高尚堡油田注入水固相顆粒對儲層傷害評價及指標優化

張 霞，王金忠，李海濤，劉子民，胡慧莉，吳訓平

（1.中國石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北唐山 063042；2.油氣藏開發及地質工程國家重點實驗室，四川成都 610500）

目前，我國大多數油田通過注水的方式向地層補充能量，保持油層壓力，以提高原油采收率。在注水開發過程中，注入水中的懸浮固相顆粒、乳化油、細菌等水質指標會對儲層造成嚴重的傷害[1–4]，因此，通過實驗的方法研究注入水對巖心的傷害是判斷水質是否合格的是一項必要研究。國內外研究人員對注入水的懸浮固相顆粒、乳化油、細菌與結垢對儲層傷害的影響規律進行了很多研究，并對不同滲透率儲層提出了相應的水質指標[5–9]，但對注入水中懸浮物在儲層中形成濾餅傷害具體部位研究較少。

高尚堡油田高5斷塊注水開發中使用的水質指標是SY/T5329–94《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》中的A1水質標準，但注水井在生產過程中出現注入壓力高、吸水能力遞減較快、無法滿足配注要求的問題。為了解決現行注水效果差的問題，本文從注入水水質角度出發，研究水質指標對近井儲層和深部儲層的傷害，通過對聯合站出口水和注水井井口水進行水質指標分析，明確注入水造成地層傷害的主要因素。結合孔喉特征，實驗分析了敏感性因素、模擬地層清水、聯合站出口水和注水井井口水對高5斷塊低滲透儲層的的傷害情況，明確了儲層傷害類型與傷害部位，為高尚堡油田儲層保護以及注夠水、注好水提供參考與實驗依據。

1 高5斷塊儲層特征與敏感性分析

1.1 儲層特征

高5斷塊新建產區沙三段儲層以細砂巖、中砂巖和不等粒長石巖屑砂巖為主，顆粒分選中等–差，風化蝕變中等，粒間溶孔為主要孔隙類型，儲層非均質性強。根據高5斷塊新建產區沙三段儲層巖心毛管壓力相關數據分析，可得巖心孔隙喉道特征參數，主流喉道平均半徑為1.7 μm，滲透率（K）為0.12×10–3～16.3×10–3μm2（表1）?？傮w來說，高5斷塊新建產區儲層滲透率低，孔喉類型以中細孔喉為主，因此，對注入水質指標要求嚴格。

表1 高5斷塊孔隙喉道特征參數

1.2 儲層敏感性

按照SY/T5358–2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》對高5斷塊沙三段儲層36塊巖樣進行評價，結果表明：速敏傷害程度中等偏強，由于儲層以孔隙式膠結為主，黏土礦物絕對含量10%左右，高嶺石相對含量20%～40%，造成了速敏傷害；水敏傷害程度中等偏強，水敏指數為48.7%～64.1%，由于儲層伊蒙混層含量較高，相對含量為40%～60%，黏土礦物的膨脹、分散、運移對儲層損害較大；鹽敏傷害程度為31.3%～46.4%，中等偏弱（表2）。為了防止注水過程中儲層內部微粒運移傷害儲層，注入水中需加入防膨劑，合理控制注入流速與礦化度。

表2 儲層敏感性實驗評價結果

2 注入水水質分析

根據SY/T5329–2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》對聯合站出口水樣和注水井井口水樣進行水質指標分析（表3），結果發現兩種水樣中含油量很少，而懸浮固體含量、粒徑中值、硫酸鹽菌的含量均未達到A1水質指標標準，且井口水樣比聯合站水樣超標嚴重。

表3 水質指標分析結果

通過掃描電鏡與能譜對固相顆粒進行觀察分析（圖1），聯合站水樣中多數為懸浮顆粒，未出現沉積物堵塞微孔濾膜，而井口水樣則出現了懸浮物沉積，在微孔濾膜表層形成了濾餅的現象，由此可見，在注入水輸送致井口過程中受到嚴重的污染。聯合站水樣固相顆粒主要成分是碳酸鈣和硅酸鹽沉淀，并有少量聚合物；井口固相顆粒主要成分是碳酸鈣、含鐵氧化物和硅酸鹽沉淀。注入水從聯合站輸送到注水井井口時，水質發生變化，增加了碳酸鈣懸浮顆粒濃度、細菌及管道腐蝕產物等，使得水質變差。

