張 江，張秀生，馮慶偉，田相雷，曲占慶，張丁涌

（1.中國石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東 東營257068；2.中國石油大學（華東），山東 青島266580）

中國低滲透油氣資源豐富，具有很大的勘探開發(fā)潛力［1］，注水開發(fā)是低滲透油氣田開發(fā)過程中補充地層能量的有效方式。 注入水中懸浮固相的含量及粒徑大小是影響注入水水質(zhì)的重要指標，也是造成地層傷害的重要因素。 從儲層保護的觀點出發(fā)，要求固相懸浮物濃度、粒徑越低越好。 但要求越高，對精細過濾設備要求就越高，投資越大［2］。因此必須考慮水質(zhì)指標的可操作性。 對于具體儲層，針對性地進行室內(nèi)或現(xiàn)場評價是最宜采用的方法，也是國內(nèi)外普遍采用的方法。

國外學者Barkman和Dawidson在研究泥漿濾餅時提出了著名的三分之一到七分之一定律。 在此之后，又有其他學者通過實驗的手段得出了三分之一到十分之一和三分之一到十四分之一等注入水中固相懸浮物和喉道直徑的配伍原則［3］。

Basan和Giorgi分別于1985年和1990年，開展儲層損害機理的研究。 對包括外來顆粒堵塞，內(nèi)部顆粒堵塞，機械損害等在內(nèi)的22項傷害油層的因素進行了全面的總結(jié)［4-5］。

2000年，Jonathan的研究表明，在Basan和Giorgi提出的22項傷害油層的因素之外，細菌本身、細菌活動以及細菌活動的副產(chǎn)物也是對儲層造成傷害的重要原因之一［6］。

長期以來國內(nèi)許多學者針對不同油氣田的注水水質(zhì)適配問題開展了很多室內(nèi)試驗，得出了適用于目標油氣田的注入水指標［7-12］。 勝利油區(qū)擁有豐富的低滲透油田儲量， 由于低滲透油田物性差，因此在注水開發(fā)過程中，存在很多問題，已嚴重影響了油田開發(fā)的順利進行，其中注入水水質(zhì)的問題也越來越突出。本文以勝利油田SNSH100區(qū)塊為例，通過室內(nèi)試驗確定了該區(qū)域注入水懸浮固相含量指標，并對該區(qū)域巖心堵塞原因進行了研究。

1 實驗介紹

實驗共由兩部分構(gòu)成：巖心驅(qū)替實驗和巖心CT掃描。

1.1 實驗設備

主要實驗設備包括Micro XCT400型高分辨率三維X射線成像系統(tǒng)、多功能驅(qū)替實驗設備、HELOSOASIS粒度儀、高能臼式研磨儀BR30；輔助實驗設備包括XPE分析天平、實驗玻璃儀器等。

1.2 實驗原理

1.2.1 巖心驅(qū)替實驗

通過對比巖心經(jīng)模擬注入水驅(qū)替前后的滲透率變化，研究該區(qū)域針對固相懸浮物的注水水質(zhì)指標。

1.2.2 CT掃描

CT掃描實驗是近年來興起的一種無損檢測手段。儀器發(fā)射X射線通過巖心，接收器接收后轉(zhuǎn)換為電信號，并傳輸?shù)接嬎銠C，通過軟件分析、重構(gòu)，最終轉(zhuǎn)化為三維影像，可觀察巖心的孔喉變化。

1.3 實驗材料

本實驗所用巖心均取自渤海灣盆地SNSH100地區(qū)沙3中段低滲儲集層， 該區(qū)塊按滲透率共分為三種類型（見表1），巖心樣品長度為4.74～5.52 cm，直徑2.50 cm。 實驗用水與該區(qū)域油田注入水水型相同，為CaCl2型，礦化度為12 100 mg/L，加入不同粒徑和不同濃度的碳酸鈣粉末模擬注入水中的懸浮物。

