剩余油對注入水中顆粒深層濾失的影響

編譯:陳思嘉 (西安石油大學石油工程學院)

馬可 (西安石油學院油氣田特種增產技術開發有限責任公司)

審校:周加佳 (西安石油大學石油工程學院)

剩余油對注入水中顆粒深層濾失的影響

編譯:陳思嘉 (西安石油大學石油工程學院)

馬可 (西安石油學院油氣田特種增產技術開發有限責任公司)

審校:周加佳 (西安石油大學石油工程學院)

碳氫化合物的生產一般都有水產出。這種產出水一般是由地層水和先前注入到地層中的注入水組成的。隨著更多的油產出,水的產出量也在增加。但是,產出水根本沒有太大的商業價值;因此,一定要找到一些方法來處理大量的產出水。這種方法應該是環境能夠接受的,同時花費也要最少。有一種處理產出水的方法是把井產出水重新注入地層。用這種方法還可以維持地層壓力或提高原油采收率。但在這一重新注入的過程中一項非常重要和困難的工作是預測水的質量對井注入能力的影響。根據沉淀機理,產出水中的懸浮顆粒和油滴仍然會殘留在地層中。作為地層損害研究的一部分,懸浮在水中不同濃度的赤鐵礦顆粒被注入到殘余油飽和的砂巖巖心樣本里。測試了剩余油對濾失系數λ和地層損害系數β的影響。油的存在導致更嚴重的損害 (滲透率的減少)。而且砂巖巖心在剩余油飽和的情況下比在100%鹽水飽和的情況下產生更深的濾失。

深層濾失 滲透率損害 濾失系數 剩余油表面滯留

1 前言

產出水中含油的范圍如果在500～5000 mg/L或者更高,一般在重新注入之前需要對產出水進行處理,這是出于兩個原因:第一,注入水中的油也許會損害地層,因此注入流體中油的含量在重新注入之前一定要減少到合適的水平;第二,從產出水中回收的油可以出售,以支持試驗經費。盡管如此,還有一些油仍存在于注入水中。久而久之,油就會累積在井眼周圍,形成一個剩余油飽和的油膜。因此,需要研究剩余油對油井注入能力的影響。

一些研究人員試圖研究100%鹽水飽和巖心的深層濾失。與此同時,注入懸浮粒子或者含油的水,或者是兩者的混合物進入巖心,但是幾乎沒有人把懸浮顆粒注入到剩余油飽和的巖心中。在給剩余油飽和的砂巖巖心注水期間,用在線單獨檢測X射線系統可以檢測深層濾失。赤鐵礦顆粒以不同的濃度懸浮在鹽水中。這樣的巖心更加接近井眼周圍的條件和巖石的潤濕效應。

2 文獻評述:深層濾失

大多數注水井的吸水能力下降的原因是注入水中的顆粒占據孔隙空間達到了一定程度。在注水工程中,成千上萬的孔隙流體一般都會流過近井眼區域,在該區域大多數的顆粒沉淀下來。為了對吸水能力下降進行分析和預測,需要了解一些參數,如水的質量、地層特性和沉降速度。

Bedrikovetsky和 Wojtanowicz分別在2002—2003年和1987年建立了不同的模型來模擬顆粒沉淀 (深層濾失),有的有泥餅產生,有的沒有泥餅產生。Tran和 Al-Abduwani分別在1998年和2005年研究了含油水對鹽水飽和的巖心的影響。His將有懸浮顆粒的含油水注入到殘余油飽和的巖心或者沒有殘余油飽和的巖心中,結論是用殘余油飽和巖心的滲透率損害速率明顯要比100%鹽水飽和巖心小。他們沒有對這種現象作解釋。1994年,Coleman和Mclelland強調了被殘余油飽和的巖心的重要性,說明即使在注水很多年以后,1口注水井在近井地區仍然存在剩余油。在這個實驗中要用到X射線儀器,其優點在于它可以獨立研究在巖心中厚泥餅形成的內在沉淀過程。

