張 峰，張海發(fā)，曾 聰

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.水利部珠江水利委員會(huì) 珠江水利綜合技術(shù)中心，廣州 510611；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074)

注液開采是油田開發(fā)過(guò)程中常用的方法。國(guó)內(nèi)二次采油一般都采用注水的方式；有的油田一次開采時(shí)就直接采用注水開采；在油田的三次開發(fā)中也廣泛采用了聚合物驅(qū)油等注液開采的方式[1-3]。在注液開采的情形下油氣層的導(dǎo)電機(jī)理發(fā)生了變化，采用常用的測(cè)井解釋方法難以準(zhǔn)確了解這類復(fù)雜油氣層的導(dǎo)電規(guī)律[4]。尋找其他新型油氣探測(cè)方法，對(duì)現(xiàn)階段提高復(fù)雜油氣層的評(píng)價(jià)精度有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

流動(dòng)電位產(chǎn)生的基本原理是：在外加壓力的作用下，液體通過(guò)固體孔隙產(chǎn)生定向流動(dòng)，在固體孔隙的兩端即產(chǎn)生流動(dòng)電位。王建等[5]利用流動(dòng)電位法研究了聚烯烴微孔膜在電解質(zhì)溶液中的動(dòng)電現(xiàn)象；張亞萍[6]研究了荷電膜的動(dòng)電現(xiàn)象；藺愛(ài)國(guó)等[7]研究了改性聚四氟乙烯膜在油田含油污水處理中的動(dòng)電現(xiàn)象；汪錳等[8]闡述了膜Zeta電位測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展。這些學(xué)者所述的動(dòng)電效應(yīng)，主要在化工和水分析等行業(yè)研究和應(yīng)用得較多。在注液開采石油的過(guò)程中由于水和驅(qū)替液等的注入，液體能源儲(chǔ)層中的流體壓力進(jìn)行了重新分配，亦即在外力作用下，固、液兩相進(jìn)行了相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)流動(dòng)電位產(chǎn)生的原理，當(dāng)注液采油時(shí)，不管注入的是什么液體，只要采用將流體壓入含油層以驅(qū)替石油的方式，就有可能在巖體中產(chǎn)生流動(dòng)電位，也就有可能通過(guò)監(jiān)測(cè)地下流動(dòng)電位的變化來(lái)達(dá)到對(duì)流體流態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。于華等[9]研究了儲(chǔ)層巖石流動(dòng)電位的電化學(xué)影響因素；姚軍等[10-11]、卜亞輝等[12]和楊春梅等[13]對(duì)油田開發(fā)過(guò)程中的動(dòng)電現(xiàn)象進(jìn)行了研究，指出在生產(chǎn)測(cè)井中存在動(dòng)電效應(yīng)。如果能通過(guò)監(jiān)測(cè)地下各處產(chǎn)生的流動(dòng)電位來(lái)推測(cè)儲(chǔ)層流體的即時(shí)狀態(tài)，理論上就可以大大提高對(duì)地下流體流態(tài)推測(cè)的效率。

本研究的室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)將利用流動(dòng)電位理論測(cè)試流體注入巖體的過(guò)程中流動(dòng)電位產(chǎn)生的即時(shí)狀態(tài)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以中砂巖作為巖心，測(cè)定不同注入壓力和不同注入液礦化度下的流動(dòng)電位。野外注水實(shí)驗(yàn)在砂巖層中進(jìn)行，探討將注液過(guò)程中監(jiān)測(cè)流動(dòng)電位的思路推廣到注液采油生產(chǎn)實(shí)踐中的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1為理論上巖石孔隙內(nèi)流動(dòng)電位產(chǎn)生的過(guò)程[14]。如圖所示，巖石與水接觸的界面上形成雙電層。假定固體孔隙左右兩側(cè)溶液濃度相等，且無(wú)流體壓力存在，由于電中性原因，雙電層處于電化學(xué)平衡狀態(tài)。由于巖石表面帶負(fù)電荷，巖石表面附近的溶液中存在正離子。當(dāng)溶液在外加壓力下自右向左流動(dòng)時(shí)，固體表面的第一層陽(yáng)離子因固體表面負(fù)電荷的吸引不能移動(dòng)；而那些離固體表面稍遠(yuǎn)的陽(yáng)離子運(yùn)動(dòng)自由度較高，流動(dòng)性也好，與溶液中的陽(yáng)離子一起向流出側(cè)移動(dòng)；固體孔隙中的陽(yáng)離子向孔隙左端移動(dòng)從而形成流動(dòng)電流，導(dǎo)致注入側(cè)的電性顯示的是負(fù)電荷，流出側(cè)顯示的是正電荷。當(dāng)注入壓力增大時(shí)，更多的陽(yáng)離子向流出側(cè)移動(dòng)；此時(shí)，固體孔隙下游由于正離子的積聚產(chǎn)生了一定的電勢(shì)，即為流動(dòng)電位Es.這種由流體流動(dòng)引發(fā)的電流就是流動(dòng)電流，在孔隙兩端產(chǎn)生的電位差就是流動(dòng)電位Es[15].

