礫巖低滲透油藏注入水中固體懸浮物的傷害實驗

許世京，伍家忠，史永兵，陳興隆

（1.中國石化油田綜合管理部，北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083；4.西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018）

注入水質(zhì)是影響低滲透油藏注水開發(fā)效果的重要因素［1-3］。與砂巖低滲透油藏相比，礫巖低滲透油藏在孔隙結(jié)構(gòu)、喉道分布、非均質(zhì)性、黏土礦物種類及含量等方面差異較大，礫巖低滲透儲層介質(zhì)遇水分散、遷移且蒙脫石遇水膨脹更加嚴重，其中，注入水中固體懸浮物（SS）含量、粒徑大小引起儲層堵塞嚴重，注水壓力升高，注入難度加大，是造成儲層嚴重傷害的主要因素［4-7］。因此在油田注水開發(fā)過程中，注入水質(zhì)指標的確定需與注入儲層相匹配。對于礫巖低滲透油藏的注水開發(fā)，固體懸浮物的堵塞是重要因素，由于不同油藏的差異性較大，無法形成統(tǒng)一的注入水質(zhì)控制標準，需要在行業(yè)推薦指標的基礎(chǔ)上結(jié)合目標油藏，有針對性地開展注入水質(zhì)對目標油藏的儲層傷害實驗研究。在控制巖心滲透率傷害較小的情況下，科學(xué)制定合理的注入水質(zhì)指標，建立適用于目標礫巖低滲透油藏的注入水質(zhì)合理指標界限［8-9］，提高注水開發(fā)效果。

新疆油田某區(qū)塊是典型的礫巖低滲透油藏［10］，埋深為2 571.10～2 578.87 m，地層原油黏度為4.0～10.7 mPa·s，油相相對滲透率隨著含水飽和度的增加迅速下降，油水兩相滲流范圍窄，束縛水飽和度為20.8%～34.8%，標定采收率為21.3%，采出程度為12.67%，綜合含水率為68%，采油速度僅為0.38%。在注水開發(fā)過程中，面臨注水難、采出少的困境，油田開發(fā)效果受到嚴重影響。根據(jù)目標區(qū)塊礫巖低滲透油藏儲層特性，采用現(xiàn)場注入水樣和儲層巖心開展了SS 不同質(zhì)量濃度和不同粒徑中值的巖心驅(qū)替堵塞實驗，研究其對儲層滲透率的影響程度［11］，進而提出目標礫巖低滲透油藏注水水質(zhì)的合理界限指標，用以指導(dǎo)現(xiàn)場開展污水處理水質(zhì)控制，提高水驅(qū)效果，發(fā)揮注入水介質(zhì)的有效效能，為新疆油田礫巖低滲透油藏水驅(qū)持續(xù)高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

實驗材料 實驗水樣取自現(xiàn)場注水泵出口的注入水，其離子組成和水質(zhì)分析按照油田水分析方法［12］和碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法中注入水水質(zhì)分析方法［13］，注入水總礦化度為6 866.97 mg/L，pH 值為8.2，呈弱堿性，不含油，Ca2+和Mg2+成垢離子質(zhì)量濃度≤130 mg/L，水型為CaCl2型。

針對目標區(qū)塊儲層差異性和不同滲透率巖心孔隙結(jié)構(gòu)特征差異，選取典型的巖心樣品，巖心氣測滲透率為7.59～119 mD，直徑約為2.5 cm，長度不等。分別按照巖心分析方法［14］、沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 衍射分析方法［15］對其進行常規(guī)物性分析（表1）和儲層黏土及礦物分析（表2），巖心喉道分布曲線峰值低，展布范圍較大，喉道半徑較大的比例高，為4.0～15.0 μm（圖1）。

圖1 礫巖低滲透油藏巖心喉道分布曲線Fig.1 Core throat distribution of low-permeability conglomerate reservoir

表1 實驗巖心基本物性參數(shù)Table1 Basic physical parameters of experimental core samples

表2 目標評價區(qū)儲層黏土及礦物全巖分析結(jié)果Table2 Reservoir clay and mineral analysis results in target evaluation area %

