低滲透油田注入水配伍性實驗方法研究

趙立翠，高旺來，趙 莉，王珊珊，周焱斌，馬世英

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083）

隨著常規油氣資源量的日益減少，低滲透油藏的勘探開發工作越來越受到石油工作者的關注，目前大部分低滲透油田常采用注水開發措施來提高油田采收率，與高滲透油田相比，低滲透油田孔喉小，滲透率低，儲層非均質性強，一旦注入水與儲層巖石或流體不配伍，導致儲層傷害要比中高滲儲層嚴重得多，影響油田開采能力[1]。因此，在低滲油田注水開采前，必須進行充分的室內實驗研究，確定注入水與儲層巖石及流體的配伍性，合理確定注水水源及水質處理措施。本文針對這一問題，分別從注入水自身穩定性、注入水與地層水配伍性以及注入水與儲層配伍性三個方面著手對當前研究低滲透油田注入水配伍性的室內實驗方法進行了總結對比，對低滲油田注水開發具有一定的指導作用。

1 注入水自身穩定性研究

常溫下注入水的自身穩定性反映了注入水在注水管柱、采油管柱等處的結垢情況，而地層溫度下注入水的自身穩定性則反映了注入水在儲層條件下的結垢情況[2]，因此，在低滲油田注水開發前研究注入水的自身穩定性是十分必要的。

判定注入水自身穩定性的實驗方法為：將注入水置于密閉恒溫箱中，分別將溫度控制在常溫（20℃）和地層溫度（根據油田實際數據確定）下，通過測定放置不同時間后水中主要成垢離子（如Ca2+，Mg2+，Ba2+，CO32-，HCO3-及SO42-等）的濃度變化來研究注入水的自身穩定性以及結垢趨勢：若某些成垢離子濃度明顯降低，說明注入水自身不穩定；若水中各離子成分基本保持不變，說明注入水自身比較穩定。

2 注入水與地層水配伍性研究

判斷注入水與地層水是否配伍主要通過觀察兩者按不同比例混合后是否有沉淀生成。研究低滲油田注入水與地層水配伍性的實驗方法較多，目前油田現場常用的方法主要有以下幾種[3-4]：（1）離子含量分析法；（2）濁度分析法；（3）垢物質量分析法；（4）結垢趨勢預測法。

2.1 離子含量分析法

離子含量分析法的實驗原理簡單，它通過比較注入水與地層水按不同比例混合后各離子濃度的變化情況來分析兩者的配伍性與否，離子含量分析法包括成垢離子分析法和線性判定法。

2.1.1 成垢離子分析法 成垢離子分析法[5]的實驗原理為：將注入水與地層水進行水質分析，確定水中各離子含量，將兩種水按不同比例進行混配后置于恒定在地層溫度下的密閉恒溫箱中，測定不同時間下混配水中離子的含量，將各離子含量實測值與計算出的理論值相比較，若其中成垢離子的實測值與理論值相差不大，可判定兩種水配伍，若實測值比理論值小很多，說明生成了某種沉淀，可判定兩種水不配伍。

2.1.2 線性判定法 線性判定法[6]也屬于離子分析法中的一種，實驗方法與上述成垢離子分析法基本相同，只是判定注入水與地層水是否配伍的方法不同，其原理為：若隨著注入水與地層水混配比例的改變，混合水中各離子的濃度基本呈線性關系變化，則表示兩種水相容，配伍性好；若某些成垢離子的濃度變化背離直線關系，則表示兩種水不相容，有生成沉淀的可能。

2.2 濁度分析法

濁度是指水中懸浮物對光線透過時所產生的阻礙程度。水中的懸浮物一般是泥土、砂粒、微細的有機物和無機物、浮游生物、微生物和膠體物質等，濁度可以應用于水質渾濁度的測定。

運用濁度分析法[3、5]判定注入水和地層水配伍性的實驗原理為：將注入水和地層水按不同比例混配后，置于溫度控制在地層溫度條件下的密閉恒溫箱中，觀察混合水不同時間濁度值的變化：若不同配比條件下混配水的濁度值上下浮動不大，則可判定兩水混合后基本無沉淀物生成，即注入水和地層水的配伍性較好；若按某些配比混合后，混合水的濁度值明顯比單一注入水和地層水時大，則說明水中有垢物生成，注入水和地層水配伍性較差。

2.3 垢物質量分析法

在低滲透油田注水開發中，準確掌握地層溫度下注入水和地層水在不同混配比情況下生成結晶垢物的類型和含量，對充分了解注入水與地層水的配伍性特征是非常必要的，目前常采用濾膜過濾法來測定垢物含量[4、7]。但應注意：垢物質量分析法存在懸浮固體影響試驗結果的問題，因此在混配時應同步測定混配水懸浮固體含量，最后從總垢量中等比例扣除以去除其對試驗結果的影響。

