渤海砂巖油藏低礦化度水驅(qū)規(guī)律與機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

辛 晶，劉汝敏，王 濤，田 苗，劉 東，李敬松，李 輝

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)研究院，天津 300459； 2.中海石油(中國)有限公司 渤海石油研究院，天津 300459； 3.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710064)

引 言

低礦化度水驅(qū)[1-3]是指在油田開發(fā)過程中向儲(chǔ)層中注入礦化度低于原始地層水礦化度的水溶液，通過改變儲(chǔ)層潤濕性提高采收率的技術(shù)。低礦化度水驅(qū)只需根據(jù)儲(chǔ)層巖石和流體特征針對性調(diào)整注入水離子組成，無需改變礦場設(shè)施，具有突出的經(jīng)濟(jì)性和高效性，受到越來越廣泛的關(guān)注。Yildiz等[4]利用巖心驅(qū)替和滲吸實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)改變注入水離子組成可以有效改變巖石潤濕性進(jìn)而提高原油采收率，由此低礦化度水驅(qū)被正式提出。此后，Skrettingland等[5]、Almeida等[6]、李雪嬌等[7]和劉曉蕾等[8]利用礦場試驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬等方法研究了低礦化度水驅(qū)礦場實(shí)施的可行性與有效性，發(fā)現(xiàn)低礦化度水驅(qū)可以在不顯著增加經(jīng)濟(jì)投入的同時(shí)有效提高砂巖油藏采收率，具有較大的礦場應(yīng)用潛力。崔傳智[9]、Al-Saedi等[10]、Sohrabi等[11]、Austad等[12]、陳晨等[13]和楊子浩等[14]利用多尺度實(shí)驗(yàn)研究砂巖油藏低礦化度水驅(qū)機(jī)理，先后提出并驗(yàn)證了微粒運(yùn)移、多離子交換、雙電子層擴(kuò)張以及滲透壓等多種理論。由于儲(chǔ)層巖石礦物組成以及儲(chǔ)層流體性質(zhì)等方面的差異，導(dǎo)致現(xiàn)有理論均具有一定的局限性，難以有效指導(dǎo)低礦化度水驅(qū)在不同油田的應(yīng)用[15]。鑒于此，根據(jù)渤海砂巖油藏低礦化度水驅(qū)礦場應(yīng)用的需要，開展渤海砂巖油藏低礦化度水驅(qū)規(guī)律與機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究。首先，潤濕角實(shí)驗(yàn)分析注入水礦化度和關(guān)鍵離子Ca2+和SO42-濃度對巖石表面潤濕性的影響。其后，巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究注入水礦化度和關(guān)鍵離子Ca2+和SO42-濃度對原油采收率的影響。最后，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立渤海砂巖油藏低礦化度水驅(qū)機(jī)理，服務(wù)于低礦化度水驅(qū)的礦場應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

用于潤濕性測定實(shí)驗(yàn)和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的渤海某油田儲(chǔ)層巖心參數(shù)如表1。上述巖心鉆取于同一巖心柱，物性高度相似保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可對比性。

表1 潤濕性測定和驅(qū)替用巖心參數(shù)Tab.1 Parameters of cores for contact angle measurement and oil displacement experiments

實(shí)驗(yàn)用油為渤海某油田產(chǎn)出原油(黏度5.32 mPa·s，密度0.85 g/cm3)。實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)渤海某油田地層水離子組成配制。另外，根據(jù)研究需要調(diào)整水溶液離子組成配制目標(biāo)水溶液，如表2。其中，F(xiàn)W為地層水；25%FW-2SO42-為稀釋4倍地層水中增加1倍SO42-；25%FW-4Ca2+為稀釋4倍地層水中增加3倍Ca2+。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1.2.1 潤濕性測定

有機(jī)溶劑清洗巖心并烘干；巖心抽真空飽和地層水；飽和地層水的巖心置于夾持器中以2.5 mL/min速度飽和4倍孔隙體積的原油；飽和油的巖心在原油環(huán)境中老化30 d；將老化后的巖心切割成直徑為25 mm、厚度為8 mm薄片并磨平、拋光；將處理后的巖片置于水溶液中，擄泡法[13]確定潤濕角。

1.2.2 巖心驅(qū)替

有機(jī)溶劑清洗巖心并烘干；巖心抽真空飽和地層水；飽和地層水的巖心置于夾持器中以2.5 mL/min速度飽和4倍孔隙體積的原油；飽和油的巖心在原油環(huán)境中老化30 d；水溶液以0.50 mL/min的速度穩(wěn)定驅(qū)替，實(shí)時(shí)計(jì)量產(chǎn)出油和水，實(shí)驗(yàn)裝置流程[18]如圖1。

圖1 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.1 Device and flow chart of core flooding experiments

