大牛地氣田致密砂巖污水回注性能實驗研究

劉緒鋼， 周涌沂, 張駿強， 肖文聯

(1中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司 2西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室)

0 引言

油氣田開發過程中會從地下帶出大量的油田污水，有效處理這些污水是實現油氣田可持續開發的關鍵環節之一。一方面，在油田注水開發階段向地層回注處理后的污水已變成了提高油氣田采收率的重要手段之一[1]；另一方面，合理回注污水不僅充分利用了水資源，還最大程度地保護了環境。因此，研究回注污水與回注層巖石間的相互作用，即回注污水對回注層巖石的損害、回注層巖石的敏感性等，對指導油氣田污水回注至關重要。

油氣田污水回注主要通過改善注入層滲流能力及注入水水質來分析回注能力。國內1960年開始用大量注水的方式[2]來開發油田，此時還沒有一個明確的注入水水質標準。針對這一問題，主要參考了前蘇聯在注水時選用的標準，基于注水油田油層實際情況實施注水。后來，石油工業部進一步完善了注水水質指標，根據油氣層實際情況建立了適應不同油田的注水水質標準。2016年，劉慧[3]基于回注層巖心滲透率等滲流能力實驗分析，結合現行氣田水回注標準、目標氣田的儲層特性等，建立了大牛地氣田回注水油量、懸浮物含量等回注指標標準。此外，一些研究者[4-8]還從回注井的選擇原則和回注水水質的處理方法、地面工程優化等方面深入研究了油田污水回注。

以往研究者主要從回注層敏感性室內實驗和現場工藝措施兩個方面研究了油氣田污水回注，為了進一步揭示大牛地氣田污水回注機理，本文完成了大牛地氣田兩個回注層致密巖心敏感性室內評價實驗，并結合掃描電鏡微觀實驗分析明確了影響回注液進入回注層巖石能力的主要因素，為大牛地氣田有效實施污水回注提供依據。

1 實驗巖樣與實驗方案

12塊實驗砂巖巖心取至大牛地氣田兩個回注層位(非儲層)：5塊上石盒子組巖心(巖心S1、S2、S3、S9和S10)和7塊延長組巖心(巖心Y1、Y3、Y5、Y6、Y7和Y9)。上石盒子組巖心的基本物性相對較差，孔隙度變化范圍為3.48%～6.06%，滲透率變化范圍為0.007～0.548 mD；延長組巖心的基本物性相對較好，孔隙度變化范圍為8.54%～13.76%，滲透率變化范圍是0.333～16.196 mD。對比兩個回注層巖心的環境掃描電鏡微觀實驗結果發現，上石盒子組砂巖巖心比較致密，充填黏土礦物以伊利石為主，孔隙不發育，連通性較差，見圖1a和圖1b延長組砂巖巖心相對疏松，充填黏土礦物以伊/蒙混層為主，溶蝕形成的溶蝕孔更為常見，這也許是延長組巖心孔隙度和滲透率更高的原因。

圖1 S1巖心在油田污水作用前后的環境掃描電鏡觀察微觀結果

圖2 Y3巖心在油田污水作用前后的環境掃描電鏡觀察微觀結果

實驗裝置流程圖和實驗步驟參照行業標準SY/T 5358-2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》[9]；在此基礎上，高壓驅替泵用滿足實驗測試精度的ISCO泵，實驗測試有效壓力設置為40 MPa來模擬地層條件。

在速敏實驗中，先用8%氯化鉀溶液飽和后測定巖樣測初始滲透率ki，然后使驅替速度從0.10 mL/min開始以0.15 mL/min的增量逐步增大至6.0 mL/min，同時測定不同驅替速度下巖心的滲透率kn，如果壓力梯度大于2 MPa/cm可結束實驗。在水敏實驗中，用8%氯化鉀溶液飽和后測定巖心的初始滲透率ki，然后用除去固相顆粒(殘液)的油田污水驅替巖樣，驅替速度與初始流速保持一致，驅替10～15倍巖樣孔隙體積停止驅替，保持圍壓和溫度不變，使測試流體充分與巖石礦物發生反應12 h以上，將驅替泵流速調至初始流速，用去固相顆粒的油田污水進行驅替測定巖心滲透率kn。在堿敏實驗中，首先用8%氯化鉀溶液飽和后測定巖心初始滲透率ki；然后，用稀HCl和稀NaOH溶液調節測試堿液的pH值，使其達到7.0、8.5、10.0、11.5、13.0；隨后，向巖心中注入已調好pH值的堿液，驅替10～15倍巖樣孔隙體積后停止驅替，保證堿液充分與巖石礦物發生反應12 h以上，并測定每個pH值堿液下的滲透率kn，堿液注入順序按pH值由低到高進行。在酸敏實驗中，首先用8%氯化鉀溶液飽和后測定巖心初始滲透率ki；然后，反向注入0.5～1倍孔隙體積酸液(15%的鹽酸)，停止驅替關閉夾持器進出口閥門，待巖樣與酸反應1 h后，正向用8%氯化鉀驅替，測定巖心酸化后的滲透率kn。在固相傷害實驗中，先用8%氯化鉀溶液飽和后測定巖樣初始滲透率ki；然后，將回注污水向巖心反向驅替，待回注污水與巖心充分反應，測定其滲透率kn。