3 試驗建立

3.1 樣本條件

所有在試驗中用到的巖心樣品都來自同一塊本特海姆砂巖。砂巖平均孔隙度為22.5%,滲透率為1200 mD(1 mD=1.02×10-3μm2),顆粒密度為2650 kg/m3,孔隙喉道尺寸為10～30μm,孔隙尺寸為100μm,顆粒直徑為100～300μm。巖心直徑為38 mm,巖心長度為25 mm。赤鐵礦的密度為5400 kg/m3,赤鐵礦顆粒直徑平均為2 μm。油的黏度為53 cP(1 cP=1 mPa·s),密度為0.8679 g/cm3。用這樣的巖心來做剩余油飽和測試。孔隙體積中測得平均剩余油飽和度為15%～16%。

3.2 鹽水準備

將2%的 KCl加入到去離子的水中配置鹽水(20 g的 KCl配置到1000 mL的水里)。鹽水要被磁性攪拌機持續加熱并且抽真空,這個過程最少要4 h,或者直到抽真空完成。在進行任何測試之前,鹽水需要冷卻到室溫。用規格40M的濾紙對鹽水進行過濾,目的是去除所有不能夠溶解的鹽。

3.3 注入工藝

試驗是用1臺機控線性X射線儀器完成的。這個實驗能夠實時測量赤鐵礦顆粒在巖心中的沉淀,并不只是在實驗結束的時候。剩余油飽和的巖心樣本放置在X射線儀器里。實驗中使用了4種泵量 (15、30、60和90 cm3/min)和3種赤鐵礦濃度 [50、100和 200 ppm(1 ppm=10-6)]。從巖心末端流出的流體由一個顆粒計數器監測。

4 巖心測試結果

這部分提供了實驗結果,包括赤鐵礦沉淀圖表和剩余油飽和的12塊巖心滲透率下降的情況。這些樣品叫做剩余油飽和樣品。測得的結果要和另外12塊在相同條件下被100%鹽水飽和的巖樣進行對比。被鹽水飽和的巖樣叫做含水飽和巖樣。這些實驗都是在泵量為15、30、60、90 cm3/min和赤鐵礦的濃度在50、100、200 ppm的情況下完成的。例如,在泵量為90 cm3/min和赤鐵礦濃度為100 ppm下做的殘余油飽和度巖心試驗標記為10090SOR。

通過下述討論,可以看出剩余油的存在對滲透率衰減、顆粒沉淀的速率和侵入的深度都有非常大的影響。同樣,化學分析也證實了以上結論。

5 視覺觀察

直接從巖心夾持器上將巖心樣本取走,會發現剩余油飽和巖心和水飽和巖心之間存在著差異。由于紅色赤鐵礦顆粒注入到巖心里,在剩余油飽和巖心上明顯可以看到一條很長的染色,而含水飽和的巖心著色卻只限制在入口附近的一個區域。實驗中的巖心是將所有樣本中的兩個作為代表來觀察它們之間的不同濾失現象。剩余油飽和樣品的顏色是比較均勻的,沒有水飽和巖心在入口段的染色那么強烈。這說明雖然在剩余油樣品里侵入很深,但是在入口段局部濃度卻小于水飽和樣品在入口段的濃度。

6 X射線測試的沉淀數據圖

Ali在2005年描述了如何將X射線信號轉化為數據圖表。圖1和圖2是100%鹽水飽和與剩余油飽和的巖心樣品的沉淀數據圖表。從圖表可以很明顯地看出,沉淀占據了含水飽和巖心入口處的大部分地方,但是在剩余油樣品中卻侵入得更深。顯示在圖表上的數據是波動的,這反映了在這種類型試驗中X射線的特點。嘗試將數據線變得更加平滑,但是這樣就不能對結果作一致的解釋,因此決定使用原始數據。通過匯總沉積信號可以在任何時候計算出巖心內的總沉積質量。

