編譯:吳永超 (中國石化石油勘探開發(fā)研究院)

審校:張華珍 (中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院)

LoSalTM提高采收率:油藏規(guī)模提高采收率的依據(jù)

編譯:吳永超 (中國石化石油勘探開發(fā)研究院)

審校:張華珍 (中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院)

從巖心驅(qū)替、單井測(cè)試和測(cè)-注-測(cè)試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)表明:在許多實(shí)例中,向油藏中注入低礦化度水可以大幅度提高原油采收率。根據(jù)油藏特征和礦化水組分的不同,水驅(qū)效率可以提高2%～40%。2005年,在阿拉斯加油田進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn),生產(chǎn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)出水化學(xué)成分的詳細(xì)分析證實(shí)了原油產(chǎn)量的增加,并為低礦化度水驅(qū)(LoSalTM)在井間規(guī)模的有效性提供了直接的現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)。此外,通過單井化學(xué)示蹤測(cè)試,確認(rèn)了油藏對(duì)低礦化度水注入的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室研究揭示了LoSalTM的機(jī)理是吸附在原油組分、地下礦化水和黏土礦物表面的陽離子之間的多組分離子交換。油藏?cái)?shù)值模擬得到了非常好的擬合結(jié)果,為預(yù)測(cè)大規(guī)模LoSalTM的結(jié)果提供了基礎(chǔ)。

水驅(qū) 低礦化度鹽水 提高采收率

1 引言

Yildiz和Morrow(1996)認(rèn)為,注入鹽水組成的改變可以改善原油開采。此后,Tang和Morrow(1999年)進(jìn)一步推進(jìn)了鹽水礦化度對(duì)原油采收率影響的研究,在此之后Webb等 (2004)和McGuire等 (2005)研究了大量的LoSalTM驅(qū)油方案。這些方案包括大量的常溫和油藏條件的巖心驅(qū)替試驗(yàn) (在高溫和高壓下,使用的是活性流體)、單井示蹤測(cè)試 (SWCTT)和測(cè)-注-測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明,低礦化度鹽水的注入,明顯提高了原油采收率。

最近,已經(jīng)證明由于低礦化水的注入,黏土礦物表面和注入鹽水之間的多級(jí)分離子交換 (MIE)促進(jìn)了原油采收率的提高 (Lager等,2006年)。

原油組分吸附到儲(chǔ)集巖石表面,通常理解為部分儲(chǔ)集巖石是油濕的。這種現(xiàn)象發(fā)生的一個(gè)重要方式是通過黏土表面多價(jià)粒子與存在于油相 (樹脂和瀝青質(zhì))中的極性化合物結(jié)合,以及通過存在于黏土表面的大多數(shù)活動(dòng)陽離子的位移,有機(jī)極性化合物直接吸附到黏土礦物表面。

低礦化度下,極性有機(jī)化合物解除吸附并被多價(jià)陽離子所代替。Lager等 (2006)的數(shù)據(jù)表明當(dāng)原生礦化水里出現(xiàn)多價(jià)陽離子時(shí),低礦化度水驅(qū)替可以提高原油采收率。如果原生水里不存在二價(jià)離子,只是用高礦化度鹽水驅(qū)替,或者如果低礦化度礦化水只是用來驅(qū)替第三紀(jì)低礦化度水中的原生鹽水,那么殘余油飽和度基本不變。與MIE有關(guān)的低礦化度偶電層的膨脹使得極性組分從黏土表面解吸。由于保持原油和巖石接觸的結(jié)合力減小,導(dǎo)致了原油采收率的提高。

圖1 黏土/原油被二價(jià)陽離子吸引

圖1說明了原油中的極性分子如何被吸引到帶負(fù)電荷的黏土表面。二價(jià)陽離子 (鈣、鎂)充當(dāng)了原油中帶負(fù)電荷分子和黏土表面的負(fù)電荷之間的橋梁。由于粒子交換平衡的改變,當(dāng)來自低礦化度鹽水中的二價(jià)離子與陽離子有機(jī)絡(luò)合物或其主要成分發(fā)生交換時(shí),受束縛的原油變得可以流動(dòng),因而提高了原油采收率。

但是,這些研究結(jié)果仍然不能確定該機(jī)理在油田井間是如何發(fā)揮作用的。

2005年決定在阿拉斯加油田的一套單一液壓裝置上,由注入產(chǎn)出鹽水改成注入低礦化度鹽水。從機(jī)理研究和下述SWCTT成果可知,使用的低礦化度鹽水是一個(gè)接近最優(yōu)化的LoSalTM鹽水,但由于操作上的限制,這是當(dāng)時(shí)唯一可用的低礦化度鹽水。這與獲得充分優(yōu)化的低礦化度鹽水相比受到一定程度的限制,然而,仍然期望大幅度提高原油采收率。預(yù)期的響應(yīng)被認(rèn)為是很有意義的,可以消除MIE的不確定性因素,了解低礦化度水在井間起作用的方式。

