曲世元，姜漢橋，李俊鍵，周宇，常元昊，趙子丹

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249;2.挪威科技大學 納米力學實驗室，挪威 特隆赫姆 7491;3.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院， 陜西 西安 710065)

低礦化度水驅作為低油價條件下一種簡單有效、經(jīng)濟可行的提高采收率方法，其研究價值日趨顯著[1-3]。Martin(1959)首次提出降低注入水礦化度能提高采收率[4]；而后Tang和Morrow通過巖心實驗發(fā)現(xiàn)，低礦化度水驅可有效提高采收率[5]；近年來，國內外開展了大量室內和礦場實驗[6-7]，論證了該技術的可行性以及可能的提高采收率機理[8-12]，但對其影響因素的研究尚不完全[13]，甚至存在矛盾，有待進一步的探討。

本文探索了3種因素對低礦化度水驅提高采收率的影響，以相應物理參數(shù)的變化驗證并梳理了部分學者所提出的該技術的相關機理，進而對低礦化度水驅影響因素及機理進行較為系統(tǒng)的闡釋。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣、碳酸氫鈉、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純；勝利油田A區(qū)塊弱酸性原油(pH值為6.79)；石英砂、環(huán)氧樹脂E-44(6101)、高嶺石、蒙脫石、伊利石(95%)均為工業(yè)級。

BH-2型真空加壓飽和裝置；LB-1型平流泵；ISCO-260D型高壓無脈沖計量泵；DP15-22型壓力傳感器；BS223S型電子天平；PHSJ-4F型pH儀；QCA 25科研型潤濕角測量儀；DCAT 15科研型界面張力測量儀；FDR-3人造巖心壓制儀器等。

1.2 實驗準備

1.2.1 中性原油及堿性原油配制 將不同濃度的NaHCO3溶液依次加入原油中，在高溫下充分攪拌，再進行脫水，用pH試紙檢測處理后的油樣酸堿度，直到得到實驗所要求的中性原油以及堿性原油為止。

1.2.2 巖樣制備 制備不同黏土配比的巖心6塊，相同黏土配比(蒙脫石60%+高嶺石30%+伊利石30%)巖心5塊，巖心具體參數(shù)見表1和表2，且為保證每組實驗巖心孔隙結構盡量相似，相同參數(shù)條件的巖心均為統(tǒng)一壓制后切割為標準樣。

表1 不同黏土配比巖心成分表Table 1 Core composition of different clay ratios

表2 相同黏土配比巖心數(shù)據(jù)表Table 2 Core data of the same clay ratio

1.2.3 水樣配制 根據(jù)勝利油田A區(qū)塊地層水以及低礦化度水離子含量計算并分別配制所用水樣，見表3和表4。

表3 地層水性質Table 3 Formation water properties

表4 低礦化度水性質Table 4 Low salinity water properties

1.3 實驗方法

為方便區(qū)分和敘述，將用于不同研究的巖心進行編號，見表5。

表5 巖心使用說明Table 5 Instructions for use of core

1.3.1 飽和水 記錄巖心干重(g)和直徑長度(cm)。將巖心放入抽真空裝置，抽真空7 h。加地層水飽和(加壓20 MPa)，記錄水不自吸(完全飽和水)時巖心重量，并計算含水飽和度。

1.3.2 飽和油 采用恒速0.05 mL/min速度油驅水飽和油，圍壓5 MPa，驅替15 PV油量，記錄累積出水量，計算含水飽和度，并放置60 h進行老化。

1.3.3 低礦化度水轉注 對于奇數(shù)號巖心，在溫度為90 ℃的高溫箱中，采用恒速0.05 mL/min速度地層水驅，圍壓5 MPa，注入0.5 PV地層水，后轉注低礦化度水，含水率達到98%，停止實驗，實時記錄注入壓力、出水量以及出油量等相關數(shù)據(jù)，每隔注入0.5 PV后取產(chǎn)出水進行pH值、界面張力以及潤濕性測試。

1.3.4 地層水驅 對于偶數(shù)號巖心，在溫度為90 ℃的高溫箱中，采用恒速0.05 mL/min速度地層水驅，圍壓5 MPa，水驅至含水率為98%停止實驗，實時記錄注入壓力，出水量、出油量。每隔注入0.5 PV后取產(chǎn)出水，進行pH值、界面張力以及潤濕性測試。

2 結果與討論

2.1 提高采收率效果

2.1.1 黏土礦物組成的影響 黏土礦物成分對低礦化度水驅的影響,測試結果見圖1。

圖1 不同黏土礦物組成低礦化度水驅與常規(guī)水驅采收率對比Fig.1 Comparison of recovery efficiency between low salinity water flooding and conventional water flooding under different clay mineral compositiona.高嶺石對比(I);b.伊利石對比(II);c.蒙脫石對比(III)

