渤海砂岩油藏低矿化度水驱规律与机理实验研究

辛 晶，刘汝敏，王 涛，田 苗，刘 东，李敬松，李 辉

(1.中海油田服务股份有限公司 油田生产研究院，天津 300459； 2.中海石油(中国)有限公司 渤海石油研究院，天津 300459； 3.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710064)

引 言

低矿化度水驱[1-3]是指在油田开发过程中向储层中注入矿化度低于原始地层水矿化度的水溶液，通过改变储层润湿性提高采收率的技术。低矿化度水驱只需根据储层岩石和流体特征针对性调整注入水离子组成，无需改变矿场设施，具有突出的经济性和高效性，受到越来越广泛的关注。Yildiz等[4]利用岩心驱替和渗吸实验首次发现改变注入水离子组成可以有效改变岩石润湿性进而提高原油采收率，由此低矿化度水驱被正式提出。此后，Skrettingland等[5]、Almeida等[6]、李雪娇等[7]和刘晓蕾等[8]利用矿场试验、室内实验与数值模拟等方法研究了低矿化度水驱矿场实施的可行性与有效性，发现低矿化度水驱可以在不显著增加经济投入的同时有效提高砂岩油藏采收率，具有较大的矿场应用潜力。崔传智[9]、Al-Saedi等[10]、Sohrabi等[11]、Austad等[12]、陈晨等[13]和杨子浩等[14]利用多尺度实验研究砂岩油藏低矿化度水驱机理，先后提出并验证了微粒运移、多离子交换、双电子层扩张以及渗透压等多种理论。由于储层岩石矿物组成以及储层流体性质等方面的差异，导致现有理论均具有一定的局限性，难以有效指导低矿化度水驱在不同油田的应用[15]。鉴于此，根据渤海砂岩油藏低矿化度水驱矿场应用的需要，开展渤海砂岩油藏低矿化度水驱规律与机理的实验研究。首先，润湿角实验分析注入水矿化度和关键离子Ca2+和SO42-浓度对岩石表面润湿性的影响。其后，岩心驱替实验研究注入水矿化度和关键离子Ca2+和SO42-浓度对原油采收率的影响。最后，基于实验结果建立渤海砂岩油藏低矿化度水驱机理，服务于低矿化度水驱的矿场应用。

1 实验材料与内容

1.1 实验材料

用于润湿性测定实验和岩心驱替实验的渤海某油田储层岩心参数如表1。上述岩心钻取于同一岩心柱，物性高度相似保证实验结果的可对比性。

表1 润湿性测定和驱替用岩心参数Tab.1 Parameters of cores for contact angle measurement and oil displacement experiments

实验用油为渤海某油田产出原油(黏度5.32 mPa·s，密度0.85 g/cm3)。实验用水根据渤海某油田地层水离子组成配制。另外，根据研究需要调整水溶液离子组成配制目标水溶液，如表2。其中，FW为地层水；25%FW-2SO42-为稀释4倍地层水中增加1倍SO42-；25%FW-4Ca2+为稀释4倍地层水中增加3倍Ca2+。

1.2 实验内容及步骤

1.2.1 润湿性测定

有机溶剂清洗岩心并烘干；岩心抽真空饱和地层水；饱和地层水的岩心置于夹持器中以2.5 mL/min速度饱和4倍孔隙体积的原油；饱和油的岩心在原油环境中老化30 d；将老化后的岩心切割成直径为25 mm、厚度为8 mm薄片并磨平、抛光；将处理后的岩片置于水溶液中，掳泡法[13]确定润湿角。

1.2.2 岩心驱替

有机溶剂清洗岩心并烘干；岩心抽真空饱和地层水；饱和地层水的岩心置于夹持器中以2.5 mL/min速度饱和4倍孔隙体积的原油；饱和油的岩心在原油环境中老化30 d；水溶液以0.50 mL/min的速度稳定驱替，实时计量产出油和水，实验装置流程[18]如图1。

图1 岩心驱替实验装置流程Fig.1 Device and flow chart of core flooding experiments

2 实验结果

2.1 润湿性测定结果

2.1.1 低矿化度作用规律

图2为不同矿化度水溶液中砂岩表面油滴润湿角动态变化。由图2可知：砂岩表面倾向于水湿[16,17]。FW溶液中油滴在砂岩表面的润湿角几乎未发生改变，即注入地层水对储层岩石润湿性无明显影响。50%FW水溶液中油滴在砂岩表面的润湿角从72.50°降低到61.61°，变化幅度达到10.89°。25%FW水溶液中油滴润湿角从77.86°减小到50.15°，变化量高达27.71°。20%FW水溶液中油滴润湿角从73.92°减小到55.13°，变化量达18.79°。

