低矿化度水驱提高采收率影响因素研究

曲世元，姜汉桥，李俊键，周宇，常元昊，赵子丹

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;2.挪威科技大学 纳米力学实验室，挪威 特隆赫姆 7491;3.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院， 陕西 西安 710065)

低矿化度水驱作为低油价条件下一种简单有效、经济可行的提高采收率方法，其研究价值日趋显著[1-3]。Martin(1959)首次提出降低注入水矿化度能提高采收率[4]；而后Tang和Morrow通过岩心实验发现，低矿化度水驱可有效提高采收率[5]；近年来，国内外开展了大量室内和矿场实验[6-7]，论证了该技术的可行性以及可能的提高采收率机理[8-12]，但对其影响因素的研究尚不完全[13]，甚至存在矛盾，有待进一步的探讨。

本文探索了3种因素对低矿化度水驱提高采收率的影响，以相应物理参数的变化验证并梳理了部分学者所提出的该技术的相关机理，进而对低矿化度水驱影响因素及机理进行较为系统的阐释。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

氯化钠、氯化镁、氯化钙、碳酸氢钠、盐酸、氢氧化钠均为分析纯；胜利油田A区块弱酸性原油(pH值为6.79)；石英砂、环氧树脂E-44(6101)、高岭石、蒙脱石、伊利石(95%)均为工业级。

BH-2型真空加压饱和装置；LB-1型平流泵；ISCO-260D型高压无脉冲计量泵；DP15-22型压力传感器；BS223S型电子天平；PHSJ-4F型pH仪；QCA 25科研型润湿角测量仪；DCAT 15科研型界面张力测量仪；FDR-3人造岩心压制仪器等。

1.2 实验准备

1.2.1 中性原油及碱性原油配制 将不同浓度的NaHCO3溶液依次加入原油中，在高温下充分搅拌，再进行脱水，用pH试纸检测处理后的油样酸碱度，直到得到实验所要求的中性原油以及碱性原油为止。

1.2.2 岩样制备 制备不同黏土配比的岩心6块，相同黏土配比(蒙脱石60%+高岭石30%+伊利石30%)岩心5块，岩心具体参数见表1和表2，且为保证每组实验岩心孔隙结构尽量相似，相同参数条件的岩心均为统一压制后切割为标准样。

表1 不同黏土配比岩心成分表Table 1 Core composition of different clay ratios

表2 相同黏土配比岩心数据表Table 2 Core data of the same clay ratio

1.2.3 水样配制 根据胜利油田A区块地层水以及低矿化度水离子含量计算并分别配制所用水样，见表3和表4。

表3 地层水性质Table 3 Formation water properties

表4 低矿化度水性质Table 4 Low salinity water properties

1.3 实验方法

为方便区分和叙述，将用于不同研究的岩心进行编号，见表5。

表5 岩心使用说明Table 5 Instructions for use of core

1.3.1 饱和水 记录岩心干重(g)和直径长度(cm)。将岩心放入抽真空装置，抽真空7 h。加地层水饱和(加压20 MPa)，记录水不自吸(完全饱和水)时岩心重量，并计算含水饱和度。

1.3.2 饱和油 采用恒速0.05 mL/min速度油驱水饱和油，围压5 MPa，驱替15 PV油量，记录累积出水量，计算含水饱和度，并放置60 h进行老化。

1.3.3 低矿化度水转注 对于奇数号岩心，在温度为90 ℃的高温箱中，采用恒速0.05 mL/min速度地层水驱，围压5 MPa，注入0.5 PV地层水，后转注低矿化度水，含水率达到98%，停止实验，实时记录注入压力、出水量以及出油量等相关数据，每隔注入0.5 PV后取产出水进行pH值、界面张力以及润湿性测试。

1.3.4 地层水驱 对于偶数号岩心，在温度为90 ℃的高温箱中，采用恒速0.05 mL/min速度地层水驱，围压5 MPa，水驱至含水率为98%停止实验，实时记录注入压力，出水量、出油量。每隔注入0.5 PV后取产出水，进行pH值、界面张力以及润湿性测试。

2 结果与讨论

2.1 提高采收率效果

2.1.1 黏土矿物组成的影响 黏土矿物成分对低矿化度水驱的影响,测试结果见图1。

图1 不同黏土矿物组成低矿化度水驱与常规水驱采收率对比Fig.1 Comparison of recovery efficiency between low salinity water flooding and conventional water flooding under different clay mineral compositiona.高岭石对比(I);b.伊利石对比(II);c.蒙脱石对比(III)

