沉淀型半透膜材料在低滲油藏中改善水驅適應性研究
——以高21沙二段油藏為例

王偉琳

(勝利油田東勝精攻石油開發集團股份有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

半透膜是一種對不同粒子通過具有選擇性的薄膜。常用的半透膜材料包括高聚物型(醋酸纖維素和芳香聚酰胺)和低分子量沉淀物型(亞鐵氰化銅)等[1]。半透膜技術主要在污水處理、藥物緩釋和石油化工等行業中廣泛研究和應用[2-3]。2012年Kevin England等人[4]將其引入到裂縫性油藏提高采收率領域:在裂縫表面涂覆半透膜材料，只允許水分子跨膜輸運，阻止礦物離子通過;這樣在注入水和地層水離子濃度差異作用下，注入水會自動進入基質，補充能量，排出原油，實現自吸—增能—驅油。之后，劉德新等人[5-6]研究了Cu2[Fe(CN)6]半透膜的滲吸驅油效果，發現其能夠提高低滲基質原油采收率。盡管如此，對于低滲油藏提高采收率，尤其是類似高21沙二段平面和縱向矛盾突出的油藏，直接封堵水流優勢通道，擴大波及體積對改善水驅開發效果也尤為關鍵。而關于類似沉淀型半透膜材料封堵能力的研究鮮有報道。此外，在低滲油藏調剖方面，人們研發了水氣交替、泡沫、聚合物微球、聚合物凍膠和泡沫凍膠等注入方法和封堵體系，實際應用中取得了不同程度的效果，同時也曝露出低滲傷害、堵塞等問題[7-16]。沉淀型調剖劑由于初始黏度低，往往表現出良好的注入性和低傷害特征，而且耐溫耐鹽性強[17-20]。一些針對中高滲油藏條件的室內研究發現，沉淀型調剖劑對水流通道的封堵能力有限，滲透率封堵率約為60%～70%[20];而在低滲油藏中由于孔喉更加細小，沉淀劑的封堵能力有望改善。該研究就沉淀型材料在低滲油藏中封堵水流通道的適應性進行了探討，以期為低滲油藏改善水驅方法的選擇提供借鑒。

1 區塊特征

高21塊沙二段油藏探明含油面積3.21 km2，地質儲量140.91×104t，屬于低滲油藏，平均孔隙度為22.4%，滲透率為35.0 m D。為了補充地層能量，2007年開始注水開發，現有注水井5口，采油井14口，采出程度14.9%，綜合含水80.3%。水驅優勢通道發育、水竄嚴重是區塊注水開發的主要問題。平面上，5口注水井中的4口進行示蹤劑測試，發現均發育水驅優勢通道(如圖1所示)。縱向上，44為主力吸水層，吸水量占90%以上，43和45吸水不足，單層突進嚴重。優勢通道對應油井呈現高液量、高含水、高能量特征(例如G21-8井日產液11.9 m3，含水87.1%，動液面在1 618 m)。非優勢通道區域油井表現為低液量、低含水和低能量特征(例如G21-11井日產液1.9 m3，含水76.3%，動液面在1 869 m)，且在進一步惡化。如何封堵水流優勢通道，增加非優勢通道區域吸水，擴大波及體積成為改善區塊注水效果的關鍵。

圖1 高21沙二段油藏注水井優勢通道發育特征Fig.1 Growth characteristics of water injection well dominant channel in the Sha2 in Gao21 reservoir

高21沙二段油藏除滲透率低外，其另一突出特征是地層水礦化度高，鈣離子濃度高。例如，G21-5井產出水礦化度達30.5 g/L，鈣離子含量達2.1 g/L(見表1)。地層水礦化度高，會在注入水和地層水之間形成較大的離子濃度差(注入水礦化度僅為0.6 g/L)，若在兩者之間建立一層半透膜，那么礦物離子濃度差異能夠在注入水和地層水間形成附加滲透壓差，促使注水自發進入低滲基質中的高礦化水，擴大波及體積[3，5]。另一方面，半透膜材料在相對高滲區域內的沉積，能夠直接封堵水流優勢通道，擴大注入水波及體積。此外，地層水中鈣離子含量高，為原位碳酸鈣型沉淀的形成提供了物質基礎。因此，沉淀型半透膜材料在類似高21沙二段低滲油藏中具備改善注水開發效果的應用潛力。