1.4 實驗方案

實驗中所用的實驗流體為添加碳酸鈣粉末的地層水， 通過研磨儀將碳酸鈣研磨至微米級微粒，通過調(diào)整研磨程度獲得不同平均粒徑的微粒，通過粒度儀測定其平均粒徑，并根據(jù)該區(qū)域當前注入水水質(zhì)狀況配制不同模擬注入水。

將已經(jīng)飽和地層水的巖心放置于巖心夾持器中，加圍壓5 MPa。 將模擬注入水置于中間容器中，開啟平流泵，以合適的注入速度開始驅(qū)替，記錄注入水量為200 PV時巖心滲透率。

查閱該區(qū)域注水開發(fā)資料，該區(qū)域當前注入水入口端固相懸浮物含量分布在1.0～9.0 mg/L之間，固相懸浮物粒徑分布主要集中在0.45～4.00 μm之間。因此實驗中使用的模擬注入水固相懸浮物平均粒徑分別為0.7 μm、1.4 μm、2.3 μm、3.9 μm和5.1 μm，固相懸浮物含量分別為1.0 mg/L、2.0 mg/L、3.0 mg/L、6.0 mg/L和9.0 mg/L。 在該區(qū)域三種類型區(qū)塊中，各取25塊天然巖心樣品，分別針對以上25種類型模擬注入水開展驅(qū)替實驗，分別測定巖心初始滲透率k0與注入量為200 PV時的滲透率k1，通過計算驅(qū)替后巖心的滲透率k1與初始滲透率k0之間的比值η，η的值在0.80以上時，認為水質(zhì)達標［13］，否則認為水質(zhì)不達標，巖心數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 巖心參數(shù)

在三類區(qū)域中各選一塊天然巖心，在驅(qū)替實驗前后分別開展CT掃描實驗，對比分析巖心驅(qū)替實驗前后巖心內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)的變化，研究固相懸浮物對巖心滲透率的傷害機理。

具體操作流程為：巖心驅(qū)替實驗前，分別在天然巖心上取下直徑9 mm樣本，并安置在儀器掃描轉(zhuǎn)臺上；設定實驗參數(shù)，包括：工作電壓、曝光時間、掃描樣品尺寸與像素尺度。 為了盡可能精確地獲得巖心孔隙結(jié)構(gòu)，選擇微納尺度，每個像素的尺寸設置為0.7 μm；對二維圖像進行濾波降噪處理，提高圖像的清晰度與可辨識度，并根據(jù)灰度差異二值化分割處理二維圖像；通過專業(yè)軟件處理還原樣品內(nèi)部三維信息，并獲取樣品內(nèi)部孔徑大小分布數(shù)據(jù)，并通過分析三維影像內(nèi)部像素點的連續(xù)與重合程度判斷樣品內(nèi)部孔隙之間的連續(xù)性。

為佐證相關(guān)結(jié)論，使用質(zhì)量分數(shù)為20%的鹽酸溶液，對相應巖心進行酸驅(qū)實驗，并再次開展CT掃描以驗證相關(guān)結(jié)論。

2 實驗結(jié)果討論

2.1 針對固相懸浮物的水質(zhì)指標確定

以A類區(qū)為例，天然巖心驅(qū)替實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 A類區(qū)巖心驅(qū)替實驗結(jié)果

可見，在其他條件相同的條件下，對于A類區(qū)模擬巖心，懸浮物平均粒徑與懸浮物質(zhì)量濃度均會影響巖心滲透率，二者對巖心滲透率造成的影響是不同的。 在懸浮物平均粒徑為0.7 μm條件下，在注水量為250 PV條件下， 懸浮物質(zhì)量濃度從1 mg/L提高到9 mg/L時， 巖心滲透率保留率從98.92%降低至74.67%，而在同一懸浮物質(zhì)量濃度條件下，隨懸浮物顆粒粒徑的增大，巖心滲透率保留率也是逐漸下降，例如，在懸浮物質(zhì)量濃度1 mg/L條件下，懸浮物平均粒徑從0.7 μm上升至5.1 μm時，巖心滲透率保留率從98.92%降低至77.23%。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)，得到以巖心滲透率保留率為80%條件下的A類區(qū)水質(zhì)指標，如圖2所示。圖中，藍色曲線代表A類區(qū)水質(zhì)指標臨界值，A類區(qū)針對固相懸浮物的可選水質(zhì)標準應取在藍色曲線左下方。

