低礦化度水驅(qū)提高采收率影響因素研究

曲世元，姜漢橋，李俊鍵，周宇，常元昊，趙子丹

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249;2.挪威科技大學(xué) 納米力學(xué)實驗室，挪威 特隆赫姆 7491;3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院， 陜西 西安 710065)

低礦化度水驅(qū)作為低油價條件下一種簡單有效、經(jīng)濟可行的提高采收率方法，其研究價值日趨顯著[1-3]。Martin(1959)首次提出降低注入水礦化度能提高采收率[4]；而后Tang和Morrow通過巖心實驗發(fā)現(xiàn)，低礦化度水驅(qū)可有效提高采收率[5]；近年來，國內(nèi)外開展了大量室內(nèi)和礦場實驗[6-7]，論證了該技術(shù)的可行性以及可能的提高采收率機理[8-12]，但對其影響因素的研究尚不完全[13]，甚至存在矛盾，有待進(jìn)一步的探討。

本文探索了3種因素對低礦化度水驅(qū)提高采收率的影響，以相應(yīng)物理參數(shù)的變化驗證并梳理了部分學(xué)者所提出的該技術(shù)的相關(guān)機理，進(jìn)而對低礦化度水驅(qū)影響因素及機理進(jìn)行較為系統(tǒng)的闡釋。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、碳酸氫鈉、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純；勝利油田A區(qū)塊弱酸性原油(pH值為6.79)；石英砂、環(huán)氧樹脂E-44(6101)、高嶺石、蒙脫石、伊利石(95%)均為工業(yè)級。

BH-2型真空加壓飽和裝置；LB-1型平流泵；ISCO-260D型高壓無脈沖計量泵；DP15-22型壓力傳感器；BS223S型電子天平；PHSJ-4F型pH儀；QCA 25科研型潤濕角測量儀；DCAT 15科研型界面張力測量儀；FDR-3人造巖心壓制儀器等。

1.2 實驗準(zhǔn)備

1.2.1 中性原油及堿性原油配制 將不同濃度的NaHCO3溶液依次加入原油中，在高溫下充分?jǐn)嚢?，再進(jìn)行脫水，用pH試紙檢測處理后的油樣酸堿度，直到得到實驗所要求的中性原油以及堿性原油為止。

1.2.2 巖樣制備 制備不同黏土配比的巖心6塊，相同黏土配比(蒙脫石60%+高嶺石30%+伊利石30%)巖心5塊，巖心具體參數(shù)見表1和表2，且為保證每組實驗巖心孔隙結(jié)構(gòu)盡量相似，相同參數(shù)條件的巖心均為統(tǒng)一壓制后切割為標(biāo)準(zhǔn)樣。

表1 不同黏土配比巖心成分表Table 1 Core composition of different clay ratios

表2 相同黏土配比巖心數(shù)據(jù)表Table 2 Core data of the same clay ratio

1.2.3 水樣配制 根據(jù)勝利油田A區(qū)塊地層水以及低礦化度水離子含量計算并分別配制所用水樣，見表3和表4。

表3 地層水性質(zhì)Table 3 Formation water properties

表4 低礦化度水性質(zhì)Table 4 Low salinity water properties

1.3 實驗方法

為方便區(qū)分和敘述，將用于不同研究的巖心進(jìn)行編號，見表5。

表5 巖心使用說明Table 5 Instructions for use of core

1.3.1 飽和水 記錄巖心干重(g)和直徑長度(cm)。將巖心放入抽真空裝置，抽真空7 h。加地層水飽和(加壓20 MPa)，記錄水不自吸(完全飽和水)時巖心重量，并計算含水飽和度。

1.3.2 飽和油 采用恒速0.05 mL/min速度油驅(qū)水飽和油，圍壓5 MPa，驅(qū)替15 PV油量，記錄累積出水量，計算含水飽和度，并放置60 h進(jìn)行老化。

1.3.3 低礦化度水轉(zhuǎn)注 對于奇數(shù)號巖心，在溫度為90 ℃的高溫箱中，采用恒速0.05 mL/min速度地層水驅(qū)，圍壓5 MPa，注入0.5 PV地層水，后轉(zhuǎn)注低礦化度水，含水率達(dá)到98%，停止實驗，實時記錄注入壓力、出水量以及出油量等相關(guān)數(shù)據(jù)，每隔注入0.5 PV后取產(chǎn)出水進(jìn)行pH值、界面張力以及潤濕性測試。

