離子組成及礦化度對低礦化度水驅采收率的影響

黃廣慶

（中國石油長城鉆探工程有限公司國際測井公司，北京100101）

0 引言

注水開發是油藏開發中最常見的補充地層能量的開發方式。注水開發提高采收率的機理主要是提高注入水的洗油效率和波及系數。常規水驅可以有效提高水的波及系數，但是無法有效提高洗油效率［1-2］。目前，油田主要使用的注水方式為污水回注，只考慮注入水的物理作用，而很少考慮其化學作用［3-4］。

油田進入高含水期后，往往采取調剖、堵水［5-8］、壓裂及酸化等［9-10］措施來改善開發效果［11］。國外 20世紀60年代就已開始研究低礦化度水驅采油，國內目前相關研究較少［12］。低礦化度水驅是通過向油藏注入低礦化度水，提高洗油效率來降低殘余油飽和度，減緩見水時間，提高原油采收率［13-14］。國外研究了低礦化度水驅提高采收率的機理［15-17］，主要包括類堿驅［18-19］、微粒運移［20-22］、多組分離子交換［23］等，但是針對二次采油和三次采油模式下的研究均較少。通過室內巖心驅替實驗來研究在二次采油和三次采油模式下的低礦化度水驅，即常規水驅及其后注入低礦化度水進行三次采油時，地層水和注入水的離子組成及礦化度對提高采收率的影響，以期為實現低礦化度水驅提高采收率提供參考。

1 實驗目的、材料及步驟

1.1 目的

本次實驗是為了研究水的離子組成及礦化度對巖心驅替實驗中原油采收率的影響。與低礦化度效應緊密相關的離子主要是二價陽離子，常見的是Ca2+和Mg2+，因此，本次實驗主要研究Ca2+和Mg2+對三次采油模式中低礦化度水驅提高采收率的影響。

1.2 材料

①巖心。采用砂巖巖心進行水驅實驗。表1為巖心樣品參數，表2為巖心樣品礦物組成。②原油。所有巖心均使用相同的原油，其屬性參數如表3所列。③地層水?？紤]到地層水離子組成對低礦化度水驅的影響，實驗飽和巖心的地層水選擇3種，即分別含有Ca2+，Mg2+的NaCl鹽水及純NaCl鹽水，所用注入水也有2種，一種是只含Ca2+的不同礦化度NaCl鹽水，一種是含有Ca2+，Mg2+的低礦化度NaCl鹽水，其離子組成及參數如表4所列。

表1 巖心參數Table 1 Core parameters

表2 巖心礦物組成Table 2 Core mineral composition%

表3 原油屬性參數Table 3 Crude oil parameters

1.3 步驟

（1）先后將1～3號巖心和4～6號巖心飽和地層水A，B，C；之后依次放入巖心夾持器，繼續用飽和所用的地層水以0.15 mL/min的速率驅替5 PV，確保巖心完全飽和地層水。

（2）測量巖心對地層水的滲透率，對巖心稱重并計算其孔隙度。

表4 實驗所用人造鹽水屬性參數Table 4 Parameters of artificial brine in experiments

（3）用原油驅替巖心，直至不再產出水，建立束縛水飽和度。

（4）將巖心置于密封真空容器，在80℃條件下老化21 d后，在相同溫度下以0.1 mL/min的速率驅替巖心，再按照以下順序對巖心進行水驅驅替實驗（不再驅替出原油時，切換注入水種類）：對1～3號巖心，用飽和所用地層水驅替至不再出油，然后按照0.10 D→E→0.01 D的順序，用鹽水繼續驅替巖心至不再出油；對4～6號巖心，用飽和所用地層水驅替至不再出油，然后按照D→0.5 D→0.2 D→0.1 D的順序，用鹽水繼續驅替至不再出油。

（5）對實驗數據進行處理，計算驅替過程中的原油采收率。

2 實驗結果及分析

2.1 Ca2+或Mg2+對低礦化度效應的影響

3種地層水A，B，C的礦化度均為5萬mg/L（參見表4），但是所含離子種類不同，其中注入水A和B的二價離子分別為Ca2+和Mg2+，注入水C則不含二價離子。通過對比這3個巖心的驅替實驗結果，可以得到當礦化度相同但離子組成不同時，低礦化度效應的啟動情況。

