高黏土疏松低滲透砂巖儲層注水過程中梯度防堵體系的防堵降壓效果*

梁玉凱，于曉聰，宋吉峰，闞長賓，韓 宇，徐啟立

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南海口 570311；2.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北武漢 430074）

隨著海上油氣開發(fā)力度的不斷加大，越來越多的優(yōu)質儲量被動用，加大低滲透儲量動用、提高低滲透油田開發(fā)效果研究越來越緊迫。南海西部低滲透油藏儲量豐富，其中WCXX 油田ZJ1-3U/L 油組由于天然能量不足，亟需注水投產。該油組具有低壓力系數（0.39～0.65）、疏松高泥質含量（黏土含量16.3%～24.1%，伊蒙混層含量超過50%）、低滲（測井滲透率16.3×10-3～24.1×10-3μm2）、高細粉砂含量（小于44 μm 細粉砂含量為50%～70%）等特點。回注生產水雖具有較高的礦化度（35 275.70 mg/L），但黏土穩(wěn)定作用有限，加上高強度的注水沖刷，導致儲層黏土膨脹分散運移和細粉砂微粒脫落運移，堵塞儲層孔喉，注入壓力升高，儲層能量得不到有效補充，給油田高效開發(fā)帶來很大難度。

類似油田現場也發(fā)現隨著注水開發(fā)的進行，部分油井會呈現產液量下降和注水壓力升高的現象［1-2］。推斷是敏感性礦物發(fā)生膨脹、運移，造成儲層孔喉堵塞，導致注水壓力升高。室內實驗對比驅替前后的巖心CT 成像圖和驅替出的液體，明確了儲層運移主要微粒為黏土礦物和極細石英砂顆粒［3-4］。目前，低滲透油藏降壓增注技術主要有3類：（1）注入防膨體系，減少黏土礦物膨脹，減少微粒運移造成堵塞［5-7］；（2）通過酸化、壓裂等方式改善儲層以實現降壓增注［8-15］；（3）通過表面活性劑降低油水界面張力以實現降壓增注［16-25］。由于目標儲層巖性疏松，通過酸化的方式改善儲層，儲層微粒脫落強度會進一步增大。在后續(xù)注水過程中，近井儲層在流體沖刷下極易導致儲層骨架坍塌。注水初期可用表面活性劑對儲層預處理，減少有機堵塞，起到降壓增注的作用，但對流體沖刷引起的微粒運移堵塞孔喉效果甚微。結合WCXX 油田地質特點和生產特征，本文利用速敏實驗設計可動微粒逐級運移梯度注水，并優(yōu)選出一種儲層微粒梯度運移的防堵體系，使儲層可動黏土顆粒、細粉砂顆粒在防堵體系協助下順暢運移至儲層安全半徑之外［26］。通過室內巖心驅替模擬實驗評價了該體系的防堵降壓效果，為礦場應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣（CaCl2·2H2O）、硫酸鈉、氯化鎂（MgCl2·6H2O）、碳酸氫鈉等均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；鈉膨潤土，山東省濰坊市坊子區(qū)駙馬營鈉土廠；有機陽離子黏土穩(wěn)定劑（YN），相對分子質量185.69，含量50%，東營福瑞達石油科技有限責任公司；有機陽離子聚合物黏土穩(wěn)定劑（JN），相對分子質量25 000，含量18%，東營福瑞達石油科技有限責任公司；WCXX 油田地層水，礦化度32 405.90 mg/L，離子組成（單位mg/L）：K++Na+11 935.34、Ca2++Mg2+626.92、Cl-19 539.33、HCO3-278.43；WCXX 油田生產水，礦化度35 275.70 mg/L，離子組成（單位mg/L）：K++Na+12 968.78、Ca2++Mg2+679.82、Cl-20 738.25、HCO3-272.15；石英砂，上高華硅礦業(yè)有限公司；可動黏土，添加質量分數為50%的鈉膨潤土，以模擬實際儲層。