選定的試驗(yàn)區(qū)位于合理的限定井區(qū)內(nèi),包括1口注入井和2口關(guān)閉的生產(chǎn)井。使用便攜式計(jì)量分離器精確監(jiān)測(cè)生產(chǎn)井 (MPL-11和MPL-07)的原油產(chǎn)量和含水率,每周取樣進(jìn)行振動(dòng)分離,分析產(chǎn)出水,監(jiān)測(cè)鹽水化學(xué)性質(zhì)的任何改變。MPL-11井比MPL-07井距低礦化度水注入井更近,期望該井能夠首先對(duì)低礦化度水作出響應(yīng)。然而,迄今為止,在MPL-11井幾乎沒有觀察到響應(yīng)。下面對(duì)造成這種情況的原因進(jìn)行了討論。

2 結(jié)果分析

2.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

被選作低礦化度水注入的液壓裝置在此之前的生產(chǎn)過程中已經(jīng)實(shí)施過幾個(gè)不同的提高原油采收率工藝。經(jīng)過4年的自然遞減,部署了一口注水井(MPL-16A井),從而使MPL-07井的產(chǎn)量由400 bbl/d(1 bbl/d=0.159 m3/d)增加到1 100 bbl/d。然后,產(chǎn)量急劇下降,一直到2002年。在此期間,含水上升到95%。后來決定注入混相注劑 (MI)段塞。產(chǎn)量從200 bbl/d增加到500 bbl/ d,持續(xù)一年半的時(shí)間,含水率由 95%下降到80%。然后,產(chǎn)量回落至150 bbl/d。2005年5月決定注入低礦化度水。這個(gè)過程是成功的,原油產(chǎn)量增加至最高的320 bbl/d,之后減少到200 bbl/ d。與此同時(shí),含水率從92%下降到87%。直至2006年5月,總產(chǎn)液量保持在穩(wěn)定的2 500 bbl/ d,隨后增加到3 000 bbl/d(圖2)。低礦化度注入井 (MPL-16A)的注入能力保持不變,表明沒有因?yàn)轲ね僚蛎浕蛘呒?xì)屑產(chǎn)生而引起地層損害 (圖3)。

圖2 MPL-07井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

2.2 產(chǎn)出水化學(xué)成分分析

開始注入低礦化度鹽水之前,產(chǎn)出水的礦化度大約為14 000×10-6溶解固體量 (TDS) (圖4)。2005年10月,MPL-07井的產(chǎn)出水礦化度開始下降,而MPL-11井的產(chǎn)出水礦化度保持在13 000×10-6TDS以上,直到2006年5月穩(wěn)定在大約12 200× 10-6。這是由于MPL-16A和MPL-11井之間出現(xiàn)了封閉斷層。注入井和MPL-11之間的地震探測(cè)存在陰影區(qū)已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖3 MPL-16A井注入指數(shù)

MPL-07井產(chǎn)出水的鎂離子 (Mg2+)濃度,從0.4 meq/L增加到0.75 meq/L,然后在5個(gè)月的生產(chǎn)期間急劇下降到低于檢測(cè)極限 (＜0.01 meq/L)。然后,在再次重返低于檢測(cè)極限濃度之前,Mg離子濃度攀升至0.5 mol/L。2007年7月以后,Mg離子濃度恢復(fù)到濃度為0.4 meq/L。鈣離子 (Ca)濃度并沒有表現(xiàn)出像Mg離子一樣的急劇變化。濃度在1.2 meq/L和1.7 meq/L之間波動(dòng),且非常明顯,沒有觀察到Mg所表現(xiàn)出的濃度急劇下降。

圖4 MPL-07井和MPL-11井產(chǎn)出水礦化度變化曲線

2.3 單井化學(xué)示蹤試驗(yàn)

在低礦化度鹽水注入的液壓設(shè)備附近新鉆了一口井,并取芯,盡管選定模式的周圍地區(qū)沒有見到水 (高或低礦化度)。在這口井上實(shí)施了單井化學(xué)示蹤試驗(yàn),依次注入4種不同的鹽水。水序列包括建立基準(zhǔn)線剩余油飽和度(Sor)的高礦化度鹽水、MPL-07井的產(chǎn)出水 (16 000×10-6TDS)、非最優(yōu)化低礦化度鹽水 (2 600×10-6TDS)和最優(yōu)化低礦化度鹽水。從該試驗(yàn)推導(dǎo)出的剩余油飽和度見表1。

