沉淀型半透膜材料在低渗油藏中改善水驱适应性研究——以高21沙二段油藏为例

王伟琳

(胜利油田东胜精攻石油开发集团股份有限公司，山东 东营 257000)

0 引言

半透膜是一种对不同粒子通过具有选择性的薄膜。常用的半透膜材料包括高聚物型(醋酸纤维素和芳香聚酰胺)和低分子量沉淀物型(亚铁氰化铜)等[1]。半透膜技术主要在污水处理、药物缓释和石油化工等行业中广泛研究和应用[2-3]。2012年Kevin England等人[4]将其引入到裂缝性油藏提高采收率领域:在裂缝表面涂覆半透膜材料，只允许水分子跨膜输运，阻止矿物离子通过;这样在注入水和地层水离子浓度差异作用下，注入水会自动进入基质，补充能量，排出原油，实现自吸—增能—驱油。之后，刘德新等人[5-6]研究了Cu2[Fe(CN)6]半透膜的渗吸驱油效果，发现其能够提高低渗基质原油采收率。尽管如此，对于低渗油藏提高采收率，尤其是类似高21沙二段平面和纵向矛盾突出的油藏，直接封堵水流优势通道，扩大波及体积对改善水驱开发效果也尤为关键。而关于类似沉淀型半透膜材料封堵能力的研究鲜有报道。此外，在低渗油藏调剖方面，人们研发了水气交替、泡沫、聚合物微球、聚合物冻胶和泡沫冻胶等注入方法和封堵体系，实际应用中取得了不同程度的效果，同时也曝露出低渗伤害、堵塞等问题[7-16]。沉淀型调剖剂由于初始黏度低，往往表现出良好的注入性和低伤害特征，而且耐温耐盐性强[17-20]。一些针对中高渗油藏条件的室内研究发现，沉淀型调剖剂对水流通道的封堵能力有限，渗透率封堵率约为60%～70%[20];而在低渗油藏中由于孔喉更加细小，沉淀剂的封堵能力有望改善。该研究就沉淀型材料在低渗油藏中封堵水流通道的适应性进行了探讨，以期为低渗油藏改善水驱方法的选择提供借鉴。

1 区块特征

高21块沙二段油藏探明含油面积3.21 km2，地质储量140.91×104t，属于低渗油藏，平均孔隙度为22.4%，渗透率为35.0 m D。为了补充地层能量，2007年开始注水开发，现有注水井5口，采油井14口，采出程度14.9%，综合含水80.3%。水驱优势通道发育、水窜严重是区块注水开发的主要问题。平面上，5口注水井中的4口进行示踪剂测试，发现均发育水驱优势通道(如图1所示)。纵向上，44为主力吸水层，吸水量占90%以上，43和45吸水不足，单层突进严重。优势通道对应油井呈现高液量、高含水、高能量特征(例如G21-8井日产液11.9 m3，含水87.1%，动液面在1 618 m)。非优势通道区域油井表现为低液量、低含水和低能量特征(例如G21-11井日产液1.9 m3，含水76.3%，动液面在1 869 m)，且在进一步恶化。如何封堵水流优势通道，增加非优势通道区域吸水，扩大波及体积成为改善区块注水效果的关键。

图1 高21沙二段油藏注水井优势通道发育特征Fig.1 Growth characteristics of water injection well dominant channel in the Sha2 in Gao21 reservoir

高21沙二段油藏除渗透率低外，其另一突出特征是地层水矿化度高，钙离子浓度高。例如，G21-5井产出水矿化度达30.5 g/L，钙离子含量达2.1 g/L(见表1)。地层水矿化度高，会在注入水和地层水之间形成较大的离子浓度差(注入水矿化度仅为0.6 g/L)，若在两者之间建立一层半透膜，那么矿物离子浓度差异能够在注入水和地层水间形成附加渗透压差，促使注水自发进入低渗基质中的高矿化水，扩大波及体积[3，5]。另一方面，半透膜材料在相对高渗区域内的沉积，能够直接封堵水流优势通道，扩大注入水波及体积。此外，地层水中钙离子含量高，为原位碳酸钙型沉淀的形成提供了物质基础。因此，沉淀型半透膜材料在类似高21沙二段低渗油藏中具备改善注水开发效果的应用潜力。

表1 高21-5井地层水矿物离子组成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

对于地层水中钙离子含量普遍较高的油藏，考虑注入Na2CO3，形成原位CaCO3沉淀。这样做一方面减小低渗基质表面孔喉尺寸，以期形成半透性膜;另一方面直接封堵高渗水流通道，同时实现钙离子的有效利用。此外，地层水中钙离子的沉淀，也能够潜在降低高盐条件对化学剂稳定性的影响，增强类似高盐油藏中其他化学驱油方法适应性。