巖心驅替裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司；離心機，上海安亭科學儀器廠；202-0 型臺式干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；恒定載荷巖心加載裝置，武漢科盛石油科技有限公司。

1.2 實驗方法

（1）防膨性能評價

采用離心法測試黏土穩(wěn)定劑在70 ℃下的防膨性能。先向離心管內加入10 g 用生產水配制的黏土穩(wěn)定劑溶液，然后分4～6 次加入0.50 g 鈉膨潤土。利用液體質量和密度求取體積，減少人為計量誤差。防膨率計算公式為：

式中，B—防膨率，%；V1—鈉膨潤土在蒸餾水中的膨脹體積，mL；V2—鈉膨潤土在黏土穩(wěn)定劑中的膨脹體積，mL。

（2）松散巖心驅替評價

將0.074～0.015 mm（100～200 目）與0.048～0.038 mm（300～400 目）石英砂按體積比3∶7 混合，添加7%可動黏土，用攪拌器以10 r/min的速度攪拌30 min，然后用熱塑管包裹成系列松散巖心。用恒定載荷巖心加載裝置對巖心裝填磨具施加恒定壓力，以模擬地層巖心。將自制的模擬巖心放入巖心夾持器中，飽和地層水，測定巖心滲透率。然后按照不同的實驗目的，以設定的流體及驅替速度驅替巖心，測定巖心實時驅替壓力和巖心滲透率。巖心為同期制作，液測滲透率為3.31×10-3～6.65×10-3μm2。通過室內速敏實驗測得目標區(qū)塊儲層巖心的臨界流速為0.54 mL/min。只有當自制松散巖心的滲透率在3.31×10-3～6.65×10-3μm2時，測得的臨界流速才為0.5 mL/min，因此選用此巖心顆粒配比開展實驗。

2 結果與討論

2.1 儲層微粒梯度運移現場試驗對比分析

WCXX油田上部為中高滲透儲層、下部為低滲透儲層。由于儲層疏松，在低滲透儲層和中高滲透儲層注水過程中，均存在微粒運移堵塞儲層的現象。低滲透儲層和中高滲儲層對應的兩口井的注水曲線（2021年）如圖1所示。其中，低滲透儲層注水強度為0.29 m3/（d·m），中高滲透儲層注水強度為10 m3/（d·m）。

圖1 WCXX油田疏松砂巖注水初期曲線

由圖1（a）可見，在低滲透儲層注水過程中，注水初期即使在較低的注水強度下，儲層細小微粒的運移也會導致孔喉堵塞，注入壓力急劇升高，儲層可承受的注水強度降低。當注水壓力接近井筒臨界安全注入壓力時，只能降低日注水量，而注入壓力降幅甚微；當提高日注水量，注入壓力相應增大，在激動壓力的影響下，儲層中部分堵塞喉道被沖開，儲層容忍注水強度增大。由圖1（b）可見，在中高滲透儲層注水過程中，注水初期與低滲透儲層表現出同樣的特征。但當提高日注水量后，激動壓力解除了微粒堵塞，繼續(xù)增加日注水量，注入壓力降低。說明經過注水初期的低排量注水，可動微粒得到了適量運移；在提高日注水量階段，較高的注水量可攜帶更多可動微粒運移至儲層的安全半徑之外。

在疏松高黏土中高滲透儲層中，由低到高的注水速度可實現微粒梯度運移，實現安全綠色注水；而在疏松高黏土低滲透儲層中，僅通過速度梯度實現綠色注水的難度較大，需要在注水初期配合一定的防堵藥劑，在注水過程中控制黏土膨脹、適度攜帶微粒運移，保護儲層骨架避免微粒過度脫落，降低注水壓力。

