硫酸鹽濃度對(duì)水驅(qū)提高采收率的影響*

付 紅，李華斌，2，殷慶國(guó)，郭程飛

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），四川成都 610059；3.中國(guó)石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善 838200；4.中國(guó)石化中原油田普光分公司采氣廠，四川達(dá)州 636155）

世界上一半以上的原油可采儲(chǔ)量存在于碳酸鹽巖儲(chǔ)層中，注水開(kāi)發(fā)是油藏開(kāi)發(fā)中最常見(jiàn)的一種開(kāi)發(fā)方式。注水開(kāi)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)，但常規(guī)注水并不能提高注入水的洗油效率，油田大多使用污水回注，只考慮了注入水的物理作用而忽略其化學(xué)作用。

Seethepalli 等［1］使用不同的陰離子表面活性劑進(jìn)行巖心吸附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原油采收率能達(dá)到50%以上，潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)被認(rèn)為是重要原因。Xie等［2］發(fā)現(xiàn)停止注入鹽水溶液后，注入的表面活性劑溶液能提升原油采收率5%～10%OOIP，認(rèn)為表面活性劑增加了巖心的水潤(rùn)濕性。盡管已有研究表明表面活性劑能降低油水界面張力、乳化原油進(jìn)而形成油墻，聚合物驅(qū)以及三元復(fù)合驅(qū)能提高原油采收率［3］，但由于價(jià)格昂貴，大規(guī)模在油藏的應(yīng)用受到限制。而水驅(qū)是一種廉價(jià)的二次采油工藝，已有研究表明水驅(qū)性能取決于注入水的組成。Webb 等［4］在儲(chǔ)層條件下用模擬無(wú)鹽水和含鹽水對(duì)北海碳酸鹽巖巖心樣品進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改變碳酸鹽巖潤(rùn)濕性是造成含油飽和度改變的原因。大量實(shí)驗(yàn)工作圍繞著表面活性劑溶液和模擬鹽水對(duì)提高原油采收率的作用機(jī)理，提出是提高原油采收率的決定因素，但需要與Ca2+和Mg2+共同作用，因?yàn)閱为?dú)的并不能自發(fā)吸附在巖石上［5—10］。

盡管前人進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作，但仍有許多問(wèn)題尚不清楚。在上述研究中都將巖心在原油中老化使巖心油潤(rùn)濕，對(duì)于潤(rùn)濕性改變作為硫酸鹽水驅(qū)改善原油采收率這一主要機(jī)制是通過(guò)排除其他原因（界面張力的顯著降低和流變性）得到的。為了驗(yàn)證潤(rùn)濕性改變不是硫酸鹽水驅(qū)提高原油采收率的唯一因素，本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在巖心潤(rùn)濕性不改變的基礎(chǔ)上（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖心潤(rùn)濕性一直為水濕）進(jìn)行水驅(qū)，探究硫酸鹽濃度對(duì)水驅(qū)提高采收率的影響，研究了溫度、注入速率和原油類(lèi)型對(duì)硫酸鹽水驅(qū)效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

甲苯（純度99.9%）、丙酮，分析純，成都科龍化工試劑廠；實(shí)驗(yàn)用油為吐哈油田溫西、玉果和玉東3個(gè)區(qū)塊的脫水原油，在室溫下的密度分別為0.835、0.836、0.832 g/cm3，黏度分別為13.2、8.84、10.56 mPa·s，瀝青質(zhì)含量分別為3.43%、0.30%、1.1%（數(shù)據(jù)由吐哈油田公司工程技術(shù)研究院提供）；實(shí)驗(yàn)用鹽水由蒸餾水與各種無(wú)機(jī)鹽混合而成，鹽水組成如表1 所示，其中NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；巖心均取自現(xiàn)場(chǎng)天然露頭巖心（鉆取打磨加工而得），且都為碳酸鹽巖巖心，巖心參數(shù)如表2所示。

表1 不同鹽水的離子組成

表2 巖心參數(shù)

