jiàn)。通過(guò)對(duì)三塘湖盆地致密油儲(chǔ)層的巖心進(jìn)行動(dòng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)，該文章在提高致密油儲(chǔ)層注水效率的影響方面進(jìn)行了論述。

三塘湖盆地；動(dòng)電學(xué)；致密油儲(chǔ)層；注水效率

目前世界上很多地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)致密油氣，在我國(guó)的鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)格爾盆地也已發(fā)現(xiàn)了致密油，但是致密油的開(kāi)發(fā)現(xiàn)在還是比較困難的，其中注入效率較低是石油工作者目前遇到的普遍問(wèn)題，特別是在致密油儲(chǔ)層中。

通常，石油開(kāi)采有三個(gè)階段，一次開(kāi)采，二次開(kāi)采和三次開(kāi)采。一次開(kāi)采主要是利用儲(chǔ)層中的天然能量進(jìn)行開(kāi)采，如溶解氣或者氣頂氣壓力釋放，在大多數(shù)情況下，天然能量開(kāi)采的效率較低，采收率很低[1]。目前應(yīng)用較為廣泛的二次開(kāi)采通常是水驅(qū)開(kāi)采，但是注水與很多其他因素有關(guān)，如流體的配伍性，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，以及顆粒堵塞、黏土膨脹等降低了滲透率，當(dāng)黏土膨脹后會(huì)堵塞孔喉，在粉砂質(zhì)泥巖中經(jīng)常出現(xiàn)此現(xiàn)象。黏土的膨脹和孔隙壁上黏土顆粒的釋放以及后續(xù)在更小孔喉中的二次沉淀會(huì)引起更嚴(yán)重的破壞[2]。目前，提高致密油儲(chǔ)層注入水量的措施通常是水力壓裂和基質(zhì)酸化。但是由于環(huán)境、工藝以及經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題使得壓裂出的裂縫長(zhǎng)度和方向不能達(dá)到預(yù)期的效果。在大多數(shù)情況下，基質(zhì)酸化適用于富含黏土的砂巖儲(chǔ)層，但是在高溫條件下氫氟酸會(huì)與巖石顆粒發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的二次沉淀會(huì)造成新的破壞。

三塘湖盆地條湖組沉凝灰?guī)r致密油儲(chǔ)集層分布穩(wěn)定。儲(chǔ)集層粒度較細(xì)，以亞微米和納米孔喉為主，滲透率低，孔隙度和含油飽和度較高，屬于以原生為主的混合型致密儲(chǔ)集層。條湖組烴源巖主要發(fā)育于條二段，巖性為泥巖和沉凝灰?guī)r，有機(jī)質(zhì)豐度差-中等。條湖組不同巖性烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度不同，目前處于低熟-成熟階段，Ro值主要為0.5%～0.9%，烴源巖厚度為 100 m～600 m[3]。

本文對(duì)三塘湖盆地條湖組沉凝灰?guī)r巖心進(jìn)行動(dòng)電位實(shí)驗(yàn)，分析動(dòng)電位影響注入效率的原因，并得到提高注入效率的最優(yōu)值。

1 理論原理

目前看來(lái)動(dòng)電現(xiàn)象在提高油田產(chǎn)量方面有很大的前景，原則上它是使直流電通過(guò)含油儲(chǔ)層，此技術(shù)運(yùn)用了電動(dòng)傳輸原理，該機(jī)理很復(fù)雜，包括了電遷移法、電泳現(xiàn)象、電滲、電化學(xué)反應(yīng)以及焦耳熱，總之所有機(jī)理都是為了提高致密油儲(chǔ)層的滲透率[4]。

電遷移是離子在陰陽(yáng)兩極的緩慢運(yùn)動(dòng)；電泳現(xiàn)象會(huì)引起膠質(zhì)中帶負(fù)電的黏土顆粒和表面帶電的離子分離和運(yùn)移；電滲是應(yīng)用動(dòng)電位使得孔隙介質(zhì)溶液中的離子運(yùn)移（其流動(dòng)是由帶電溶液之間的庫(kù)侖力引起的）；電化學(xué)可以增強(qiáng)基質(zhì)和孔隙流體之間的反應(yīng)。這些反應(yīng)會(huì)由于流體的電位、離子大小和pH值的改變而受到影響。