圖2 A類區(qū)固相懸浮物水質(zhì)指標

B類區(qū)和C類區(qū)天然巖心驅(qū)替實驗結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 B類區(qū)巖心驅(qū)替實驗結(jié)果

圖4 C類區(qū)巖心驅(qū)替實驗結(jié)果

根據(jù)B類區(qū)和C類區(qū)驅(qū)替實驗結(jié)果，以滲透率保留率80%為標準，得到B類區(qū)和C類區(qū)針對固相懸浮物的注入水水質(zhì)指標，分別如圖5和圖6所示。

圖5 B類區(qū)固相懸浮物水質(zhì)指標

圖6 C類區(qū)固相懸浮物水質(zhì)指標

將三類區(qū)域水質(zhì)指標顯示在一張圖上可以得到SNSH100區(qū)塊各類儲層注入水固相懸浮物指標，如圖7所示。

圖7 SNSH100區(qū)塊固相懸浮物水質(zhì)指標

2.2 巖心滲透率降低機理

以A類區(qū)10號天然巖心作為樣本，通過Zeiss510亞微米CT掃描儀獲取驅(qū)替實驗前后樣品巖心結(jié)構(gòu)特征，統(tǒng)計結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 驅(qū)替前樣品連通孔隙分布

圖9 驅(qū)替后樣品連通孔隙分布

圖中每種顏色代表一個單獨的孔隙，顏色不同表示孔隙之間互不連通，由圖8和圖9可見驅(qū)替試驗前后，巖心孔隙連通情況變化極大，對單個孔隙體積占總孔隙體積的比重進行統(tǒng)計如圖10所示。

圖10 巖心驅(qū)替實驗前后孔隙體積占比

由圖10可見，最大連通孔隙體積占比由92.73%下降至62.52%，出現(xiàn)多個體積占比5%以上的中等大小孔隙。 并且?guī)r心滲透率由21.72×10-3μm2下降至15.73×10-3μm2，巖心孔隙連通性的下降與巖心滲透性降低呈正相關(guān)。 為進一步佐證這一結(jié)論，利用質(zhì)量分數(shù)為20%的鹽酸對對10號巖心剩余部分開展驅(qū)替實驗，消除巖心內(nèi)部堵塞，之后再進行CT掃描，如圖11所示。

圖11 酸驅(qū)后樣品連通孔隙分布

單個孔隙體積占總孔隙體積的比重進行統(tǒng)計如圖12所示。

圖12 巖心酸驅(qū)實驗前后孔隙體積占比

酸液驅(qū)替后，由巖心孔隙結(jié)構(gòu)圖可見，巖心主要連通孔隙體積占比由70.24%提高到95.46%，同時巖心滲透率由15.73×10-3μm2提高到22.59×10-3μm2，進一步驗證了巖心孔隙連通性與巖心滲透率之間的正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）同一區(qū)塊內(nèi)的不同滲透率區(qū)域針對注入水中固相懸浮物有不同的水質(zhì)指標。

（2）通過室內(nèi)試驗，得到了不同區(qū)域注入水固相懸浮物的指標。

（3）CT掃描結(jié)果表明，注入水中固相懸浮物通過堵塞巖心內(nèi)部喉道，降低巖心內(nèi)部孔隙連通性，從而使巖心滲透率降低。

（4）固相懸浮物使單個連通孔隙體積降低30%以上，通過酸化的手段可以恢復巖心孔隙連通性。