強(qiáng)堿三元體系對(duì)巖心滲透率的影響規(guī)律

王杰祥，馬 濤，馬文國(guó)，于春野，秦昊良

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)是油田提高采收率重要的技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于大慶、勝利等油區(qū)。但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，強(qiáng)堿三元體系對(duì)儲(chǔ)層會(huì)造成傷害。強(qiáng)堿與儲(chǔ)層礦物溶蝕反應(yīng)，生成的沉淀物和脫落的黏土礦物分散、運(yùn)移并堆積于孔喉，使儲(chǔ)層滲流能力降低。經(jīng)過(guò)強(qiáng)堿三元體系長(zhǎng)期驅(qū)替，注入井的壓力升高，儲(chǔ)層流體進(jìn)入生產(chǎn)井阻力增大，產(chǎn)液量減少，產(chǎn)能降低，影響油田生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。為了有效認(rèn)識(shí)強(qiáng)堿溶蝕儲(chǔ)層后滲透率的變化，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，著重分析強(qiáng)堿對(duì)巖心的傷害機(jī)理。強(qiáng)堿三元體系與儲(chǔ)層礦物發(fā)生溶蝕作用生成沉淀是實(shí)際存在的，卻很少有人做過(guò)對(duì)巖心滲透率變化影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)及研究，針對(duì)強(qiáng)堿三元體系在儲(chǔ)層礦物驅(qū)替過(guò)程中對(duì)巖心滲透率影響現(xiàn)象未作過(guò)詳細(xì)的探討［1-2］。蒲萬(wàn)芬等對(duì)強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行研究，但對(duì)巖心滲透率變化研究不夠深入。僅在大慶油區(qū)對(duì)強(qiáng)堿三元體系中的強(qiáng)堿與硅成垢進(jìn)行了一定的研究，而強(qiáng)堿對(duì)礦物組分及巖心滲流能力的影響未做更詳細(xì)的探討［3-9］。為此，綜合考慮諸多影響因素，進(jìn)行強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，通過(guò)掃描電鏡及能譜儀分析驅(qū)替前、后巖石礦物成分和元素含量的變化。從微觀角度研究強(qiáng)堿對(duì)地層的傷害機(jī)理及礦物溶蝕情況，進(jìn)而分析其對(duì)儲(chǔ)層巖心滲透率變化的影響規(guī)律。為后期強(qiáng)堿三元體系高效開(kāi)發(fā)提供借鑒及理論支持［9-22］。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材與條件

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：恒溫箱、平流泵、壓力表、壓力傳感器、巖心夾持器、中間容器和抽真空設(shè)備等（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器Fig.1 Experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)用巖心為取自A 油田砂巖油藏的天然巖心，包括高嶺石、伊利石、蒙脫石等黏土成分，直徑約為25 mm，長(zhǎng)度約為8～10 cm，氣測(cè)滲透率約為200～500 mD。

實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水（蒸餾水和氯化鈉），總礦化度為4 000 mg/L。

實(shí)驗(yàn)用強(qiáng)堿三元體系配方為：質(zhì)量濃度為1 000 mg/L 且相對(duì)分子質(zhì)量為1.5×107的聚合物、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的氫氧化鈉及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的烷基苯磺酸鹽。

實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

具體實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①先將巖心烘干并氣測(cè)滲透率。②抽真空飽和地層水，計(jì)算孔隙體積。③水驅(qū)3 PV 而形成較為穩(wěn)定的滲流通道后，注入強(qiáng)堿三元體系160 PV，并記錄壓力及產(chǎn)液量等數(shù)據(jù)，后續(xù)水驅(qū)3 PV 將巖心內(nèi)的大部分聚合物和表面活性劑驅(qū)替出來(lái)，直至壓力平穩(wěn)。④分析滲流數(shù)據(jù)，計(jì)算強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替前、驅(qū)替中及驅(qū)替后巖心滲透率的變化。⑤在保證樣品清潔的情況下將驅(qū)替前和驅(qū)替后的巖心均烘干切片加工至厚度為2～4 mm 的薄片，應(yīng)用掃描電鏡和X-射線能譜儀對(duì)薄片進(jìn)行對(duì)比、測(cè)定及評(píng)價(jià)。