圖1 水飽和沉淀數據圖

圖2 剩余油飽和沉淀數據圖

7 壓力增加所帶來的滲透率損失

在早些時間,壓力逐漸增加得很慢,但是到了后期壓力就會迅速增加。高濃度赤鐵礦的注入逐漸產生一個高的壓力場。在巖樣中的剩余油試圖建立一個更高的壓力場,但是在一些情況下,壓力的增加并不很重要。壓力包括內在顆粒沉積的影響,同樣也包括外在泥餅的影響。在實驗中不可能消除泥餅的影響,也不可能只在巖心表面就能夠測量壓力的建立。然而,更早的研究表明,由于外在泥餅的原因導致的壓力場可以通過隔板試驗測試測量,但是和總體壓力相比外在泥餅產生的壓力很小,所以它就被忽略了。

8 通過掃描電子顯微鏡得到的結果

在測試結束的時候,仔細觀察掃描電子顯微鏡對樣品的分析。樣品包括100%鹽水飽和沉淀赤鐵礦的巖心 (20090SW)和剩余油飽和沉淀赤鐵礦的巖心。在做掃描電子顯微鏡測試前所用到的樣品一定是干燥的。用眼睛觀察鹽水飽和的巖心里赤鐵礦的質地是非常松散的;然而,剩余油飽和巖樣里的赤鐵礦形成了一個糊狀的膠結很好的質地。這種現象說明水和赤鐵礦之間的毛管力比赤鐵礦和油之間的毛管力要小,這也就說明了赤鐵礦顆粒是油濕的。從掃描電子顯微鏡測試可以看出赤鐵礦大多數沉積在水飽和巖樣顆粒表面 (表面滯留),部分赤鐵礦沉積在孔隙喉道里,而剩余油飽和的巖樣赤鐵礦顆粒沉積在孔隙喉道里。Ali 2007年做了更近一步詳細的解釋。

9 確定濾失系數λ

根據深層濾失理論,Bedrikovestsky在2002年以單項流動的物質平衡原理為指導得出如下公式:

式中,c表示單位流體體積里含有的懸浮固體的含量;σ表示單位砂巖體積里含有沉淀固體的含量。Iwasaki在1937年第一次定義了濾失系數λ,濾失系數是利用上述參數和巖石特性組成的一個公式來定義的,它的單位是m-1。他通過動力學方程來定義λ。

假設濾失系數是一個常數 (λ0),那么對于c和σ的求解方法是:

式中,c0是指在巖心入口處的懸浮物的濃度;σ0是在巖心入口段的沉淀濃度。如果假定c0為常數的話,那么模型有:

因為存在入口段濃度c0為常數的假設,所以在入口段總的濃度表達式為:

那么表達式就可以寫成:

式中,v=u/φ表示隙間流速。因此,如果λ0是常數,vt和C0(t)之間存在著線性關系;如果流入濃度c0也假設為常數,繪制在巖心入口段 x=0處的總濃度和時間的關系圖,那么從斜率可以確定常數值。如果關系是非線性的,那么數據的斜率就會比較接近λ0。線的截距就是φc0。

C0(t)是在巖心內部的赤鐵礦的濃度,不包括外部的泥餅。全部濃度可以通過在巖樣入口段附近的X射線的數據圖表得到,不超過1 mm厚的范圍。

前面的分析有一個假設是入口段的濃度在任意時刻都是常數,然而實際上并不是這樣的。在巖心的前表面,由于外部泥餅的形成,c0是隨時間變化的;然而從質量守恒分析中可以估計平均的流入濃度從X射線數據中可以得到任意時間赤鐵礦進入到巖心的量,因此可計算得到

為了確定λ0,強制關于 C0(t)的直線通過截距和截距相一致,那么可以根據最佳線性相對應的截距計算得到,λ0=截距。到了后期,數據點就變得有很好的線性關系。

用上述方法得到的每個巖心的λ0,其結果見表1。不管是剩余油飽和的巖樣還是水飽和的巖樣,低流量 (15 cm3/min和30 cm3/min)樣品得到的λ0值比較大。高流量 (60 cm3/min和 90cm3/min)樣品得到的λ0值都很小,該結果說明了在低流速下的顆粒捕獲率比高流速下的高。在大多數的測試中,剩余油飽和下的濾失系數比水飽和下的濾失系數大。

