沉淀型半透膜材料在低滲油藏中改善水驅(qū)適應(yīng)性研究
——以高21沙二段油藏為例

王偉琳

(勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團股份有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

半透膜是一種對不同粒子通過具有選擇性的薄膜。常用的半透膜材料包括高聚物型(醋酸纖維素和芳香聚酰胺)和低分子量沉淀物型(亞鐵氰化銅)等[1]。半透膜技術(shù)主要在污水處理、藥物緩釋和石油化工等行業(yè)中廣泛研究和應(yīng)用[2-3]。2012年Kevin England等人[4]將其引入到裂縫性油藏提高采收率領(lǐng)域:在裂縫表面涂覆半透膜材料，只允許水分子跨膜輸運，阻止礦物離子通過;這樣在注入水和地層水離子濃度差異作用下，注入水會自動進入基質(zhì)，補充能量，排出原油，實現(xiàn)自吸—增能—驅(qū)油。之后，劉德新等人[5-6]研究了Cu2[Fe(CN)6]半透膜的滲吸驅(qū)油效果，發(fā)現(xiàn)其能夠提高低滲基質(zhì)原油采收率。盡管如此，對于低滲油藏提高采收率，尤其是類似高21沙二段平面和縱向矛盾突出的油藏，直接封堵水流優(yōu)勢通道，擴大波及體積對改善水驅(qū)開發(fā)效果也尤為關(guān)鍵。而關(guān)于類似沉淀型半透膜材料封堵能力的研究鮮有報道。此外，在低滲油藏調(diào)剖方面，人們研發(fā)了水氣交替、泡沫、聚合物微球、聚合物凍膠和泡沫凍膠等注入方法和封堵體系，實際應(yīng)用中取得了不同程度的效果，同時也曝露出低滲傷害、堵塞等問題[7-16]。沉淀型調(diào)剖劑由于初始黏度低，往往表現(xiàn)出良好的注入性和低傷害特征，而且耐溫耐鹽性強[17-20]。一些針對中高滲油藏條件的室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，沉淀型調(diào)剖劑對水流通道的封堵能力有限，滲透率封堵率約為60%～70%[20];而在低滲油藏中由于孔喉更加細(xì)小，沉淀劑的封堵能力有望改善。該研究就沉淀型材料在低滲油藏中封堵水流通道的適應(yīng)性進行了探討，以期為低滲油藏改善水驅(qū)方法的選擇提供借鑒。

1 區(qū)塊特征

高21塊沙二段油藏探明含油面積3.21 km2，地質(zhì)儲量140.91×104t，屬于低滲油藏，平均孔隙度為22.4%，滲透率為35.0 m D。為了補充地層能量，2007年開始注水開發(fā)，現(xiàn)有注水井5口，采油井14口，采出程度14.9%，綜合含水80.3%。水驅(qū)優(yōu)勢通道發(fā)育、水竄嚴(yán)重是區(qū)塊注水開發(fā)的主要問題。平面上，5口注水井中的4口進行示蹤劑測試，發(fā)現(xiàn)均發(fā)育水驅(qū)優(yōu)勢通道(如圖1所示)。縱向上，44為主力吸水層，吸水量占90%以上，43和45吸水不足，單層突進嚴(yán)重。優(yōu)勢通道對應(yīng)油井呈現(xiàn)高液量、高含水、高能量特征(例如G21-8井日產(chǎn)液11.9 m3，含水87.1%，動液面在1 618 m)。非優(yōu)勢通道區(qū)域油井表現(xiàn)為低液量、低含水和低能量特征(例如G21-11井日產(chǎn)液1.9 m3，含水76.3%，動液面在1 869 m)，且在進一步惡化。如何封堵水流優(yōu)勢通道，增加非優(yōu)勢通道區(qū)域吸水，擴大波及體積成為改善區(qū)塊注水效果的關(guān)鍵。

圖1 高21沙二段油藏注水井優(yōu)勢通道發(fā)育特征Fig.1 Growth characteristics of water injection well dominant channel in the Sha2 in Gao21 reservoir