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 潤濕性測定結(jié)果

2.1.1 低礦化度作用規(guī)律

圖2為不同礦化度水溶液中砂巖表面油滴潤濕角動(dòng)態(tài)變化。由圖2可知：砂巖表面傾向于水濕[16,17]。FW溶液中油滴在砂巖表面的潤濕角幾乎未發(fā)生改變，即注入地層水對儲(chǔ)層巖石潤濕性無明顯影響。50%FW水溶液中油滴在砂巖表面的潤濕角從72.50°降低到61.61°，變化幅度達(dá)到10.89°。25%FW水溶液中油滴潤濕角從77.86°減小到50.15°，變化量高達(dá)27.71°。20%FW水溶液中油滴潤濕角從73.92°減小到55.13°，變化量達(dá)18.79°。

圖2 不同礦化度水溶液中砂巖表面油滴潤濕角動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic varying of contact angle of oil droplet on sandstone in aqueous solutions with different salinities

對比穩(wěn)定潤濕角以及潤濕角變化量可知：隨著水溶液礦化度的降低，砂巖表面水濕性先增強(qiáng)后減弱，轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在25%FW條件下。即低礦化度水可以有效改變巖心表面潤濕性，存在最優(yōu)礦化度使得巖心潤濕性變化最大。

2.1.2 Ca2+作用規(guī)律

圖3為最優(yōu)礦化度(25%FW)條件下不同Ca2+濃度的水溶液中砂巖表面油滴潤濕角動(dòng)態(tài)變化。由圖3可知：低礦化度水溶液中Ca2+濃度對砂巖表面潤濕性存在明顯影響。25%FW-0.5Ca2+水溶液中砂巖表面油滴潤濕角從71.92°減小到42.13°，變化量高達(dá)29.79°；25%FW-2.0Ca2+水溶液中砂巖表面油滴潤濕角從74.50°減小到58.25°，變化量為16.25°。對比25%FW水溶液中砂巖表面油滴潤濕角穩(wěn)定值以及潤濕角變化量可知：降低Ca2+濃度可以有效增強(qiáng)巖石表面水濕性；增加Ca2+濃度顯著抑制巖石表面潤濕性的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Austad等[12]相一致，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確性。

圖3 不同Ca2+濃度的水溶液中砂巖表面油滴潤濕角動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic varying of contact angle of oil droplet on sandstone in aqueous solutions with different concentration of Ca2+

2.1.3 SO42-作用規(guī)律

圖4為最優(yōu)礦化度(25%FW)條件下不同SO42-濃度的水溶液中砂巖表面油滴潤濕角動(dòng)態(tài)變化。由圖4可知：低礦化度水溶液中SO42-濃度對砂巖表面油滴潤濕性有明顯影響。25%FW-2SO42-水溶液中砂巖表面油滴潤濕角從70.02°減小到41.44°，變化量高達(dá)28.58°；25%FW-3SO42-水溶液中砂巖表面油滴潤濕角從72.48°減小到44.43°，變化量為28.05°；25%FW-4SO42-水溶液中巖石表面油滴潤濕角從71.15°減小到46.75°，變化量為24.40°。對比25%FW水溶液中砂巖表面油滴穩(wěn)定潤濕角和潤濕角變化量可知：25%FW-2SO42-水溶液中砂巖表面油滴潤濕角變化最大、穩(wěn)定潤濕角最小、水濕性最強(qiáng)。存在最優(yōu)SO42-濃度，使得該水溶液體系能夠最有效地改變砂巖表面油潤濕性。

圖4 不同SO42-濃度的水溶液中砂巖表面油滴潤濕角動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic varying of contact angle of oil droplet on sandstone in aqueous solutions with different concentration of SO42-

2.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

2.2.1 低礦化度作用規(guī)律

圖5為不同礦化度水溶液驅(qū)替時(shí)巖心采收率變化。由圖5可得：低礦化度水驅(qū)可以有效提高砂巖采收率。FW、50%FW、25%FW和20%FW水溶液驅(qū)替對應(yīng)的采收率分別為40.2%、44.7%、50.8%和48.3%。相較于FW水溶液驅(qū)替采收率，50%FW、25%FW和20%FW水溶液驅(qū)替提高采收率分別為4.5%、10.6%和8.1%。即隨著注入水礦化度的降低，采收率先增加后減少，提高采收率效果先增強(qiáng)后減弱。存在最優(yōu)注入水礦化度(25%FW)使得采收率最高，提高采收率效果最明顯。采收率變化規(guī)律與潤濕角的變化規(guī)律相統(tǒng)一，與Yildiz等[4]、Almeida等[6]和陳晨等[13]結(jié)論相驗(yàn)證，說明潤濕性變化在低礦化度水驅(qū)提高采收率中起主導(dǎo)作用。

圖5 不同礦化度水溶液驅(qū)替時(shí)采收率變化Fig.5 Varying of oil displacement recovery factor of aqueous solution of different salinity with injection PV

