剩余油对注入水中颗粒深层滤失的影响

2010-11-15编译陈思嘉西安石油大学石油工程学院

石油石化节能 2010年2期

关键词：滤失赤铁矿喉道

编译:陈思嘉 (西安石油大学石油工程学院)

马可 (西安石油学院油气田特种增产技术开发有限责任公司)

审校:周加佳 (西安石油大学石油工程学院)

剩余油对注入水中颗粒深层滤失的影响

编译:陈思嘉 (西安石油大学石油工程学院)

马可 (西安石油学院油气田特种增产技术开发有限责任公司)

审校:周加佳 (西安石油大学石油工程学院)

碳氢化合物的生产一般都有水产出。这种产出水一般是由地层水和先前注入到地层中的注入水组成的。随着更多的油产出,水的产出量也在增加。但是,产出水根本没有太大的商业价值;因此,一定要找到一些方法来处理大量的产出水。这种方法应该是环境能够接受的,同时花费也要最少。有一种处理产出水的方法是把井产出水重新注入地层。用这种方法还可以维持地层压力或提高原油采收率。但在这一重新注入的过程中一项非常重要和困难的工作是预测水的质量对井注入能力的影响。根据沉淀机理,产出水中的悬浮颗粒和油滴仍然会残留在地层中。作为地层损害研究的一部分,悬浮在水中不同浓度的赤铁矿颗粒被注入到残余油饱和的砂岩岩心样本里。测试了剩余油对滤失系数λ和地层损害系数β的影响。油的存在导致更严重的损害 (渗透率的减少)。而且砂岩岩心在剩余油饱和的情况下比在100%盐水饱和的情况下产生更深的滤失。

深层滤失渗透率损害滤失系数剩余油表面滞留

1 前言

产出水中含油的范围如果在500～5000 mg/L或者更高,一般在重新注入之前需要对产出水进行处理,这是出于两个原因:第一,注入水中的油也许会损害地层,因此注入流体中油的含量在重新注入之前一定要减少到合适的水平;第二,从产出水中回收的油可以出售,以支持试验经费。尽管如此,还有一些油仍存在于注入水中。久而久之,油就会累积在井眼周围,形成一个剩余油饱和的油膜。因此,需要研究剩余油对油井注入能力的影响。

一些研究人员试图研究100%盐水饱和岩心的深层滤失。与此同时,注入悬浮粒子或者含油的水,或者是两者的混合物进入岩心,但是几乎没有人把悬浮颗粒注入到剩余油饱和的岩心中。在给剩余油饱和的砂岩岩心注水期间,用在线单独检测X射线系统可以检测深层滤失。赤铁矿颗粒以不同的浓度悬浮在盐水中。这样的岩心更加接近井眼周围的条件和岩石的润湿效应。

2 文献评述:深层滤失

大多数注水井的吸水能力下降的原因是注入水中的颗粒占据孔隙空间达到了一定程度。在注水工程中,成千上万的孔隙流体一般都会流过近井眼区域,在该区域大多数的颗粒沉淀下来。为了对吸水能力下降进行分析和预测,需要了解一些参数,如水的质量、地层特性和沉降速度。

Bedrikovetsky和 Wojtanowicz分别在2002—2003年和1987年建立了不同的模型来模拟颗粒沉淀 (深层滤失),有的有泥饼产生,有的没有泥饼产生。Tran和 Al-Abduwani分别在1998年和2005年研究了含油水对盐水饱和的岩心的影响。His将有悬浮颗粒的含油水注入到残余油饱和的岩心或者没有残余油饱和的岩心中,结论是用残余油饱和岩心的渗透率损害速率明显要比100%盐水饱和岩心小。他们没有对这种现象作解释。1994年,Coleman和Mclelland强调了被残余油饱和的岩心的重要性,说明即使在注水很多年以后,1口注水井在近井地区仍然存在剩余油。在这个实验中要用到X射线仪器,其优点在于它可以独立研究在岩心中厚泥饼形成的内在沉淀过程。

3 试验建立

3.1 样本条件

所有在试验中用到的岩心样品都来自同一块本特海姆砂岩。砂岩平均孔隙度为22.5%,渗透率为1200 mD(1 mD=1.02×10-3μm2),颗粒密度为2650 kg/m3,孔隙喉道尺寸为10～30μm,孔隙尺寸为100μm,颗粒直径为100～300μm。岩心直径为38 mm,岩心长度为25 mm。赤铁矿的密度为5400 kg/m3,赤铁矿颗粒直径平均为2 μm。油的黏度为53 cP(1 cP=1 mPa·s),密度为0.8679 g/cm3。用这样的岩心来做剩余油饱和测试。孔隙体积中测得平均剩余油饱和度为15%～16%。