由圖1可知，全過程3組對比實驗低礦化度水驅采收率均大于地層水驅采出程度，即含有黏土礦物的地層低礦化度水驅相比常規(guī)水驅采收率更高；3種黏土礦物占比高時采收率提高，高嶺石60%+蒙脫石20%+伊利石20%(1號、2號巖心)相比提高1.9%，伊利石60%+高嶺石20%+蒙脫石20%(3號、4號巖心)相比提高3.3%，蒙脫石60%+高嶺石20%+伊利石20%(5號、6號巖心)相比提高5.7%，即含有更多蒙脫石黏土礦物的巖心低礦化度水驅的采收率更高。

2.1.2 原油酸堿性的影響 油品酸堿度對低礦化度水驅的影響測試結果見圖2。

圖2 不同原油酸堿性低礦化度水驅與常規(guī)水驅采收率對比Fig.2 Comparison of recovery efficiency between low salinity water flooding and conventional water flooding under different crude oil acidity and alkalinity

由圖2可知，酸性原油測試全過程地層水驅(7號巖心)采出程度為37.3%，轉注低礦化度水驅(8號巖心)采出程度為42.3%，低礦化度水驅方案提高采收率5個百分點；中性原油測試全過程，地層水驅(9號巖心)采出程度為37.1%，轉注低礦化度水驅(10號巖心)采出程度為40.7%，低礦化度水驅方案提高采收率3.6個百分點；堿性原油測試全過程，地層水驅(11號巖心)采出程度為37%，轉注低礦化度水驅(12號巖心)采出程度為38.5%，低礦化度水驅方案提高采收率1.5個百分點。對于全過程地層水驅，油品偏酸性采出程度略高，但并不明顯；利用酸性原油進行低礦化度水驅測試時，最終的采出程度明顯高于堿性原油條件下的采出程度，即原油偏酸性為實施低礦化度水驅的有利因素。

2.1.3 黏土含量的影響 黏土含量對低礦化度水驅的影響測試結果見圖3。

圖3 不同黏土含量巖心低礦化度水驅與常規(guī)水驅采收率對比Fig.3 Comparison of recovery efficiency between low-salinity water flooding and conventional water flooding under different clay content coresa.黏土含量10%(Ⅳ)；b.黏土含量5%(Ⅶ)；c.黏土含量0(Ⅷ)

由圖3可知，黏土含量5%巖心全過程地層水驅(13號巖心)采出程度為37.5%，轉注低礦化度水驅(14號巖心)采出程度為39.6%，低礦化度水驅方案提高采收率2.1個百分點；黏土含量0巖心全過程地層水驅(15號巖心)采出程度為38.61%，轉注低礦化度水驅(16號巖心)采出程度為38.6%，低礦化度水驅方案提高采收率0.5個百分點；而黏土含量10%巖心低礦化度水驅(7、8號巖心)提高采收率5個百分點。隨著黏土含量的增加，對于全過程地層水驅，受黏土礦物水敏等的影響，采收率下降，而在低礦化度水驅時，其采收率明顯增加，即僅在含有黏土礦物的地層中，低礦化度水驅才能有效提高采收率，且地層黏土含量越大，效果越突出。

2.2 屬性參數(shù)變化

水驅不同階段產(chǎn)出水的pH值、界面張力和潤濕角的測試結果見圖4。

圖4 屬性參數(shù)測試結果Fig.4 Attribute parameter test results

由圖4可知，(1)總體來看，在全過程地層水驅測試中，3種屬性的變化情況并不明顯，而在轉注低礦化度水驅測試中較為明顯的出現(xiàn)了pH值增大、界面張力減弱、潤濕角變小的現(xiàn)象；(2)不同油品酸堿性以及黏土含量測試組的屬性測試值差異程度較顯著，蒙脫石含量越大時，低礦化度水驅引起的屬性變化程度越大，即低礦化度水驅的效果越明顯；(3)對于不同的油品酸堿性測試，pH值的變化幅度大體相當，但界面張力以及潤濕角的差異性較大，隨著黏土礦物含量的減小，3種屬性變化的幅度明顯減小，當不含黏土礦物時，其作用效果甚至與全程水驅的效果相當。

2.3 低礦化度水驅影響因素分析

屬性參數(shù)值的變化是影響低礦化度水驅的宏觀表因，從微觀上來說，屬性參數(shù)的變化又是黏土礦物、巖石骨架與低礦化度水之間發(fā)生物理化學反應所導致的。

2.3.1 黏土礦物成分 地層巖心中黏土礦物種類豐富，但主要以蒙脫石、伊利石和高嶺石3類黏土礦物為主。從微觀上來說，黏土礦物晶體結構決定了該礦物對低礦化度水驅效果的影響，3類黏土礦物晶體每一個結構單元均是由Si—O四面體層和鋁氧八面體(Al-O/OH)層組成，高嶺石類黏土礦物晶體包含兩層(Si—O四面體層和鋁氧八面體層各一層)，氫鍵連接著每一層，因此其膨脹性較弱離子交換能力也較弱；伊利石的主要礦物是云母，其結構類似于蒙脫石晶體且更容易發(fā)生離子交換，但由于替代作用不如蒙脫石，因此離子交換能力和膨脹性一般；而蒙脫石晶體則是由兩個硅氧四面體夾一層鋁氧八面體構成，層與層之間主要作用力為范德華力，連接較弱，極易吸收水分子，因此膨脹性最強，且結構中的Si4+極易被Al3+所替代，從而產(chǎn)生電荷不平衡，進而導致蒙脫石晶體具有顯著的離子交換能力。3類黏土礦物基本特性見表6。