實驗儀器 實驗儀器主要包括：ICS2100 離子色譜儀（US）、WSP-1 注水評價實驗裝置（中國石油勘探院研發(fā)）、Lightspeed8 巖心CT 掃描系統(tǒng)、SIGMA300 掃描電鏡、CAT112 高低滲透率儀、CAT113氦孔隙度儀、Brucker D8 ADVANCE X射線衍射儀。

1.2 實驗步驟

用現(xiàn)場水樣進行SS巖心傷害實驗，分別開展不同SS質(zhì)量濃度和粒徑中值的巖心驅(qū)替堵塞實驗，研究SS 對巖心滲透率的影響規(guī)律，主要步驟為：①稱巖心干重，測量其長度及直徑，將巖心抽真空，用相同礦化度的鹽水飽和24 h。②將飽和好的巖心取出后測濕重，計算巖心的孔隙度。③按巖心流動實驗要求安裝好要測試的巖心，先用實驗水樣（用去離子水稀釋1倍）進行驅(qū)替實驗，測定空白的巖心滲透率變化。參考實驗水樣的SS質(zhì)量濃度和粒徑中值，配制成粒徑中值相同、懸浮物質(zhì)量濃度一致的水樣進行巖心驅(qū)替堵塞實驗（注入量為200 PV），記錄驅(qū)替前后壓差、驅(qū)替體積等參數(shù)，計算巖心滲透率變化。④通過改變注入水的懸浮物質(zhì)量濃度和粒徑中值，研究不同注入量下儲層巖心滲透率的傷害情況。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)及黏土礦物特性

對于目標區(qū)塊的礫巖低滲透儲層巖心，孔隙度為9%～21%的區(qū)域占79%，是主要的滲流通道區(qū)域，同時，在砂粒組成的孔隙中由于黏土雜基充填，構(gòu)成復(fù)雜的雙模態(tài)結(jié)構(gòu)，巖心掃描斷層面的非均質(zhì)性較強，CT值分布曲線較寬，巖心的軸向均質(zhì)性較好，平均CT值分布較均勻（圖2），與砂巖低滲透油藏在孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔喉分布、非均質(zhì)性等方面均有較大差異。掃描電鏡及薄片鑒定的分析結(jié)果表明，巖石為細礫顆粒結(jié)構(gòu)的碎屑顆粒，巖樣分選差，磨圓度為次圓，粒級主要為細礫（圖3）。在該區(qū)域選取6 塊巖心，分別進行SS 質(zhì)量濃度和粒徑中值的巖心驅(qū)替堵塞實驗，評價方法按照儲層敏感性流動實驗評價方法［16］。

圖2 礫巖巖心CT掃描結(jié)果Fig.2 CT scanning of conglomerate core

圖3 巖心掃描電鏡及薄片鑒定分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of core scanning electron microscope and thin section identification

從儲層黏土及礦物全巖分析結(jié)果（表2）可知，儲層發(fā)育大量高嶺土，顆粒間膠結(jié)松散，存在夾心餅干式黏土礦物膠結(jié)（伊/蒙混層），易形成顆粒運移、封堵現(xiàn)象，造成滲透率傷害。

2.2 固體懸浮物含量傷害特性

實驗用水樣的粒徑中值為15.64 μm，對1#—3#巖心進行不同SS 質(zhì)量濃度的驅(qū)替實驗（表3），1#—3#巖心的驅(qū)替速度分別為0.1，0.2 和1 mL/min。從表3 的實驗結(jié)果可以看出，當巖心滲透率為9.28 mD，SS質(zhì)量濃度為1.43 mg/L 時，對巖心滲透率傷害最小，隨著SS 質(zhì)量濃度的增大，對巖心的傷害程度逐漸增大，當SS 質(zhì)量濃度為5.10 mg/L 時，滲透率變化率急劇增加，當SS 質(zhì)量濃度為11.30 mg/L 時，巖心滲透率變化率為30%。由此可知，對于滲透率≤9.28 mD 的地層，當滲透率變化率≤20%時，可控制SS質(zhì)量濃度≤1.43 mg/L。