高21沙二段油藏除滲透率低外，其另一突出特征是地層水礦化度高，鈣離子濃度高。例如，G21-5井產(chǎn)出水礦化度達30.5 g/L，鈣離子含量達2.1 g/L(見表1)。地層水礦化度高，會在注入水和地層水之間形成較大的離子濃度差(注入水礦化度僅為0.6 g/L)，若在兩者之間建立一層半透膜，那么礦物離子濃度差異能夠在注入水和地層水間形成附加滲透壓差，促使注水自發(fā)進入低滲基質(zhì)中的高礦化水，擴大波及體積[3，5]。另一方面，半透膜材料在相對高滲區(qū)域內(nèi)的沉積，能夠直接封堵水流優(yōu)勢通道，擴大注入水波及體積。此外，地層水中鈣離子含量高，為原位碳酸鈣型沉淀的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，沉淀型半透膜材料在類似高21沙二段低滲油藏中具備改善注水開發(fā)效果的應(yīng)用潛力。

表1 高21-5井地層水礦物離子組成Table 1 Mineral ion composition of formation water in Gao21-5 well

2 原位CaCO3的半透性及其封堵能力

對于地層水中鈣離子含量普遍較高的油藏，考慮注入Na2CO3，形成原位CaCO3沉淀。這樣做一方面減小低滲基質(zhì)表面孔喉尺寸，以期形成半透性膜;另一方面直接封堵高滲水流通道，同時實現(xiàn)鈣離子的有效利用。此外，地層水中鈣離子的沉淀，也能夠潛在降低高鹽條件對化學(xué)劑穩(wěn)定性的影響，增強類似高鹽油藏中其他化學(xué)驅(qū)油方法適應(yīng)性。

2.1 微觀沉積形態(tài)

首先將G21-5井模擬地層水與濃度為5.6 g/L的Na2CO3溶液混合，形成乳白色CaCO3懸浮液。將懸浮液一分為二，一份在燒杯中保存，模擬Ca-CO3在連續(xù)體相中沉積過程;另一份滴加到水濕性玻璃片表面，模擬CaCO3在巖石微孔壁面的沉積過程。30 min后對沉積樣品進行顯微觀測，沉積樣品微觀形貌如圖2所示。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同沉積環(huán)境中，CaCO3沉積形態(tài)顯著不同:1)在連續(xù)體相中，初始懸浮的CaCO3微粒會逐漸生長為粒徑更大的沉淀顆粒，最終粒徑約為1μm，而實際低滲油藏巖石喉道直徑也往往在微米級別，具備一定的封堵潛力;2)在水濕壁面上，CaCO3微粒會直接沉淀、附著在壁面上繼續(xù)生長，而非聚結(jié)成更大的結(jié)晶顆粒。可見，實際地層中CaCO3沉淀對水流通道的封堵，表現(xiàn)出2種不同的形式:生長成大顆粒直接封堵孔喉和在孔壁的逐層涂覆減小孔徑。

圖2 CaCO3在不同條件下的沉積形態(tài)Fig.2 Depositional morphology of CaCO3 under different conditions

2.2 沉淀物的半透性

為了進一步確認(rèn)CaCO3沉積能否將巖石孔喉減小至半透性，設(shè)計了半透膜增壓實驗:首先根據(jù)高21油藏實際巖石孔喉尺寸(平均最小孔喉3.78μm，最大孔喉13.0μm)分 別選用孔徑為2.5μm和11.0μm的Whatman濾紙作為支撐骨架;將地層水和Na2CO3交替噴涂到濾紙上，晾干后包覆到長頸漏斗底部，密封;在漏斗內(nèi)裝入高礦化度地層水(用亞甲基藍(lán)染色)，燒杯中加入低礦化度注入水，使初始液面平齊;然后根據(jù)長頸漏斗內(nèi)頁面的上升情況判斷涂覆膜的半透性，若液面上升，說明燒杯中水分子跨膜進入漏斗，而漏斗中的礦物離子難以進入燒杯，形成半透膜;若液面保持平齊，說明漏斗中的礦物離子跨膜進入燒杯，同時水分子也可以順利跨膜進入漏斗，未形成半透膜。沉淀材料的半透性如圖3所示，半透膜實驗結(jié)果見表2。

圖3 沉淀材料的半透性Fig.3 Semi-permeability of precipitation material

表2 沉淀材料的半透性Table 2 Semi-permeability of precipitation material

根據(jù)半透膜實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，CaCO3沉積后，孔徑為2.5μm的濾紙并未表現(xiàn)出半透性，漏斗內(nèi)外液面平齊，說明原位CaCO3沉淀很難使低滲巖石孔徑減小至表現(xiàn)出半透性的尺度(亞納米級)。