由于動(dòng)電現(xiàn)象，黏土顆粒的運(yùn)移如同膠粒運(yùn)移，將直接有效地提高滲透率和孔隙度。黏土礦物的主要礦物組分是層狀硅酸鹽，基本組成部分是硅氧四面體和鋁氧八面體或鎂氧八面體，晶體可以按照不同的形式堆疊，形成不同的黏土礦物。分布在邊緣的正電荷與分布在層表面的負(fù)電荷達(dá)到平衡，當(dāng)液體流進(jìn)該系統(tǒng)，滲透壓差會(huì)促使帶負(fù)電的離子沿著層表面流動(dòng)，但是與表面負(fù)電荷共存的靜電荷會(huì)產(chǎn)生與滲流壓力相反的作用力，最終在滲透壓力和靜電引力之間形成一個(gè)穩(wěn)定的雙電子層[5]。顯然雙電子層包含兩個(gè)層，一層是固定的，正電荷附著在帶負(fù)電的表面，形成很強(qiáng)的線狀鍵，另一層是可動(dòng)的，由正離子和一些運(yùn)移緩慢的離子連接而成。在這兩層之間，存在著一個(gè)光滑的表面，使得可動(dòng)層不受固定層的約束而移動(dòng)。因此在水流的作用下黏土膠體顆粒發(fā)生運(yùn)移，最終致使孔喉擴(kuò)張和滲透率增大。電滲流的速率與離子濃度，價(jià)位和所加的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，與地層電阻率成反比?？偟牧魉儆?jì)算如下公式：

其中：K-絕對(duì)滲透率，D；A-流體的橫截面積，m2；Ke-電導(dǎo)滲透率，Pa·m2/V；E-所加電壓，V；μ-動(dòng)黏度，Pa·s；L-巖心長(zhǎng)度，m；ΔP-壓差，Pa。

2 研究方法與內(nèi)容

有關(guān)巖心流體流動(dòng)的研究中，巖心塞的注入端加正直流電壓，在排出端加負(fù)電壓，在此設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，第一組實(shí)驗(yàn)在注入流體的過(guò)程中改變直流電壓的大小，通過(guò)對(duì)比來(lái)選擇最優(yōu)電壓值，第二組實(shí)驗(yàn)保持直流電壓不變，改變注入速率，來(lái)研究水動(dòng)力對(duì)黏土顆粒運(yùn)移的影響。通過(guò)顆粒釋放和ICP-MS技術(shù)來(lái)分析巖心塞和分離出的黏土顆粒的特性。在整個(gè)注入過(guò)程中考慮了因動(dòng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的熱量。

實(shí)驗(yàn)前，巖心塞要在13.8 MPa的壓力下充滿飽和的鹽水，在0.2 mL/min的穩(wěn)定流速下測(cè)量其絕對(duì)滲透率，一旦巖心塞中的壓力穩(wěn)定后，開(kāi)啟直流電，保持流體流動(dòng)，在巖心流裝置的注入端加正電位，在排出端加負(fù)電位。

第一組巖心流實(shí)驗(yàn)的目的是選出最優(yōu)的直流電壓值，在鹽水流體以0.2 mL/min的速率下，使得電場(chǎng)強(qiáng)度從0.5 V/cm增加到2.0 V/cm，增幅為0.5 V。四個(gè)巖心流實(shí)驗(yàn)繼續(xù)流動(dòng)直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在第二組巖心流實(shí)驗(yàn)中，主要目的是選出最優(yōu)的流速，在這組實(shí)驗(yàn)中，四個(gè)巖心流實(shí)驗(yàn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均保持在1.5 V/cm不變，該最優(yōu)值可從第一組實(shí)驗(yàn)得到，然后控制注入鹽水的速率，使其以0.1 mL的增幅從0.3 mL/min增加到0.6 mL/min。上述兩組實(shí)驗(yàn)的總結(jié)（見(jiàn)表1），在整個(gè)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量廢液的溫度用以研究焦耳熱對(duì)多孔介質(zhì)的影響。

表1 巖心流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 最優(yōu)直流電壓的選擇

第一組巖心流實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（見(jiàn)表1）。結(jié)果顯示，直流電壓的應(yīng)用對(duì)黏土的不穩(wěn)定性有很重要的影響，而且可以提高巖心的滲透率。用2 V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度可以使?jié)B透率得到明顯提高，增幅可達(dá)361%，但是當(dāng)注入流體的體積接近4.5 PV時(shí)滲透率會(huì)突然增大，產(chǎn)生大量粒度較大的顆粒，可能會(huì)破壞基質(zhì)自身。從表2可以明顯地看出實(shí)驗(yàn)4產(chǎn)生了粒度較大的顆粒。因此，最優(yōu)的電場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 V/cm，滲透率會(huì)緩慢增加，大概為原來(lái)的153%。