表3 SS質(zhì)量濃度對1#—3#巖心的傷害實驗結(jié)果Table3 Damage to cores 1#-3#at different concentrations of suspended solids

在巖心滲透率為46.9 mD，粒徑中值一定時，SS質(zhì)量濃度為1.43 mg/L，對巖心滲透率傷害最小。隨著SS質(zhì)量濃度的增大，對巖心傷害程度亦增大。當SS 質(zhì)量濃度為11.30 mg/L 時，巖心滲透率變化率為48%。由實驗結(jié)果可知，對于滲透率≤46.9 mD 的儲層，可控制SS質(zhì)量濃度≤3.10 mg/L。

巖心滲透率為117 mD 時，注入水中SS 質(zhì)量濃度提升到5.10 mg/L 時，巖心滲透率僅下降19.01%。實驗結(jié)果表明，注入水中SS質(zhì)量濃度對滲透率較大的巖心傷害程度有所降低，但相同SS質(zhì)量濃度的注入水對巖心滲透率的傷害程度要小于9.28 和46.9 mD的巖心。因此對于滲透率≥117 mD的地層，注入水可控制SS質(zhì)量濃度≤5.10 mg/L。

同時，由圖4 可以看出，當注入水中SS 的粒徑中值一定時，隨著注入水中SS 質(zhì)量濃度增大，對于巖心堵塞傷害的程度也增大；巖心的滲透率越低，對注入水中SS 質(zhì)量濃度越敏感；當注入水中SS 質(zhì)量濃度達到9.19 mg/L 時，3#巖心（滲透率為117 mD）滲透率下降至基準值的72%，1#巖心（滲透率為9.28 mD）滲透率則下降至基準值的43.95%，表明注入水中SS 質(zhì)量濃度上升，對巖心滲透率傷害加大，尤其是對低滲透巖心的滲透率傷害快速加大。

圖4 SS質(zhì)量濃度對巖心滲透率的影響Fig.4 Effect of suspended solid concentration on core permeability

2.3 固體懸浮物對巖心的堵塞特性

從2#巖心滲透率隨注入量的變化趨勢（圖5）可以看出，巖心滲透率的變化主要表現(xiàn)為2種類型：①對于SS 質(zhì)量濃度較小的注入水，隨注入量的增加，滲透率持續(xù)緩慢下降，注入量≤80 PV 時降低幅度較小，主要原因是注入水中少量的顆粒逐步在孔隙喉道沉積下來，即顆粒逐步沉積的結(jié)果，實驗表現(xiàn)為SS 質(zhì)量濃度分別為1.43 和3.10 mg/L 的滲透率變化曲線。②注入水中SS質(zhì)量濃度較大時，隨著注入水量的不斷增加，巖心滲透率明顯下降，大顆粒的固體懸浮物在注入端面或巖石內(nèi)部孔隙喉道處較快沉積堵塞，隨著注入端面堆積顆粒的增加，吸附在巖心端面形成相對穩(wěn)定的一層“橋塞層”，固體懸浮物小顆粒繼續(xù)往巖心內(nèi)部侵入。從圖5 可知SS 質(zhì)量濃度≤3.10 mg/L 時，滲透率變化表現(xiàn)為緩慢堵塞的特征；當SS質(zhì)量濃度≥9.19 mg/L時，滲透率變化表現(xiàn)為快速堵塞的特征。

圖5 SS質(zhì)量濃度對2#巖心的堵塞特性Fig.5 Plugging characteristics of core 2#at different suspended solid concentrations

由此可見，SS 對儲層的堵塞與其質(zhì)量濃度和粒徑中值密切相關(guān)，顆粒直徑是孔隙直徑的1/3～1/7時影響最大，粒徑小的顆粒易進入孔道深部，堵塞作用加大，對巖心的傷害加大。

