利用動電位現象提高三塘湖致密油儲層注水效率

吳 珂，何夢卿，任穎惠

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；

2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西西安 710069）

利用動電位現象提高三塘湖致密油儲層注水效率

吳 珂1，何夢卿1，任穎惠2

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；

2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質學系，陜西西安 710069）

在石油工業眾多新技術中，動電位現象已經在提高致密油儲層采收率方面得以應用，在海外油田該方法取得的技術、商業方面的成功也已見諸報道。模擬效應的基本原理是預測孔隙壁上黏土由于孔喉擴大或者新吼道形成導致的膠體的運移。盡管如此，在注水井中該方面的相關工作卻不多見。通過對三塘湖盆地致密油儲層的巖心進行動電學實驗，該文章在提高致密油儲層注水效率的影響方面進行了論述。

三塘湖盆地；動電學；致密油儲層；注水效率

目前世界上很多地區已經發現致密油氣，在我國的鄂爾多斯盆地、準格爾盆地也已發現了致密油，但是致密油的開發現在還是比較困難的，其中注入效率較低是石油工作者目前遇到的普遍問題，特別是在致密油儲層中。

通常，石油開采有三個階段，一次開采，二次開采和三次開采。一次開采主要是利用儲層中的天然能量進行開采，如溶解氣或者氣頂氣壓力釋放，在大多數情況下，天然能量開采的效率較低，采收率很低[1]。目前應用較為廣泛的二次開采通常是水驅開采，但是注水與很多其他因素有關，如流體的配伍性，儲層的非均質性，以及顆粒堵塞、黏土膨脹等降低了滲透率，當黏土膨脹后會堵塞孔喉，在粉砂質泥巖中經常出現此現象。黏土的膨脹和孔隙壁上黏土顆粒的釋放以及后續在更小孔喉中的二次沉淀會引起更嚴重的破壞[2]。目前，提高致密油儲層注入水量的措施通常是水力壓裂和基質酸化。但是由于環境、工藝以及經濟等問題使得壓裂出的裂縫長度和方向不能達到預期的效果。在大多數情況下，基質酸化適用于富含黏土的砂巖儲層，但是在高溫條件下氫氟酸會與巖石顆粒發生反應，產生的二次沉淀會造成新的破壞。

三塘湖盆地條湖組沉凝灰巖致密油儲集層分布穩定。儲集層粒度較細，以亞微米和納米孔喉為主，滲透率低，孔隙度和含油飽和度較高，屬于以原生為主的混合型致密儲集層。條湖組烴源巖主要發育于條二段，巖性為泥巖和沉凝灰巖，有機質豐度差-中等。條湖組不同巖性烴源巖有機質豐度不同，目前處于低熟-成熟階段，Ro值主要為0.5%～0.9%，烴源巖厚度為 100 m～600 m[3]。

本文對三塘湖盆地條湖組沉凝灰巖巖心進行動電位實驗，分析動電位影響注入效率的原因，并得到提高注入效率的最優值。

1 理論原理

目前看來動電現象在提高油田產量方面有很大的前景，原則上它是使直流電通過含油儲層，此技術運用了電動傳輸原理，該機理很復雜，包括了電遷移法、電泳現象、電滲、電化學反應以及焦耳熱，總之所有機理都是為了提高致密油儲層的滲透率[4]。

電遷移是離子在陰陽兩極的緩慢運動；電泳現象會引起膠質中帶負電的黏土顆粒和表面帶電的離子分離和運移；電滲是應用動電位使得孔隙介質溶液中的離子運移（其流動是由帶電溶液之間的庫侖力引起的）；電化學可以增強基質和孔隙流體之間的反應。這些反應會由于流體的電位、離子大小和pH值的改變而受到影響。

由于動電現象，黏土顆粒的運移如同膠粒運移，將直接有效地提高滲透率和孔隙度。黏土礦物的主要礦物組分是層狀硅酸鹽，基本組成部分是硅氧四面體和鋁氧八面體或鎂氧八面體，晶體可以按照不同的形式堆疊，形成不同的黏土礦物。分布在邊緣的正電荷與分布在層表面的負電荷達到平衡，當液體流進該系統，滲透壓差會促使帶負電的離子沿著層表面流動，但是與表面負電荷共存的靜電荷會產生與滲流壓力相反的作用力，最終在滲透壓力和靜電引力之間形成一個穩定的雙電子層[5]。顯然雙電子層包含兩個層，一層是固定的，正電荷附著在帶負電的表面，形成很強的線狀鍵，另一層是可動的，由正離子和一些運移緩慢的離子連接而成。在這兩層之間，存在著一個光滑的表面，使得可動層不受固定層的約束而移動。因此在水流的作用下黏土膠體顆粒發生運移，最終致使孔喉擴張和滲透率增大。電滲流的速率與離子濃度，價位和所加的電場強度成正比，與地層電阻率成反比。總的流速計算如下公式：

其中：K-絕對滲透率，D；A-流體的橫截面積，m2；Ke-電導滲透率，Pa·m2/V；E-所加電壓，V；μ-動黏度，Pa·s；L-巖心長度，m；ΔP-壓差，Pa。

2 研究方法與內容

有關巖心流體流動的研究中，巖心塞的注入端加正直流電壓，在排出端加負電壓，在此設計了兩個實驗組，第一組實驗在注入流體的過程中改變直流電壓的大小，通過對比來選擇最優電壓值，第二組實驗保持直流電壓不變，改變注入速率，來研究水動力對黏土顆粒運移的影響。通過顆粒釋放和ICP-MS技術來分析巖心塞和分離出的黏土顆粒的特性。在整個注入過程中考慮了因動電學實驗產生的熱量。

