離子組成及礦化度對低礦化度水驅(qū)采收率的影響

黃廣慶

（中國石油長城鉆探工程有限公司國際測井公司，北京100101）

0 引言

注水開發(fā)是油藏開發(fā)中最常見的補(bǔ)充地層能量的開發(fā)方式。注水開發(fā)提高采收率的機(jī)理主要是提高注入水的洗油效率和波及系數(shù)。常規(guī)水驅(qū)可以有效提高水的波及系數(shù)，但是無法有效提高洗油效率［1-2］。目前，油田主要使用的注水方式為污水回注，只考慮注入水的物理作用，而很少考慮其化學(xué)作用［3-4］。

油田進(jìn)入高含水期后，往往采取調(diào)剖、堵水［5-8］、壓裂及酸化等［9-10］措施來改善開發(fā)效果［11］。國外 20世紀(jì)60年代就已開始研究低礦化度水驅(qū)采油，國內(nèi)目前相關(guān)研究較少［12］。低礦化度水驅(qū)是通過向油藏注入低礦化度水，提高洗油效率來降低殘余油飽和度，減緩見水時間，提高原油采收率［13-14］。國外研究了低礦化度水驅(qū)提高采收率的機(jī)理［15-17］，主要包括類堿驅(qū)［18-19］、微粒運(yùn)移［20-22］、多組分離子交換［23］等，但是針對二次采油和三次采油模式下的研究均較少。通過室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)來研究在二次采油和三次采油模式下的低礦化度水驅(qū)，即常規(guī)水驅(qū)及其后注入低礦化度水進(jìn)行三次采油時，地層水和注入水的離子組成及礦化度對提高采收率的影響，以期為實(shí)現(xiàn)低礦化度水驅(qū)提高采收率提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉牧霞安襟E

1.1 目的

本次實(shí)驗(yàn)是為了研究水的離子組成及礦化度對巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中原油采收率的影響。與低礦化度效應(yīng)緊密相關(guān)的離子主要是二價陽離子，常見的是Ca2+和Mg2+，因此，本次實(shí)驗(yàn)主要研究Ca2+和Mg2+對三次采油模式中低礦化度水驅(qū)提高采收率的影響。

1.2 材料

①巖心。采用砂巖巖心進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)。表1為巖心樣品參數(shù)，表2為巖心樣品礦物組成。②原油。所有巖心均使用相同的原油，其屬性參數(shù)如表3所列。③地層水?？紤]到地層水離子組成對低礦化度水驅(qū)的影響，實(shí)驗(yàn)飽和巖心的地層水選擇3種，即分別含有Ca2+，Mg2+的NaCl鹽水及純NaCl鹽水，所用注入水也有2種，一種是只含Ca2+的不同礦化度NaCl鹽水，一種是含有Ca2+，Mg2+的低礦化度NaCl鹽水，其離子組成及參數(shù)如表4所列。

表1 巖心參數(shù)Table 1 Core parameters

表2 巖心礦物組成Table 2 Core mineral composition%

表3 原油屬性參數(shù)Table 3 Crude oil parameters

1.3 步驟

（1）先后將1～3號巖心和4～6號巖心飽和地層水A，B，C；之后依次放入巖心夾持器，繼續(xù)用飽和所用的地層水以0.15 mL/min的速率驅(qū)替5 PV，確保巖心完全飽和地層水。

（2）測量巖心對地層水的滲透率，對巖心稱重并計(jì)算其孔隙度。

表4 實(shí)驗(yàn)所用人造鹽水屬性參數(shù)Table 4 Parameters of artificial brine in experiments

（3）用原油驅(qū)替巖心，直至不再產(chǎn)出水，建立束縛水飽和度。

（4）將巖心置于密封真空容器，在80℃條件下老化21 d后，在相同溫度下以0.1 mL/min的速率驅(qū)替巖心，再按照以下順序?qū)r心進(jìn)行水驅(qū)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（不再驅(qū)替出原油時，切換注入水種類）：對1～3號巖心，用飽和所用地層水驅(qū)替至不再出油，然后按照0.10 D→E→0.01 D的順序，用鹽水繼續(xù)驅(qū)替巖心至不再出油；對4～6號巖心，用飽和所用地層水驅(qū)替至不再出油，然后按照D→0.5 D→0.2 D→0.1 D的順序，用鹽水繼續(xù)驅(qū)替至不再出油。

（5）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算驅(qū)替過程中的原油采收率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Ca2+或Mg2+對低礦化度效應(yīng)的影響

3種地層水A，B，C的礦化度均為5萬mg/L（參見表4），但是所含離子種類不同，其中注入水A和B的二價離子分別為Ca2+和Mg2+，注入水C則不含二價離子。通過對比這3個巖心的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到當(dāng)?shù)V化度相同但離子組成不同時，低礦化度效應(yīng)的啟動情況。