圖1所示為1～3號巖心驅替實驗的采收率曲線。對比3塊巖心在同一種注入水驅替時的原油采收率變化情況，得到如下結果：①對于1號和2號巖心來說，飽和了含有Ca2+和Mg2+的地層水，在高礦化度水驅的二次采油模式（對應地層水驅替）之后的三次采油模式（低礦化度水驅替）中，采收率均出現了增高的情況［圖 1（a）—（b）］，表明飽和地層水（含有Ca2+或Mg2+）的2塊巖心，在低礦化度水驅時都發生了低礦化度效應；②3號巖心的采收率曲線［圖1（c）］，在高礦化度水驅的二次采油之后，盡管同樣不斷降低后續注入水的礦化度，并改變離子組成，其采收率仍然沒有變化，表明飽和了地層水C（不含Ca2+和Mg2+）的3號巖心在低礦化度水驅時未發生低礦化度效應；③3塊巖心在后續用低礦化度水E（含有Ca2+和Mg2+）驅替時，盡管其礦化度與0.1D（含有Ca2+）注入水同為1 000 mg/L，但是采收率均未增高，說明注入水中Ca2+，Mg2+對低礦化度效應的啟動沒有影響；④由表5和圖2可知，對于飽和地層水A（含Ca2+）和B（含Mg2+）的1號巖心和2號巖心，整個后續的鹽水驅替引起的低礦化度效應使二者的采收率分別增高了13.95%和11.13%，其中在0.1 D（礦化度為1 000 mg/L）鹽水驅替后采收率分別增高了9.43%和6.33%，之后在0.01 D（礦化度為100 mg/L）鹽水驅替后采收率又分別增高了4.52%和4.8%，說明Ca2+提高采收率效果相對更好。

圖1 1號巖心（a），2號巖心（b）和3號巖心（c）不同礦化度水驅替采收率曲線Fig.1 Recovery curves of cores No.1（a），No.2（b）and No.3（c）of water flooding with different salinity

表5 1～3號巖心用不同人造鹽水驅替時的采收率Table 5 Recovery of cores No.1-No.3 displaced by different artificial brine

圖2 飽和不同地層水的1～3號巖心驅替時的采收率Fig.2 Recovery of cores No.1-No.3 saturated with different formation water

2.2 注入水礦化度對低礦化度效應的影響

在本次實驗中，1～3號巖心飽和了含不同離子的地層水，使用高礦化度地層水進行二次采油模式下的驅替實驗，之后先后使用低礦化度（礦化度為1 000 mg/L和100 mg/L）鹽水（離子種類發生改變）進行三次采油模式下的驅替實驗，從而明確了地層水和注入水的離子種類對低礦化度效應的影響。

由于針對1～3號巖心未開展注入水的礦化度對低礦化度效應的影響研究，因此，設計了飽和含有不同二價陽離子或不含二價陽離子地層水的4～6號巖心驅替實驗，其中所用注入水的礦化度逐級遞減。注入水的先后順序為：對應的地層水→D→0.50 D→0.20 D→0.10 D→0.01 D，相應注入水的礦化度依次為50 000 mg/L→10 000 mg/L→5 000 mg/L→2 000 mg/L→1 000 mg/L→100 mg/L，通過梯度性改變注入水的礦化度，來研究注入水礦化度對低礦化度效應的影響。

圖3分別為飽和了不同地層水的4～6號巖心在注入水礦化度梯度降低情況下的采收率曲線。4號巖心與5號巖心在高礦化度地層水（礦化度由10 000 mg/L→5 000 mg/L→2 000 mg/L）驅替后均未出現采收率增加的現象。對于4號和5號巖心而言，當注入水的礦化度高于2 000 mg/L時，采收率并沒有增加，說明低礦化度效應沒有啟動。

但是，當注入水礦化度降低至1 000 mg/L及100 mg/L后，采收率均出現了不同程度的增高，說明4號和5號巖心發生低礦化度效應所需要的條件是：注入水的礦化度低于1 000～2 000 mg/L內的某一值即可，該值為低礦化度效應的啟動閾值。這個值由油藏系統決定，會因為油-水-巖體系屬性的不同而有所差異。

6號巖心采收率曲線如圖3（c）所示，在注入水的礦化度逐步降低的驅替過程中，采收率在任何時刻都沒有增高，說明6號巖心沒有發生低礦化度效應，同時也進一步證明了地層水中存在二價陽離子是低礦化度效應啟動的必要條件。

圖3 4號巖心（a），5號巖心（b）和6號巖心（c）不同礦化度水驅替采收率曲線Fig.3 Recovery curves of cores No.4（a），No.5（b）and No.6（c）of water flooding with different salinity

3 結論

（1）地層水中包含二價陽離子，如Ca2+和Mg2+，是實現低礦化度水驅提高采收率的條件之一；注入水是否含有二價陽離子對低礦化度效應的實現沒有影響；Ca2+比Mg2+提高采收率的效果略好。

（2）油藏系統的狀態對應著一個低礦化度閾值，低礦化度效應的啟動要求注入水的礦化度低于油藏系統對應的低礦化度閾值。

（3）只有同時滿足地層水的離子組成和注入水的礦化度2個條件，低礦化度效應才會啟動。

（4）低礦化度水驅作為三次采油模式下的技術，可以在高含水期的二次采油模式之后，進一步提高油藏采收率。

致謝：在項目完成過程中，中國地質大學（北京）范洪富教授給予了悉心指導，在此表示感謝！