2.3 封堵能力

盡管不能形成半透膜，但是CaCO3的地下沉積仍具有封堵高滲水流通道，擴大波及體積的潛力。因此，通過巖心模型(直徑2.5 cm、長度10.0 cm、滲透率78.5～708.0 m D)中的封堵實驗，對原位Ca-CO3沉淀封堵水流優(yōu)勢通道的能力進行考察。

2.3.1 注入方式的影響

巖心模型飽和地層水后，采用直接注入沉淀劑Na2CO3和產(chǎn)出地層水/Na2CO3交替注入2種方式。圖4所示為原位CaCO3對模型的封堵能力。在Na2CO3用量約1.0 PV的條件下，連續(xù)注入方式的穩(wěn)定阻力系數(shù)為1.2，滲透率封堵率為18.9%，沉淀具有一定的封堵能力。為了進一步增強地層水中鈣離子與Na2CO3的接觸，將產(chǎn)出地層水與Na2CO3交替注入(交替尺寸0.25 PV)，阻力系數(shù)增大至1.7，滲透率封堵率為40.7%，封堵能力有所提高，這說明僅依靠地層水中的鈣離子的原位沉淀，可以在不同程度上封堵高滲水流通道，滲透率封堵率在18.9%～40.7%。

圖4 不同注入方式下CaCO3的封堵能力Fig.4 Plugging capability of CaCO3 under different injection patterns

2.3.2 滲透率的影響

低滲油藏中，盡管平均滲透率較低，但往往發(fā)育一些高滲條帶等，導(dǎo)致注入水竄流。例如，高21沙二段低滲油藏，平均滲透率較低為35.0 m D，但是其優(yōu)勢通道滲透率可達150～1 000 mD。為了進一步確認(rèn)原位CaCO3體系對高滲通道的封堵能力，在708.0 mD模型中開展了封堵實驗。圖5所示為不同滲透率下CaCO3的封堵能力。可以發(fā)現(xiàn)，原位CaCO3體系在高滲中封堵能力略微減弱，穩(wěn)定阻力系數(shù)為1.3，滲透率封堵率為25.0%?？梢?，類似高21的低滲、高鹽油藏中，地層水鈣離子含量較高，通過沉淀回注水中的鈣離子，能夠?qū)λ魍ǖ佬纬梢欢ǖ姆舛隆?/p>

圖5 不同滲透率下CaCO3的封堵能力Fig.5 Plugging capability of CaCO3 under different permeability

2.3.3 濃度的影響

除了沉淀地層水中的鈣離子外，考慮到無機沉淀材料較為廉價，探索采用高濃度CaCl2和Na2CO3交替注入的方式，封堵高滲通道。圖6所示為不同濃度CaCO3沉淀體系的封堵能力。發(fā)現(xiàn)高濃度沉淀體系對模型的封堵能力明顯增強，穩(wěn)定阻力系數(shù)從1.7增大到3.25，滲透率封堵率從40.7%增大到69.2%。原位CaCO3體系具備作為低滲油藏調(diào)剖劑的應(yīng)用潛力。

圖6 不同濃度CaCO3沉淀體系的封堵能力Fig.6 Plugging capability of CaCO3 with different concentration

3 Cu2[Fe(CN)6]的半透性及其封堵能力

原位CaCO3體系能夠在一定程度上封堵水流通道，但是不能在低滲基質(zhì)表面形成半透膜。為了獲得一種兼具半透膜性能和高滲封堵通道能力的體系，對一種典型的Cu2[Fe(CN)6]沉淀體系進行了半透性和封堵性能研究。

3.1 沉淀的微觀形貌

將CuSO4和K4[Fe(CN)6]按照57.6 g/L和50.64 g/L的濃度混合[5]，形成血紅色沉淀。將沉淀物一分為二:一份在燒杯中保存，模擬Cu2[Fe(CN)6]在連續(xù)體相中沉積過程;另一份滴加到水濕性玻璃片表面，模擬Cu2[Fe(CN)6]在巖石微孔壁面的沉積過程。30 min后對沉積樣品進行顯微觀測，沉淀形態(tài)如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與CaCO3沉淀不同，CuSO4與K4[Fe(CN)6]混合后會快速形成穩(wěn)定的Cu2[Fe(CN)6]絮狀、絲狀沉淀;不同沉積時間和沉積環(huán)境中，沉積形態(tài)相似，對Cu2[Fe(CN)6]沉淀的形態(tài)影響較小;并且沉淀物呈現(xiàn)連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對巖石孔喉的封堵。

