低鹽度水驅提高采收率實驗研究

蘇文博，劉月田*，皮 建，王云鵬，李長勇

1.“油氣資源與探測”國家重點實驗室·中國石油大學，北京 昌平 102249 2.中海油研究總院有限責任公司，北京 朝陽 100028

引 言

低鹽度水驅指油田注入水礦化度低于油藏原始地層水礦化度，通常注入水礦化度低于5 000 mg/L[1]。利用低鹽度水驅開發油藏是近年來油藏開發領域較為活躍的研究方向。低鹽度水驅的成功實施一般需要滿足以下條件：存在地層水、極性官能團、黏土礦物以及合理的低鹽度注入水。地層水中的高價陽離子、原油中的極性官能團以及巖石中的黏土礦物為離子交換、橋接和擴散提供了基礎，合理鹽度范圍內的低鹽度注入水則是低鹽度水驅成功的關鍵。與其他化學驅和熱采方法相比，低鹽度水驅具有成本低廉、操作簡單以及風險較低等特點，具有很大的應用潛力和推廣空間[2-4]。

近20年來，國外進行了許多低鹽度水驅提高采收率的室內研究及現場試驗。以Soraya和Austad等為代表的研究人員，在室內對低鹽度水驅的機理及影響因素等進行了系統性的研究[5-14]；在礦場試驗方面，科威特石油公司最早在砂巖油藏開展了利用低鹽度水驅技術提高油田開發效果的研究，發現低鹽度水驅可使殘余油飽和度降低25%～50%[15]。后繼研究者對不同類型的油藏進行了不同方式的礦場試驗，均取得了較好的應用效果[16-21]。對低鹽度水驅機理的研究雖取得了顯著的進展，但仍未得出一致的結論[22-24]。

目前，國外提出的低鹽度水驅機理主要包括：類堿驅、微粒運移以及多組分離子交換引起的儲層潤濕性改變[3]。國內在低鹽度水驅方面的研究較少，只有吳曉燕在室內研究了轉驅時機對低鹽度水驅效果的影響[25]，因此，亟需對低鹽度水驅進行更加全面深入的研究。

本文利用巖芯物理模擬實驗方法，對均質砂巖巖芯進行低鹽度水驅，通過對比實驗，用不同鹽度、相同注水速度以及相同鹽度、不同注水速度的水進行驅替，分析鹽度及注水速度對采出程度的影響，給出了此類油藏利用低鹽度水驅開發提高采收率的有效途徑。研究結果對進一步深入探討低鹽度水驅技術及其現場應用具有指導意義。

1 實驗研究

1.1 材料與儀器

實驗中所用巖芯為孔滲條件基本一致的人造砂巖巖芯，直徑2.5 cm，長7.5 cm，氣測滲透率2 000 mD。鑒于砂巖中黏土礦物的存在對低鹽度水驅的效果起著至關重要的作用[26]，實驗測量了人造巖芯中黏土礦物的組成，如表1所示。

表1 人造巖芯黏土礦物含量Tab.1 The clay mineral content in artificial cores

所用地層水（鹽度為238 460.5 mg/L）及不同鹽度鹽水為用蒸餾水與以下試劑混合而成：氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、碳酸氫鈉、無水硫酸鈉。以上試劑均為分析純，產自北京化工廠。所用不同鹽度鹽水的成分和性質見表2。

表2 不同鹽度鹽水的離子濃度及鹽度Tab.2 The ion concentration and salinity of different salinity saline

實驗用油為大慶油田原油與柴油按體積比1：3混合配制的模擬油，地面條件下模擬油各指標如下：密度 0.861 g/cm3，黏度 17.85 mPa·s，瀝青含量0.46%，膠質含量3.21%。

實驗所用設備有：X射線衍射儀（深圳市艾蘭特科技有限公司）、真空泵（V-i120SV 型）、多功能巖芯驅替物理模擬裝置（海安石油科技儀器有限公司）、高精度電子天平（精度0.1 mg，北京梅特勒-托利多儀器公司）、恒溫箱（海安石油科技儀器有限公司）、黏度計（NDJ-5S型）、恒速恒壓泵（DZ47-60型）以及活塞容器等。

1.2 實驗方案

方案1：高鹽度轉低鹽度水驅實驗，即首先用FW驅替巖芯至不出油之后，用FW-20進行轉注至不出油之后，再用FW-100轉注至不出油為止。

方案2：不同鹽度相同注水速度驅替實驗，即在相同注水速度（0.20 mL/min，根據前期速敏實驗確定）下用表2中不同鹽度的鹽水以及蒸餾水，分別對巖芯進行驅替，直至不出油為止。