由图1可知，全过程3组对比实验低矿化度水驱采收率均大于地层水驱采出程度，即含有黏土矿物的地层低矿化度水驱相比常规水驱采收率更高；3种黏土矿物占比高时采收率提高，高岭石60%+蒙脱石20%+伊利石20%(1号、2号岩心)相比提高1.9%，伊利石60%+高岭石20%+蒙脱石20%(3号、4号岩心)相比提高3.3%，蒙脱石60%+高岭石20%+伊利石20%(5号、6号岩心)相比提高5.7%，即含有更多蒙脱石黏土矿物的岩心低矿化度水驱的采收率更高。

2.1.2 原油酸碱性的影响 油品酸碱度对低矿化度水驱的影响测试结果见图2。

图2 不同原油酸碱性低矿化度水驱与常规水驱采收率对比Fig.2 Comparison of recovery efficiency between low salinity water flooding and conventional water flooding under different crude oil acidity and alkalinity

由图2可知，酸性原油测试全过程地层水驱(7号岩心)采出程度为37.3%，转注低矿化度水驱(8号岩心)采出程度为42.3%，低矿化度水驱方案提高采收率5个百分点；中性原油测试全过程，地层水驱(9号岩心)采出程度为37.1%，转注低矿化度水驱(10号岩心)采出程度为40.7%，低矿化度水驱方案提高采收率3.6个百分点；碱性原油测试全过程，地层水驱(11号岩心)采出程度为37%，转注低矿化度水驱(12号岩心)采出程度为38.5%，低矿化度水驱方案提高采收率1.5个百分点。对于全过程地层水驱，油品偏酸性采出程度略高，但并不明显；利用酸性原油进行低矿化度水驱测试时，最终的采出程度明显高于碱性原油条件下的采出程度，即原油偏酸性为实施低矿化度水驱的有利因素。

2.1.3 黏土含量的影响 黏土含量对低矿化度水驱的影响测试结果见图3。

图3 不同黏土含量岩心低矿化度水驱与常规水驱采收率对比Fig.3 Comparison of recovery efficiency between low-salinity water flooding and conventional water flooding under different clay content coresa.黏土含量10%(Ⅳ)；b.黏土含量5%(Ⅶ)；c.黏土含量0(Ⅷ)

由图3可知，黏土含量5%岩心全过程地层水驱(13号岩心)采出程度为37.5%，转注低矿化度水驱(14号岩心)采出程度为39.6%，低矿化度水驱方案提高采收率2.1个百分点；黏土含量0岩心全过程地层水驱(15号岩心)采出程度为38.61%，转注低矿化度水驱(16号岩心)采出程度为38.6%，低矿化度水驱方案提高采收率0.5个百分点；而黏土含量10%岩心低矿化度水驱(7、8号岩心)提高采收率5个百分点。随着黏土含量的增加，对于全过程地层水驱，受黏土矿物水敏等的影响，采收率下降，而在低矿化度水驱时，其采收率明显增加，即仅在含有黏土矿物的地层中，低矿化度水驱才能有效提高采收率，且地层黏土含量越大，效果越突出。

2.2 属性参数变化

水驱不同阶段产出水的pH值、界面张力和润湿角的测试结果见图4。

图4 属性参数测试结果Fig.4 Attribute parameter test results

由图4可知，(1)总体来看，在全过程地层水驱测试中，3种属性的变化情况并不明显，而在转注低矿化度水驱测试中较为明显的出现了pH值增大、界面张力减弱、润湿角变小的现象；(2)不同油品酸碱性以及黏土含量测试组的属性测试值差异程度较显著，蒙脱石含量越大时，低矿化度水驱引起的属性变化程度越大，即低矿化度水驱的效果越明显；(3)对于不同的油品酸碱性测试，pH值的变化幅度大体相当，但界面张力以及润湿角的差异性较大，随着黏土矿物含量的减小，3种属性变化的幅度明显减小，当不含黏土矿物时，其作用效果甚至与全程水驱的效果相当。

2.3 低矿化度水驱影响因素分析

属性参数值的变化是影响低矿化度水驱的宏观表因，从微观上来说，属性参数的变化又是黏土矿物、岩石骨架与低矿化度水之间发生物理化学反应所导致的。

2.3.1 黏土矿物成分 地层岩心中黏土矿物种类丰富，但主要以蒙脱石、伊利石和高岭石3类黏土矿物为主。从微观上来说，黏土矿物晶体结构决定了该矿物对低矿化度水驱效果的影响，3类黏土矿物晶体每一个结构单元均是由Si—O四面体层和铝氧八面体(Al-O/OH)层组成，高岭石类黏土矿物晶体包含两层(Si—O四面体层和铝氧八面体层各一层)，氢键连接着每一层，因此其膨胀性较弱离子交换能力也较弱；伊利石的主要矿物是云母，其结构类似于蒙脱石晶体且更容易发生离子交换，但由于替代作用不如蒙脱石，因此离子交换能力和膨胀性一般；而蒙脱石晶体则是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体构成，层与层之间主要作用力为范德华力，连接较弱，极易吸收水分子，因此膨胀性最强，且结构中的Si4+极易被Al3+所替代，从而产生电荷不平衡，进而导致蒙脱石晶体具有显著的离子交换能力。3类黏土矿物基本特性见表6。