1.3.4 地層水驅(qū) 對于偶數(shù)號巖心，在溫度為90 ℃的高溫箱中，采用恒速0.05 mL/min速度地層水驅(qū)，圍壓5 MPa，水驅(qū)至含水率為98%停止實驗，實時記錄注入壓力，出水量、出油量。每隔注入0.5 PV后取產(chǎn)出水，進(jìn)行pH值、界面張力以及潤濕性測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 提高采收率效果

2.1.1 黏土礦物組成的影響 黏土礦物成分對低礦化度水驅(qū)的影響,測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同黏土礦物組成低礦化度水驅(qū)與常規(guī)水驅(qū)采收率對比Fig.1 Comparison of recovery efficiency between low salinity water flooding and conventional water flooding under different clay mineral compositiona.高嶺石對比(I);b.伊利石對比(II);c.蒙脫石對比(III)

由圖1可知，全過程3組對比實驗低礦化度水驅(qū)采收率均大于地層水驅(qū)采出程度，即含有黏土礦物的地層低礦化度水驅(qū)相比常規(guī)水驅(qū)采收率更高；3種黏土礦物占比高時采收率提高，高嶺石60%+蒙脫石20%+伊利石20%(1號、2號巖心)相比提高1.9%，伊利石60%+高嶺石20%+蒙脫石20%(3號、4號巖心)相比提高3.3%，蒙脫石60%+高嶺石20%+伊利石20%(5號、6號巖心)相比提高5.7%，即含有更多蒙脫石黏土礦物的巖心低礦化度水驅(qū)的采收率更高。

2.1.2 原油酸堿性的影響 油品酸堿度對低礦化度水驅(qū)的影響測試結(jié)果見圖2。

圖2 不同原油酸堿性低礦化度水驅(qū)與常規(guī)水驅(qū)采收率對比Fig.2 Comparison of recovery efficiency between low salinity water flooding and conventional water flooding under different crude oil acidity and alkalinity

由圖2可知，酸性原油測試全過程地層水驅(qū)(7號巖心)采出程度為37.3%，轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)(8號巖心)采出程度為42.3%，低礦化度水驅(qū)方案提高采收率5個百分點；中性原油測試全過程，地層水驅(qū)(9號巖心)采出程度為37.1%，轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)(10號巖心)采出程度為40.7%，低礦化度水驅(qū)方案提高采收率3.6個百分點；堿性原油測試全過程，地層水驅(qū)(11號巖心)采出程度為37%，轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)(12號巖心)采出程度為38.5%，低礦化度水驅(qū)方案提高采收率1.5個百分點。對于全過程地層水驅(qū)，油品偏酸性采出程度略高，但并不明顯；利用酸性原油進(jìn)行低礦化度水驅(qū)測試時，最終的采出程度明顯高于堿性原油條件下的采出程度，即原油偏酸性為實施低礦化度水驅(qū)的有利因素。

2.1.3 黏土含量的影響 黏土含量對低礦化度水驅(qū)的影響測試結(jié)果見圖3。

圖3 不同黏土含量巖心低礦化度水驅(qū)與常規(guī)水驅(qū)采收率對比Fig.3 Comparison of recovery efficiency between low-salinity water flooding and conventional water flooding under different clay content coresa.黏土含量10%(Ⅳ)；b.黏土含量5%(Ⅶ)；c.黏土含量0(Ⅷ)

由圖3可知，黏土含量5%巖心全過程地層水驅(qū)(13號巖心)采出程度為37.5%，轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)(14號巖心)采出程度為39.6%，低礦化度水驅(qū)方案提高采收率2.1個百分點；黏土含量0巖心全過程地層水驅(qū)(15號巖心)采出程度為38.61%，轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)(16號巖心)采出程度為38.6%，低礦化度水驅(qū)方案提高采收率0.5個百分點；而黏土含量10%巖心低礦化度水驅(qū)(7、8號巖心)提高采收率5個百分點。隨著黏土含量的增加，對于全過程地層水驅(qū)，受黏土礦物水敏等的影響，采收率下降，而在低礦化度水驅(qū)時，其采收率明顯增加，即僅在含有黏土礦物的地層中，低礦化度水驅(qū)才能有效提高采收率，且地層黏土含量越大，效果越突出。