2.2 儲層微粒梯度運移速度梯度設計

儲層微粒梯度運移防堵體系首先需要確定速度梯度，在速度梯度的基礎上優(yōu)選防堵藥劑，使可動微粒實現穩(wěn)定梯度運移。

2.2.1 速度梯度的確定

用8%KCl 溶液開展模擬巖心臨界流速驅替實驗，結果如表1所示。由于模擬巖心疏松，可動微粒數量較多，隨驅替速度增大，驅替壓力急劇上升，巖心滲透率迅速下降。模擬巖心的臨界流速為0.5 mL/min（實際油藏巖心的臨界流速為0.54 mL/min），此時壓力增幅為6.2 MPa。基于臨界流速驅替速敏實驗，設計0.25 mL/min 為速度梯度的第一速度，0.5 mL/min 為第二速度。通過驅替速度逐級增加，實現微粒的梯度運移。進一步，應用生產水開展速度梯度模擬實驗評價。

表1 模擬巖心臨界流速驅替實驗評價結果

2.2.2 速度梯度效果評價

利用生產水開展模擬巖心速度梯度實驗評價，速度變化為0.25 mL/min—0.5 mL/min—0.75 mL/min，并與定速（0.75 mL/min）驅替空白實驗進行對比，結果如圖2 所示。圖中階段①（0.25 mL/min）、②（0.5 mL/min）、③（0.75 mL/min）分別對應速度梯度驅替過程中的不同驅替速度。以定速驅替時，壓力逐漸升高，滲透率持續(xù)降低。定速驅替時，在階段①，巖心可動微粒大量運移，導致巖心入口附近孔喉堵塞嚴重，驅替壓力急劇增大，滲透率降幅超過80%。隨驅替量增大，雖壓力持續(xù)增大，但部分可動微粒已架橋堵塞孔喉，無法運移至巖心出口，所以滲透率持續(xù)降低。速度梯度驅替時，階段①的驅替速度較小，少量可動微粒運移，模擬巖心受微粒運移傷害較小，壓力較定速驅替增長緩慢，說明可動微粒可逐漸運移至巖心深處。在階段②，雖驅替速度小于定速驅替，但瞬間提速，可動微粒運移量增大，導致壓力增長倍數快速增大，但第二速度梯度對滲透率的影響較小。與定速驅替相比，滲透率保留率增幅約17%。當注入體積超過8 PV后，注入壓力開始降低，說明可動微粒已運移出巖心，驅替阻力開始降低。在階段③，兩者驅替速度相同，定速驅替壓力持續(xù)增大，而速度梯度驅替在提高驅替速度注入1 PV（注入體積13 PV）后，壓力增長出現了拐點，說明在速度梯度的變化過程中，微粒由于梯度運移排出巖心，孔喉堵塞逐漸解除，巖心滲透率逐漸恢復。

圖2 定速驅替與速度梯度驅替對比

空白模擬實驗較臨界流速驅替速敏實驗（見表1）對巖心的傷害大，這主要是由于速敏實驗使用了具有穩(wěn)定黏土的8%KCl 體系。由此可見，速度梯度與防堵體系的雙重作用可達到防堵降壓的效果。由對比實驗可得，在驅替階段①，防堵體系需要穩(wěn)定黏土顆粒不膨脹，并適度運移；在驅替階段②，微粒大量運移，需要在黏土穩(wěn)定的基礎上，增加促進微粒運移的藥劑。

2.3 儲層微粒梯度運移防堵體系藥劑優(yōu)選

2.3.1 黏土穩(wěn)定劑性能

模擬巖心蒙脫石含量50%。由于蒙脫石為膨脹型黏土礦物，遇水膨脹，堵塞孔喉，而且膨脹后的蒙脫石還可進一步分散，在運移中堵塞孔喉。因此，優(yōu)選pH 值為中性的無機黏土穩(wěn)定劑KCl（pH=7.2）、有機陽離子黏土穩(wěn)定劑YN（pH=7.2）和有機陽離子聚合物黏土穩(wěn)定劑JN（pH=7.1），利用生產水開展防膨性能評價，結果如圖3所示。