表6 3种黏土矿物基本特性Table 6 Basic characteristics of three clay minerals

对于低矿化度水驱，由于注入的水的影响，破坏了地层中原有的离子化学平衡，由于黏土矿物成分含量的差异，含有更多蒙脱石的岩心其离子交换能力相对最强，pH变化更为明显，同时由于蒙脱石晶体结构更易吸水，注入低矿化度水后，黏土矿物颗粒发生运移膨胀，进入原始地层的孔隙结构，从而引起孔隙度和渗透率的变化，最终转变液流方向，宏观表现为扩大波及系数，提高采收率效果更为显著。

2.3.2 原油酸碱度 最初在地层中有机酸和基质是通过无机阴离子(例如Ca2 +)吸附在黏土表面的，并建立了化学平衡。地层中由于溶解了CO2和H2S，原始地层中液体的pH值通常在5以下。当注入低矿化度水后，由于离子浓度不同，破坏了原始地层的平衡，发生离子解吸，在这种状态下，水中的H+将被吸附在岩石表面上，以弥补岩石表面丢失的阳离子，导致阳离子和H+相互转化。变化关系如下：

[黏土- 阳离子]+H2O=[黏土-H+]

+阳离子+ OH-

阳离子+OH-= [阳离子-OH-]-

此时，地层水中pH相应上升，黏土表面的有机物质以及原油中的有机酸将和—OH反应，即常说的皂化反应，形成一个酸-盐的界面：

[黏土-RCOOH]+OH-=黏土+RCOO-+H2O

该反应对pH异常敏感，同时生成表面活性物质，可有效降低界面张力和润湿角。通过不同原油酸碱度属性实验，可以推测油品酸碱度的选取影响了皂化反应生成表面活性物质，导致了界面张力和润湿性的差异化。地层呈酸性的条件下，低矿化度水驱在一定程度上可以有效提高地层水pH，进而促进皂化反应的进行，呈现出表面活性剂驱替效果。

2.3.3 黏土含量 低矿化度水驱提高采收率机理为：一方面，带有黏土矿物的岩心中的伊利石、蒙脱石离子交换能力和表面面积都较大，在地层岩石表面容易发生离子交换，注入低矿水后，水中H+等把岩石表面有机极性化合物和有机金属复合物等复杂阳离子置换下来，导致局部pH增高；同时，黏土矿物的溶解一定程度上也会使产出水的pH值上升。进而原油的酸组分或极性组分在碱性条件下发生皂化反应产生表面活性剂，具有了类似碱驱的机理，使得储层润湿性更加亲水，同时降低了界面张力。另一方面，对于带有黏土矿物的岩心，注入低矿水后，膨胀性黏土会水化膨胀，非膨胀性黏土可以脱离岩石表面，即地层中部分黏土矿物将发生溶解和颗粒运移，这将会改变储层的原有的孔隙结构，进而改变注入水液流方向，矿物颗粒溶解运移一定程度封堵了主流通道，减小了指进现象，使得驱替范围更广，扩大了注入水的波及范围，产生了类似聚合物驱的效果。即在合适的条件下，低矿化度水驱能够一定程度上兼具碱驱的增大洗油效率以及聚合物驱的增大波及效率的特性。

同时从属性变化来看，黏土矿物含量越高，属性差异越大，而从提高采收率效果来看，黏土矿物含量越高，其采收率效果越高。结合低矿化度水驱提高采收率机理不难看出，黏土矿物的存在是低矿化度水驱取得较好效果的必要条件。

3 结论

(1)在黏土矿物含量相近时，蒙脱石含量最高的岩心低矿化度水驱的效果最为明显(提高采收率5.7个百分点)，而高岭石含量最高的岩心低矿化度水驱的提采效果最差(提高采收率1.9个百分点)，伊利石含量最高的岩心低矿化度水驱提采效果居中(提高采收率3.3个百分点)，即黏土矿物组成对低矿化度水驱效果影响较大，所含黏土矿物离子交换能力的高低决定了低矿化度水驱的提高采收率效果。

(2)黏土含量10%的岩心转注低矿化度水后能提高采收率5个百分点，而不含黏土含量时提高采收率仅0.4个百分点，即岩心是否含有黏土矿物是低矿化度水驱提高采收率的必要条件；酸性原油低矿化度水驱时提高采收率程度高于中性及碱性原油，即酸性原油为低矿化度水驱提高采收率的有利条件。

(3)与全过程水驱测试相比，转注低矿化度水驱测试中较为明显的出现了pH值增大，界面张力降低，润湿角减小的现象。即低矿化度水注入岩心后出现了类似碱水驱的作用效果，提高了注入水的洗油效率，进而提高最终采收率。