圖1 聯合站和注水井井口水樣中懸浮固相顆粒形貌特征

3 注入水對儲層傷害評價實驗

3.1 實驗儀器與試劑

主要儀器：HBHY–60C雙缸恒速恒壓泵、TY2C巖心夾持器（成都巖心科技有限公司）、Autoscan巖心掃描儀（美國gIocom Inc）、ZR–Ⅲ中間容器（南通華興石油儀器有限公司）、儲氣罐（臺州龍江化工機械科技有限公司）。

試劑：氯化鉀、硫酸鈉、碳酸氫鈉、無水氯化鈣、六水氯化鎂（分析純，成都科龍化學試劑廠）作為模擬地層水配制試劑。水分析結果如表4。

表4 高5斷塊地層水和注入水離子組成

3.2 實驗方法

根據表1在4個滲透率級別A（K<1×10-3μm2）、B（1×10-3

3.3 實驗結果與分析

巖心驅替流動實驗結果如圖2，地層水對不同滲透率區間巖心傷害基本相同，平均傷害為9.1%，主要是巖心內部黏土礦物伊蒙混層含量較高，造成了一定程度的水敏傷害。由于黏土礦物自身性質特殊，在流體作用下易產生物理、化學作用，引起儲層傷害，該傷害與大多數儲層傷害都有關聯，只是影響儲層傷害程度大小不同[10]。聯合站水、井口水對巖心傷害均隨滲透率增大呈現出先增大后減小的趨勢，兩種水樣對4類巖心的傷害程度大小順序是C級>B級>A級>D級。由于水中含油量很少，因此造成巖心傷害的主要因素是水樣中的懸浮固相顆粒，根據實驗結果和表1可以得出，A級別巖心的主流喉道半徑為0.49 μm，懸浮顆粒無法進入巖心內部而是留在巖心端面，傷害類型主要是外濾餅，因此，對巖心自身的傷害程度較小，聯合站水和井口水傷害程度分別為20%和40%左右；隨著巖心滲透率增大，巖心內部孔喉直徑也相應增大。B級和C級巖心的的主流喉道半徑分別是1.31μm和1.67μm，恰好可以允許注入水中的部分懸浮顆粒進入并在喉道處堆積，將喉道封堵，出現了滲透率大的巖心傷害程度高的現象，其中，C級別巖心傷害最大，聯合站水樣為40.5%、井口水樣為57.9%。D級巖心滲透率較大，主流喉道半徑為3.1μm，懸浮固體顆?？梢酝ㄟ^喉道但不發生堆積現象，因此總傷害程度較小。

圖2 不同滲透率巖心三種水樣傷害實驗結果

巖心掃描實驗結果如圖3，對比流動實驗前、后巖心滲透率的變化，模擬地層水對不同滲透率級別巖心傷害很小，但整塊巖心基本都有傷害，與上述分析傷害類型主要是水敏結果一致；聯合站水樣對巖心傷害中等，K<5×10–3μm2時，聯合站水樣主要對巖心前半段造成傷害，K>5×10–3μm2時，傷害貫穿整塊巖心；井口水樣對巖心傷害較大，整塊巖心都存在傷害。

圖3 不同滲透率巖心實驗前后滲透率的變化曲線（從上到下依次是A、B、C、D級巖心實驗結果）

目前懸浮固相顆粒對儲層傷害主要遵循J.H.Barkman和D.H.Dawidson[11]在研究鉆井液濾餅時提出的保護儲層并為大家公認的“1/3～1/7”定律，即固相顆粒粒徑大于1/3孔喉直徑時，顆粒只會形成外濾餅堵塞巖層斷面，不能進入油層；顆粒粒徑小于1/7孔喉直徑則不會堵塞孔喉；而介于“1/3～1/7”孔喉直徑的顆粒進入巖樣的孔隙喉道內形成濾餅，嚴重傷害油層。