圖1 壓力作用下流體流動(dòng)電位產(chǎn)生的過(guò)程Fig.1 Generation process of fluid streaming potential under pressure

流動(dòng)電位Es可由Fitterman公式[16]計(jì)算得到：

式中：Es為流動(dòng)電位，V；C為流動(dòng)電位系數(shù)，V/Pa；Δp為流體的壓力差，Pa；ε為流體的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；ξ為中心電位(Zeta電位)，V；δ為流體的電導(dǎo)率，S/m；η為流體的粘度，Pa·s.

從上式可以看出，理論上流動(dòng)電位的大小主要取決于作用在孔隙系統(tǒng)上的、控制雙電層擾動(dòng)程度的外加壓力，同時(shí)與固體表面和溶液的性質(zhì)也有關(guān)。

2 室內(nèi)流動(dòng)電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試裝置

為使流動(dòng)電位室內(nèi)測(cè)定實(shí)驗(yàn)與實(shí)際液體能源開發(fā)時(shí)的工況條件相匹配，采用儲(chǔ)層的中砂巖巖樣作為巖心，采用礦化度20～20 000 mg/L的鹽水溶液作為注入液(該礦化度區(qū)間基本覆蓋了實(shí)際地層環(huán)境的礦化度范圍)。

實(shí)驗(yàn)主要研究地層條件下不同礦化度的注入液和不同注入壓力時(shí)，巖心內(nèi)流動(dòng)電位產(chǎn)生的情況。根據(jù)流動(dòng)電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)的目的，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)整體模型，見(jiàn)圖2。室內(nèi)巖心流動(dòng)電位測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 室內(nèi)巖心流動(dòng)電位測(cè)試系統(tǒng)模型圖Fig.2 Model diagram of streaming potential measurement system for indoor core

圖3 室內(nèi)巖心流動(dòng)電位測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.3 Streaming potential measurement system of indoor core

流動(dòng)電位室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備如下：

1) 壓力容器。最大極限壓為20 MPa，材料為特種鋼。內(nèi)部可以放置直徑50～100 mm、長(zhǎng)度100 mm的巖心。壓力容器內(nèi)的軸壓和圍壓由一臺(tái)壓力調(diào)節(jié)裝置控制。

2) 注水泵。注水流量為0.001～200.000 mL/min，注入壓為0～25 MPa，流量和流壓的大小可以由電腦進(jìn)行控制。

3) 數(shù)據(jù)控制設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備由電腦進(jìn)行控制。

2.2 試件制備

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用的巖樣來(lái)自某油田1 700 m深度的地層，巖心膠結(jié)良好，泥質(zhì)含量較低，為中砂巖。巖心的制備參照美國(guó)巖心協(xié)會(huì)推薦的程序進(jìn)行：

1) 將巖心打磨為直徑50 mm、長(zhǎng)度100 mm的圓柱體。

2) 對(duì)巖樣進(jìn)行洗油、洗鹽處理，在恒溫箱中烘干24 h，再在常溫下真空干燥。

3) 在常溫下測(cè)定巖心的相關(guān)物性參數(shù)。

巖心具體物性參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 砂巖巖心的初始物性參數(shù)Table 1 Initial parameters of sandstone cores

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)圍壓設(shè)定為20 MPa，以模擬實(shí)際巖樣地層深度1 700 m的壓力環(huán)境。

本次實(shí)驗(yàn)的工況及步驟具體如下：對(duì)巖樣電極進(jìn)行分極處理，接數(shù)據(jù)線，作防水固化處理，嵌入到高壓容器；分別制備礦化度為20，200，2000，20 000 mg/L的KCl溶液作為注入液；加模擬地層的圍壓，加適當(dāng)軸壓，分別采用不同礦化度的注入液來(lái)飽和巖心；采用與飽和巖心的礦化度一致的注入液來(lái)注入巖心，注入壓分別設(shè)定為0，200，400，600，800，1 000 kPa；采集不同礦化度和不同注入壓力下流動(dòng)電位的數(shù)據(jù)。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在不同的注入液礦化度和不同注入壓力條件下對(duì)中砂巖巖心進(jìn)行流動(dòng)電位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到流動(dòng)電位與注入液壓力和注入液礦化度的關(guān)系，見(jiàn)圖4.