表1 估算常濾失系數

2007年,Ali充分利用沉淀數據證實了之前分析計算λ0的結果。

10 確定地層損害系數β

用不同壓力測試方法測量顆粒在巖心樣品周圍的沉淀造成的滲透率損害,包括內部和外部的沉淀。隨著孔隙中的沉淀越來越多,壓力損失也就越大。Bedrikovetsky建議用實驗方法來估算地層損害系數。Bedrikovetskye的理論認為,在一個線性方程里沉淀量和滲透率的倒數成正比。根據他的理論做了相同的假設,但假設并不是總沉積量σ影響滲透率,而僅僅是在孔隙喉道附近的沉積量σthroat影響滲透率。因此,假設的滲透率可以通過 K=Ki/(1+β σthroat)得到,在這個公式里β是一個常數。如果Mthroat代表在喉道附近總的沉積質量,那么有:

為了估算Mthroat,考慮了X射線的數據。侵入的深度 xdamage可以通過X射線的數據得到。其中假設Mthroat和 xdamage成比例。可見,如果在喉道孔隙處的吸附位置的數量是有限的,那么一旦顆粒滲透到孔隙喉道處,這些位置很快就會被填滿。在這樣的情況下,得到的模型為:

因為常數α1的存在,一個合適的假設就是Mthroat和xdamage成正比,但是實際上 Mthroat也隨著整體沉淀質量M而增加 (Ali在2007年已經研究出如何計算質量)。如果在孔隙喉道附近的吸附位置是無限的,在這種情況下得到的模型是:

圖 3和圖 4是 (ΔP-ΔP0)/ΔP0和 Mxdamage的關系圖。兩者的關系應該是一條直線,說明了無論是高流量還是低流量,水飽和樣品基本上都趨于一條直線。而樣品20030SW卻是一個例外。然而,剩余油飽和的樣品卻有兩個情況,高斜率表示的是低流量的巖心,而低截距代表的是高流量的巖心(除了20090SOR)。從X射線數據中可以看出,高流量的樣品和低流量的剩余油飽和的巖樣在沉淀狀況上存在明顯的區別。

圖3 水飽和下Mxdamage與壓力變化圖

圖4 剩余油飽和下Mxdamage與壓力變化圖

對于水飽和的巖樣,以Mxdamage表征在孔隙喉道處沉積的簡單模型與高流量和低流量的數據有很好的相關性。這個模型表明,當沉淀占據了很大的深度xdamage時,由于侵入質量 M的原因造成滲透率的損害更為嚴重。在高的流量下每一個孔隙喉道里的沉淀量少了,但是侵入更深,導致了相對更大的滲透率損害。在低流量下每一個孔隙喉道里的沉積多了,但是侵入少了,相對來說導致的滲透率損害就小些。滲透率和沉淀數據是和該圖相一致的。

對于剩余油飽和的樣品,滲透率和沉淀數據之間的關系就不是很清晰。從沉淀數據可以知道剩余油飽和的巖樣的侵入深度比水飽和樣品更大。在高流量下顆粒的沉淀比低流量下的沉淀少,但是剩余油飽和的巖樣中高流量和低流量沉淀量之間的差別卻沒有水飽和的巖樣中差別那么大。滲透率損失數據說明了高流量和低流量對滲透率損失是有差異的,但是流量和滲透率之間的關系卻沒有水飽和巖樣流量和滲透率之間的清晰。以Mxdamage表示沉淀特征的簡單模型并不能從本質上改變低流量和高流量數據與滲透率之間的相關性。