2.4 結垢趨勢預測法

對油田結垢趨勢進行預測，判斷結垢類型和結垢趨勢，為防垢除垢提供可靠依據，是油田亟待解決的難題。油田現場結垢類型主要為碳酸鈣和硫酸鈣兩種，因此對這兩種垢物的預測方法較多[8-11]，現將其總結如下。

2.4.1 碳酸鈣結垢趨勢預測 總結國內外碳酸鈣結垢趨勢的預測方法主要有：Langlier飽和指數法、Davis－Stiff飽和指數法、Tomson飽和指數修正法、Rynar穩定指數法、Larson指數法以及Vetter預測方法等，各種方法的計算公式及優缺點總結（見表1）。其中Davis－Stiff飽和指數法和Rynar穩定指數法由于計算簡便易操作而得到了油田廣泛的應用。

表1 碳酸鈣結垢預測方法對比

2.4.2 硫酸鈣結垢趨勢預測 目前油氣田預測硫酸鈣結垢趨勢主要按下式計算：

式中：S-CaSO4結垢趨勢預測值，mmol/L；K-修正系數，由水的離子強度和溫度的關系曲線中查得；XCa2+與SO42-的濃度差，mol/L。判斷標準為：把算出的硫酸鈣溶解度與水中金屬離子Ca2+和SO42-的實際濃度進行比較，如果S值比1/2Ca2+和1/2SO42-兩者中任何一種離子濃度都大，則水未被硫酸鈣所飽和，不會出現硫酸鈣結垢現象；反之，如果小于這兩種離子濃度中的較小者，則可能發生硫酸鈣結垢。

2.5 注入水與地層水配伍性實驗方法對比

通過對注入水與地層水配伍性實驗方法的比較，總結出各種方法的優缺點及適用條件[4]：（1）離子含量分析法：實驗原理簡單，實驗結果基本不受溶液顏色及水質因素的影響，但是當成垢離子濃度前后變化較小時，規律性差，不能定量測定垢物含量；（2）濁度分析法：實驗結果易受溶液顏色及水中懸浮顆粒、砂粒等雜質的影響，尤其對有沉淀垢生成的情況，僅通過濁度值的變化判斷地層水和注入水的配伍性誤差較大，需要其它配伍性實驗加以驗證；（3）垢物質量分析法：不受溶液顏色干擾且垢量測定準確，可以通過垢物成分分析，有效地排除一些并非由兩水混合才產生的干擾物對實驗結果造成的影響，但垢量計算時需排除水中機械雜質等因素的影響，實驗步驟繁瑣，操作復雜；（4）結垢趨勢預測法：通過水質分析資料即可求得垢物結垢趨勢，計算的可行性強，簡單方便，但是常用預測方法的計算公式中忽略了多種實際因素的影響，因此并不能完全反應地層條件下真實的結垢趨勢。

3 注入水與儲層配伍性

研究注入水與低滲透儲層配伍性的原理可以理解為：注入水注入到儲層過程中是否與儲層巖石或流體相互作用而使儲層的滲透能力發生變化[12]。低滲透油田具有儲層滲透率低、孔隙喉道小、儲集層物性差、敏感性礦物含量高、敏感性強等特點，因此導致注入水與低滲透儲層不配伍的主要原因可以總結為以下幾點：（1）注水速度不合理造成的速敏損害；（2）水敏損害：注入水礦化度低導致粘土礦物膨脹/分散/運移，礦化度高導致粘土礦物收縮、脫落，降低儲層滲透率；（3）注入水與地層水不配伍，結垢后垢物堵塞滲流空間；（4）注入水水質差，如存在的懸浮顆粒、油滴等雜質會堵塞孔隙喉道。

結合上述注入水與低滲透儲層不配伍的因素，可以確定研究注入水與儲層配伍性時要進行的實驗主要有巖心敏感性實驗及動態配伍性實驗。

3.1 巖心敏感性實驗

研究注入水與低滲透儲層配伍性時，需要進行的巖心敏感性實驗主要為速敏和水敏實驗。通過巖心速敏性實驗，可以確定合理的注水速度，并為其它動態配伍性實驗的進行提供依據；巖心水敏性實驗可以有效地指導油田對注入水水源的選取或確定是否應該對已選水源進行相應處理。儲層速敏、水敏評價實驗程序參照SY/T 5358-2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》[13]。