2.1 微观沉积形态

首先将G21-5井模拟地层水与浓度为5.6 g/L的Na2CO3溶液混合，形成乳白色CaCO3悬浮液。将悬浮液一分为二，一份在烧杯中保存，模拟Ca-CO3在连续体相中沉积过程;另一份滴加到水湿性玻璃片表面，模拟CaCO3在岩石微孔壁面的沉积过程。30 min后对沉积样品进行显微观测，沉积样品微观形貌如图2所示。通过观察可以发现，不同沉积环境中，CaCO3沉积形态显著不同:1)在连续体相中，初始悬浮的CaCO3微粒会逐渐生长为粒径更大的沉淀颗粒，最终粒径约为1μm，而实际低渗油藏岩石喉道直径也往往在微米级别，具备一定的封堵潜力;2)在水湿壁面上，CaCO3微粒会直接沉淀、附着在壁面上继续生长，而非聚结成更大的结晶颗粒。可见，实际地层中CaCO3沉淀对水流通道的封堵，表现出2种不同的形式:生长成大颗粒直接封堵孔喉和在孔壁的逐层涂覆减小孔径。

图2 CaCO3在不同条件下的沉积形态Fig.2 Depositional morphology of CaCO3 under different conditions

2.2 沉淀物的半透性

为了进一步确认CaCO3沉积能否将岩石孔喉减小至半透性，设计了半透膜增压实验:首先根据高21油藏实际岩石孔喉尺寸(平均最小孔喉3.78μm，最大孔喉13.0μm)分 别选用孔径为2.5μm和11.0μm的Whatman滤纸作为支撑骨架;将地层水和Na2CO3交替喷涂到滤纸上，晾干后包覆到长颈漏斗底部，密封;在漏斗内装入高矿化度地层水(用亚甲基蓝染色)，烧杯中加入低矿化度注入水，使初始液面平齐;然后根据长颈漏斗内页面的上升情况判断涂覆膜的半透性，若液面上升，说明烧杯中水分子跨膜进入漏斗，而漏斗中的矿物离子难以进入烧杯，形成半透膜;若液面保持平齐，说明漏斗中的矿物离子跨膜进入烧杯，同时水分子也可以顺利跨膜进入漏斗，未形成半透膜。沉淀材料的半透性如图3所示，半透膜实验结果见表2。

图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

根据半透膜实验结果可以发现，CaCO3沉积后，孔径为2.5μm的滤纸并未表现出半透性，漏斗内外液面平齐，说明原位CaCO3沉淀很难使低渗岩石孔径减小至表现出半透性的尺度(亚纳米级)。

2.3 封堵能力

尽管不能形成半透膜，但是CaCO3的地下沉积仍具有封堵高渗水流通道，扩大波及体积的潜力。因此，通过岩心模型(直径2.5 cm、长度10.0 cm、渗透率78.5～708.0 m D)中的封堵实验，对原位Ca-CO3沉淀封堵水流优势通道的能力进行考察。

2.3.1 注入方式的影响

岩心模型饱和地层水后，采用直接注入沉淀剂Na2CO3和产出地层水/Na2CO3交替注入2种方式。图4所示为原位CaCO3对模型的封堵能力。在Na2CO3用量约1.0 PV的条件下，连续注入方式的稳定阻力系数为1.2，渗透率封堵率为18.9%，沉淀具有一定的封堵能力。为了进一步增强地层水中钙离子与Na2CO3的接触，将产出地层水与Na2CO3交替注入(交替尺寸0.25 PV)，阻力系数增大至1.7，渗透率封堵率为40.7%，封堵能力有所提高，这说明仅依靠地层水中的钙离子的原位沉淀，可以在不同程度上封堵高渗水流通道，渗透率封堵率在18.9%～40.7%。

图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 渗透率的影响

低渗油藏中，尽管平均渗透率较低，但往往发育一些高渗条带等，导致注入水窜流。例如，高21沙二段低渗油藏，平均渗透率较低为35.0 m D，但是其优势通道渗透率可达150～1 000 mD。为了进一步确认原位CaCO3体系对高渗通道的封堵能力，在708.0 mD模型中开展了封堵实验。图5所示为不同渗透率下CaCO3的封堵能力。可以发现，原位CaCO3体系在高渗中封堵能力略微减弱，稳定阻力系数为1.3，渗透率封堵率为25.0%。可见，类似高21的低渗、高盐油藏中，地层水钙离子含量较高，通过沉淀回注水中的钙离子，能够对水流通道形成一定的封堵。