電熱恒溫箱，上海市凱測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；常規(guī)物理模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，包括中間容器、平流泵、手搖泵、巖心夾持器等，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將1—13 號(hào)巖心用甲苯、丙酮和蒸餾水清洗。通過(guò)改進(jìn)Romero-Zerón等［11］提出的方法，獲得水濕巖心的步驟如下：甲苯清洗，真空干燥；丙酮清洗除去殘余液體；蒸餾水洗除去丙酮后干燥；最后在100℃烘箱中放置2 h。（2）將14號(hào)巖心進(jìn)行切片、打磨制得3 塊巖心薄片。首先將巖心薄片用甲苯、丙酮和蒸餾水進(jìn)行清洗以獲得水濕巖心薄片。第1塊巖心薄片抽真空飽和SW0S 鹽水2～4 h，直至無(wú)氣泡離開(kāi)薄片，在80℃下將薄片浸泡在SW0S 鹽水中老化3 d，測(cè)量接觸角；第2塊及第3塊巖心薄片分別以同樣的方式（飽和鹽水類(lèi)型不同，第2 塊飽和SW 鹽水，第3 塊飽和SW3S 鹽水）測(cè)量接觸角。（3）使用真空泵將1—13 號(hào)巖心用不含硫酸鹽的鹽水（SW0S）飽和，測(cè)量巖心濕重，通過(guò)鹽水密度計(jì)算巖心的孔隙度和孔隙體積。之后依次將巖心放入巖心夾持器中，繼續(xù)用SW0S鹽水驅(qū)替，計(jì)算巖心的滲透率。（4）在高溫下將未老化的初始飽和巖心放入巖心夾持器中，加圍壓3 MPa。待巖心飽和不同原油后，在不同溫度、注入速率和驅(qū)替鹽水的條件下進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。在所有水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，鹽水中的鈣離子和鎂離子濃度保持恒定，以避免其變化對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。在巖心水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，40℃下不加回壓，在90、110、130℃下加1.5 MPa回壓以避免巖心中的液體蒸發(fā)。水驅(qū)過(guò)程中，當(dāng)巖心出口端含水率達(dá)到98%時(shí)，停止驅(qū)替或轉(zhuǎn)另一種流體驅(qū)替直至含水率再次上升至98%，不同水驅(qū)方案如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖心潤(rùn)濕性

3 塊水濕巖心薄片分別飽和SW0S、SW 和SW3S 鹽水后的潤(rùn)濕接觸角分別為76.12°、72.46°、66.18°，巖心薄片均為水濕巖心。隨著飽和鹽水硫酸鹽濃度的提高，巖心薄片接觸角逐漸降低，但降幅較小。由于每組實(shí)驗(yàn)耗時(shí)均不長(zhǎng)，巖心中的原油不足以讓巖心老化并將巖心潤(rùn)濕性改變?yōu)橛蜐?，因此巖心潤(rùn)濕性一直為水濕。

表3 巖心驅(qū)替方案

2.2 溫度對(duì)硫酸鹽水驅(qū)的影響

第1 組實(shí)驗(yàn)在40℃的條件下進(jìn)行，兩個(gè)巖心均飽和溫西原油。1 號(hào)巖心以5 PV/d 的速率注入SW0S 鹽水直至巖心出口端含水率達(dá)到98%，然后以相同流速注入SW 鹽水水驅(qū)。如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)溫度為40℃時(shí)，注入SW0S 后的巖心水驅(qū)采收率為63.15%，隨后用SW 鹽水水驅(qū)時(shí)巖心采收率（64.02%）無(wú)明顯增加。這與Garcia-Olvera 的研究結(jié)果一致［12］，在40℃的低溫環(huán)境下不起作用。極少的吸附于巖石/油/水界面上，低溫環(huán)境下硫酸鹽水驅(qū)并不能提高原油采收率。2 號(hào)巖心SW0S、SW3S 鹽水水驅(qū)的采收率分別為62.41%、63.79%。大幅增加濃度，并未使巖心采收率明顯增加。由此可見(jiàn)，在低溫環(huán)境下，硫酸鹽濃度對(duì)水濕巖心原油采收率無(wú)影響。