圖7 Cu2[Fe(CN)6]在不同條件下的沉積形態(tài)Fig.7 Depositional morphology of Cu2[Fe(CN)6]under different conditions

3.2 沉淀物的半透性

為了進一步確認(rèn)Cu2[Fe(CN)6]沉積能否將巖石孔喉減小至半透性，按照前述步驟將CuSO4和K4[Fe(CN)6]噴涂到濾紙表面，利用設(shè)計的半透膜增能實驗判斷Cu2[Fe(CN)6]沉淀物的半透性(參照圖3和表2相關(guān)數(shù)據(jù))。從圖3可 以 看出，Cu2[Fe(CN)6]沉淀在GR5濾紙表面時，水分子能夠通過濾紙進入長頸漏斗，使其液面升高(高于燒杯內(nèi))，同時亞甲基藍(lán)染色劑沒有透過濾紙進入燒杯，這說明Cu2[Fe(CN)6]沉淀能夠在孔徑為2.5μm的孔隙介質(zhì)表面形成半透膜。但對于孔徑更大的11.0μm條件(GR1)，漏斗內(nèi)液面沒有升高，且亞甲基藍(lán)染色劑順利通過濾紙進入燒杯，說明沒有形成半透膜。可見，Cu2[Fe(CN)6]能夠在較小的2.5μm孔喉表面形成半透性薄膜，而孔徑達到11.0μm，半透膜難以形成。

為了進一步確認(rèn)半透膜性對驅(qū)油的影響，利用傳統(tǒng)的滲吸驅(qū)油裝置[5]，開展了無半透膜和有半透膜條件下的滲吸驅(qū)油實驗，實驗結(jié)果見表3?？梢园l(fā)現(xiàn)半透膜的存在有助于低滲基質(zhì)原油的采出，無半透膜時原油滲吸采收率為38.5%;半透膜作用下滲吸采收率提高到41.2%，增幅2.7%。值得注意的是，Cu2[Fe(CN)6]類沉淀材料成本較高，在使用濃度條件下滲吸原油采收率增幅2.7%，存在潛在的經(jīng)濟性問題。有必要就其封堵水流優(yōu)勢通道，擴大波及體積能力進行研究，以進一步判斷其改善水驅(qū)適應(yīng)性。

表3 半透膜沉積對巖心滲吸驅(qū)油的影響Table 3 Effect of semi-permeable film deposition on oil recovery by imbibition

3.3 沉淀的封堵能力

3.3.1 注入方式的影響

原位CaCO3沉淀體系研究過程中發(fā)現(xiàn)，交替注入是沉淀類堵劑較好的注入方式。為了進一步確認(rèn)交替段塞尺寸對其封堵能力的影響，分別設(shè)計了0.10 PV，0.25 PV和0.50 PV段塞交替實驗，同時探索了水段塞(尺寸:0.05 PV)分隔對沉淀體系封堵能力的影響，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，CuSO4和K4[Fe(CN)6]交替段塞為較大的0.50 PV時，體系封堵能力較弱，穩(wěn)定封堵阻力系數(shù)為1.8，滲透率封堵率為45.7%，應(yīng)考慮減小交替段塞尺寸，增強2種沉淀劑的接觸反應(yīng)程度。當(dāng)交替段塞減小到0.25 PV時，隨著注入量的增大，阻力系數(shù)穩(wěn)定上升，累注1.30 PV時，阻力系數(shù)為4.8，滲透率封堵率為79.2%，體系對水流通道的封堵能力明顯提升。進一步減小交替段塞尺寸到0.10 PV時，阻力系數(shù)隨注入量的增加快速升高，累計注入1.15 PV時阻力系數(shù)為6.6，滲透率封堵率為84.7%，表現(xiàn)出良好的封堵能力。但是，過快的阻力系數(shù)(壓力)增長說明，若注入量繼續(xù)增大，該注入方式可能存在潛在堵塞風(fēng)險。對比0.25 PV和0.10 PV兩種交替方式發(fā)現(xiàn):1)較大的0.25 PV交替時的封堵能力比0.10 PV時僅略微降低(前者穩(wěn)定封堵率為84.7%，后者為79.2%)，但是0.10 PV交替時阻力系數(shù)(注入壓力)上升過快，存在潛在堵塞風(fēng)險。因此對于該類沉淀堵劑，交替注入時，交替段塞尺寸不宜過小。值得注意的是，文中注入的PV數(shù)僅指優(yōu)勢通道孔隙體系倍數(shù)，而不是整個油藏的孔隙體積倍數(shù)。2)從沉淀劑的運移深度上(巖心封堵后的紅色部分)看，0.10 PV交替時沉淀劑的運移封堵深度明顯比0.25 PV時小，說明采用相對較大的交替段塞有助于沉淀劑的深部運移封堵。