選用3 組滲透率相差較大的巖心，研究強(qiáng)堿三元體系長(zhǎng)期驅(qū)替后對(duì)不同巖心滲透率的影響規(guī)律。根據(jù)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和巖心滲透率匹配關(guān)系［2］，選用相對(duì)分子質(zhì)量較小和低質(zhì)量濃度的聚合物配制成的強(qiáng)堿三元體系，防止聚合物長(zhǎng)分子鏈纏連或者相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大堵塞孔隙喉道，且在強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替前不對(duì)巖心進(jìn)行飽和原油，也避免了聚合物與原油中瀝青質(zhì)吸附阻礙滲流對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，重點(diǎn)研究強(qiáng)堿對(duì)儲(chǔ)層巖心滲流能力的影響規(guī)律［2-3］。在強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后，繼續(xù)水驅(qū)，驅(qū)替出殘留在孔隙及喉道中的聚合物和表面活性劑，避免其他化學(xué)劑對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，最后對(duì)巖心烘干測(cè)得最終滲透率。驅(qū)替前將巖心切成薄片，通過(guò)掃描電鏡觀察孔喉大小、孔隙內(nèi)的礦物類型和晶體結(jié)構(gòu)。強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后，再對(duì)巖心切片掃描電鏡測(cè)定，能清晰有效地觀察強(qiáng)堿對(duì)礦物組分的影響及孔隙喉道及晶體結(jié)構(gòu)的變化。應(yīng)用X-射線能譜儀對(duì)驅(qū)替前、后孔隙內(nèi)組分元素含量變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合掃描電鏡圖，可分析溶蝕后的主要產(chǎn)物和孔隙喉道的變化，能直觀認(rèn)識(shí)強(qiáng)堿對(duì)巖心滲透率的影響因素。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 滲流實(shí)驗(yàn)

開(kāi)展室內(nèi)強(qiáng)堿三元體系模擬滲流實(shí)驗(yàn)，模擬注入滲流速度為0.3 mL/min，3組實(shí)驗(yàn)巖心滲透率變化見(jiàn)表1。

表1 3組實(shí)驗(yàn)巖心滲透率變化Table1 Permeability change of 3 groups experimental cores

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后巖石孔隙表面礦物組分和孔喉的變化，結(jié)合壓力變化情況，進(jìn)而判斷強(qiáng)堿三元體系對(duì)巖心滲透率的影響。

從注入壓力和滲透率曲線（圖2，圖3）可以看出，強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替初期，注入壓力波動(dòng)，滲流不穩(wěn)定。因巖石孔隙大小不規(guī)則，強(qiáng)堿溶蝕的產(chǎn)物通過(guò)孔喉的阻力大小不定，所以使巖心滲透率產(chǎn)生波動(dòng)［13-14］。長(zhǎng)期滲流時(shí)，巖石礦物組分與強(qiáng)堿反應(yīng)產(chǎn)生的沉淀物及堿在孔隙表面的滯留、部分黏土顆粒的運(yùn)移，導(dǎo)致儲(chǔ)層受到傷害，從而使三元體系驅(qū)替時(shí)滲流阻力增大。在注入60 PV后，3組巖心的滲透率均明顯下降。在后續(xù)強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替時(shí)，滲透率變化幅度小，總體呈下降趨勢(shì)。在強(qiáng)堿三元體系注入后期，巖心壓力和滲透率趨于穩(wěn)定。滲流一定時(shí)間后，3 組巖心滲透率平均下降18%，注入壓力較驅(qū)替前增大140 kPa。

在病例處理流程講解結(jié)束后，教師對(duì)此病例的氣道類型及工具操作進(jìn)行總結(jié)，簡(jiǎn)要重復(fù)整個(gè)氣道處理的過(guò)程，強(qiáng)調(diào)相關(guān)工具的常見(jiàn)使用問(wèn)題。在此過(guò)程中，教師應(yīng)注意與臨床實(shí)踐緊密結(jié)合，切忌拘泥于傳統(tǒng)知識(shí)或過(guò)于晦澀的理論[11]。

圖2 注入壓力隨注入量的變化Fig.2 Change of injection pressure with increase of injected pore volume

圖3 巖心滲透率隨注入量的變化Fig.3 Change of core permeability with increase of injected pore volume

強(qiáng)堿三元體系長(zhǎng)期驅(qū)替時(shí)，選用3 組滲透率為300～500 mD 的巖心，注入壓力后期上升明顯，滲流能力受到不同程度影響。其中滲透率較低的巖心3傷害最大，滲透率下降幅度最大，約降低23.9%，巖心1 和巖心2 分別降低約13.3%和17.7%。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)滲透率較低、非均質(zhì)性較強(qiáng)的油田，長(zhǎng)期驅(qū)替時(shí)，強(qiáng)堿對(duì)儲(chǔ)層影響較大。后續(xù)生產(chǎn)應(yīng)采取相關(guān)技術(shù)措施改善近井地帶的滲流能力，提高生產(chǎn)井的產(chǎn)液量。對(duì)于即將采用三元復(fù)合驅(qū)的油田也應(yīng)重視堿及聚合物質(zhì)量濃度和儲(chǔ)層滲透率的匹配關(guān)系，優(yōu)化注入體系參數(shù)。

