地下巖體的流動電位研究

張 峰，張海發，曾 聰

(1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.水利部珠江水利委員會 珠江水利綜合技術中心，廣州 510611；3.中國地質大學(武漢) 工程學院，武漢 430074)

注液開采是油田開發過程中常用的方法。國內二次采油一般都采用注水的方式；有的油田一次開采時就直接采用注水開采；在油田的三次開發中也廣泛采用了聚合物驅油等注液開采的方式[1-3]。在注液開采的情形下油氣層的導電機理發生了變化，采用常用的測井解釋方法難以準確了解這類復雜油氣層的導電規律[4]。尋找其他新型油氣探測方法，對現階段提高復雜油氣層的評價精度有著非常重要的現實意義。

流動電位產生的基本原理是：在外加壓力的作用下，液體通過固體孔隙產生定向流動，在固體孔隙的兩端即產生流動電位。王建等[5]利用流動電位法研究了聚烯烴微孔膜在電解質溶液中的動電現象；張亞萍[6]研究了荷電膜的動電現象；藺愛國等[7]研究了改性聚四氟乙烯膜在油田含油污水處理中的動電現象；汪錳等[8]闡述了膜Zeta電位測試技術研究進展。這些學者所述的動電效應，主要在化工和水分析等行業研究和應用得較多。在注液開采石油的過程中由于水和驅替液等的注入，液體能源儲層中的流體壓力進行了重新分配，亦即在外力作用下，固、液兩相進行了相對移動。根據流動電位產生的原理，當注液采油時，不管注入的是什么液體，只要采用將流體壓入含油層以驅替石油的方式，就有可能在巖體中產生流動電位，也就有可能通過監測地下流動電位的變化來達到對流體流態監測的目的。于華等[9]研究了儲層巖石流動電位的電化學影響因素；姚軍等[10-11]、卜亞輝等[12]和楊春梅等[13]對油田開發過程中的動電現象進行了研究，指出在生產測井中存在動電效應。如果能通過監測地下各處產生的流動電位來推測儲層流體的即時狀態，理論上就可以大大提高對地下流體流態推測的效率。

本研究的室內外實驗將利用流動電位理論測試流體注入巖體的過程中流動電位產生的即時狀態。室內實驗以中砂巖作為巖心，測定不同注入壓力和不同注入液礦化度下的流動電位。野外注水實驗在砂巖層中進行，探討將注液過程中監測流動電位的思路推廣到注液采油生產實踐中的可行性。

1 實驗原理

圖1為理論上巖石孔隙內流動電位產生的過程[14]。如圖所示，巖石與水接觸的界面上形成雙電層。假定固體孔隙左右兩側溶液濃度相等，且無流體壓力存在，由于電中性原因，雙電層處于電化學平衡狀態。由于巖石表面帶負電荷，巖石表面附近的溶液中存在正離子。當溶液在外加壓力下自右向左流動時，固體表面的第一層陽離子因固體表面負電荷的吸引不能移動；而那些離固體表面稍遠的陽離子運動自由度較高，流動性也好，與溶液中的陽離子一起向流出側移動；固體孔隙中的陽離子向孔隙左端移動從而形成流動電流，導致注入側的電性顯示的是負電荷，流出側顯示的是正電荷。當注入壓力增大時，更多的陽離子向流出側移動；此時，固體孔隙下游由于正離子的積聚產生了一定的電勢，即為流動電位Es.這種由流體流動引發的電流就是流動電流，在孔隙兩端產生的電位差就是流動電位Es[15].

圖1 壓力作用下流體流動電位產生的過程Fig.1 Generation process of fluid streaming potential under pressure

流動電位Es可由Fitterman公式[16]計算得到：

式中：Es為流動電位，V；C為流動電位系數，V/Pa；Δp為流體的壓力差，Pa；ε為流體的介電常數，F/m；ξ為中心電位(Zeta電位)，V；δ為流體的電導率，S/m；η為流體的粘度，Pa·s.

從上式可以看出，理論上流動電位的大小主要取決于作用在孔隙系統上的、控制雙電層擾動程度的外加壓力，同時與固體表面和溶液的性質也有關。

2 室內流動電位測定實驗

2.1 測試裝置

為使流動電位室內測定實驗與實際液體能源開發時的工況條件相匹配，采用儲層的中砂巖巖樣作為巖心，采用礦化度20～20 000 mg/L的鹽水溶液作為注入液(該礦化度區間基本覆蓋了實際地層環境的礦化度范圍)。

實驗主要研究地層條件下不同礦化度的注入液和不同注入壓力時，巖心內流動電位產生的情況。根據流動電位測試實驗的目的，設計了實驗測試系統整體模型，見圖2。室內巖心流動電位測試系統如圖3所示。

圖2 室內巖心流動電位測試系統模型圖Fig.2 Model diagram of streaming potential measurement system for indoor core

圖3 室內巖心流動電位測試系統圖Fig.3 Streaming potential measurement system of indoor core

流動電位室內實驗系統主要設備如下：

1) 壓力容器。最大極限壓為20 MPa，材料為特種鋼。內部可以放置直徑50～100 mm、長度100 mm的巖心。壓力容器內的軸壓和圍壓由一臺壓力調節裝置控制。

2) 注水泵。注水流量為0.001～200.000 mL/min，注入壓為0～25 MPa，流量和流壓的大小可以由電腦進行控制。

3) 數據控制設備。數據傳輸設備由電腦進行控制。

2.2 試件制備

室內實驗采用的巖樣來自某油田1 700 m深度的地層，巖心膠結良好，泥質含量較低，為中砂巖。巖心的制備參照美國巖心協會推薦的程序進行：

1) 將巖心打磨為直徑50 mm、長度100 mm的圓柱體。

2) 對巖樣進行洗油、洗鹽處理，在恒溫箱中烘干24 h，再在常溫下真空干燥。

3) 在常溫下測定巖心的相關物性參數。

巖心具體物性參數見表1.