圖3 不同類型黏土穩(wěn)定劑性能評價

由圖3可見，3種黏土穩(wěn)定劑的防膨率均隨加量增大呈增大趨勢。在加量超過0.4%后，防膨率的變化很小。3 種黏土防膨劑中，JN 的黏土穩(wěn)定效果最優(yōu)，0.4%加量下的防膨率達到91.19%；KCl 的黏土穩(wěn)定效果次之，0.4%加量下的防膨率達到90.05%；YN 的黏土穩(wěn)定性能最差，0.4%加量下的防膨率為88.45%，較生產水的防膨率85.22%，僅提高3.23%。目標區(qū)塊蒙脫石含量高，為使其微粒運移降到最低，黏土穩(wěn)定劑的防膨率設計值應大于90%。因此，YN 需要復配一定量價格低廉的KCl，以提高其防膨率，實驗結果如表2 所示。從體系性能、經濟均衡考慮，優(yōu)選0.2%KCl+0.3%YN 體系，黏土防膨率可達到91.32%。

表2 KCl與YN復配的防膨效果

雖然黏土穩(wěn)定劑能抑制黏土的膨脹，但模擬巖心為疏松細粉砂巖，在注入流體的沖刷下，細小顆粒極易脫落。脫落的顆粒隨注入流體運移，當微粒直徑達到孔隙喉道直徑1/3 架橋堵塞原則［27］時，孔隙喉道就會堵塞，巖心滲透性降低，驅替壓力升高。因此，需要開展不同黏土穩(wěn)定劑對低滲透巖心微粒運移攜帶影響程度的研究。

2.3.2 防堵體系微粒攜帶性能

開展生產水、0.5% KCl、0.2% KCl+0.3% YN、0.5%JN 4個體系的驅替實驗，驅替速度為0.25 mL/min（階段①）和0.50 mL/min（階段②）。防堵體系對低滲透巖心微粒攜帶的影響實驗結果如圖4 所示。隨驅替速度增大，不同體系的驅替壓力均有不同程度的增加。在較低的驅替速度下，KCl 體系的效果最優(yōu)。這是由于在較低的驅替速度下，流體對巖心中可動微粒的攜帶能力有限，輔以KCl 體系穩(wěn)定黏土顆粒的作用下，驅替壓差增幅較小，驅替5 PV 后的驅替壓力是初始驅替壓力的2.47倍；KCl+YN和JN體系因具有較高的微粒攜帶能力，在較低的驅替速度下，導致大量微粒運移，堵塞孔喉，驅替壓力增大。在較高的驅替速度下，KCl+YN體系的效果最優(yōu)。這是由于在較高的驅替壓力下，流體對巖心中可動微粒的攜帶能力提高，KCl 體系雖能較好地穩(wěn)定黏土顆粒，但其微粒攜帶能力較差。JN體系具有一定的黏度（2 mPa·s），對于密度小的蒙脫石、高嶺石，微粒的攜帶能力很強，加上其對微粒的吸附作用使其攜帶能力進一步增強，導致部分孔喉堵塞，驅替壓力最大。但當注入體積達到3 PV后，與空白實驗相比，JN體系驅替壓力開始降低，說明JN通過防膨、吸附和攜帶，疏通了巖心，但驅替壓力增幅較大，為初始值的11.12 倍。因此，在低滲透油藏中，不宜選用JN 體系穩(wěn)定黏土。在較低的驅替速度下，優(yōu)選KCl 體系；較高的驅替速度下，優(yōu)選KCl+YN體系。