2.2 屬性參數(shù)變化

水驅(qū)不同階段產(chǎn)出水的pH值、界面張力和潤濕角的測試結(jié)果見圖4。

圖4 屬性參數(shù)測試結(jié)果Fig.4 Attribute parameter test results

由圖4可知，(1)總體來看，在全過程地層水驅(qū)測試中，3種屬性的變化情況并不明顯，而在轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)測試中較為明顯的出現(xiàn)了pH值增大、界面張力減弱、潤濕角變小的現(xiàn)象；(2)不同油品酸堿性以及黏土含量測試組的屬性測試值差異程度較顯著，蒙脫石含量越大時，低礦化度水驅(qū)引起的屬性變化程度越大，即低礦化度水驅(qū)的效果越明顯；(3)對于不同的油品酸堿性測試，pH值的變化幅度大體相當(dāng)，但界面張力以及潤濕角的差異性較大，隨著黏土礦物含量的減小，3種屬性變化的幅度明顯減小，當(dāng)不含黏土礦物時，其作用效果甚至與全程水驅(qū)的效果相當(dāng)。

2.3 低礦化度水驅(qū)影響因素分析

屬性參數(shù)值的變化是影響低礦化度水驅(qū)的宏觀表因，從微觀上來說，屬性參數(shù)的變化又是黏土礦物、巖石骨架與低礦化度水之間發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的。

2.3.1 黏土礦物成分 地層巖心中黏土礦物種類豐富，但主要以蒙脫石、伊利石和高嶺石3類黏土礦物為主。從微觀上來說，黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)決定了該礦物對低礦化度水驅(qū)效果的影響，3類黏土礦物晶體每一個結(jié)構(gòu)單元均是由Si—O四面體層和鋁氧八面體(Al-O/OH)層組成，高嶺石類黏土礦物晶體包含兩層(Si—O四面體層和鋁氧八面體層各一層)，氫鍵連接著每一層，因此其膨脹性較弱離子交換能力也較弱；伊利石的主要礦物是云母，其結(jié)構(gòu)類似于蒙脫石晶體且更容易發(fā)生離子交換，但由于替代作用不如蒙脫石，因此離子交換能力和膨脹性一般；而蒙脫石晶體則是由兩個硅氧四面體夾一層鋁氧八面體構(gòu)成，層與層之間主要作用力為范德華力，連接較弱，極易吸收水分子，因此膨脹性最強，且結(jié)構(gòu)中的Si4+極易被Al3+所替代，從而產(chǎn)生電荷不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致蒙脫石晶體具有顯著的離子交換能力。3類黏土礦物基本特性見表6。

表6 3種黏土礦物基本特性Table 6 Basic characteristics of three clay minerals

對于低礦化度水驅(qū)，由于注入的水的影響，破壞了地層中原有的離子化學(xué)平衡，由于黏土礦物成分含量的差異，含有更多蒙脫石的巖心其離子交換能力相對最強，pH變化更為明顯，同時由于蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)更易吸水，注入低礦化度水后，黏土礦物顆粒發(fā)生運移膨脹，進(jìn)入原始地層的孔隙結(jié)構(gòu)，從而引起孔隙度和滲透率的變化，最終轉(zhuǎn)變液流方向，宏觀表現(xiàn)為擴大波及系數(shù)，提高采收率效果更為顯著。

2.3.2 原油酸堿度 最初在地層中有機酸和基質(zhì)是通過無機陰離子(例如Ca2 +)吸附在黏土表面的，并建立了化學(xué)平衡。地層中由于溶解了CO2和H2S，原始地層中液體的pH值通常在5以下。當(dāng)注入低礦化度水后，由于離子濃度不同，破壞了原始地層的平衡，發(fā)生離子解吸，在這種狀態(tài)下，水中的H+將被吸附在巖石表面上，以彌補巖石表面丟失的陽離子，導(dǎo)致陽離子和H+相互轉(zhuǎn)化。變化關(guān)系如下：