图2 不同矿化度水溶液中砂岩表面油滴润湿角动态变化Fig.2 Dynamic varying of contact angle of oil droplet on sandstone in aqueous solutions with different salinities

对比稳定润湿角以及润湿角变化量可知：随着水溶液矿化度的降低，砂岩表面水湿性先增强后减弱，转折点发生在25%FW条件下。即低矿化度水可以有效改变岩心表面润湿性，存在最优矿化度使得岩心润湿性变化最大。

2.1.2 Ca2+作用规律

图3为最优矿化度(25%FW)条件下不同Ca2+浓度的水溶液中砂岩表面油滴润湿角动态变化。由图3可知：低矿化度水溶液中Ca2+浓度对砂岩表面润湿性存在明显影响。25%FW-0.5Ca2+水溶液中砂岩表面油滴润湿角从71.92°减小到42.13°，变化量高达29.79°；25%FW-2.0Ca2+水溶液中砂岩表面油滴润湿角从74.50°减小到58.25°，变化量为16.25°。对比25%FW水溶液中砂岩表面油滴润湿角稳定值以及润湿角变化量可知：降低Ca2+浓度可以有效增强岩石表面水湿性；增加Ca2+浓度显著抑制岩石表面润湿性的改变。实验结果与Austad等[12]相一致，验证了实验结论准确性。

图3 不同Ca2+浓度的水溶液中砂岩表面油滴润湿角动态变化Fig.3 Dynamic varying of contact angle of oil droplet on sandstone in aqueous solutions with different concentration of Ca2+

2.1.3 SO42-作用规律

图4为最优矿化度(25%FW)条件下不同SO42-浓度的水溶液中砂岩表面油滴润湿角动态变化。由图4可知：低矿化度水溶液中SO42-浓度对砂岩表面油滴润湿性有明显影响。25%FW-2SO42-水溶液中砂岩表面油滴润湿角从70.02°减小到41.44°，变化量高达28.58°；25%FW-3SO42-水溶液中砂岩表面油滴润湿角从72.48°减小到44.43°，变化量为28.05°；25%FW-4SO42-水溶液中岩石表面油滴润湿角从71.15°减小到46.75°，变化量为24.40°。对比25%FW水溶液中砂岩表面油滴稳定润湿角和润湿角变化量可知：25%FW-2SO42-水溶液中砂岩表面油滴润湿角变化最大、稳定润湿角最小、水湿性最强。存在最优SO42-浓度，使得该水溶液体系能够最有效地改变砂岩表面油润湿性。

图4 不同SO42-浓度的水溶液中砂岩表面油滴润湿角动态变化Fig.4 Dynamic varying of contact angle of oil droplet on sandstone in aqueous solutions with different concentration of SO42-

2.2 岩心驱替实验

2.2.1 低矿化度作用规律

图5为不同矿化度水溶液驱替时岩心采收率变化。由图5可得：低矿化度水驱可以有效提高砂岩采收率。FW、50%FW、25%FW和20%FW水溶液驱替对应的采收率分别为40.2%、44.7%、50.8%和48.3%。相较于FW水溶液驱替采收率，50%FW、25%FW和20%FW水溶液驱替提高采收率分别为4.5%、10.6%和8.1%。即随着注入水矿化度的降低，采收率先增加后减少，提高采收率效果先增强后减弱。存在最优注入水矿化度(25%FW)使得采收率最高，提高采收率效果最明显。采收率变化规律与润湿角的变化规律相统一，与Yildiz等[4]、Almeida等[6]和陈晨等[13]结论相验证，说明润湿性变化在低矿化度水驱提高采收率中起主导作用。

图5 不同矿化度水溶液驱替时采收率变化Fig.5 Varying of oil displacement recovery factor of aqueous solution of different salinity with injection PV

