地下岩体的流动电位研究

2019-09-19张海发

太原理工大学学报 2019年5期

张峰，张海发，曾聪

(1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广州 510611；3.中国地质大学(武汉) 工程学院，武汉 430074)

注液开采是油田开发过程中常用的方法。国内二次采油一般都采用注水的方式；有的油田一次开采时就直接采用注水开采；在油田的三次开发中也广泛采用了聚合物驱油等注液开采的方式[1-3]。在注液开采的情形下油气层的导电机理发生了变化，采用常用的测井解释方法难以准确了解这类复杂油气层的导电规律[4]。寻找其他新型油气探测方法，对现阶段提高复杂油气层的评价精度有着非常重要的现实意义。

流动电位产生的基本原理是：在外加压力的作用下，液体通过固体孔隙产生定向流动，在固体孔隙的两端即产生流动电位。王建等[5]利用流动电位法研究了聚烯烃微孔膜在电解质溶液中的动电现象；张亚萍[6]研究了荷电膜的动电现象；蔺爱国等[7]研究了改性聚四氟乙烯膜在油田含油污水处理中的动电现象；汪锰等[8]阐述了膜Zeta电位测试技术研究进展。这些学者所述的动电效应，主要在化工和水分析等行业研究和应用得较多。在注液开采石油的过程中由于水和驱替液等的注入，液体能源储层中的流体压力进行了重新分配，亦即在外力作用下，固、液两相进行了相对移动。根据流动电位产生的原理，当注液采油时，不管注入的是什么液体，只要采用将流体压入含油层以驱替石油的方式，就有可能在岩体中产生流动电位，也就有可能通过监测地下流动电位的变化来达到对流体流态监测的目的。于华等[9]研究了储层岩石流动电位的电化学影响因素；姚军等[10-11]、卜亚辉等[12]和杨春梅等[13]对油田开发过程中的动电现象进行了研究，指出在生产测井中存在动电效应。如果能通过监测地下各处产生的流动电位来推测储层流体的即时状态，理论上就可以大大提高对地下流体流态推测的效率。

本研究的室内外实验将利用流动电位理论测试流体注入岩体的过程中流动电位产生的即时状态。室内实验以中砂岩作为岩心，测定不同注入压力和不同注入液矿化度下的流动电位。野外注水实验在砂岩层中进行，探讨将注液过程中监测流动电位的思路推广到注液采油生产实践中的可行性。

1 实验原理

图1为理论上岩石孔隙内流动电位产生的过程[14]。如图所示，岩石与水接触的界面上形成双电层。假定固体孔隙左右两侧溶液浓度相等，且无流体压力存在，由于电中性原因，双电层处于电化学平衡状态。由于岩石表面带负电荷，岩石表面附近的溶液中存在正离子。当溶液在外加压力下自右向左流动时，固体表面的第一层阳离子因固体表面负电荷的吸引不能移动；而那些离固体表面稍远的阳离子运动自由度较高，流动性也好，与溶液中的阳离子一起向流出侧移动；固体孔隙中的阳离子向孔隙左端移动从而形成流动电流，导致注入侧的电性显示的是负电荷，流出侧显示的是正电荷。当注入压力增大时，更多的阳离子向流出侧移动；此时，固体孔隙下游由于正离子的积聚产生了一定的电势，即为流动电位Es.这种由流体流动引发的电流就是流动电流，在孔隙两端产生的电位差就是流动电位Es[15].

图1 压力作用下流体流动电位产生的过程Fig.1 Generation process of fluid streaming potential under pressure

流动电位Es可由Fitterman公式[16]计算得到：

式中：Es为流动电位，V；C为流动电位系数，V/Pa；Δp为流体的压力差，Pa；ε为流体的介电常数，F/m；ξ为中心电位(Zeta电位)，V；δ为流体的电导率，S/m；η为流体的粘度，Pa·s.