強(qiáng)堿對(duì)巖心的礦物組分溶蝕，破壞了巖心孔道，黏土顆粒和溶蝕物附著在孔道。反應(yīng)產(chǎn)物及微粒在孔隙中堆積和運(yùn)移，不僅對(duì)儲(chǔ)層巖心的孔隙造成傷害，而且滲流能力也會(huì)隨著堿溶反應(yīng)的進(jìn)行而降低。在強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后，生成較多的溶蝕產(chǎn)物和黏土顆粒運(yùn)移堆積在孔隙喉道，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞巖心孔喉。在長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)堿三元驅(qū)替過(guò)程中，巖心的滲流能力下降。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

通過(guò)掃描電鏡和X-射線能譜分析儀等主流實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能有效定位礦物類型，分析儲(chǔ)層礦物驅(qū)替前、后的礦物表面變化規(guī)律和元素含量變化［19-21］。

巖心驅(qū)替前、后的電鏡圖分析 由巖心1 驅(qū)替前、后電鏡圖（圖4）可知，巖心1 的礦物組分以石英和高嶺石為主，高嶺石呈書(shū)頁(yè)狀，中間部分白色蜂窩狀和棉絮狀為蒙脫石附有少量伊利石，孔隙喉道無(wú)明顯堆積物。強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后，晶層結(jié)構(gòu)明顯破壞，棱角較為明顯的石英和高嶺石等在強(qiáng)堿的溶蝕下變得圓滑，溶蝕產(chǎn)物及脫落的顆粒物堆積孔喉。

圖4 巖心1驅(qū)替前、后電鏡圖Fig.4 Electron micrograph of core 1 before and after displacement

由巖心2 驅(qū)替前、后電鏡圖（圖5）可知，巖石表面絮狀物較少，孔隙發(fā)育成熟，結(jié)構(gòu)清晰。該巖石礦物組分以石英和高嶺石為主，附有少量蜂巢狀、棉絮狀的蒙脫石及伊利石等。強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替后，孔道周圍顆粒狀物質(zhì)堆積較多，孔隙喉道變得窄小。原本較為光滑的巖石表面被強(qiáng)堿溶蝕變得凹凸不平，附著生成的顆粒物。

圖5 巖心2驅(qū)替前、后電鏡圖Fig.5 Electron micrograph of core 2 before and after displacement

由巖心3 驅(qū)替前、后電鏡圖（圖6）可知，驅(qū)替前巖心斷面規(guī)則，石英顆粒表面凸起較多、結(jié)構(gòu)清晰，溶蝕后巖心表面及孔隙結(jié)構(gòu)大部分遭到破壞，巖心斷面有大量顆粒堆積。高嶺石、石英等礦物均被不同程度溶蝕，部分黏土顆粒發(fā)生運(yùn)移，斷面大部分被新物質(zhì)覆蓋，強(qiáng)堿三元體系對(duì)油層礦物造成了溶蝕作用。巖心喉道對(duì)比可見(jiàn)，驅(qū)替前明顯被溶蝕產(chǎn)物堆積堵塞，致使?jié)B流能力下降。結(jié)合3 組巖心驅(qū)替前、后電鏡圖分析，驅(qū)替前巖石輪廓和孔隙結(jié)構(gòu)以及附著在表面的晶體結(jié)構(gòu)較清晰，驅(qū)替后巖心孔隙內(nèi)部表面大部分被顆粒物覆蓋，巖石棱角被溶蝕平緩，原本清晰的孔隙喉道被溶蝕運(yùn)移的溶蝕物堆積附著在喉道周邊。

圖6 巖心3驅(qū)替前、后電鏡圖Fig.6 Electron micrograph of core 3 before and after displacement

巖心驅(qū)替前、后礦物表面元素含量變化分析 通過(guò)能譜儀，選取巖心驅(qū)替前、后孔喉內(nèi)主要溶蝕物表面的元素變化，進(jìn)而分析驅(qū)替前、后強(qiáng)堿對(duì)礦物元素的影響（表2）。

因能譜儀無(wú)法準(zhǔn)確定位巖心驅(qū)替前、后的位置，不同巖心驅(qū)替前、后元素變化略有差異。由元素含量變化和電鏡圖可知，強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替前、后，高嶺石和長(zhǎng)石均有溶蝕，C，O，Na，Ca 等元素增加，其中碳和氧元素增加量主要來(lái)自碳酸鹽沉淀，堿液與礦物反應(yīng)過(guò)程中，鈉、鈣離子與黏土礦物中元素發(fā)生交換反應(yīng)，沉積在礦物表面?？紫侗诿嫫渌M分（如Al，Si，K）含量下降，表明堿液與巖石組分發(fā)生溶蝕化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物被三元體系攜帶運(yùn)移，含量降低較多的主要是硅、鋁、鉀；同時(shí)，孔隙壁面鈣離子含量增加，表明有含鈣化合物在孔隙表面沉積。