3.2 盐水准备

将2%的 KCl加入到去离子的水中配置盐水(20 g的 KCl配置到1000 mL的水里)。盐水要被磁性搅拌机持续加热并且抽真空,这个过程最少要4 h,或者直到抽真空完成。在进行任何测试之前,盐水需要冷却到室温。用规格40M的滤纸对盐水进行过滤,目的是去除所有不能够溶解的盐。

3.3 注入工艺

试验是用1台机控线性X射线仪器完成的。这个实验能够实时测量赤铁矿颗粒在岩心中的沉淀,并不只是在实验结束的时候。剩余油饱和的岩心样本放置在X射线仪器里。实验中使用了4种泵量 (15、30、60和90 cm3/min)和3种赤铁矿浓度 [50、100和 200 ppm(1 ppm=10-6)]。从岩心末端流出的流体由一个颗粒计数器监测。

4 岩心测试结果

这部分提供了实验结果,包括赤铁矿沉淀图表和剩余油饱和的12块岩心渗透率下降的情况。这些样品叫做剩余油饱和样品。测得的结果要和另外12块在相同条件下被100%盐水饱和的岩样进行对比。被盐水饱和的岩样叫做含水饱和岩样。这些实验都是在泵量为15、30、60、90 cm3/min和赤铁矿的浓度在50、100、200 ppm的情况下完成的。例如,在泵量为90 cm3/min和赤铁矿浓度为100 ppm下做的残余油饱和度岩心试验标记为10090SOR。

通过下述讨论,可以看出剩余油的存在对渗透率衰减、颗粒沉淀的速率和侵入的深度都有非常大的影响。同样,化学分析也证实了以上结论。

5 视觉观察

直接从岩心夹持器上将岩心样本取走,会发现剩余油饱和岩心和水饱和岩心之间存在着差异。由于红色赤铁矿颗粒注入到岩心里,在剩余油饱和岩心上明显可以看到一条很长的染色,而含水饱和的岩心着色却只限制在入口附近的一个区域。实验中的岩心是将所有样本中的两个作为代表来观察它们之间的不同滤失现象。剩余油饱和样品的颜色是比较均匀的,没有水饱和岩心在入口段的染色那么强烈。这说明虽然在剩余油样品里侵入很深,但是在入口段局部浓度却小于水饱和样品在入口段的浓度。

6 X射线测试的沉淀数据图

Ali在2005年描述了如何将X射线信号转化为数据图表。图1和图2是100%盐水饱和与剩余油饱和的岩心样品的沉淀数据图表。从图表可以很明显地看出,沉淀占据了含水饱和岩心入口处的大部分地方,但是在剩余油样品中却侵入得更深。显示在图表上的数据是波动的,这反映了在这种类型试验中X射线的特点。尝试将数据线变得更加平滑,但是这样就不能对结果作一致的解释,因此决定使用原始数据。通过汇总沉积信号可以在任何时候计算出岩心内的总沉积质量。

图1 水饱和沉淀数据图

图2 剩余油饱和沉淀数据图

7 压力增加所带来的渗透率损失

在早些时间,压力逐渐增加得很慢,但是到了后期压力就会迅速增加。高浓度赤铁矿的注入逐渐产生一个高的压力场。在岩样中的剩余油试图建立一个更高的压力场,但是在一些情况下,压力的增加并不很重要。压力包括内在颗粒沉积的影响,同样也包括外在泥饼的影响。在实验中不可能消除泥饼的影响,也不可能只在岩心表面就能够测量压力的建立。然而,更早的研究表明,由于外在泥饼的原因导致的压力场可以通过隔板试验测试测量,但是和总体压力相比外在泥饼产生的压力很小,所以它就被忽略了。

8 通过扫描电子显微镜得到的结果

在测试结束的时候,仔细观察扫描电子显微镜对样品的分析。样品包括100%盐水饱和沉淀赤铁矿的岩心 (20090SW)和剩余油饱和沉淀赤铁矿的岩心。在做扫描电子显微镜测试前所用到的样品一定是干燥的。用眼睛观察盐水饱和的岩心里赤铁矿的质地是非常松散的;然而,剩余油饱和岩样里的赤铁矿形成了一个糊状的胶结很好的质地。这种现象说明水和赤铁矿之间的毛管力比赤铁矿和油之间的毛管力要小,这也就说明了赤铁矿颗粒是油湿的。从扫描电子显微镜测试可以看出赤铁矿大多数沉积在水饱和岩样颗粒表面 (表面滞留),部分赤铁矿沉积在孔隙喉道里,而剩余油饱和的岩样赤铁矿颗粒沉积在孔隙喉道里。Ali 2007年做了更近一步详细的解释。