从上式可以看出，理论上流动电位的大小主要取决于作用在孔隙系统上的、控制双电层扰动程度的外加压力，同时与固体表面和溶液的性质也有关。

2 室内流动电位测定实验

2.1 测试装置

为使流动电位室内测定实验与实际液体能源开发时的工况条件相匹配，采用储层的中砂岩岩样作为岩心，采用矿化度20～20 000 mg/L的盐水溶液作为注入液(该矿化度区间基本覆盖了实际地层环境的矿化度范围)。

实验主要研究地层条件下不同矿化度的注入液和不同注入压力时，岩心内流动电位产生的情况。根据流动电位测试实验的目的，设计了实验测试系统整体模型，见图2。室内岩心流动电位测试系统如图3所示。

图2 室内岩心流动电位测试系统模型图Fig.2 Model diagram of streaming potential measurement system for indoor core

图3 室内岩心流动电位测试系统图Fig.3 Streaming potential measurement system of indoor core

流动电位室内实验系统主要设备如下：

1) 压力容器。最大极限压为20 MPa，材料为特种钢。内部可以放置直径50～100 mm、长度100 mm的岩心。压力容器内的轴压和围压由一台压力调节装置控制。

2) 注水泵。注水流量为0.001～200.000 mL/min，注入压为0～25 MPa，流量和流压的大小可以由电脑进行控制。

3) 数据控制设备。数据传输设备由电脑进行控制。

2.2 试件制备

室内实验采用的岩样来自某油田1 700 m深度的地层，岩心胶结良好，泥质含量较低，为中砂岩。岩心的制备参照美国岩心协会推荐的程序进行：

1) 将岩心打磨为直径50 mm、长度100 mm的圆柱体。

2) 对岩样进行洗油、洗盐处理，在恒温箱中烘干24 h，再在常温下真空干燥。

3) 在常温下测定岩心的相关物性参数。

岩心具体物性参数见表1.

表1 砂岩岩心的初始物性参数Table 1 Initial parameters of sandstone cores

2.3 实验工况

实验围压设定为20 MPa，以模拟实际岩样地层深度1 700 m的压力环境。

本次实验的工况及步骤具体如下：对岩样电极进行分极处理，接数据线，作防水固化处理，嵌入到高压容器；分别制备矿化度为20，200，2000，20 000 mg/L的KCl溶液作为注入液；加模拟地层的围压，加适当轴压，分别采用不同矿化度的注入液来饱和岩心；采用与饱和岩心的矿化度一致的注入液来注入岩心，注入压分别设定为0，200，400，600，800，1 000 kPa；采集不同矿化度和不同注入压力下流动电位的数据。

3 室内实验结果与分析

在不同的注入液矿化度和不同注入压力条件下对中砂岩岩心进行流动电位监测实验，得到流动电位与注入液压力和注入液矿化度的关系，见图4.

图4 注入液压力、矿化度与流动电位的关系曲线Fig.4 Curve of streaming potential under different injection pressure and solution salinity

由图4可以看出：注入压力为0时，流动电位也为0；注入压力越大，产生的流动电位也越大；同一注入压力下，流动电位随着注入液矿化度的降低而增大；注入液矿化度、注入压力与流动电位均呈线性相关。实验可以说明，在中砂岩中注入流体时产生的流动电位现象较明显。

鉴于流动电位与注入液矿化度的关系，建议在实际油藏开发中采用淡水注入，以便于更为容易地采集流动电位数据。

本文仅对中砂岩做了研究。下一步将考虑对我国不同油田区域的各种砂岩进行大量的流动电位测定实验及数据统计。对于某一固定油田区域，就可以利用采集到的流动电位数据和室内实验计算的流动电位系数关系，推测出某一特定区域的压力分布情况。

4 野外流动电位测定实验

为了研究地层注水时产生的流动电位的实际情况，在野外进行了小规模的流动电位测定实验，实验在砂岩层中进行。首先进行钻孔，钻孔深度20 m，钻孔揭露的地层为：耕植土厚度1 m，泥岩地层厚度1～7 m，泥岩层以下为中砂岩岩层，地下水位位于地下10 m处。其次以钻孔为测试中点，布置两条互相垂直的测线。测线1长度为128 m，电极间距2 m，共布设64根电极；根据野外场地条件，测线2布置49根电极。

实验时，在钻孔内孔深10.8 m处插入花管，注水压为0.13 MPa.地下水位以上的10 m水头相当于一个大气压(约0.10 MPa)，故注入压总计为0.23 MPa.注入流量为144 L/min，共注水16 min，注入水为淡水。

将实验结束后测得的现场电位数据和初始自然电位数据进行差分处理，得到不同注水时间时钻孔部位的流动电位。流动电位变化的情况如图5所示。从图5可以看出：