表1 單井化學(xué)示蹤劑測(cè)試結(jié)果

結(jié)果表明,高礦化度水和產(chǎn)出水沒有任何區(qū)別。與基準(zhǔn)線Sor相比,非最優(yōu)化的低礦化度水的Sor減少2個(gè)飽和度單位,而最優(yōu)化鹽水的Sor則降低了10個(gè)飽和度單位。高礦化度水和產(chǎn)出水被用于建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基準(zhǔn)線,并嘗試降低這些結(jié)果所固有的不確定性。從機(jī)理研究可以看出,由于產(chǎn)出水的注入,Sor沒有明顯的差異;而用非最優(yōu)化低礦化度鹽水,Sor只出現(xiàn)很少的下降。通過建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基準(zhǔn)線,有可能證明非最優(yōu)化鹽水對(duì)Sor有真正影響,雖然影響很小,只有2%的不確定性。

3 討論

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)較難解釋,因?yàn)闃O難保持所有參數(shù)不變 (如注入量、產(chǎn)出量,與其他注水井可能產(chǎn)生干擾)。然而,由于MPL-07井產(chǎn)油量的增加,觀察到的水油比 (WOR)下降被認(rèn)為是在產(chǎn)出水化學(xué)性質(zhì)急劇變化的同時(shí)出現(xiàn)的。作者認(rèn)為,這是低礦化度鹽水驅(qū)見效的明顯特征。使用Jerauld等人(2006)開發(fā)的LoSalTM商標(biāo)的VIPTM模型,可以證實(shí)低礦化度鹽水注入的效果。該模型在2005年5月以前用于歷史擬合,此后被用作預(yù)測(cè)模型。應(yīng)用了兩種模式:一種是注入低礦化度鹽水,另一種是只注入高礦化度鹽水 (圖5)。根據(jù)模型,Lo-SalTM效果反映在2005年11月之后開始增產(chǎn)原油,這與觀察到的MPL-07井WOR下降以及水化學(xué)的急劇變化相符合。

圖5 實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

3.1 Mg濃度的變化

通常,水驅(qū)作為一種物理手段從油藏驅(qū)油,它也是一種保持油藏壓力的手段。因此,除由于膨脹黏土和淡水的相互作用引起的地層損害或由于鋇(存在于原生水)和硫酸 (當(dāng)用海水作為注入劑時(shí),存在于注入水中;Collins,2005)反應(yīng)引起的無機(jī)物結(jié)垢之外,期望注入劑和油藏間盡可能少地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。然而,根據(jù)水文地質(zhì)學(xué)的文獻(xiàn),如果與固有的原生鹽水的成分不同的水狀流體注入到含水層,礦物表面和注入鹽水之間將發(fā)生陽離子交換,而導(dǎo)致水化學(xué)性質(zhì)的顯著變化 (Valocchi等, 1981)。為此,Appelo等 (1994)成功地描述和模擬了含水層的淡化。他們發(fā)現(xiàn),由于低礦化度鹽水注入引起的鹽水層淡化的主要特征是二價(jià)陽離子(Ca2+、Mg2+)濃度迅速下降到低于注入低礦化度鹽水中二價(jià)陽離子的濃度,同時(shí)出現(xiàn)氯離子濃度的單調(diào)下降。在簡化條件的巖心驅(qū)替試驗(yàn)中,如以前的報(bào)告 (Lager等,2006),以及MPL-07井低礦化度驅(qū)過程中的產(chǎn)出水,也觀察到了完全相同的情況。產(chǎn)出水中Mg2+的徹底清除是注入鹽水和儲(chǔ)層巖石強(qiáng)相互作用的有力證據(jù)。此外,Mg2+濃度的急劇下降證實(shí)了從Secombe等論文 (2008)進(jìn)一步討論的MIE機(jī)理推斷的自動(dòng)銳化前緣。非銳化前緣將導(dǎo)致高度分散反應(yīng),Mg2+濃度會(huì)逐漸下降,如通常在現(xiàn)場(chǎng)示蹤劑中見到的一樣。