9 确定滤失系数λ

根据深层滤失理论,Bedrikovestsky在2002年以单项流动的物质平衡原理为指导得出如下公式:

式中,c表示单位流体体积里含有的悬浮固体的含量;σ表示单位砂岩体积里含有沉淀固体的含量。Iwasaki在1937年第一次定义了滤失系数λ,滤失系数是利用上述参数和岩石特性组成的一个公式来定义的,它的单位是m-1。他通过动力学方程来定义λ。

假设滤失系数是一个常数 (λ0),那么对于c和σ的求解方法是:

式中,c0是指在岩心入口处的悬浮物的浓度;σ0是在岩心入口段的沉淀浓度。如果假定c0为常数的话,那么模型有:

因为存在入口段浓度c0为常数的假设,所以在入口段总的浓度表达式为:

那么表达式就可以写成:

式中,v=u/φ表示隙间流速。因此,如果λ0是常数,vt和C0(t)之间存在着线性关系;如果流入浓度c0也假设为常数,绘制在岩心入口段 x=0处的总浓度和时间的关系图,那么从斜率可以确定常数值。如果关系是非线性的,那么数据的斜率就会比较接近λ0。线的截距就是φc0。

C0(t)是在岩心内部的赤铁矿的浓度,不包括外部的泥饼。全部浓度可以通过在岩样入口段附近的X射线的数据图表得到,不超过1 mm厚的范围。

前面的分析有一个假设是入口段的浓度在任意时刻都是常数,然而实际上并不是这样的。在岩心的前表面,由于外部泥饼的形成,c0是随时间变化的;然而从质量守恒分析中可以估计平均的流入浓度从X射线数据中可以得到任意时间赤铁矿进入到岩心的量,因此可计算得到

为了确定λ0,强制关于 C0(t)的直线通过截距和截距相一致,那么可以根据最佳线性相对应的截距计算得到,λ0=截距。到了后期,数据点就变得有很好的线性关系。

用上述方法得到的每个岩心的λ0,其结果见表1。不管是剩余油饱和的岩样还是水饱和的岩样,低流量 (15 cm3/min和30 cm3/min)样品得到的λ0值比较大。高流量 (60 cm3/min和 90cm3/min)样品得到的λ0值都很小,该结果说明了在低流速下的颗粒捕获率比高流速下的高。在大多数的测试中,剩余油饱和下的滤失系数比水饱和下的滤失系数大。

表1 估算常滤失系数

2007年,Ali充分利用沉淀数据证实了之前分析计算λ0的结果。

10 确定地层损害系数β

用不同压力测试方法测量颗粒在岩心样品周围的沉淀造成的渗透率损害,包括内部和外部的沉淀。随着孔隙中的沉淀越来越多,压力损失也就越大。Bedrikovetsky建议用实验方法来估算地层损害系数。Bedrikovetskye的理论认为,在一个线性方程里沉淀量和渗透率的倒数成正比。根据他的理论做了相同的假设,但假设并不是总沉积量σ影响渗透率,而仅仅是在孔隙喉道附近的沉积量σthroat影响渗透率。因此,假设的渗透率可以通过 K=Ki/(1+β σthroat)得到,在这个公式里β是一个常数。如果Mthroat代表在喉道附近总的沉积质量,那么有:

为了估算Mthroat,考虑了X射线的数据。侵入的深度 xdamage可以通过X射线的数据得到。其中假设Mthroat和 xdamage成比例。可见,如果在喉道孔隙处的吸附位置的数量是有限的,那么一旦颗粒渗透到孔隙喉道处,这些位置很快就会被填满。在这样的情况下,得到的模型为:

因为常数α1的存在,一个合适的假设就是Mthroat和xdamage成正比,但是实际上 Mthroat也随着整体沉淀质量M而增加 (Ali在2007年已经研究出如何计算质量)。如果在孔隙喉道附近的吸附位置是无限的,在这种情况下得到的模型是:

图 3和图 4是 (ΔP-ΔP0)/ΔP0和 Mxdamage的关系图。两者的关系应该是一条直线,说明了无论是高流量还是低流量,水饱和样品基本上都趋于一条直线。而样品20030SW却是一个例外。然而,剩余油饱和的样品却有两个情况,高斜率表示的是低流量的岩心,而低截距代表的是高流量的岩心(除了20090SOR)。从X射线数据中可以看出,高流量的样品和低流量的剩余油饱和的岩样在沉淀状况上存在明显的区别。

图3 水饱和下Mxdamage与压力变化图

图4 剩余油饱和下Mxdamage与压力变化图

对于水饱和的岩样,以Mxdamage表征在孔隙喉道处沉积的简单模型与高流量和低流量的数据有很好的相关性。这个模型表明,当沉淀占据了很大的深度xdamage时,由于侵入质量 M的原因造成渗透率的损害更为严重。在高的流量下每一个孔隙喉道里的沉淀量少了,但是侵入更深,导致了相对更大的渗透率损害。在低流量下每一个孔隙喉道里的沉积多了,但是侵入少了,相对来说导致的渗透率损害就小些。渗透率和沉淀数据是和该图相一致的。

对于剩余油饱和的样品,渗透率和沉淀数据之间的关系就不是很清晰。从沉淀数据可以知道剩余油饱和的岩样的侵入深度比水饱和样品更大。在高流量下颗粒的沉淀比低流量下的沉淀少,但是剩余油饱和的岩样中高流量和低流量沉淀量之间的差别却没有水饱和的岩样中差别那么大。渗透率损失数据说明了高流量和低流量对渗透率损失是有差异的,但是流量和渗透率之间的关系却没有水饱和岩样流量和渗透率之间的清晰。以Mxdamage表示沉淀特征的简单模型并不能从本质上改变低流量和高流量数据与渗透率之间的相关性。

之前通过统计分析得到的结论可以用来确定表2里的 R2值。表2方法1说明了压力改变和整体沉积的质量之间的相互关系。方法1蕴含了Bedrikovetsky提出的关于沉积如何影响渗透率的一个普遍假设。表2方法2说明了压力改变和 xdamage之间的关系,方法3说明了压力改变和 Mxdamage的关系。注意到对于所有的水饱和的样品,只要忽略20015SW和20030SW样品是和一般趋势不同的话,方法3得到的 R2就比方法2的大。同样可以看出,在所有的剩余油饱和岩心里方法3并没有太好的相关性,由于剩余油的存在,使得方法1得到了最好的相关性。

表2 估算地层损害系数

11 剩余油对地层损害的影响

在所有的测试中,剩余油的存在导致了更深的侵入。因为砂岩是水湿的,期盼在孔隙内部剩余油是以液滴的形式存在,大多数的液滴存在于大孔隙里。在孔隙体中存在的油滴降低了捕获的几率,并且有效地减少了沉积的固体颗粒含量。当一个固体颗粒在饱和水的条件下到达孔隙中时,它要么吸附在孔隙壁的表面,要么就在孔隙喉道附近。当一个固体颗粒在剩余油饱和条件下到达含有油滴的孔隙里,除了上面的吸附可能性以外,它还有可能吸附在油滴的表面。因为赤铁矿是油湿的,吸附到油滴表面就更容易些,这就说明了在剩余油存在的情况下捕获的几率就增加了,这与实验迹象相反。

一种解释是剩余油在实验阶段是流动的,吸附在油滴上的赤铁矿就会在整个岩心里流动,使赤铁矿侵入得更深。然而在测试中,油不能够从来自岩心的排泄流中检测出来,所以结论是剩余油是不流动的。

扫描电子显微镜测试结果表明,当赤铁矿注入以后剩余油饱和岩样的形态与水饱和岩样的形态不同。因为岩样在分析之前需要干燥,关于差异的本质不可能形成任何结论;一般认为,在剩余油饱和的情况下大多数赤铁矿吸附到了油滴上,而在水饱和的情况下,赤铁矿吸附到了砂岩上。

这也就表明油滴的存在实际上是阻止了赤铁矿往孔隙壁和孔隙喉道上吸附,但是这种现象是如何发生的却不是很清楚。在孔隙喉道里赤铁矿吸附地层的几率因为油滴的存在而被减弱,油滴倾向于拆散赤铁矿和孔隙喉道之间的联系。赤铁矿在孔隙壁上的吸附会被油滴的自由移动所影响,油滴会把在孔隙壁和喉道上沉淀的颗粒移除。