實驗前，巖心塞要在13.8 MPa的壓力下充滿飽和的鹽水，在0.2 mL/min的穩定流速下測量其絕對滲透率，一旦巖心塞中的壓力穩定后，開啟直流電，保持流體流動，在巖心流裝置的注入端加正電位，在排出端加負電位。

第一組巖心流實驗的目的是選出最優的直流電壓值，在鹽水流體以0.2 mL/min的速率下，使得電場強度從0.5 V/cm增加到2.0 V/cm，增幅為0.5 V。四個巖心流實驗繼續流動直到達到一個穩定狀態。在第二組巖心流實驗中，主要目的是選出最優的流速，在這組實驗中，四個巖心流實驗的電場強度均保持在1.5 V/cm不變，該最優值可從第一組實驗得到，然后控制注入鹽水的速率，使其以0.1 mL的增幅從0.3 mL/min增加到0.6 mL/min。上述兩組實驗的總結（見表1），在整個流動實驗中，測量廢液的溫度用以研究焦耳熱對多孔介質的影響。

表1 巖心流實驗結果

3 實驗分析

3.1 最優直流電壓的選擇

第一組巖心流實驗的結果（見表1）。結果顯示，直流電壓的應用對黏土的不穩定性有很重要的影響，而且可以提高巖心的滲透率。用2 V/cm的電場強度可以使滲透率得到明顯提高，增幅可達361%，但是當注入流體的體積接近4.5 PV時滲透率會突然增大，產生大量粒度較大的顆粒，可能會破壞基質自身。從表2可以明顯地看出實驗4產生了粒度較大的顆粒。因此，最優的電場強度為1.5 V/cm，滲透率會緩慢增加，大概為原來的153%。

表2 實驗中排出不同粒度黏土的量

3.2 最優水力流速的選擇

在第二組實驗中，固定電場強度為1.5 V/cm而改變流速，通過表1可以看出滲透率隨著流體流速的增加而增加，當流速增加到0.6 mL/min時滲透率會增加到原來的233%，然而，當注入流體的體積接近4.5 PV時滲透率會突然增大，將會有大量粒度較大的顆粒從過濾器中排出，因此，最優的注入速率是0.5 mL/min，它可以緩慢的增加滲透率，最終為原來的151%。

3.3 其他影響

通過兩組實驗的對比分析，可以看出電壓對實驗值的影響比流體流速大。

ICP-MS分析的結果顯示在每一次應用直流電之后會產生大量的金屬離子，然而在濾紙上呈現的顆粒卻很少。這間接地說明隨廢液排出的黏土小于1 μm而且不能阻擋孔喉（見表2）。

在實驗中對溫度的測量顯示隨著注入時間和電場強度的增加，溫度也成比例增加（見圖1）。溫度的改變和第1組實驗相似，這是由于焦耳熱與電場強度成正比所致。

對廢液pH值的測量（見圖2），隨著流動達到穩定，pH值也在堿性環境達到穩定。

如前所述，持續測量通過濾紙的不同壓力，用以監測濾紙是否堵塞（見圖3），從圖3中可以看出，在流體流動過程中壓差沒有增加，表明沒有細小的黏土顆粒產出，然而在流動過程中應用動電現象后，前期濾紙兩側的壓差迅速增加，在注入量為2 PV后壓差增加變緩，最終在5 PV后達到穩定狀態。

4 結論

（1）直流電壓的使用可以提高致密油儲層的滲透率，可以提高注水效率。

（2）動電學提高致密油儲層滲透率的主要機理是黏土的剝蝕和運移。

（3）基于巖石特性，注入速率和電壓梯度差異的應用可以提高注水效率。

（4）滲透率隨著電壓梯度和水動力注入速率的升高而增加。

（5）流體溫度的測量顯示隨著注入時間和電位的增加，流體溫度成線性變化。

圖1 溫度隨電場強度的改變

圖2 pH隨注入體積的改變

圖3 濾紙兩側壓差隨注入體積的改變

［1］Ahmed，T．油藏工程手冊（第二版）［M］．海灣專業出版社，2001：857-858．

［2］Pang，S.and Sharma，M.預測注水井注入量下滑模型［J］．地層評價期刊，1995，3（12）：194-201．

［3］梁浩，李新寧，馬強，等．三塘湖盆地條湖組致密油地質特征及勘探潛力［J］．石油勘探與開發，2014，41（5）：563-572．

［4］Amba，S.，Chilingar，G.and Beeson，C. 使用直流電增加儲層中流體流量［J］．加拿大石油技術學報，2016，3（1）：8-14．

［5］Sokolov，V.黏土微觀結構模型［J］．Inzhenernaya Geologiya，1991，（6）：32-42．

Improving the efficiency of water injection of tight oil reservoir in the Santanghu basin by using the potentiodynamic phenomenon

WU Ke1，HE Mengqing1，REN Yinghui2
（1.College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.University of Northwest China Dynamics National Key Laboratory/Northwestern University Geology Department，Xi'an Shanxi 710069，China）

In a number of new technologies of petroleum industry,the potentiodynamic phenomenon has been applied in improving the recovery of tight oil reservoirs.And the method has also been reported in overseas oilfield by obtaining the technical,commercial success.The basic principle of the simulation effect is to predict the colloid migration of clay on pore wall which is caused by the expansion of pores or the formation of new pores.Though the relevant work is rare in the injection wells.This paper has researched the effect on increasing the efficiency of water injection of tight oil reservoir by electro-kinetics experiment of the core in Santanghu basin.

Santanghu basin；electro-kinetics；tight oil reservoir；the efficiency of water injection

TE357.62

A

1673-5285（2017）10-0061-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.015

2017－09-25