表2 實(shí)驗(yàn)中排出不同粒度黏土的量

3.2 最優(yōu)水力流速的選擇

在第二組實(shí)驗(yàn)中，固定電場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 V/cm而改變流速，通過(guò)表1可以看出滲透率隨著流體流速的增加而增加，當(dāng)流速增加到0.6 mL/min時(shí)滲透率會(huì)增加到原來(lái)的233%，然而，當(dāng)注入流體的體積接近4.5 PV時(shí)滲透率會(huì)突然增大，將會(huì)有大量粒度較大的顆粒從過(guò)濾器中排出，因此，最優(yōu)的注入速率是0.5 mL/min，它可以緩慢的增加滲透率，最終為原來(lái)的151%。

3.3 其他影響

通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，可以看出電壓對(duì)實(shí)驗(yàn)值的影響比流體流速大。

ICP-MS分析的結(jié)果顯示在每一次應(yīng)用直流電之后會(huì)產(chǎn)生大量的金屬離子，然而在濾紙上呈現(xiàn)的顆粒卻很少。這間接地說(shuō)明隨廢液排出的黏土小于1 μm而且不能阻擋孔喉（見(jiàn)表2）。

在實(shí)驗(yàn)中對(duì)溫度的測(cè)量顯示隨著注入時(shí)間和電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，溫度也成比例增加（見(jiàn)圖1）。溫度的改變和第1組實(shí)驗(yàn)相似，這是由于焦耳熱與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比所致。

對(duì)廢液pH值的測(cè)量（見(jiàn)圖2），隨著流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，pH值也在堿性環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定。

如前所述，持續(xù)測(cè)量通過(guò)濾紙的不同壓力，用以監(jiān)測(cè)濾紙是否堵塞（見(jiàn)圖3），從圖3中可以看出，在流體流動(dòng)過(guò)程中壓差沒(méi)有增加，表明沒(méi)有細(xì)小的黏土顆粒產(chǎn)出，然而在流動(dòng)過(guò)程中應(yīng)用動(dòng)電現(xiàn)象后，前期濾紙兩側(cè)的壓差迅速增加，在注入量為2 PV后壓差增加變緩，最終在5 PV后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）直流電壓的使用可以提高致密油儲(chǔ)層的滲透率，可以提高注水效率。

（2）動(dòng)電學(xué)提高致密油儲(chǔ)層滲透率的主要機(jī)理是黏土的剝蝕和運(yùn)移。

（3）基于巖石特性，注入速率和電壓梯度差異的應(yīng)用可以提高注水效率。

（4）滲透率隨著電壓梯度和水動(dòng)力注入速率的升高而增加。

（5）流體溫度的測(cè)量顯示隨著注入時(shí)間和電位的增加，流體溫度成線性變化。

圖1 溫度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的改變

圖2 pH隨注入體積的改變

圖3 濾紙兩側(cè)壓差隨注入體積的改變

［1］Ahmed，T．油藏工程手冊(cè)（第二版）［M］．海灣專(zhuān)業(yè)出版社，2001：857-858．

［2］Pang，S.and Sharma，M.預(yù)測(cè)注水井注入量下滑模型［J］．地層評(píng)價(jià)期刊，1995，3（12）：194-201．

［3］梁浩，李新寧，馬強(qiáng)，等．三塘湖盆地條湖組致密油地質(zhì)特征及勘探潛力［J］．石油勘探與開(kāi)發(fā)，2014，41（5）：563-572．

［4］Amba，S.，Chilingar，G.and Beeson，C. 使用直流電增加儲(chǔ)層中流體流量［J］．加拿大石油技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，3（1）：8-14．

［5］Sokolov，V.黏土微觀結(jié)構(gòu)模型［J］．Inzhenernaya Geologiya，1991，（6）：32-42．

Improving the efficiency of water injection of tight oil reservoir in the Santanghu basin by using the potentiodynamic phenomenon

WU Ke1，HE Mengqing1，REN Yinghui2
（1.College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.University of Northwest China Dynamics National Key Laboratory/Northwestern University Geology Department，Xi'an Shanxi 710069，China）

In a number of new technologies of petroleum industry,the potentiodynamic phenomenon has been applied in improving the recovery of tight oil reservoirs.And the method has also been reported in overseas oilfield by obtaining the technical,commercial success.The basic principle of the simulation effect is to predict the colloid migration of clay on pore wall which is caused by the expansion of pores or the formation of new pores.Though the relevant work is rare in the injection wells.This paper has researched the effect on increasing the efficiency of water injection of tight oil reservoir by electro-kinetics experiment of the core in Santanghu basin.

Santanghu basin；electro-kinetics；tight oil reservoir；the efficiency of water injection

TE357.62

A

1673-5285（2017）10-0061-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.015

2017－09-25