表1 高21-5井地層水礦物離子組成Table 1 Mineral ion composition of formation water in Gao21-5 well

2 原位CaCO3的半透性及其封堵能力

對于地層水中鈣離子含量普遍較高的油藏，考慮注入Na2CO3，形成原位CaCO3沉淀。這樣做一方面減小低滲基質表面孔喉尺寸，以期形成半透性膜;另一方面直接封堵高滲水流通道，同時實現鈣離子的有效利用。此外，地層水中鈣離子的沉淀，也能夠潛在降低高鹽條件對化學劑穩定性的影響，增強類似高鹽油藏中其他化學驅油方法適應性。

2.1 微觀沉積形態

首先將G21-5井模擬地層水與濃度為5.6 g/L的Na2CO3溶液混合，形成乳白色CaCO3懸浮液。將懸浮液一分為二，一份在燒杯中保存，模擬Ca-CO3在連續體相中沉積過程;另一份滴加到水濕性玻璃片表面，模擬CaCO3在巖石微孔壁面的沉積過程。30 min后對沉積樣品進行顯微觀測，沉積樣品微觀形貌如圖2所示。通過觀察可以發現，不同沉積環境中，CaCO3沉積形態顯著不同:1)在連續體相中，初始懸浮的CaCO3微粒會逐漸生長為粒徑更大的沉淀顆粒，最終粒徑約為1μm，而實際低滲油藏巖石喉道直徑也往往在微米級別，具備一定的封堵潛力;2)在水濕壁面上，CaCO3微粒會直接沉淀、附著在壁面上繼續生長，而非聚結成更大的結晶顆粒。可見，實際地層中CaCO3沉淀對水流通道的封堵，表現出2種不同的形式:生長成大顆粒直接封堵孔喉和在孔壁的逐層涂覆減小孔徑。

圖2 CaCO3在不同條件下的沉積形態Fig.2 Depositional morphology of CaCO3 under different conditions

2.2 沉淀物的半透性

為了進一步確認CaCO3沉積能否將巖石孔喉減小至半透性，設計了半透膜增壓實驗:首先根據高21油藏實際巖石孔喉尺寸(平均最小孔喉3.78μm，最大孔喉13.0μm)分 別選用孔徑為2.5μm和11.0μm的Whatman濾紙作為支撐骨架;將地層水和Na2CO3交替噴涂到濾紙上，晾干后包覆到長頸漏斗底部，密封;在漏斗內裝入高礦化度地層水(用亞甲基藍染色)，燒杯中加入低礦化度注入水，使初始液面平齊;然后根據長頸漏斗內頁面的上升情況判斷涂覆膜的半透性，若液面上升，說明燒杯中水分子跨膜進入漏斗，而漏斗中的礦物離子難以進入燒杯，形成半透膜;若液面保持平齊，說明漏斗中的礦物離子跨膜進入燒杯，同時水分子也可以順利跨膜進入漏斗，未形成半透膜。沉淀材料的半透性如圖3所示，半透膜實驗結果見表2。

圖3 沉淀材料的半透性Fig.3 Semi-permeability of precipitation material

表2 沉淀材料的半透性Table 2 Semi-permeability of precipitation material

根據半透膜實驗結果可以發現，CaCO3沉積后，孔徑為2.5μm的濾紙并未表現出半透性，漏斗內外液面平齊，說明原位CaCO3沉淀很難使低滲巖石孔徑減小至表現出半透性的尺度(亞納米級)。