方案3：相同鹽度不同注水速度驅替實驗，即在相同注入水鹽度下，選用注入速度0.10，0.20，0.30，0.40，0.50及0.75 mL/min，分別對巖芯進行驅替，直至不出油為止。在此方案中，選用兩種鹽度的水分別進行不同注入速度下的水驅實驗，一種是用在方案2中使采收率達到最大的低鹽度水，另一種是用地層水。

1.3 實驗步驟

（1）將人造巖芯放入抽濾瓶中，用真空泵抽真空2 h，之后用地層水飽和4 h，記錄飽和地層水前后巖芯的質量；

（2）用原油驅替飽和地層水后的巖芯，達到流量穩定狀態，直到不出水，記錄驅出的地層水的體積，計算束縛水飽和度和原始含油飽和度；

（3）將飽和油的巖芯放到恒溫箱中，在90?C條件下老化7～10 d，得到鹽水驅替前所用的油濕性巖芯；

（4）按照設計好的實驗方案，在實驗室條件下進行巖芯驅替實驗，實時記錄不同注入水PV數下驅出的油水量。

2 結果與分析

2.1 方案1：高鹽度轉低鹽度水驅實驗

整個驅替過程中原油的采出程度隨注入PV數的變化情況如圖1所示。

圖1 整個水驅過程采出程度隨PV數變化圖Fig.1 The recovery varies with the PV number throughout the water flooding process

由圖1可知，在地層水驅替前期，采出程度隨注入水PV數的增加而增加，達到3 PV后，采出程度基本不再增加，最終采收率為56.30%。在5 PV之后用FW-50（鹽度為4 769.2 mg/L）在相同注入速度下進行轉驅，最終采收率為58.15%，提高了1.85%。在此基礎上，再用FW-100（鹽度為2 384.6 mg/L）在相同注入速度下轉驅，最終采收率又提高了1.48%，達59.63%。總的來說，在地層水驅替的基礎上，通過低鹽度水驅使采收率提高了3.33%。由此證明了低鹽度水驅技術的有效性。

在用低鹽度水（FW-50、FW-100）進行驅替過程中，原油中的極性組分與水中離子發生皂化反應，降低界面張力，促進原油解吸，使巖石向親水方向轉變；同時，在連續驅替作用下，巖石內部的伊利石、云母等黏土礦物逐漸溶解并發生運移，改變注入水液流方向，提高注入水波及效率。整個驅替過程中，低鹽度水驅的類堿驅、誘發黏土顆粒運移以及促使巖石潤濕性改變的作用得到有效發揮，最終實現連續驅替過程原油采收率的逐步提高。

2.2 方案2：不同鹽度相同注水速度驅替實驗

取8個巖芯，飽和油并老化相同時間后，用表2中的鹽水分別進行驅替，驅替速度為0.20 mL/min，直至驅出的流體中不含油為止。各驅替情況下原油的采出程度隨注入水PV數的變化情況如圖2所示，原油的最終采收率對比如圖3所示。

結合圖2、圖3可以看出，在進行低鹽度水驅時，就提高原油采收率而言，存在最佳鹽度值。隨著注入水鹽度的降低，采收率先升高后降低。在注入水鹽度在2 384.6 mg/L時，采收率達到最大值。繼續降低鹽度，采收率逐漸降低，當鹽度降低至1 192.3 mg/L及以下時，采收率迅速下降，比用地層水驅替時采收率還要低。

圖2 不同鹽度水驅替時采出程度變化曲線圖Fig.2 The variation curves during different salinity water flooding processes

當注入水鹽度過高時，水中的二價離子（主要是Ca2+、Mg2+）能強烈地吸附在黏土物質表面并與原油中的瀝青、膠質等極性物質形成金屬復合物，不利于原油的解吸以及巖石向親水方向的轉化；而在注入水鹽度過低時，巖石中的黏土礦物發生膨脹或反絮凝，導致孔隙吼道堵塞，巖芯滲透率下降。一般情況下，低鹽度水驅的最低門限值為1 000.00 mg/L[27]。在最佳注入鹽度條件下，低鹽度水驅的類堿驅、誘發黏土顆粒運移以及促使巖石潤濕性改變的作用得到最大程度發揮，原油采收率也最高。

圖3 不同鹽度水驅替時采收率對比圖Fig.3 The comparison diagram of different salinity water flooding processes

2.3 方案3：相同鹽度不同注水速度驅替實驗

在此方案中，選用兩種鹽度的水分別進行不同注水速度的驅替實驗：一種是在方案2中得到的使采收率達到最大的FW-100（鹽度為 2 384.6 mg/L），一種是地層水FW，分別代表低鹽度水與高鹽度水。設置注水速度 0.10，0.20，0.30，0.40，0.50和0.75 mL/min。