圖1所示為1～3號巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的采收率曲線。對比3塊巖心在同一種注入水驅(qū)替時的原油采收率變化情況，得到如下結(jié)果：①對于1號和2號巖心來說，飽和了含有Ca2+和Mg2+的地層水，在高礦化度水驅(qū)的二次采油模式（對應(yīng)地層水驅(qū)替）之后的三次采油模式（低礦化度水驅(qū)替）中，采收率均出現(xiàn)了增高的情況［圖 1（a）—（b）］，表明飽和地層水（含有Ca2+或Mg2+）的2塊巖心，在低礦化度水驅(qū)時都發(fā)生了低礦化度效應(yīng)；②3號巖心的采收率曲線［圖1（c）］，在高礦化度水驅(qū)的二次采油之后，盡管同樣不斷降低后續(xù)注入水的礦化度，并改變離子組成，其采收率仍然沒有變化，表明飽和了地層水C（不含Ca2+和Mg2+）的3號巖心在低礦化度水驅(qū)時未發(fā)生低礦化度效應(yīng)；③3塊巖心在后續(xù)用低礦化度水E（含有Ca2+和Mg2+）驅(qū)替時，盡管其礦化度與0.1D（含有Ca2+）注入水同為1 000 mg/L，但是采收率均未增高，說明注入水中Ca2+，Mg2+對低礦化度效應(yīng)的啟動沒有影響；④由表5和圖2可知，對于飽和地層水A（含Ca2+）和B（含Mg2+）的1號巖心和2號巖心，整個后續(xù)的鹽水驅(qū)替引起的低礦化度效應(yīng)使二者的采收率分別增高了13.95%和11.13%，其中在0.1 D（礦化度為1 000 mg/L）鹽水驅(qū)替后采收率分別增高了9.43%和6.33%，之后在0.01 D（礦化度為100 mg/L）鹽水驅(qū)替后采收率又分別增高了4.52%和4.8%，說明Ca2+提高采收率效果相對更好。

圖1 1號巖心（a），2號巖心（b）和3號巖心（c）不同礦化度水驅(qū)替采收率曲線Fig.1 Recovery curves of cores No.1（a），No.2（b）and No.3（c）of water flooding with different salinity

表5 1～3號巖心用不同人造鹽水驅(qū)替時的采收率Table 5 Recovery of cores No.1-No.3 displaced by different artificial brine

圖2 飽和不同地層水的1～3號巖心驅(qū)替時的采收率Fig.2 Recovery of cores No.1-No.3 saturated with different formation water

2.2 注入水礦化度對低礦化度效應(yīng)的影響

在本次實(shí)驗(yàn)中，1～3號巖心飽和了含不同離子的地層水，使用高礦化度地層水進(jìn)行二次采油模式下的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，之后先后使用低礦化度（礦化度為1 000 mg/L和100 mg/L）鹽水（離子種類發(fā)生改變）進(jìn)行三次采油模式下的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，從而明確了地層水和注入水的離子種類對低礦化度效應(yīng)的影響。

由于針對1～3號巖心未開展注入水的礦化度對低礦化度效應(yīng)的影響研究，因此，設(shè)計(jì)了飽和含有不同二價陽離子或不含二價陽離子地層水的4～6號巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，其中所用注入水的礦化度逐級遞減。注入水的先后順序?yàn)椋簩?yīng)的地層水→D→0.50 D→0.20 D→0.10 D→0.01 D，相應(yīng)注入水的礦化度依次為50 000 mg/L→10 000 mg/L→5 000 mg/L→2 000 mg/L→1 000 mg/L→100 mg/L，通過梯度性改變注入水的礦化度，來研究注入水礦化度對低礦化度效應(yīng)的影響。

圖3分別為飽和了不同地層水的4～6號巖心在注入水礦化度梯度降低情況下的采收率曲線。4號巖心與5號巖心在高礦化度地層水（礦化度由10 000 mg/L→5 000 mg/L→2 000 mg/L）驅(qū)替后均未出現(xiàn)采收率增加的現(xiàn)象。對于4號和5號巖心而言，當(dāng)注入水的礦化度高于2 000 mg/L時，采收率并沒有增加，說明低礦化度效應(yīng)沒有啟動。

但是，當(dāng)注入水礦化度降低至1 000 mg/L及100 mg/L后，采收率均出現(xiàn)了不同程度的增高，說明4號和5號巖心發(fā)生低礦化度效應(yīng)所需要的條件是：注入水的礦化度低于1 000～2 000 mg/L內(nèi)的某一值即可，該值為低礦化度效應(yīng)的啟動閾值。這個值由油藏系統(tǒng)決定，會因?yàn)橛?水-巖體系屬性的不同而有所差異。

6號巖心采收率曲線如圖3（c）所示，在注入水的礦化度逐步降低的驅(qū)替過程中，采收率在任何時刻都沒有增高，說明6號巖心沒有發(fā)生低礦化度效應(yīng)，同時也進(jìn)一步證明了地層水中存在二價陽離子是低礦化度效應(yīng)啟動的必要條件。

圖3 4號巖心（a），5號巖心（b）和6號巖心（c）不同礦化度水驅(qū)替采收率曲線Fig.3 Recovery curves of cores No.4（a），No.5（b）and No.6（c）of water flooding with different salinity

3 結(jié)論

（1）地層水中包含二價陽離子，如Ca2+和Mg2+，是實(shí)現(xiàn)低礦化度水驅(qū)提高采收率的條件之一；注入水是否含有二價陽離子對低礦化度效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)沒有影響；Ca2+比Mg2+提高采收率的效果略好。

（2）油藏系統(tǒng)的狀態(tài)對應(yīng)著一個低礦化度閾值，低礦化度效應(yīng)的啟動要求注入水的礦化度低于油藏系統(tǒng)對應(yīng)的低礦化度閾值。

（3）只有同時滿足地層水的離子組成和注入水的礦化度2個條件，低礦化度效應(yīng)才會啟動。

（4）低礦化度水驅(qū)作為三次采油模式下的技術(shù)，可以在高含水期的二次采油模式之后，進(jìn)一步提高油藏采收率。

致謝：在項(xiàng)目完成過程中，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）范洪富教授給予了悉心指導(dǎo)，在此表示感謝！