[黏土- 陽離子]+H2O=[黏土-H+]

+陽離子+ OH-

陽離子+OH-= [陽離子-OH-]-

此時，地層水中pH相應(yīng)上升，黏土表面的有機物質(zhì)以及原油中的有機酸將和—OH反應(yīng)，即常說的皂化反應(yīng)，形成一個酸-鹽的界面：

[黏土-RCOOH]+OH-=黏土+RCOO-+H2O

該反應(yīng)對pH異常敏感，同時生成表面活性物質(zhì)，可有效降低界面張力和潤濕角。通過不同原油酸堿度屬性實驗，可以推測油品酸堿度的選取影響了皂化反應(yīng)生成表面活性物質(zhì)，導(dǎo)致了界面張力和潤濕性的差異化。地層呈酸性的條件下，低礦化度水驅(qū)在一定程度上可以有效提高地層水pH，進(jìn)而促進(jìn)皂化反應(yīng)的進(jìn)行，呈現(xiàn)出表面活性劑驅(qū)替效果。

2.3.3 黏土含量 低礦化度水驅(qū)提高采收率機理為：一方面，帶有黏土礦物的巖心中的伊利石、蒙脫石離子交換能力和表面面積都較大，在地層巖石表面容易發(fā)生離子交換，注入低礦水后，水中H+等把巖石表面有機極性化合物和有機金屬復(fù)合物等復(fù)雜陽離子置換下來，導(dǎo)致局部pH增高；同時，黏土礦物的溶解一定程度上也會使產(chǎn)出水的pH值上升。進(jìn)而原油的酸組分或極性組分在堿性條件下發(fā)生皂化反應(yīng)產(chǎn)生表面活性劑，具有了類似堿驅(qū)的機理，使得儲層潤濕性更加親水，同時降低了界面張力。另一方面，對于帶有黏土礦物的巖心，注入低礦水后，膨脹性黏土?xí)蛎?，非膨脹性黏土可以脫離巖石表面，即地層中部分黏土礦物將發(fā)生溶解和顆粒運移，這將會改變儲層的原有的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變注入水液流方向，礦物顆粒溶解運移一定程度封堵了主流通道，減小了指進(jìn)現(xiàn)象，使得驅(qū)替范圍更廣，擴大了注入水的波及范圍，產(chǎn)生了類似聚合物驅(qū)的效果。即在合適的條件下，低礦化度水驅(qū)能夠一定程度上兼具堿驅(qū)的增大洗油效率以及聚合物驅(qū)的增大波及效率的特性。

同時從屬性變化來看，黏土礦物含量越高，屬性差異越大，而從提高采收率效果來看，黏土礦物含量越高，其采收率效果越高。結(jié)合低礦化度水驅(qū)提高采收率機理不難看出，黏土礦物的存在是低礦化度水驅(qū)取得較好效果的必要條件。

3 結(jié)論

(1)在黏土礦物含量相近時，蒙脫石含量最高的巖心低礦化度水驅(qū)的效果最為明顯(提高采收率5.7個百分點)，而高嶺石含量最高的巖心低礦化度水驅(qū)的提采效果最差(提高采收率1.9個百分點)，伊利石含量最高的巖心低礦化度水驅(qū)提采效果居中(提高采收率3.3個百分點)，即黏土礦物組成對低礦化度水驅(qū)效果影響較大，所含黏土礦物離子交換能力的高低決定了低礦化度水驅(qū)的提高采收率效果。

(2)黏土含量10%的巖心轉(zhuǎn)注低礦化度水后能提高采收率5個百分點，而不含黏土含量時提高采收率僅0.4個百分點，即巖心是否含有黏土礦物是低礦化度水驅(qū)提高采收率的必要條件；酸性原油低礦化度水驅(qū)時提高采收率程度高于中性及堿性原油，即酸性原油為低礦化度水驅(qū)提高采收率的有利條件。

(3)與全過程水驅(qū)測試相比，轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)測試中較為明顯的出現(xiàn)了pH值增大，界面張力降低，潤濕角減小的現(xiàn)象。即低礦化度水注入巖心后出現(xiàn)了類似堿水驅(qū)的作用效果，提高了注入水的洗油效率，進(jìn)而提高最終采收率。