圖8 不同注入方式下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.8 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]under different injection patterns

針對較小的0.10 PV交替過程中存在的潛在堵塞和封堵深度小的問題，利用0.05 PV水對Cu-SO4和K4[Fe(CN)6]段塞進行分隔，發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)增大速度有一定減緩，巖心中的封堵深度明顯增大，水段塞分隔有防止堵塞、增大沉淀劑封堵深度的作用。但是，值得注意的是，注入量達到1.40 PV時，阻力系數(shù)快速從3.3增大到6.9，仍表現(xiàn)出一定的堵塞特征。因此，對于該類型堵劑，交替注入段塞尺寸應(yīng)大于0.10 PV。選用相對較大的交替段塞(如0.25 PV)和采用水段塞分隔是沉淀型堵劑實現(xiàn)深部運移封堵，降低堵塞風(fēng)險較好的方法。

3.3.2 滲透率的影響

為了進一步確認(rèn)Cu2[Fe(CN)6]體系對高滲通道的封堵能力，在720.0 mD模型中開展了封堵實驗，實驗結(jié)果如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)Cu2[Fe(CN)6]體系在高滲中的封堵能力略微減弱，穩(wěn)定滲透率封堵率從98.0 mD時的74.0%，減小到720.0 m D時的70.6%，仍具有良好的封堵能力。

圖9 不同滲透率下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.9 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]under different permeability

3.3.3 濃度的影響

由于Cu2[Fe(CN)6]類沉淀堵劑較CaCO3沉淀體系藥劑成本高，考慮降低沉淀劑濃度，開展了不同濃度條件下的CuSO4和K4[Fe(CN)6]交替注入封堵實驗，結(jié)果如圖10所示。發(fā)現(xiàn)藥劑濃度的減小會導(dǎo)致堵劑封堵能力的降低，如CuSO4濃度依次為50.6 g/L，30.4 g/L，15.2 g/L和5.0 g/L時，穩(wěn) 定的滲透率封堵率分別為74.0%，69.6%，61.5%和50.0%。相近濃度條件下Cu2[Fe(CN)6]沉淀的封堵能力較CaCO3沉淀強(參考圖6和圖10相關(guān)數(shù)據(jù))。

圖10 不同濃度下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.10 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]with different concentration

4 結(jié)論

1)鈣離子原位沉淀，能夠通過結(jié)晶成大顆粒和在孔喉壁面生長的方式封堵孔喉，在一定程度上封堵水流通道(滲透率封堵率為18.9%～40.7%);這種封堵隨滲透率增大有所減弱，采用高濃度CaCl2和Na2CO3補充注入能夠增強封堵(滲透率封堵率為69.2%)?？梢?，原位CaCO3體系能夠?qū)崿F(xiàn)鈣離子資源化利用-封堵水流通道，同時潛在地減小鈣離子對其他化學(xué)劑影響，增強類似高鹽油藏中后續(xù)化學(xué)驅(qū)油方法的適應(yīng)性，具備一定應(yīng)用潛力。

2)Cu2[Fe(CN)6]沉淀具有較強的封堵能力(滲透率封堵率最高為84.7%)，能夠在低滲基質(zhì)表面形成半透膜，具備調(diào)剖-增能驅(qū)油的雙重效果，但是這種調(diào)剖-增能要求較高的沉淀劑濃度，在一定程度上影響了體系的應(yīng)用。

3)對于沉淀型材料，為了保證其封堵能力，同時防止近井堵塞，增大調(diào)剖深度，應(yīng)采用交替注入的方式，且交替段塞尺寸應(yīng)適中(0.25 PV);水段塞分隔也是防止堵塞，增大調(diào)剖深度的較好方法。