表6 3種黏土礦物基本特性Table 6 Basic characteristics of three clay minerals

對于低礦化度水驅，由于注入的水的影響，破壞了地層中原有的離子化學平衡，由于黏土礦物成分含量的差異，含有更多蒙脫石的巖心其離子交換能力相對最強，pH變化更為明顯，同時由于蒙脫石晶體結構更易吸水，注入低礦化度水后，黏土礦物顆粒發(fā)生運移膨脹，進入原始地層的孔隙結構，從而引起孔隙度和滲透率的變化，最終轉變液流方向，宏觀表現(xiàn)為擴大波及系數(shù)，提高采收率效果更為顯著。

2.3.2 原油酸堿度 最初在地層中有機酸和基質是通過無機陰離子(例如Ca2 +)吸附在黏土表面的，并建立了化學平衡。地層中由于溶解了CO2和H2S，原始地層中液體的pH值通常在5以下。當注入低礦化度水后，由于離子濃度不同，破壞了原始地層的平衡，發(fā)生離子解吸，在這種狀態(tài)下，水中的H+將被吸附在巖石表面上，以彌補巖石表面丟失的陽離子，導致陽離子和H+相互轉化。變化關系如下：

[黏土- 陽離子]+H2O=[黏土-H+]

+陽離子+ OH-

陽離子+OH-= [陽離子-OH-]-

此時，地層水中pH相應上升，黏土表面的有機物質以及原油中的有機酸將和—OH反應，即常說的皂化反應，形成一個酸-鹽的界面：

[黏土-RCOOH]+OH-=黏土+RCOO-+H2O

該反應對pH異常敏感，同時生成表面活性物質，可有效降低界面張力和潤濕角。通過不同原油酸堿度屬性實驗，可以推測油品酸堿度的選取影響了皂化反應生成表面活性物質，導致了界面張力和潤濕性的差異化。地層呈酸性的條件下，低礦化度水驅在一定程度上可以有效提高地層水pH，進而促進皂化反應的進行，呈現(xiàn)出表面活性劑驅替效果。

2.3.3 黏土含量 低礦化度水驅提高采收率機理為：一方面，帶有黏土礦物的巖心中的伊利石、蒙脫石離子交換能力和表面面積都較大，在地層巖石表面容易發(fā)生離子交換，注入低礦水后，水中H+等把巖石表面有機極性化合物和有機金屬復合物等復雜陽離子置換下來，導致局部pH增高；同時，黏土礦物的溶解一定程度上也會使產(chǎn)出水的pH值上升。進而原油的酸組分或極性組分在堿性條件下發(fā)生皂化反應產(chǎn)生表面活性劑，具有了類似堿驅的機理，使得儲層潤濕性更加親水，同時降低了界面張力。另一方面，對于帶有黏土礦物的巖心，注入低礦水后，膨脹性黏土會水化膨脹，非膨脹性黏土可以脫離巖石表面，即地層中部分黏土礦物將發(fā)生溶解和顆粒運移，這將會改變儲層的原有的孔隙結構，進而改變注入水液流方向，礦物顆粒溶解運移一定程度封堵了主流通道，減小了指進現(xiàn)象，使得驅替范圍更廣，擴大了注入水的波及范圍，產(chǎn)生了類似聚合物驅的效果。即在合適的條件下，低礦化度水驅能夠一定程度上兼具堿驅的增大洗油效率以及聚合物驅的增大波及效率的特性。

同時從屬性變化來看，黏土礦物含量越高，屬性差異越大，而從提高采收率效果來看，黏土礦物含量越高，其采收率效果越高。結合低礦化度水驅提高采收率機理不難看出，黏土礦物的存在是低礦化度水驅取得較好效果的必要條件。

3 結論

(1)在黏土礦物含量相近時，蒙脫石含量最高的巖心低礦化度水驅的效果最為明顯(提高采收率5.7個百分點)，而高嶺石含量最高的巖心低礦化度水驅的提采效果最差(提高采收率1.9個百分點)，伊利石含量最高的巖心低礦化度水驅提采效果居中(提高采收率3.3個百分點)，即黏土礦物組成對低礦化度水驅效果影響較大，所含黏土礦物離子交換能力的高低決定了低礦化度水驅的提高采收率效果。

(2)黏土含量10%的巖心轉注低礦化度水后能提高采收率5個百分點，而不含黏土含量時提高采收率僅0.4個百分點，即巖心是否含有黏土礦物是低礦化度水驅提高采收率的必要條件；酸性原油低礦化度水驅時提高采收率程度高于中性及堿性原油，即酸性原油為低礦化度水驅提高采收率的有利條件。

(3)與全過程水驅測試相比，轉注低礦化度水驅測試中較為明顯的出現(xiàn)了pH值增大，界面張力降低，潤濕角減小的現(xiàn)象。即低礦化度水注入巖心后出現(xiàn)了類似堿水驅的作用效果，提高了注入水的洗油效率，進而提高最終采收率。