許多學者對固相顆粒損害地層機理進行了研究，在巖心孔隙喉道直徑相同時，巖心堵塞程度與懸浮固相顆粒濃度基本成正比。在懸浮固相粒度中值一定的條件下，顆粒濃度與巖心傷害程度呈近似直線關系。在懸浮固相濃度和粒度中值一定時，巖心傷害程度隨著累計注入孔隙體積倍數的增大而增大，但增大幅度逐漸減小[12–13]。

相關研究人員對固相顆粒粒徑與孔喉參數進行匹配研究，對不同滲透儲層得出不同的匹配關系，結合本油田進行了固相顆粒大小與含量水質指標優化，提出了適合本油田的水質指標標準[14–15]。

綜合實驗結果分析，地層水對巖心造成傷害主要原因為巖心內部黏土礦分散、脫落、運移，因此，整塊巖心基本都存在一定損害，但整體損害較小。由表1可知，平均主流中值喉道半徑為1.7 μm，注入水中較大懸浮顆粒在巖心端面形成外濾餅，小顆粒則進入巖心內部形成內濾餅；隨著注入量的增加，外濾餅越來越厚，內濾餅傷害越來越嚴重，直至穩定；隨著滲透率增大，能夠進入巖心內部的固相顆粒越來越多，侵入越來越深，內濾餅傷害越來越大。當5×10-310×10–3μm2時，巖心滲透率大，巖心孔喉尺寸也大，注入水中的固相顆?？芍饾u通過喉道，因此，橋堵作用減弱，巖心傷害逐漸降低。井口水樣中懸浮固體粒徑與含量比聯合站水樣高，形成的內外濾餅造成巖心的傷害更大。

4 注入水固相顆粒指標優化設計

通過注入水對高5斷塊巖心驅替實驗結果，可以明確近井地帶傷害的主要是由注入水懸浮固相顆粒堵塞造成，而注入水水質從聯合站到井口過程中又發生了嚴重污染，因此，降低儲層傷害措施應該從水質指標改進及輸送管道清理兩方面進行。

高5斷塊儲層主要傷害類型為注入水中懸浮固相顆粒傷害，在井壁與近井地帶形成濾餅傷害，從而導致了注水困難。將固相顆粒粒徑與孔喉參數進行匹配，高5斷塊滲透率分布為0.21×10–3～16.3×10–3μm2，因此，進行了模擬固相顆粒對高5斷塊儲層傷害程度評價實驗，通過傷害承兌對比的方法優化水質指標。實驗采用模擬聚合物微粒，以儲層平均主流喉道半徑為標準，設計模擬微粒的參數分別是粒徑為0.5～2.0 μm，濃度ρ為0.5～2.0 mg/L，實驗方法與儀器采取常規巖心驅替與上述傷害評價實驗相同。為了只考慮固相顆粒對儲層的傷害程度，實驗用巖心為模擬高5斷塊滲透率和孔喉尺寸的三類人造巖心，其參數分別是A類（0.5×10–3

圖4 各個滲透率區間固相顆粒參數優化實驗結果（從左到右依次為A類、B類、C類）

統計分析3類巖心各16組實驗數據，A類巖心相同濃度下固相顆粒粒徑為1.0 μm時傷害最大，濃度大于1.0 mg/L時對巖心傷害均在30%以上；B類巖心在相同濃度下固相顆粒粒徑為1.5 μm時傷害最大，四個濃度對巖心的傷害都大于30%；C類巖心在相同濃度下固相顆粒粒徑為2.0 μm時傷害最大。固相顆粒粒徑為0.5 μm時三類巖心傷害程度均最小。