用FW與FW-100在上述注水速度下分別對巖芯進行驅替時，采出程度隨注入水PV數的變化情況如圖4所示。

圖4 不同注入速度下用FW與FW-100進行水驅采出程度隨注入水PV數變化圖Fig.4 The recovery varies with the PV number under different injection rates using FW and FW-100

從圖4可以看出，在相同注水速度下，高鹽度與低鹽度水驅時采出程度隨注入體積的變化情況存在差別，且在注入速度0.40 mL/min前后，二者的差別形式明顯不同。在注入速度小于0.40 mL/min時，在相同注入體積情況下，相較高鹽度水驅，低鹽度水驅時的采出程度更高，達到最大采出程度所需要的時間也更長；而在注水速度大于0.40 mL/min時，相同注入體積情況下，低鹽度水驅時的采出程度相對更低，達到最大采出程度所需的時間也更短。

當注水速度小于0.40 mL/min時，高鹽度水驅不能引起儲層潤濕性發生轉變，在較短時間內采出程度已趨于穩定；而對低鹽度水驅來說，由于注入水與儲層逐漸發生反應，儲層巖石的潤濕性逐漸向偏水濕的方向轉變，促進原油的解吸，從而采出程度持續增大，最終采出程度也更高。由于水-原油-巖石之間的反應需要時間，因此低鹽度水驅達到最大采出程度所需要的時間也更長。

當注水速度大于0.40 mL/min時，對于低鹽度水驅來說，由于注水速度較快，水中離子未能及時與儲層發生反應，單位時間單位巖石表面上反應的離子數太少，低鹽度水促使巖石表面向水濕性方向轉化的作用不能充分發揮出來，因此較早時間達到最大采出程度且值較低；而對于高鹽度水驅來說，由于離子濃度較高，能夠克服低鹽度水驅時單位時間單位巖石表面積上反應的離子數太少的局限，離子數能得到及時補充，使得高速下的高鹽度水驅具有接近相對低速下低鹽度水驅驅油效率的趨勢，導致原油最終采出程度較高。

將高鹽度與低鹽度水驅時原油的采收率隨注水速度的變化情況進行對比，如圖5所示。

圖5 高鹽度與低鹽度水驅時采收率隨注水速度變化情況Fig.5 The recovery varies with the injection rates during high/low salinity water flooding

從圖5可以看出，無論采用高鹽度水驅還是低鹽度水驅，采收率隨注水速度變化的趨勢均為先增大后減小，低鹽度水驅的最佳注水速度（0.20 mL/min）要小于高鹽度水驅的最佳注水速度（0.40 mL/min），且在注水速度較低（＜0.30 mL/min）時，低鹽度水驅的采收率明顯高于高鹽度水驅時，而在注水速度相對較高（＞0.40 mL/min）時，高鹽度水驅的采收率略高于低鹽度水驅時的情況。

低速下，由于低鹽度水驅有使儲層潤濕性向親水性轉變的特性，使得低鹽度水驅時的采收率明顯高于高鹽度水驅；而在高速驅替下，低鹽度水驅誘發儲層潤濕性轉變的作用不能得到發揮，高鹽度水驅在一定程度上克服了低鹽度水驅單位時間單位巖石表面上反應的離子數太少的局限，能夠獲得相對較高的采收率。

3 結 論

（1）用地層水（鹽度為 238 460.5 mg/L）對巖芯驅替至不出油之后，再用FW-50（鹽度為4 769.2 mg/L）及 FW-100（鹽度為 2 384.6 mg/L）進行連續驅替，采收率分別提高1.85%、1.48%，累計提高3.33%。證明了低鹽度水驅技術提高原油采收率的有效性。

（2）低鹽度水驅存在最佳鹽度值。當鹽度在2 384.6 mg/L左右時，低鹽度水驅采收率最大。鹽度過低時，引發黏土礦物膨脹或反絮凝，導致孔隙吼道堵塞、巖芯滲透率下降，低鹽度水驅提高采收率作用不能得到發揮。

（3）當注水速度在0.40 mL/min之前時，在相同注入體積情況下，相較高鹽度水驅，低鹽度水驅的采出程度更高，達到最大采出程度所需要的時間也更長；而在注水速度大于0.40 mL/min時，相同注入體積情況下，低鹽度水驅時的采出程度相對更低，達到最大采出程度所需的時間也更短。

（4）無論采用高鹽度水驅還是低鹽度水驅，采收率隨著注水速度變化的趨勢均為先增大后減小，即存在最佳注水速度，且低鹽度水驅的最佳注水速度要小于高鹽度水驅的最佳注水速度。在現場實施時，低鹽度水驅要選用較低的注入速度，而在選用較高鹽度的水進行驅替時，要適當提高注入速度。

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