2.4 粒徑中值的傷害特性

實驗用現(xiàn)場水樣的SS質(zhì)量濃度為9.20 mg/L，對不同滲透率的巖心進行不同SS 質(zhì)量濃度的驅(qū)替?zhèn)嶒灐?/p>

SS 粒徑中值對4#巖心的影響 4#巖心滲透率為7.59 mD，驅(qū)替速度為0.1 mL/min，SS 粒徑中值為1.3 μm 時，對巖心滲透率無傷害。隨著粒徑中值的增大，巖心滲透率傷害加大，粒徑中值為1.9 μm 時，巖心滲透率降為基準值的19.60%?？梢妼τ跐B透率≤7.59 mD 的儲層，允許滲透率變化率≤20%時，粒徑中值應(yīng)控制為≤1.9 μm（表4）。

表4 SS粒徑中值對4#巖心的傷害程度Table4 Damage to core 4#at different median particle sizes

SS 粒徑中值對5#巖心的影響 5#巖心滲透率為53.7 mD，驅(qū)替速度為0.2 mL/min，SS 粒徑中值為1.3 μm 時，對巖心滲透率亦無傷害，SS 粒徑中值為2.6 μm 時，巖心滲透率下降17.63%，在SS 粒徑中值上升到5.3 μm 時，巖心滲透率急劇下降到基準值的41.87%，表明SS 粒徑中值對儲層傷害影響較大，對于滲透率≤53.7 mD 的儲層，允許滲透率變化率≤20%時，SS粒徑中值應(yīng)控制為≤2.6 μm（表5）。

表5 SS粒徑中值對5#巖心的傷害程度Table5 Damage to core 5#at different median particle sizes

SS 粒徑中值對6#巖心的影響 6#巖心滲透率為119 mD，驅(qū)替速度為1 mL/min，SS 粒徑中值為1.3 μm 時，對巖心無傷害。隨著SS粒徑中值的增大，為6.8 μm 時，對巖心滲透率變化率為30.32%。由此可見，滲透率高的儲層影響顯著下降；當SS 粒徑中值為12.1 μm時，滲透率降為基準值的27.2%。對于滲透率≤119 mD 的儲層，允許滲透率變化率≤20%時，SS粒徑中值應(yīng)控制為≤4.8 μm（表6）。

表6 SS粒徑中值對6#巖心的傷害程度Table6 Damage to core 6#at different median particle sizes

3 結(jié)論

通過對礫巖低滲透油藏儲層孔隙結(jié)構(gòu)及黏土礦物特性的研究，明確了該類油藏潛在注水過程中的主要傷害因素為注入水中的SS 質(zhì)量濃度和粒徑中值大小，并由此系統(tǒng)研究了不同注入水中SS質(zhì)量濃度和粒徑中值對目標區(qū)塊礫巖低滲透巖心的堵塞變化和傷害特性，具有較好的理論意義和實際應(yīng)用價值，其結(jié)果用于指導(dǎo)對于礫巖低滲透油藏注水開發(fā)中的水質(zhì)指標控制，確保油田開發(fā)中的有效注水。研究發(fā)現(xiàn)，在目標礫巖低滲透油藏注入水中SS質(zhì)量濃度越高，對儲層滲透率的傷害程度越大，儲層滲透率越小，SS 質(zhì)量濃度高對儲層的傷害越大；粒徑中值越大，對儲層滲透率的傷害程度越高。目標礫巖低滲透油藏注入水中SS 質(zhì)量濃度的合理指標控制界限，儲層滲透率小于等于9.28 mD，控制SS質(zhì)量濃度≤1.43 mg/L，粒徑中值控制在1.9 μm 以下；儲層滲透率大于9.28 mD但小于46.9 mD，控制SS質(zhì)量濃度≤3.10 mg/L，粒徑中值控制在2.6 μm 以下；儲層滲透率大于等于117 mD時，控制指標可適當放寬到SS 質(zhì)量濃度≤5.10 mg/L，粒徑中值控制在4.8 μm以下。這樣對于注入同一水源的區(qū)塊，可以確保注入儲層中的全覆蓋傷害保護。同時隨著注水的深入，強化監(jiān)測注水井壓力變化，跟蹤調(diào)整控制水質(zhì)。