圖4 注入液壓力、礦化度與流動(dòng)電位的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of streaming potential under different injection pressure and solution salinity

由圖4可以看出：注入壓力為0時(shí)，流動(dòng)電位也為0；注入壓力越大，產(chǎn)生的流動(dòng)電位也越大；同一注入壓力下，流動(dòng)電位隨著注入液礦化度的降低而增大；注入液礦化度、注入壓力與流動(dòng)電位均呈線性相關(guān)。實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明，在中砂巖中注入流體時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)電位現(xiàn)象較明顯。

鑒于流動(dòng)電位與注入液礦化度的關(guān)系，建議在實(shí)際油藏開發(fā)中采用淡水注入，以便于更為容易地采集流動(dòng)電位數(shù)據(jù)。

本文僅對(duì)中砂巖做了研究。下一步將考慮對(duì)我國(guó)不同油田區(qū)域的各種砂巖進(jìn)行大量的流動(dòng)電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對(duì)于某一固定油田區(qū)域，就可以利用采集到的流動(dòng)電位數(shù)據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)算的流動(dòng)電位系數(shù)關(guān)系，推測(cè)出某一特定區(qū)域的壓力分布情況。

4 野外流動(dòng)電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)

為了研究地層注水時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)電位的實(shí)際情況，在野外進(jìn)行了小規(guī)模的流動(dòng)電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在砂巖層中進(jìn)行。首先進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度20 m，鉆孔揭露的地層為：耕植土厚度1 m，泥巖地層厚度1～7 m，泥巖層以下為中砂巖巖層，地下水位位于地下10 m處。其次以鉆孔為測(cè)試中點(diǎn)，布置兩條互相垂直的測(cè)線。測(cè)線1長(zhǎng)度為128 m，電極間距2 m，共布設(shè)64根電極；根據(jù)野外場(chǎng)地條件，測(cè)線2布置49根電極。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在鉆孔內(nèi)孔深10.8 m處插入花管，注水壓為0.13 MPa.地下水位以上的10 m水頭相當(dāng)于一個(gè)大氣壓(約0.10 MPa)，故注入壓總計(jì)為0.23 MPa.注入流量為144 L/min，共注水16 min，注入水為淡水。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)電位數(shù)據(jù)和初始自然電位數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到不同注水時(shí)間時(shí)鉆孔部位的流動(dòng)電位。流動(dòng)電位變化的情況如圖5所示。從圖5可以看出：

圖5 巖層注水后現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)電位隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of field streaming potential with time after water injection

1) 注水開始時(shí)，注水孔周圍產(chǎn)生明顯的流動(dòng)電位。隨著離注水孔的距離的加大(實(shí)際上等效于注入壓力的降低)，流動(dòng)電位變小。

2) 流動(dòng)電位的變化量在注水開始時(shí)最大；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)(實(shí)際上等效于壓力變化的減小)，流動(dòng)電位逐漸衰減。

3) 在注水結(jié)束(注水16 min)后，到20 min時(shí)，仍然可以看到存在流動(dòng)電位變化。這是因?yàn)殡m然地表的注水已經(jīng)結(jié)束，但是水流在水頭的壓力下，在地下仍然在流動(dòng)，仍然在進(jìn)行地下水平衡狀態(tài)的調(diào)整。

野外小規(guī)模注水驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)均在中砂巖中進(jìn)行，均是在一定壓力下進(jìn)行注液，同時(shí)觀測(cè)流動(dòng)電位的實(shí)時(shí)變化情況。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)使用的注入液是具有一定礦化度的鹽溶液，野外實(shí)驗(yàn)注入液為淡水。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明不管注入液是什么種類，在壓力下注入巖體時(shí)均可以清晰地測(cè)出流動(dòng)電位的變化情況。

5 結(jié)論

本文采用自制的高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬地層條件下的室內(nèi)砂巖巖心流動(dòng)電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)，并開展了小規(guī)模的野外砂巖層注水驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

1) 巖體注液過(guò)程伴隨產(chǎn)生了流動(dòng)電位。

2) 注入壓力越大，產(chǎn)生的流動(dòng)電位越明顯。

3) 注入液礦化度越低，產(chǎn)生的流動(dòng)電位越明顯。

通過(guò)測(cè)定巖體注液時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)電位，可對(duì)深地層流體的流態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而揭示儲(chǔ)層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為地面采注工作提供參考。本文提出了一個(gè)新的流體流態(tài)監(jiān)測(cè)的研究方向，對(duì)提高石油開采效率有一定的積極意義。