2 實驗結果

基于敏感性實驗和固相損害結果(如圖3～圖4)，結合行業標準SY/T 5358-2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》計算得到對應實驗的損害率和評價得到的損害程度,見表1。上石盒子組回注層表現為弱速敏、弱水敏、中等偏弱堿敏、無酸敏和較為明顯的固相損害；延長組回注層表現為弱速敏、中等水敏、中等堿敏、較強酸敏和較為明顯的固相損害。

3 討論與分析

相比較上石盒子組回注層，延長組回注層表現出了更為明顯的速敏、水敏、堿敏、酸敏和固相損害。

兩個回注層位的速敏都是弱敏感性，原因是兩個回注層位巖心黏土礦物膠結物中不含有速敏性礦物高嶺石；延長組巖心的速敏損害相對更為強一些，這可能與延長組巖心孔隙更為發育，且膠結黏土礦物分布有關(如圖2所示)。延長組巖心的水敏性為弱～中等偏強(表1)，而上石盒子組巖心無為弱水敏，原因是延長組巖心中膠結的黏土礦物以伊/蒙混層為主，而上石盒子組巖心中膠結的黏土礦物以伊利石為主，伊/蒙混層礦物水敏性特征更為明顯(見圖1c和圖2d)。

圖3 速敏實驗測試結果

圖4 堿敏實驗測試結果

表1 回注層巖石敏感性實驗結果

兩個回注層巖心都表現出了明顯的固相損害，分析對比污水作用前后環境掃描電鏡的觀察結果可以發現其中都存在微粒堵塞巖心孔隙的情況(見圖1d和圖2d)。

結合改進的水敏實驗評價結果和固相損害實驗評價結果可以發現，兩個回注層巖心固相損害是水敏和固相堵塞綜合作用的結果。兩個回注層位的巖心在用污水作用下都表現出了一定的水敏性(表1、圖1c和圖2d)，加之固相微粒堵塞(圖1d和圖2d)，使儲層巖心的流動能力降低，這使得在污水回注過程中有必要綜合考慮水敏和固相堵塞對回注層巖心的損害作用。

對比酸敏實驗評價結果發現，延長組回注層巖心的酸敏性較強，回注污水時需要考慮酸敏性的影響。而兩個回注層都表現出了一定的堿敏性，結合堿敏實驗結果(圖3)建議回注污水時需要控制其pH值在8～10。

4 結論

1)上石盒子組回注層巖心較致密，孔隙不發育，膠結黏土礦物以伊利石為主；延長組回注層巖心溶蝕孔和粒間孔發育，膠結黏土礦物以伊/蒙混層為主。

2)兩個回注層巖心速敏性為弱，延長組速敏性相對強一些，這對污水回注的影響較小。

3)兩個回注層巖心都表現出中等堿敏，建議在污水回注過程控制pH值在8～10范圍內。

4)上石盒子組回注層巖心無酸敏，延長組回注層巖心表現出強酸敏，建議在污水回注過程中考慮酸敏性的影響。

5)相對上石盒子組回注層巖心的弱水敏性，延長組回注層巖心表現出了中等水敏性，這與其中觀察到的伊/蒙混層黏土礦物具有明顯的邊緣加厚現象一致，建議考慮回注污水礦化度的影響。

6)兩個回注層巖心都具有較強的固相損害程度，說明回注污水中的固相會顯著地減低污水回注，建議在大牛地氣田致密砂巖回注層中實施污水回注時需控制固相懸浮物。