2.3 封堵能力

盡管不能形成半透膜，但是CaCO3的地下沉積仍具有封堵高滲水流通道，擴大波及體積的潛力。因此，通過巖心模型(直徑2.5 cm、長度10.0 cm、滲透率78.5～708.0 m D)中的封堵實驗，對原位Ca-CO3沉淀封堵水流優勢通道的能力進行考察。

2.3.1 注入方式的影響

巖心模型飽和地層水后，采用直接注入沉淀劑Na2CO3和產出地層水/Na2CO3交替注入2種方式。圖4所示為原位CaCO3對模型的封堵能力。在Na2CO3用量約1.0 PV的條件下，連續注入方式的穩定阻力系數為1.2，滲透率封堵率為18.9%，沉淀具有一定的封堵能力。為了進一步增強地層水中鈣離子與Na2CO3的接觸，將產出地層水與Na2CO3交替注入(交替尺寸0.25 PV)，阻力系數增大至1.7，滲透率封堵率為40.7%，封堵能力有所提高，這說明僅依靠地層水中的鈣離子的原位沉淀，可以在不同程度上封堵高滲水流通道，滲透率封堵率在18.9%～40.7%。

圖4 不同注入方式下CaCO3的封堵能力Fig.4 Plugging capability of CaCO3 under different injection patterns

2.3.2 滲透率的影響

低滲油藏中，盡管平均滲透率較低，但往往發育一些高滲條帶等，導致注入水竄流。例如，高21沙二段低滲油藏，平均滲透率較低為35.0 m D，但是其優勢通道滲透率可達150～1 000 mD。為了進一步確認原位CaCO3體系對高滲通道的封堵能力，在708.0 mD模型中開展了封堵實驗。圖5所示為不同滲透率下CaCO3的封堵能力。可以發現，原位CaCO3體系在高滲中封堵能力略微減弱，穩定阻力系數為1.3，滲透率封堵率為25.0%。可見，類似高21的低滲、高鹽油藏中，地層水鈣離子含量較高，通過沉淀回注水中的鈣離子，能夠對水流通道形成一定的封堵。

圖5 不同滲透率下CaCO3的封堵能力Fig.5 Plugging capability of CaCO3 under different permeability

2.3.3 濃度的影響

除了沉淀地層水中的鈣離子外，考慮到無機沉淀材料較為廉價，探索采用高濃度CaCl2和Na2CO3交替注入的方式，封堵高滲通道。圖6所示為不同濃度CaCO3沉淀體系的封堵能力。發現高濃度沉淀體系對模型的封堵能力明顯增強，穩定阻力系數從1.7增大到3.25，滲透率封堵率從40.7%增大到69.2%。原位CaCO3體系具備作為低滲油藏調剖劑的應用潛力。

圖6 不同濃度CaCO3沉淀體系的封堵能力Fig.6 Plugging capability of CaCO3 with different concentration

3 Cu2[Fe(CN)6]的半透性及其封堵能力

原位CaCO3體系能夠在一定程度上封堵水流通道，但是不能在低滲基質表面形成半透膜。為了獲得一種兼具半透膜性能和高滲封堵通道能力的體系，對一種典型的Cu2[Fe(CN)6]沉淀體系進行了半透性和封堵性能研究。

3.1 沉淀的微觀形貌

將CuSO4和K4[Fe(CN)6]按照57.6 g/L和50.64 g/L的濃度混合[5]，形成血紅色沉淀。將沉淀物一分為二:一份在燒杯中保存，模擬Cu2[Fe(CN)6]在連續體相中沉積過程;另一份滴加到水濕性玻璃片表面，模擬Cu2[Fe(CN)6]在巖石微孔壁面的沉積過程。30 min后對沉積樣品進行顯微觀測，沉淀形態如圖7所示。可以發現，與CaCO3沉淀不同，CuSO4與K4[Fe(CN)6]混合后會快速形成穩定的Cu2[Fe(CN)6]絮狀、絲狀沉淀;不同沉積時間和沉積環境中，沉積形態相似，對Cu2[Fe(CN)6]沉淀的形態影響較小;并且沉淀物呈現連續的網狀結構，實現對巖石孔喉的封堵。