2.2.2 Ca2+作用规律

图6为最优矿化度(25%FW)条件下不同Ca2+浓度水溶液驱替时采收率变化。由图6可知：Ca2+作为关键离子对砂岩采收率有明显影响。25%FW-0.5Ca2+和25%FW-2.0Ca2+水溶液驱替原油采收率分别为53.6%和47.1%。对比25%FW水溶液采收率50.8%可知：25%FW-0.5Ca2+水溶液提高采收率效果明显，与此同时，25%FW-2.0Ca2+明显抑制了采收率的增加。即随着水溶液中Ca2+浓度的增加，原油采收率逐渐降低，Ca2+对低矿化度水驱效果有抑制作用。采收率变化规律和润湿性变化规律相一致，说明了润湿性改变在低矿化度水驱中发挥重要作用[7]。

图6 不同Ca2+浓度水溶液驱替时采收率变化Fig.6 Varying of oil displacement recovery factor of aqueous solution of different Ca2+ concentration with injection PV

2.2.3 SO42-作用规律

图7为最优矿化度条件下不同SO42-浓度水溶液驱替时采收率变化。由图7可知：SO42-作为关键离子对砂岩采收率有影响。25%FW-2SO42-、25%FW-3SO42-和25%FW-4SO42-水溶液驱替原油采收率分别为56.9%、54.2%和52.5%。对比25%FW水溶液采收率50.8%可知：25%FW-2SO42-、25%FW-3SO42-和25%FW-4SO42-水溶液提高提高采收率6.1%，3.4%和1.7%。即随着SO42-浓度的增加，原油采收率先升高后降低，25%FW-2SO42-注入水溶液提高采收率效果最明显。

图7 不同SO42-浓度水溶液驱替时采收率变化Fig.7 Varying of oil displacement recovery factor of aqueous solution of different SO42- concentration with injection PV

3 驱替机理分析

3.1 Ca2+有效性机理

降低注入水Ca2+浓度可以有效增强砂岩表面水湿性进而提高原油采收率。如图8所示，静电作用下地层水中Ca2+优先吸附于负电性岩石表面，而后，酸性极性原油组分通过Ca2+桥接于负电性矿物表面，静电作用下碱性原油组分直接吸附于负电性矿物表面。地层水溶液中离子与极性原油吸附体系处于动态平衡状态。随着注入水矿化度的降低，水溶液与极性原油吸附体系之间的离子交换平衡被打破，发挥桥接作用的Ca2+受到浓度梯度驱动逐渐远离岩石表面造成酸性原油组分的解吸附。与此同时，虽然碱性极性原油分子吸附量有一定程度的增加，但Ca2+远离岩石表面引起的酸性原油组分解吸附占据主导作用[16-17]。

图8 砂岩油藏低矿化度水驱中Ca2+作用机理Fig.8 Action mechanism of Ca2+ in low salinity water flooding of sandstone reservoir

3.2 SO42-有效性机理

SO42-对原油表面润湿性和采收率同样有重要影响，存在最优浓度使得提高采收率效果最好。如图9所示，水溶液中SO42-可以优先和Ca2+发生静电相互作用，减少水溶液中Ca2+浓度，破坏Ca2+与极性原油吸附体系之间的动态平衡，加速酸性原油组分解离。此外，水溶液中SO42-还可以与原油体系中正电性碱性原油组分发生相互作用，抑制碱性原油组分在矿物表面的吸附，加速润湿性的改变。

图9 砂岩油藏低矿化度水驱中SO42-作用机理Fig.9 Action mechanism of SO42- in low salinity water flooding of sandstone reservoir

4 结 论

(1)低矿化度水驱促进砂岩表面向水湿方向转化，引起原油采收率的提高。随着水溶液矿化度的降低，水湿性先增强后减弱，采收率先增加后减少。其中，4倍稀释地层水改变砂岩表面润湿性能力最强，提高采收率效果最明显；增加水溶液中Ca2+浓度，岩石表面水湿性减弱，原油采收率降低；增加水溶液中SO42-浓度，岩石表面水湿性先增强后减弱，原油采收率先增加后减少。

(2)二价阳离子、阴离子、酸性原油组分和碱性原油组分共同作用影响润湿性和采收率。降低矿化度或Ca2+浓度导致发挥桥接作用的Ca2+和其他阳离子受到浓度梯度驱动逐渐远离岩石表面引起酸性原油组分的解吸附；增加SO42-浓度，消耗溶液中Ca2+破坏桥接作用的同时与碱性原油组分反应减少其吸附。