堿液與高嶺石、伊利石等礦物及各種離子發(fā)生反應(yīng)的機(jī)理主要包括：①伊利石的堿溶反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為：

表2 巖心驅(qū)替前、后礦物元素含量變化Table2 Changes of mineral element content before and after core displacement

②石英的堿溶反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為：

③高嶺石的堿溶反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為：

④蒙脫石的堿溶反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為：

⑤鈣、鐵、鎂等離子的堿溶反應(yīng)，其主要化學(xué)反應(yīng)式為：

硅酸物的生成，主要以多聚硅酸、硅酸凝膠及無(wú)定型和有定型二氧化硅等沉淀為主，反應(yīng)較為復(fù)雜。

根據(jù)巖心驅(qū)替前、后的電鏡圖和元素含量分析可知，驅(qū)替前巖心礦物組分分布規(guī)則、晶體類型清晰、高嶺石和石英表面光滑。因A油田以石英、長(zhǎng)石和黏土礦物（高嶺石和蒙脫石）等為主，強(qiáng)堿易與高嶺石、蒙脫石等礦物發(fā)生反應(yīng)。結(jié)合電鏡圖可知，生成物包括硅鋁酸鹽、氫氧化鋁等沉淀物和溶于體系中的鈣、鎂、鐵等離子。長(zhǎng)期滲流時(shí)，地層孔隙中流體的pH 值增加，流體中的鈣、鐵、鎂等離子繼續(xù)與堿發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化物和碳酸鹽沉淀。三元體系驅(qū)替后，礦物表面顆粒雜亂，礦物類型的晶層結(jié)構(gòu)難以分辨，溶蝕物沉淀在孔隙喉道和壁面上，巖石孔徑變小。

滲透率較低和黏土礦物含量高的油田，儲(chǔ)層孔隙度低，孔喉及滲流通道窄小，對(duì)于細(xì)小的孔喉，反應(yīng)生成的顆粒物及脫落的黏土顆粒易沉淀，從而堵塞孔隙喉道。強(qiáng)堿三元體系易與其發(fā)生反應(yīng)，生成硅鋁酸鹽等顆粒物沉淀，長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)替過(guò)程中滲流能力明顯下降。此類油田，強(qiáng)堿三元驅(qū)更易傷害儲(chǔ)層，使巖心滲透率降低?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)堿三元體系選擇時(shí)，應(yīng)參考油田的黏土礦物含量和儲(chǔ)層滲透率大小，在堿的用量上謹(jǐn)慎選擇，避免長(zhǎng)期強(qiáng)堿三元體系驅(qū)替溶蝕礦物組分對(duì)儲(chǔ)層滲流能力的影響。合理的聚合物分子大小及濃度有助于提高油藏儲(chǔ)層的波及體積，但是聚合物相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大與儲(chǔ)層滲透率不匹配造成的嚴(yán)重堵塞對(duì)滲流能力影響的問(wèn)題，也將是油田生產(chǎn)中需要關(guān)注的。

3 結(jié)論

巖心滲流實(shí)驗(yàn)可知強(qiáng)堿三元體系對(duì)巖心造成傷害，溶蝕過(guò)程較為平穩(wěn)。表明強(qiáng)堿與礦物組分發(fā)生溶蝕化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物及部分黏土顆粒被三元體系攜帶運(yùn)移，阻礙及堵塞滲流通道。強(qiáng)堿三元體系長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)替后，巖心注入壓力升高約140 kPa，滲透率平均下降18%。掃描電鏡及能譜分析表明，驅(qū)替后儲(chǔ)層礦物的晶體結(jié)構(gòu)被侵蝕破壞，礦物組成中的元素含量發(fā)生了變化。由礦物的組成可知，堿能與礦物中硅、鋁、鈣、鎂、鐵等發(fā)生堿溶化學(xué)反應(yīng)，使巖石孔隙表面被溶蝕破壞。油田的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)不僅要關(guān)注聚合物堵塞對(duì)滲流能力的影響，對(duì)于黏土礦物（高嶺石、伊利石和蒙脫石）含量較高且滲透率較低的油田，更應(yīng)重視三元體系長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)替時(shí)強(qiáng)堿對(duì)儲(chǔ)層礦物的溶蝕及滲流能力下降的問(wèn)題。