圖7 Cu2[Fe(CN)6]在不同條件下的沉積形態Fig.7 Depositional morphology of Cu2[Fe(CN)6]under different conditions

3.2 沉淀物的半透性

為了進一步確認Cu2[Fe(CN)6]沉積能否將巖石孔喉減小至半透性，按照前述步驟將CuSO4和K4[Fe(CN)6]噴涂到濾紙表面，利用設計的半透膜增能實驗判斷Cu2[Fe(CN)6]沉淀物的半透性(參照圖3和表2相關數據)。從圖3可 以 看出，Cu2[Fe(CN)6]沉淀在GR5濾紙表面時，水分子能夠通過濾紙進入長頸漏斗，使其液面升高(高于燒杯內)，同時亞甲基藍染色劑沒有透過濾紙進入燒杯，這說明Cu2[Fe(CN)6]沉淀能夠在孔徑為2.5μm的孔隙介質表面形成半透膜。但對于孔徑更大的11.0μm條件(GR1)，漏斗內液面沒有升高，且亞甲基藍染色劑順利通過濾紙進入燒杯，說明沒有形成半透膜。可見，Cu2[Fe(CN)6]能夠在較小的2.5μm孔喉表面形成半透性薄膜，而孔徑達到11.0μm，半透膜難以形成。

為了進一步確認半透膜性對驅油的影響，利用傳統的滲吸驅油裝置[5]，開展了無半透膜和有半透膜條件下的滲吸驅油實驗，實驗結果見表3。可以發現半透膜的存在有助于低滲基質原油的采出，無半透膜時原油滲吸采收率為38.5%;半透膜作用下滲吸采收率提高到41.2%，增幅2.7%。值得注意的是，Cu2[Fe(CN)6]類沉淀材料成本較高，在使用濃度條件下滲吸原油采收率增幅2.7%，存在潛在的經濟性問題。有必要就其封堵水流優勢通道，擴大波及體積能力進行研究，以進一步判斷其改善水驅適應性。

表3 半透膜沉積對巖心滲吸驅油的影響Table 3 Effect of semi-permeable film deposition on oil recovery by imbibition

3.3 沉淀的封堵能力

3.3.1 注入方式的影響

原位CaCO3沉淀體系研究過程中發現，交替注入是沉淀類堵劑較好的注入方式。為了進一步確認交替段塞尺寸對其封堵能力的影響，分別設計了0.10 PV，0.25 PV和0.50 PV段塞交替實驗，同時探索了水段塞(尺寸:0.05 PV)分隔對沉淀體系封堵能力的影響，結果如圖8所示。

由圖8可見，CuSO4和K4[Fe(CN)6]交替段塞為較大的0.50 PV時，體系封堵能力較弱，穩定封堵阻力系數為1.8，滲透率封堵率為45.7%，應考慮減小交替段塞尺寸，增強2種沉淀劑的接觸反應程度。當交替段塞減小到0.25 PV時，隨著注入量的增大，阻力系數穩定上升，累注1.30 PV時，阻力系數為4.8，滲透率封堵率為79.2%，體系對水流通道的封堵能力明顯提升。進一步減小交替段塞尺寸到0.10 PV時，阻力系數隨注入量的增加快速升高，累計注入1.15 PV時阻力系數為6.6，滲透率封堵率為84.7%，表現出良好的封堵能力。但是，過快的阻力系數(壓力)增長說明，若注入量繼續增大，該注入方式可能存在潛在堵塞風險。對比0.25 PV和0.10 PV兩種交替方式發現:1)較大的0.25 PV交替時的封堵能力比0.10 PV時僅略微降低(前者穩定封堵率為84.7%，后者為79.2%)，但是0.10 PV交替時阻力系數(注入壓力)上升過快，存在潛在堵塞風險。因此對于該類沉淀堵劑，交替注入時，交替段塞尺寸不宜過小。值得注意的是，文中注入的PV數僅指優勢通道孔隙體系倍數，而不是整個油藏的孔隙體積倍數。2)從沉淀劑的運移深度上(巖心封堵后的紅色部分)看，0.10 PV交替時沉淀劑的運移封堵深度明顯比0.25 PV時小，說明采用相對較大的交替段塞有助于沉淀劑的深部運移封堵。