3.2 動態配伍性實驗

儲層敏感性實驗可以確定臨界注水速度及礦化度，因而可以通過控制注水速度和對注入水進行處理的措施來排除注入水對儲層造成的速敏和水敏傷害。動態配伍性實驗就是在儲層敏感性的基礎上，通過動態驅替實驗來探究注入水中不配伍因素對儲層造成的傷害程度，并以此為依據制定處理措施。

3.2.1 注入水與地層水動態配伍性實驗 若注入水與地層水不配伍，產生的垢物會堵塞巖心孔隙喉道，導致注水壓力增大、巖心滲透率降低。實驗室常用配伍性驅替實驗來確定注入水與地層水結垢對儲層造成的傷害程度。

配伍性驅替實驗[5]的實驗方法為：將巖心用地層水飽和，在室溫下用地層水在臨界流量下測巖心的初始滲透率，再用注入水進行驅替，關閉巖心夾持器的進出口閥，將其置于溫度設定在地層溫度下的恒溫箱中，一段時間后取出，打開巖心進出口閥，待恢復到室溫后再次用地層水驅替測量巖心的滲透率變化。若滲透率幾乎不變，則說明注入水與地層水配伍，若滲透率值明顯減小，則說明注入水與地層水不配伍。

3.2.2 注入水水質傷害實驗 油田注入水中往往含有一定量的懸浮顆粒和小油滴，懸浮顆粒濃度及粒徑的增大以及含油量的增加將大大增加其堵塞油層的可能性，尤其對于孔滲條件較差的低滲儲層來說，造成的傷害將更加嚴重，給油層注水帶來困難。因此，有必要研究注入水中懸浮顆粒和含油量對低滲透儲層滲透率的影響[14-15]。

3.2.2.1 懸浮物堵塞實驗 懸浮物堵塞實驗可以定性地判斷注入水中懸浮物的存在究竟是否對儲層造成傷害[6]。實驗方法為：首先用含有懸浮物的注入水在臨界流速下對巖心進行驅替實驗，其次用除去懸浮物的注入水驅替巖心，比較兩者滲透率的變化情況。若兩者滲透率基本相同，說明注入水中的懸浮物基本未對儲層造成傷害，即注入水與儲層配伍性較好；若前者滲透率值明顯小于后者，說明懸浮物堵塞了巖心部分孔隙，注入水與儲層配伍性差。

3.2.2.2 不同懸浮物濃度及粒徑傷害實驗 研究懸浮物濃度及粒徑對儲層滲透率的影響可以將懸浮物對儲層的影響定量化，確定出的臨界懸浮物濃度及粒度中值對指導油田水質處理具有十分重要的意義[6]。目前常采用濾膜實驗來模擬懸浮物對儲層的傷害實驗，其實驗原理為：將石英砂微粒和碳酸鈣顆粒研磨后根據STOKES定律篩選不同粒徑的顆粒，分別配制不同懸浮物濃度及不同粒度中值的注入水溶液，在一定的壓力下，分別讓各種懸浮物溶液通過微孔濾膜，根據濾膜的累加體積與流量的變化，確定懸浮物濃度及其粒徑大小對濾膜的堵塞情況，進而判斷其對儲層的傷害程度。

3.2.2.3 注入水含油堵塞實驗 在油田采出水回注過程中，含油量往往嚴重超標，油滴通過低滲儲層細小孔喉時，可能產生“賈敏”效應，這將增大注入水通過孔喉的阻力，造成注水壓力升高；另外注入水中的油滴也可能與水中的懸浮顆粒相融合，堵塞儲層孔隙[14]。研究注入水中含油濃度對儲層的傷害程度，可以通過進行含有不同濃度乳化油的注入水薄膜過濾實驗來確定，通過判斷不同含油濃度情況下，注入水通過濾膜的阻力及濾膜系數來確定油田注入水的含油量對儲層滲透率的影響。

4 結論與建議

（1）對于自身不穩定或與地層水不配伍的注入水，建議在現場注水過程中添加合適的阻垢劑，以減輕或防止結垢對管線和儲層造成的損害。

（2）低滲透油田注水開發過程中應注意：將注水速度控制在臨界流速之下；注入水礦化度低將導致粘土礦物膨脹/分散/運移，易發生水敏損害，應在注入水中加入適量的防膨劑；注入水礦化度高導致粘土礦物收縮、失穩、脫落，也將降低儲層的滲透率，建議在注入水中加入粘土穩定劑或者在近井地帶采取相應的加固措施。

（3）低滲透油田孔滲條件較差，注入水水質差會對其造成嚴重的傷害，應采用精細過濾設備對注入水進行處理，提高注入水水質中的各項指標。

（4）進行室內配伍性研究時，為了避免多種不配伍因素之間的相互干擾，應合理安排實驗順序。

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