圖4 不同驅替速度下4種防堵體系的驅替壓力變化

2.4 儲層微粒梯度運移防堵體系性能評價

在速度梯度的基礎上增加防堵體系的應用。在較低速度階段①用KCl 防堵體系，在較高速度階段②用KCl+YN 防堵體系，最后在階段③用生產水驅替。梯度防堵體系的防堵降壓效果如圖5 所示。在階段①，利用防堵體系KCl穩(wěn)定黏土，在較低的驅替速度下，使可動微粒適度運移至出口，減少了孔喉堵塞，注入4 PV 后的巖心滲透率保留率為49.15%。逐漸提高驅替速度至階段②，利用防堵體系KCl+YN 穩(wěn)定黏土、攜帶微粒、吸附穩(wěn)壁等作用，適度提高可動微粒的排泄能力，巖心的滲透率逐漸回升，超過了階段①的滲透率。逐漸提高驅替速度至階段③，此階段雖沒有藥劑處理，但驅替壓力僅在提速階段較空白樣略有增大，驅替3 PV后，驅替壓力呈降低趨勢；滲透率在階段③迅速恢復至原始滲透率的91.58%，驅替壓力是初始低速注入壓力的3.28倍。由此可見，通過防堵體系的黏土穩(wěn)定、微粒攜帶和吸附保護等作用，輔合速度梯度，可使微粒在較低的壓力下逐漸運移，促進了巖心滲透率的快速恢復。

圖5 微粒梯度運移防堵體系防堵降壓效果評價

2.5 儲層微粒梯度運移防堵機理分析

2.5.1 速度梯度使可動微粒梯度運移

在現場注水過程中，水流方向為徑向流動，流速與水流的徑向半徑為冪函數關系。目標區(qū)塊最大注水速度（vmax）對應的危險半徑為3.05 m，即圖6（c）的灰色區(qū)域。因此，在注水開始階段，當以較小的驅替速度注入，即圖6（a）工況，灰色區(qū)域面積僅有圖6（c）工況的6.37%。在少量的可動微粒運移下，輔以防堵KCl體系，可使微粒逐漸運移到灰色區(qū)域以外（安全區(qū)域）。當圖6（a）工況穩(wěn)定后，逐步提高驅替速度至圖6（b）工況，灰色面積增大，占圖6（c）工況的25.16%。但圖6（a）工況下可動微粒已大量運移至安全區(qū)域以外，此時輔以防堵體系KCl+YN 提高可動微粒運移能力，降低微粒運移孔喉堵塞和注入壓力升高的風險。當圖6（b）工況穩(wěn)定后，緩慢提高驅替速度至圖6（c）工況，繼續(xù)輔以防堵體系KCl+YN 提高可動微粒的運移能力，實現了灰色區(qū)域可動微粒的梯度運移。

圖6 目標區(qū)塊在不同注水速度下的注水危險半徑

2.5.2 防堵體系使可動微粒梯度脫落

當注水速度較低時，首先應用KCl黏土穩(wěn)定劑，減少驅替過程中儲層骨架上黏土顆粒的膨脹運移。單一KCl 黏土穩(wěn)定劑的顆粒攜帶作用較弱，可實現低驅替速度下少量可動顆粒的運移。當增大注水速度時，驅替力的提高促使可動微粒運移數量增大，此時增加具有微粒攜帶能力的陽離子黏土穩(wěn)定劑YN。該藥劑吸附于可動顆粒上，通過聯動攜帶作用，促進可動顆粒運移至危險半徑外。同時，YN還吸附于儲層骨架，避免了顆粒的過量脫落。

綜上所述，通過速度梯度和防堵體系的協同作用，可使儲層可動微粒實現梯度運移，達到防堵降壓的效果。

3 結論

優(yōu)選出一種高黏土疏松低滲透油藏梯度防堵體系。體系組成為：低速梯度防堵體系0.5%KCl，高速梯度防堵體系0.2%KCl+0.3%有機陽離子黏土穩(wěn)定劑。通過速度梯度和防堵體系的協同作用，巖心滲透率保留率由空白水驅的10.56%提高至91.58%，壓力增長倍數由9.47降為3.28。

梯度防堵體系可應用于高黏土低滲透儲層注水補充能量初期階段，在注水速度逐漸增大的過程中，實現了儲層可動微粒的梯度運移，減少了油藏孔喉堵塞，有效提高了儲層滲透性，降低了注水壓力。該體系為中性（pH值為7.2），不傷害儲層骨架，為低滲透油藏超前綠色注水提供了一定的理論支撐。