之前通過統計分析得到的結論可以用來確定表2里的 R2值。表2方法1說明了壓力改變和整體沉積的質量之間的相互關系。方法1蘊含了Bedrikovetsky提出的關于沉積如何影響滲透率的一個普遍假設。表2方法2說明了壓力改變和 xdamage之間的關系,方法3說明了壓力改變和 Mxdamage的關系。注意到對于所有的水飽和的樣品,只要忽略20015SW和20030SW樣品是和一般趨勢不同的話,方法3得到的 R2就比方法2的大。同樣可以看出,在所有的剩余油飽和巖心里方法3并沒有太好的相關性,由于剩余油的存在,使得方法1得到了最好的相關性。

表2 估算地層損害系數

11 剩余油對地層損害的影響

在所有的測試中,剩余油的存在導致了更深的侵入。因為砂巖是水濕的,期盼在孔隙內部剩余油是以液滴的形式存在,大多數的液滴存在于大孔隙里。在孔隙體中存在的油滴降低了捕獲的幾率,并且有效地減少了沉積的固體顆粒含量。當一個固體顆粒在飽和水的條件下到達孔隙中時,它要么吸附在孔隙壁的表面,要么就在孔隙喉道附近。當一個固體顆粒在剩余油飽和條件下到達含有油滴的孔隙里,除了上面的吸附可能性以外,它還有可能吸附在油滴的表面。因為赤鐵礦是油濕的,吸附到油滴表面就更容易些,這就說明了在剩余油存在的情況下捕獲的幾率就增加了,這與實驗跡象相反。

一種解釋是剩余油在實驗階段是流動的,吸附在油滴上的赤鐵礦就會在整個巖心里流動,使赤鐵礦侵入得更深。然而在測試中,油不能夠從來自巖心的排泄流中檢測出來,所以結論是剩余油是不流動的。

掃描電子顯微鏡測試結果表明,當赤鐵礦注入以后剩余油飽和巖樣的形態與水飽和巖樣的形態不同。因為巖樣在分析之前需要干燥,關于差異的本質不可能形成任何結論;一般認為,在剩余油飽和的情況下大多數赤鐵礦吸附到了油滴上,而在水飽和的情況下,赤鐵礦吸附到了砂巖上。

這也就表明油滴的存在實際上是阻止了赤鐵礦往孔隙壁和孔隙喉道上吸附,但是這種現象是如何發生的卻不是很清楚。在孔隙喉道里赤鐵礦吸附地層的幾率因為油滴的存在而被減弱,油滴傾向于拆散赤鐵礦和孔隙喉道之間的聯系。赤鐵礦在孔隙壁上的吸附會被油滴的自由移動所影響,油滴會把在孔隙壁和喉道上沉淀的顆粒移除。

12 結論

大多數的實驗都是將赤鐵礦注入到了砂巖巖心里。內部的沉淀量需要用X射線探測器測量。實驗中使用了兩種樣本,一種是100%水飽和巖心樣本,另一種是用剩余油飽和的巖心樣本。Ali在2007年給出了所有的測試結果。

水飽和巖樣和剩余油飽和巖樣的沉淀規律存在著明顯的差異。在剩余油飽和巖樣中赤鐵礦的侵入更大一些。對于相同的注入量,大多數的赤鐵礦沉淀在水飽和巖樣的入口段附近,在入口段聚集了大量的赤鐵礦濃度。剩余油飽和巖樣在入口段赤鐵礦沒有太多的聚集,但是赤鐵礦的侵入更深。

水飽和巖樣在低流量和高流量下測得的沉淀量存在著明顯的區別。對于剩余油飽和巖樣,低流量和高流量下測得的沉淀量基本上沒有差別。

通過壓降數據,相似的差別同樣被發現。剩余油飽和巖樣壓力數據和整體的沉淀質量有很好的線性相關性。水飽和巖樣在高流量和低流量測試中壓力改變與整體質量和侵入深度成正比。

上面的結論證實了滲透率的損害是由于顆粒吸附在孔隙喉道里面或者孔隙喉道周圍造成的。由于剩余油的存在,單位孔隙喉道中的顆粒數量減少,同樣的影響在高流量測試中也存在,因此認為在剩余油飽和的條件下流量對滲透率損害沒有太大的區別。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.2.008

資料來源于美國《SPE 107619》

2009-03-16)