表1 砂巖巖心的初始物性參數Table 1 Initial parameters of sandstone cores

2.3 實驗工況

實驗圍壓設定為20 MPa，以模擬實際巖樣地層深度1 700 m的壓力環境。

本次實驗的工況及步驟具體如下：對巖樣電極進行分極處理，接數據線，作防水固化處理，嵌入到高壓容器；分別制備礦化度為20，200，2000，20 000 mg/L的KCl溶液作為注入液；加模擬地層的圍壓，加適當軸壓，分別采用不同礦化度的注入液來飽和巖心；采用與飽和巖心的礦化度一致的注入液來注入巖心，注入壓分別設定為0，200，400，600，800，1 000 kPa；采集不同礦化度和不同注入壓力下流動電位的數據。

3 室內實驗結果與分析

在不同的注入液礦化度和不同注入壓力條件下對中砂巖巖心進行流動電位監測實驗，得到流動電位與注入液壓力和注入液礦化度的關系，見圖4.

圖4 注入液壓力、礦化度與流動電位的關系曲線Fig.4 Curve of streaming potential under different injection pressure and solution salinity

由圖4可以看出：注入壓力為0時，流動電位也為0；注入壓力越大，產生的流動電位也越大；同一注入壓力下，流動電位隨著注入液礦化度的降低而增大；注入液礦化度、注入壓力與流動電位均呈線性相關。實驗可以說明，在中砂巖中注入流體時產生的流動電位現象較明顯。

鑒于流動電位與注入液礦化度的關系，建議在實際油藏開發中采用淡水注入，以便于更為容易地采集流動電位數據。

本文僅對中砂巖做了研究。下一步將考慮對我國不同油田區域的各種砂巖進行大量的流動電位測定實驗及數據統計。對于某一固定油田區域，就可以利用采集到的流動電位數據和室內實驗計算的流動電位系數關系，推測出某一特定區域的壓力分布情況。

4 野外流動電位測定實驗

為了研究地層注水時產生的流動電位的實際情況，在野外進行了小規模的流動電位測定實驗，實驗在砂巖層中進行。首先進行鉆孔，鉆孔深度20 m，鉆孔揭露的地層為：耕植土厚度1 m，泥巖地層厚度1～7 m，泥巖層以下為中砂巖巖層，地下水位位于地下10 m處。其次以鉆孔為測試中點，布置兩條互相垂直的測線。測線1長度為128 m，電極間距2 m，共布設64根電極；根據野外場地條件，測線2布置49根電極。

實驗時，在鉆孔內孔深10.8 m處插入花管，注水壓為0.13 MPa.地下水位以上的10 m水頭相當于一個大氣壓(約0.10 MPa)，故注入壓總計為0.23 MPa.注入流量為144 L/min，共注水16 min，注入水為淡水。

將實驗結束后測得的現場電位數據和初始自然電位數據進行差分處理，得到不同注水時間時鉆孔部位的流動電位。流動電位變化的情況如圖5所示。從圖5可以看出：

圖5 巖層注水后現場流動電位隨時間的變化Fig.5 Change of field streaming potential with time after water injection

1) 注水開始時，注水孔周圍產生明顯的流動電位。隨著離注水孔的距離的加大(實際上等效于注入壓力的降低)，流動電位變小。

2) 流動電位的變化量在注水開始時最大；隨著時間的延長(實際上等效于壓力變化的減小)，流動電位逐漸衰減。

3) 在注水結束(注水16 min)后，到20 min時，仍然可以看到存在流動電位變化。這是因為雖然地表的注水已經結束，但是水流在水頭的壓力下，在地下仍然在流動，仍然在進行地下水平衡狀態的調整。

野外小規模注水驗證實驗與室內實驗均在中砂巖中進行，均是在一定壓力下進行注液，同時觀測流動電位的實時變化情況。室內實驗使用的注入液是具有一定礦化度的鹽溶液，野外實驗注入液為淡水。實驗說明不管注入液是什么種類，在壓力下注入巖體時均可以清晰地測出流動電位的變化情況。

5 結論

本文采用自制的高壓實驗系統進行了模擬地層條件下的室內砂巖巖心流動電位測定實驗，并開展了小規模的野外砂巖層注水驗證實驗，得出結論如下：

1) 巖體注液過程伴隨產生了流動電位。

2) 注入壓力越大，產生的流動電位越明顯。

3) 注入液礦化度越低，產生的流動電位越明顯。

通過測定巖體注液時產生的流動電位，可對深地層流體的流態進行實時監測，從而揭示儲層地質結構，為地面采注工作提供參考。本文提出了一個新的流體流態監測的研究方向，對提高石油開采效率有一定的積極意義。