圖1 40℃下1號(hào)和2號(hào)巖心水驅(qū)采收率曲線

研究表明，溫度對(duì)碳酸鹽巖石表面發(fā)生的不同化學(xué)反應(yīng)和離子（、Ca2+、Mg2+）在巖石基質(zhì)中的擴(kuò)散起重要作用［13］。為了驗(yàn)證這種影響，將恒溫環(huán)境設(shè)置為90℃，先后注入SW0S 和SW 鹽水水驅(qū)。如圖2 所示，在90℃下，3 號(hào)巖心用SW0S、SW 鹽水水驅(qū)后的采收率分別為60.28%、63.94%，鹽水中濃度的增加使巖心原油采收率提高了3.66%。在巖心為水濕的條件下，采收率還能有如此大幅度的增加，說(shuō)明硫酸鹽除了能改變巖心潤(rùn)濕性外，還有其他因素在幫助提高驅(qū)油效果。為了確定該結(jié)論，用4號(hào)巖心重復(fù)實(shí)驗(yàn)，用SW0S、SW鹽水水驅(qū)后的采收率分別為60.84%、64.22%，兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近。

圖2 90℃下3號(hào)巖心水驅(qū)采收率曲線

圖3 110℃下5、6、7號(hào)巖心水驅(qū)采收率曲線

2.3 注入速率對(duì)硫酸鹽水驅(qū)的影響

圖4 110℃下8號(hào)和9號(hào)巖心水驅(qū)采收率曲線

2.4 原油瀝青含量對(duì)硫酸鹽水驅(qū)的影響

以往多數(shù)研究均集中在巖石/鹽水相互作用，而非石油/鹽水相互作用。原油中的瀝青質(zhì)組分含有天然界面活性物質(zhì)［15—16］，可以降低油水界面張力。原油瀝青含量升高，吸附在油水界面上的瀝青質(zhì)分子增加，使油水界面張力降低［17］，瀝青含量對(duì)原油和鹽水之間的界面現(xiàn)象有很大影響。為了研究原油組分對(duì)水驅(qū)采收率是否有影響，用4 個(gè)巖心飽和另兩種原油（玉果和玉東原油）并在110℃下進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)。10、11 號(hào)巖心飽和玉果原油，10 號(hào)巖心先后用SW0S 和SW 鹽水水驅(qū)，11 號(hào)巖心則直接用SW3S 鹽水水驅(qū)。10 號(hào)巖心SW0S（4 PV）和SW（4 PV）鹽水水驅(qū)的采收率分別為62.52%、63.76%；11號(hào)巖心SW3S（4.5 PV）鹽水水驅(qū)的采收率為70.08%。相對(duì)于SW0S鹽水驅(qū)替，SW和SW3S鹽水驅(qū)可分別提高采收率1.24%和7.56%。

12、13號(hào)巖心飽和玉東原油，水驅(qū)流程和10、11號(hào)巖心相同。12號(hào)巖心用SW0S鹽水（4.4 PV）水驅(qū)后再進(jìn)行SW 鹽水（4 PV）水驅(qū)，巖心水驅(qū)采收率分別為68.11%和71.51%，SW 鹽水驅(qū)較SW0S 鹽水驅(qū)采收率提高了3.4%；直接進(jìn)行SW3S 鹽水（4.2 PV）水驅(qū)的13 號(hào)巖心采收率為75.86%，較12 號(hào)巖心SW0S鹽水驅(qū)采收率提高了7.75%。由此可見(jiàn)，直接進(jìn)行高濃度硫酸鹽水驅(qū)有利于提高巖心采收率，并且原油組分對(duì)鹽水水驅(qū)效果有影響。溫西原油瀝青質(zhì)含量最高，且高濃度硫酸鹽水驅(qū)對(duì)溫西原油的效果最好。5號(hào)和7號(hào)巖心飽和了溫西原油后，7號(hào)巖心SW3S 鹽水驅(qū)采收率較5 號(hào)巖心SW0S 鹽水驅(qū)提高約10%，在13組巖心水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中水驅(qū)提高采收率最高。

3 結(jié)論