圖8 不同注入方式下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.8 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]under different injection patterns

針對較小的0.10 PV交替過程中存在的潛在堵塞和封堵深度小的問題，利用0.05 PV水對Cu-SO4和K4[Fe(CN)6]段塞進行分隔，發現阻力系數增大速度有一定減緩，巖心中的封堵深度明顯增大，水段塞分隔有防止堵塞、增大沉淀劑封堵深度的作用。但是，值得注意的是，注入量達到1.40 PV時，阻力系數快速從3.3增大到6.9，仍表現出一定的堵塞特征。因此，對于該類型堵劑，交替注入段塞尺寸應大于0.10 PV。選用相對較大的交替段塞(如0.25 PV)和采用水段塞分隔是沉淀型堵劑實現深部運移封堵，降低堵塞風險較好的方法。

3.3.2 滲透率的影響

為了進一步確認Cu2[Fe(CN)6]體系對高滲通道的封堵能力，在720.0 mD模型中開展了封堵實驗，實驗結果如圖9所示。可以發現Cu2[Fe(CN)6]體系在高滲中的封堵能力略微減弱，穩定滲透率封堵率從98.0 mD時的74.0%，減小到720.0 m D時的70.6%，仍具有良好的封堵能力。

圖9 不同滲透率下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.9 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]under different permeability

3.3.3 濃度的影響

由于Cu2[Fe(CN)6]類沉淀堵劑較CaCO3沉淀體系藥劑成本高，考慮降低沉淀劑濃度，開展了不同濃度條件下的CuSO4和K4[Fe(CN)6]交替注入封堵實驗，結果如圖10所示。發現藥劑濃度的減小會導致堵劑封堵能力的降低，如CuSO4濃度依次為50.6 g/L，30.4 g/L，15.2 g/L和5.0 g/L時，穩 定的滲透率封堵率分別為74.0%，69.6%，61.5%和50.0%。相近濃度條件下Cu2[Fe(CN)6]沉淀的封堵能力較CaCO3沉淀強(參考圖6和圖10相關數據)。

圖10 不同濃度下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.10 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]with different concentration

4 結論

1)鈣離子原位沉淀，能夠通過結晶成大顆粒和在孔喉壁面生長的方式封堵孔喉，在一定程度上封堵水流通道(滲透率封堵率為18.9%～40.7%);這種封堵隨滲透率增大有所減弱，采用高濃度CaCl2和Na2CO3補充注入能夠增強封堵(滲透率封堵率為69.2%)。可見，原位CaCO3體系能夠實現鈣離子資源化利用-封堵水流通道，同時潛在地減小鈣離子對其他化學劑影響，增強類似高鹽油藏中后續化學驅油方法的適應性，具備一定應用潛力。

2)Cu2[Fe(CN)6]沉淀具有較強的封堵能力(滲透率封堵率最高為84.7%)，能夠在低滲基質表面形成半透膜，具備調剖-增能驅油的雙重效果，但是這種調剖-增能要求較高的沉淀劑濃度，在一定程度上影響了體系的應用。

3)對于沉淀型材料，為了保證其封堵能力，同時防止近井堵塞，增大調剖深度，應采用交替注入的方式，且交替段塞尺寸應適中(0.25 PV);水段塞分隔也是防止堵塞，增大調剖深度的較好方法。