图5 不同渗透率下CaCO3的封堵能力Fig.5 Plugging capability of CaCO3 under different permeability

2.3.3 浓度的影响

除了沉淀地层水中的钙离子外，考虑到无机沉淀材料较为廉价，探索采用高浓度CaCl2和Na2CO3交替注入的方式，封堵高渗通道。图6所示为不同浓度CaCO3沉淀体系的封堵能力。发现高浓度沉淀体系对模型的封堵能力明显增强，稳定阻力系数从1.7增大到3.25，渗透率封堵率从40.7%增大到69.2%。原位CaCO3体系具备作为低渗油藏调剖剂的应用潜力。

图6 不同浓度CaCO3沉淀体系的封堵能力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体系能够在一定程度上封堵水流通道，但是不能在低渗基质表面形成半透膜。为了获得一种兼具半透膜性能和高渗封堵通道能力的体系，对一种典型的Cu2[Fe(CN)6]沉淀体系进行了半透性和封堵性能研究。

3.1 沉淀的微观形貌

将CuSO4和K4[Fe(CN)6]按照57.6 g/L和50.64 g/L的浓度混合[5]，形成血红色沉淀。将沉淀物一分为二:一份在烧杯中保存，模拟Cu2[Fe(CN)6]在连续体相中沉积过程;另一份滴加到水湿性玻璃片表面，模拟Cu2[Fe(CN)6]在岩石微孔壁面的沉积过程。30 min后对沉积样品进行显微观测，沉淀形态如图7所示。可以发现，与CaCO3沉淀不同，CuSO4与K4[Fe(CN)6]混合后会快速形成稳定的Cu2[Fe(CN)6]絮状、丝状沉淀;不同沉积时间和沉积环境中，沉积形态相似，对Cu2[Fe(CN)6]沉淀的形态影响较小;并且沉淀物呈现连续的网状结构，实现对岩石孔喉的封堵。

图7 Cu2[Fe(CN)6]在不同条件下的沉积形态Fig.7 Depositional morphology of Cu2[Fe(CN)6]under different conditions

3.2 沉淀物的半透性

为了进一步确认Cu2[Fe(CN)6]沉积能否将岩石孔喉减小至半透性，按照前述步骤将CuSO4和K4[Fe(CN)6]喷涂到滤纸表面，利用设计的半透膜增能实验判断Cu2[Fe(CN)6]沉淀物的半透性(参照图3和表2相关数据)。从图3可 以 看出，Cu2[Fe(CN)6]沉淀在GR5滤纸表面时，水分子能够通过滤纸进入长颈漏斗，使其液面升高(高于烧杯内)，同时亚甲基蓝染色剂没有透过滤纸进入烧杯，这说明Cu2[Fe(CN)6]沉淀能够在孔径为2.5μm的孔隙介质表面形成半透膜。但对于孔径更大的11.0μm条件(GR1)，漏斗内液面没有升高，且亚甲基蓝染色剂顺利通过滤纸进入烧杯，说明没有形成半透膜。可见，Cu2[Fe(CN)6]能够在较小的2.5μm孔喉表面形成半透性薄膜，而孔径达到11.0μm，半透膜难以形成。

为了进一步确认半透膜性对驱油的影响，利用传统的渗吸驱油装置[5]，开展了无半透膜和有半透膜条件下的渗吸驱油实验，实验结果见表3。可以发现半透膜的存在有助于低渗基质原油的采出，无半透膜时原油渗吸采收率为38.5%;半透膜作用下渗吸采收率提高到41.2%，增幅2.7%。值得注意的是，Cu2[Fe(CN)6]类沉淀材料成本较高，在使用浓度条件下渗吸原油采收率增幅2.7%，存在潜在的经济性问题。有必要就其封堵水流优势通道，扩大波及体积能力进行研究，以进一步判断其改善水驱适应性。

表3 半透膜沉积对岩心渗吸驱油的影响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 注入方式的影响

原位CaCO3沉淀体系研究过程中发现，交替注入是沉淀类堵剂较好的注入方式。为了进一步确认交替段塞尺寸对其封堵能力的影响，分别设计了0.10 PV，0.25 PV和0.50 PV段塞交替实验，同时探索了水段塞(尺寸:0.05 PV)分隔对沉淀体系封堵能力的影响，结果如图8所示。