2.2.2 Ca2+作用規(guī)律

圖6為最優(yōu)礦化度(25%FW)條件下不同Ca2+濃度水溶液驅(qū)替時(shí)采收率變化。由圖6可知：Ca2+作為關(guān)鍵離子對砂巖采收率有明顯影響。25%FW-0.5Ca2+和25%FW-2.0Ca2+水溶液驅(qū)替原油采收率分別為53.6%和47.1%。對比25%FW水溶液采收率50.8%可知：25%FW-0.5Ca2+水溶液提高采收率效果明顯，與此同時(shí)，25%FW-2.0Ca2+明顯抑制了采收率的增加。即隨著水溶液中Ca2+濃度的增加，原油采收率逐漸降低，Ca2+對低礦化度水驅(qū)效果有抑制作用。采收率變化規(guī)律和潤濕性變化規(guī)律相一致，說明了潤濕性改變在低礦化度水驅(qū)中發(fā)揮重要作用[7]。

圖6 不同Ca2+濃度水溶液驅(qū)替時(shí)采收率變化Fig.6 Varying of oil displacement recovery factor of aqueous solution of different Ca2+ concentration with injection PV

2.2.3 SO42-作用規(guī)律

圖7為最優(yōu)礦化度條件下不同SO42-濃度水溶液驅(qū)替時(shí)采收率變化。由圖7可知：SO42-作為關(guān)鍵離子對砂巖采收率有影響。25%FW-2SO42-、25%FW-3SO42-和25%FW-4SO42-水溶液驅(qū)替原油采收率分別為56.9%、54.2%和52.5%。對比25%FW水溶液采收率50.8%可知：25%FW-2SO42-、25%FW-3SO42-和25%FW-4SO42-水溶液提高提高采收率6.1%，3.4%和1.7%。即隨著SO42-濃度的增加，原油采收率先升高后降低，25%FW-2SO42-注入水溶液提高采收率效果最明顯。

圖7 不同SO42-濃度水溶液驅(qū)替時(shí)采收率變化Fig.7 Varying of oil displacement recovery factor of aqueous solution of different SO42- concentration with injection PV

3 驅(qū)替機(jī)理分析

3.1 Ca2+有效性機(jī)理

降低注入水Ca2+濃度可以有效增強(qiáng)砂巖表面水濕性進(jìn)而提高原油采收率。如圖8所示，靜電作用下地層水中Ca2+優(yōu)先吸附于負(fù)電性巖石表面，而后，酸性極性原油組分通過Ca2+橋接于負(fù)電性礦物表面，靜電作用下堿性原油組分直接吸附于負(fù)電性礦物表面。地層水溶液中離子與極性原油吸附體系處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。隨著注入水礦化度的降低，水溶液與極性原油吸附體系之間的離子交換平衡被打破，發(fā)揮橋接作用的Ca2+受到濃度梯度驅(qū)動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離巖石表面造成酸性原油組分的解吸附。與此同時(shí)，雖然堿性極性原油分子吸附量有一定程度的增加，但Ca2+遠(yuǎn)離巖石表面引起的酸性原油組分解吸附占據(jù)主導(dǎo)作用[16-17]。

圖8 砂巖油藏低礦化度水驅(qū)中Ca2+作用機(jī)理Fig.8 Action mechanism of Ca2+ in low salinity water flooding of sandstone reservoir

3.2 SO42-有效性機(jī)理

SO42-對原油表面潤濕性和采收率同樣有重要影響，存在最優(yōu)濃度使得提高采收率效果最好。如圖9所示，水溶液中SO42-可以優(yōu)先和Ca2+發(fā)生靜電相互作用，減少水溶液中Ca2+濃度，破壞Ca2+與極性原油吸附體系之間的動(dòng)態(tài)平衡，加速酸性原油組分解離。此外，水溶液中SO42-還可以與原油體系中正電性堿性原油組分發(fā)生相互作用，抑制堿性原油組分在礦物表面的吸附，加速潤濕性的改變。

圖9 砂巖油藏低礦化度水驅(qū)中SO42-作用機(jī)理Fig.9 Action mechanism of SO42- in low salinity water flooding of sandstone reservoir

4 結(jié) 論

(1)低礦化度水驅(qū)促進(jìn)砂巖表面向水濕方向轉(zhuǎn)化，引起原油采收率的提高。隨著水溶液礦化度的降低，水濕性先增強(qiáng)后減弱，采收率先增加后減少。其中，4倍稀釋地層水改變砂巖表面潤濕性能力最強(qiáng)，提高采收率效果最明顯；增加水溶液中Ca2+濃度，巖石表面水濕性減弱，原油采收率降低；增加水溶液中SO42-濃度，巖石表面水濕性先增強(qiáng)后減弱，原油采收率先增加后減少。

(2)二價(jià)陽離子、陰離子、酸性原油組分和堿性原油組分共同作用影響潤濕性和采收率。降低礦化度或Ca2+濃度導(dǎo)致發(fā)揮橋接作用的Ca2+和其他陽離子受到濃度梯度驅(qū)動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離巖石表面引起酸性原油組分的解吸附；增加SO42-濃度，消耗溶液中Ca2+破壞橋接作用的同時(shí)與堿性原油組分反應(yīng)減少其吸附。