3.2 注入指數(shù)和p H值變化

這里所描述的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明,前面引用的低礦化度水注入增加原油采收率的兩個(gè)可能機(jī)理:微粒運(yùn)移和溶液p H值增加,不是非?？煽俊Ｊ紫?在整個(gè)低礦化度水注入過程中,注入指數(shù)保持不變。如果發(fā)生微粒運(yùn)移,微粒將阻塞一些孔隙孔喉,從而導(dǎo)致注入能力的降低。還注意到,在低礦化度水注入之前,MPL-16A井的注入能力緩慢下降(該數(shù)據(jù)開始是0.8左右,在低礦化度水注入之前是0.6),這被認(rèn)為是由于重新注入和未經(jīng)過濾的產(chǎn)出水慢慢堵塞近井區(qū)域所致。相反,低礦化度鹽水,比產(chǎn)出水要清潔,沒有堵塞井筒,并且有助于穩(wěn)定注入速度。另一個(gè)有趣的結(jié)論可以從不變的注入指數(shù)得到:當(dāng)注入水的溫度比地層溫度低時(shí),通常會(huì)發(fā)生的油藏?zé)釕?yīng)力破碎就不太可能發(fā)生。這類破碎由于可能增加注入能力,所以能夠增加原油采收率。在低礦化度水注入的油藏p H值可能會(huì)發(fā)生變化,要注意到在一些早期的簡化巖心驅(qū)替試驗(yàn)中,流出鹽水的p H值突然從9增加到10.5。據(jù)推測(cè),這種增加可能會(huì)導(dǎo)致原油采收率的提高(McGuire等,2005)。然而,后來的巖心驅(qū)替試驗(yàn)表明,低礦化度作用在酸性條件也能有效,而且試驗(yàn)中p H值增加很可能是巖樣卸壓引起的試驗(yàn)假象?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示p H值變化非常小 (圖6),當(dāng)然也顯示不出p H值增加到10.5就能有效地排除p H值作用機(jī)理。

圖6 低礦化度驅(qū)過程中p H值隨時(shí)間的變化曲線

3.3 時(shí)間選擇

由于低礦化度注入水中缺少硫酸鹽,故鋇離子可以看作是一個(gè)不反應(yīng)的保守示蹤劑。因此,通過監(jiān)測(cè)產(chǎn)出水中鋇濃度的變化,有可能估計(jì)何時(shí)已經(jīng)注入了1孔隙體積 (PV)的低礦化度水。這些數(shù)據(jù)表明,開始注入13個(gè)月后,鋇的濃度已開始趨于平穩(wěn),因此假定此時(shí)已經(jīng)注入1 PV水。通過反算,發(fā)現(xiàn)在注入大約0.3 PV的低礦化度水之后低礦化度作用開始起效 (圖7)。在油藏條件下的巖心驅(qū)替過程中,發(fā)現(xiàn)在第三紀(jì)模式下,在注入大約

0.4 PV的低礦化度鹽水后,實(shí)現(xiàn)了原油采收率的提高?？紤]到與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)有關(guān)的固有不確定性,低礦化度收效 (實(shí)驗(yàn))結(jié)果一致性很好,收效時(shí)間很快。

圖7 產(chǎn)油量與注入孔隙體積曲線

3.4 未來的發(fā)展和優(yōu)化

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例中,由于低礦化度鹽水的注入引起的原油采收率增加相對(duì)較少,然而,這正是BP Sunbury實(shí)驗(yàn)室期望得到的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)這個(gè)油藏來說,這種水不是最優(yōu)的。這被后來在鄰井實(shí)施的SWCTT所證實(shí)。這個(gè)試驗(yàn)報(bào)道的Sor降低只有2%,而通過向該油藏注入優(yōu)化的低礦化度鹽水可以獲得的Sor下降達(dá)到10%。優(yōu)化是基于油藏的礦物成分、生產(chǎn)歷史,以及原生水的組成。下一步將研究注入水,配制一種最優(yōu)化鹽水,來驅(qū)替整個(gè)油藏。

4 結(jié)論

向阿拉斯加油田注入低礦化度鹽水提高采收率是成功的。關(guān)于MIE應(yīng)用到井間距離的不確定性已經(jīng)降低。觀察到了WOR的可測(cè)量的下降,在近12個(gè)月的生產(chǎn)中,原油產(chǎn)量翻番。同時(shí),產(chǎn)出水的水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生急劇變化,遵循以前作者提出的低礦化度水驅(qū)理論和前面報(bào)道的油藏條件巖心驅(qū)替試驗(yàn)預(yù)測(cè)的趨勢(shì)。盡管要經(jīng)過第三次驅(qū)替,但是見效時(shí)間很快,BP內(nèi)部專利低礦化度VIPTM模型很準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了這一結(jié)果。低礦化度水注入大約0.3 PV以后,可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)油增加,并且沒有因?yàn)槲⒘＿\(yùn)移而引起黏土膨脹或者孔隙堵塞等而產(chǎn)生不利影響。

資料來源于美國《SPE 113976》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.004

2009-04-29)