由图8可见，CuSO4和K4[Fe(CN)6]交替段塞为较大的0.50 PV时，体系封堵能力较弱，稳定封堵阻力系数为1.8，渗透率封堵率为45.7%，应考虑减小交替段塞尺寸，增强2种沉淀剂的接触反应程度。当交替段塞减小到0.25 PV时，随着注入量的增大，阻力系数稳定上升，累注1.30 PV时，阻力系数为4.8，渗透率封堵率为79.2%，体系对水流通道的封堵能力明显提升。进一步减小交替段塞尺寸到0.10 PV时，阻力系数随注入量的增加快速升高，累计注入1.15 PV时阻力系数为6.6，渗透率封堵率为84.7%，表现出良好的封堵能力。但是，过快的阻力系数(压力)增长说明，若注入量继续增大，该注入方式可能存在潜在堵塞风险。对比0.25 PV和0.10 PV两种交替方式发现:1)较大的0.25 PV交替时的封堵能力比0.10 PV时仅略微降低(前者稳定封堵率为84.7%，后者为79.2%)，但是0.10 PV交替时阻力系数(注入压力)上升过快，存在潜在堵塞风险。因此对于该类沉淀堵剂，交替注入时，交替段塞尺寸不宜过小。值得注意的是，文中注入的PV数仅指优势通道孔隙体系倍数，而不是整个油藏的孔隙体积倍数。2)从沉淀剂的运移深度上(岩心封堵后的红色部分)看，0.10 PV交替时沉淀剂的运移封堵深度明显比0.25 PV时小，说明采用相对较大的交替段塞有助于沉淀剂的深部运移封堵。

图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

针对较小的0.10 PV交替过程中存在的潜在堵塞和封堵深度小的问题，利用0.05 PV水对Cu-SO4和K4[Fe(CN)6]段塞进行分隔，发现阻力系数增大速度有一定减缓，岩心中的封堵深度明显增大，水段塞分隔有防止堵塞、增大沉淀剂封堵深度的作用。但是，值得注意的是，注入量达到1.40 PV时，阻力系数快速从3.3增大到6.9，仍表现出一定的堵塞特征。因此，对于该类型堵剂，交替注入段塞尺寸应大于0.10 PV。选用相对较大的交替段塞(如0.25 PV)和采用水段塞分隔是沉淀型堵剂实现深部运移封堵，降低堵塞风险较好的方法。

3.3.2 渗透率的影响

为了进一步确认Cu2[Fe(CN)6]体系对高渗通道的封堵能力，在720.0 mD模型中开展了封堵实验，实验结果如图9所示。可以发现Cu2[Fe(CN)6]体系在高渗中的封堵能力略微减弱，稳定渗透率封堵率从98.0 mD时的74.0%，减小到720.0 m D时的70.6%，仍具有良好的封堵能力。

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

3.3.3 浓度的影响

由于Cu2[Fe(CN)6]类沉淀堵剂较CaCO3沉淀体系药剂成本高，考虑降低沉淀剂浓度，开展了不同浓度条件下的CuSO4和K4[Fe(CN)6]交替注入封堵实验，结果如图10所示。发现药剂浓度的减小会导致堵剂封堵能力的降低，如CuSO4浓度依次为50.6 g/L，30.4 g/L，15.2 g/L和5.0 g/L时，稳 定的渗透率封堵率分别为74.0%，69.6%，61.5%和50.0%。相近浓度条件下Cu2[Fe(CN)6]沉淀的封堵能力较CaCO3沉淀强(参考图6和图10相关数据)。

图10 不同浓度下Cu2[Fe(CN)6]的封堵能力Fig.10 Plugging capability of Cu2[Fe(CN)6]with different concentration

4 结论

1)钙离子原位沉淀，能够通过结晶成大颗粒和在孔喉壁面生长的方式封堵孔喉，在一定程度上封堵水流通道(渗透率封堵率为18.9%～40.7%);这种封堵随渗透率增大有所减弱，采用高浓度CaCl2和Na2CO3补充注入能够增强封堵(渗透率封堵率为69.2%)。可见，原位CaCO3体系能够实现钙离子资源化利用-封堵水流通道，同时潜在地减小钙离子对其他化学剂影响，增强类似高盐油藏中后续化学驱油方法的适应性，具备一定应用潜力。

2)Cu2[Fe(CN)6]沉淀具有较强的封堵能力(渗透率封堵率最高为84.7%)，能够在低渗基质表面形成半透膜，具备调剖-增能驱油的双重效果，但是这种调剖-增能要求较高的沉淀剂浓度，在一定程度上影响了体系的应用。

3)对于沉淀型材料，为了保证其封堵能力，同时防止近井堵塞，增大调剖深度，应采用交替注入的方式，且交替段塞尺寸应适中(0.25 PV);水段塞分隔也是防止堵塞，增大调剖深度的较好方法。