A類和B類巖心的傷害變化規律中看出，同一固相顆粒濃度下隨著注入水固相顆粒粒徑增大巖心的傷害呈先增大后減小的趨勢，呈現這個變化趨勢取決于巖心的孔喉直徑。當注入水中固相顆粒粒徑從0.5 μm增大到1.0 μm時，較大粒徑的固相顆粒可以入侵巖心并橋架在巖心孔喉處形成內濾餅，而較小粒徑的顆粒則通過巖心孔喉被驅替出來。當固相顆粒粒徑從1.0 μm增大到2.0 μm，隨著顆粒粒徑的增大，固相顆粒進入巖心變得更加困難，大量的固相顆粒無法進入巖心而滯留在巖心的端面形成外濾餅，一小部分固相顆粒進入巖心堆積在孔喉處形成內濾餅，從而出現了驅替壓力升高而巖心的滲透率傷害減小的現象。C類巖心的滲透率為10×10–3～20×10–3μm2，隨著固相顆粒粒徑的增大，C類巖心傷害程度的變化趨勢為逐漸增大，固相顆粒粒徑為2.0μm時對巖心傷害最大，與A、B類巖心不同，其原因是當顆粒粒徑為0.5～2.0 μm，還未到達對巖心傷害程度最高（在孔喉處堆積橋架最多）所對應的顆粒粒徑，因此沒有出現滲透率傷害降低的趨勢。固相顆粒濃度對巖心傷害的影響規律在圖4中可以看出，注入水中固相顆粒濃度越大，對巖心傷害程度越高，顆粒粒徑越大傷害程度增大越明顯。

將上述實驗結果與高5斷塊儲層孔喉直徑進行匹配（表5）得出了各個滲透率區間顆粒粒徑與孔喉直接的匹配關系，根據之前學者給出的固相顆粒傷害可接受范圍[15]，設定固相顆粒對巖心傷害率高限為30%，低限為20%的原則來進行匹配。即滲透率小于1×10–3μm2時，匹配關系為1/14～1/3；滲透率為1×10–3～10×10–3μm2時；匹配關系為1/10～1/3；滲透率為10×10–3～20×10–3μm2時；匹配關系為1/9～1/3。高尚堡油田主要保護滲透率大于1×10–3μm2的儲層，依據上述建立的顆粒粒徑與孔喉匹配關系，結合儲層傷害實驗結果推薦改善當前注入水水質，最終推薦注水懸浮固相顆粒粒徑d≤0.5 μm、濃度ρ≤1.0 mg/L。

表5 固相顆粒粒徑與儲層孔喉直徑匹配關系

5 結論

（1）高5斷塊儲層伊蒙混層含量較高，速敏和水敏性傷害較強，黏土礦物對儲層傷害不能忽視，應合理設計防膨作業周期和控制注入水壓力。

（2）聯合站污水處理不能達到注入水A1水質標準，并且井口水樣與聯合站水樣差異較大，說明在注入水輸送過程中，在地面管線和井筒內產生了碳酸鈣沉淀和細菌腐蝕產物，從而加劇了注入水對儲層的傷害。為了防止產生無機垢懸浮顆粒以及細菌對管道腐蝕，注入水中需添加碳酸鈣阻垢劑和殺菌劑。

（3）注入水中的懸浮固相顆粒是造成地層深部傷害的主要因素，隨著注入量增大，較大顆粒在井壁處形成外濾餅，較小顆粒進入儲層并在儲層內部形成內濾餅，造成了井壁和近井地帶的濾餅傷害。因此，回注污水應該進行嚴格的水質處理，通過固相顆粒堵塞實驗建立了孔喉尺寸與固相顆粒匹配關系，即滲透率小于1×10–3μm2時，匹配關系為1/14～1/3；滲透率1×10–3～10×10–3μm2時，匹配關系為1/10～1/3；滲透率為10×10–3～20×10–3μm2時，匹配關系為1/9～1/3。

（4）通過匹配關系與儲層傷害實驗結果，推薦懸浮物水質指標為d≤0.5 μm、ρ≤1.0 mg/L，并合理設計酸化周期來解除近井地帶堵塞情況。