梁玉凱，于曉聰，宋吉峰，闞長賓，韓 宇，徐啟立

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南海口 570311；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北武漢 430074）

隨著海上油氣開發(fā)力度的不斷加大，越來越多的優(yōu)質(zhì)儲量被動用，加大低滲透儲量動用、提高低滲透油田開發(fā)效果研究越來越緊迫。南海西部低滲透油藏儲量豐富，其中WCXX 油田ZJ1-3U/L 油組由于天然能量不足，亟需注水投產(chǎn)。該油組具有低壓力系數(shù)（0.39～0.65）、疏松高泥質(zhì)含量（黏土含量16.3%～24.1%，伊蒙混層含量超過50%）、低滲（測井滲透率16.3×10-3～24.1×10-3μm2）、高細(xì)粉砂含量（小于44 μm 細(xì)粉砂含量為50%～70%）等特點(diǎn)。回注生產(chǎn)水雖具有較高的礦化度（35 275.70 mg/L），但黏土穩(wěn)定作用有限，加上高強(qiáng)度的注水沖刷，導(dǎo)致儲層黏土膨脹分散運(yùn)移和細(xì)粉砂微粒脫落運(yùn)移，堵塞儲層孔喉，注入壓力升高，儲層能量得不到有效補(bǔ)充，給油田高效開發(fā)帶來很大難度。

類似油田現(xiàn)場也發(fā)現(xiàn)隨著注水開發(fā)的進(jìn)行，部分油井會呈現(xiàn)產(chǎn)液量下降和注水壓力升高的現(xiàn)象［1-2］。推斷是敏感性礦物發(fā)生膨脹、運(yùn)移，造成儲層孔喉堵塞，導(dǎo)致注水壓力升高。室內(nèi)實(shí)驗對比驅(qū)替前后的巖心CT 成像圖和驅(qū)替出的液體，明確了儲層運(yùn)移主要微粒為黏土礦物和極細(xì)石英砂顆粒［3-4］。目前，低滲透油藏降壓增注技術(shù)主要有3類：（1）注入防膨體系，減少黏土礦物膨脹，減少微粒運(yùn)移造成堵塞［5-7］；（2）通過酸化、壓裂等方式改善儲層以實(shí)現(xiàn)降壓增注［8-15］；（3）通過表面活性劑降低油水界面張力以實(shí)現(xiàn)降壓增注［16-25］。由于目標(biāo)儲層巖性疏松，通過酸化的方式改善儲層，儲層微粒脫落強(qiáng)度會進(jìn)一步增大。在后續(xù)注水過程中，近井儲層在流體沖刷下極易導(dǎo)致儲層骨架坍塌。注水初期可用表面活性劑對儲層預(yù)處理，減少有機(jī)堵塞，起到降壓增注的作用，但對流體沖刷引起的微粒運(yùn)移堵塞孔喉效果甚微。結(jié)合WCXX 油田地質(zhì)特點(diǎn)和生產(chǎn)特征，本文利用速敏實(shí)驗設(shè)計可動微粒逐級運(yùn)移梯度注水，并優(yōu)選出一種儲層微粒梯度運(yùn)移的防堵體系，使儲層可動黏土顆粒、細(xì)粉砂顆粒在防堵體系協(xié)助下順暢運(yùn)移至儲層安全半徑之外［26］。通過室內(nèi)巖心驅(qū)替模擬實(shí)驗評價了該體系的防堵降壓效果，為礦場應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗部分

1.1 材料與儀器

氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣（CaCl2·2H2O）、硫酸鈉、氯化鎂（MgCl2·6H2O）、碳酸氫鈉等均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鈉膨潤土，山東省濰坊市坊子區(qū)駙馬營鈉土廠；有機(jī)陽離子黏土穩(wěn)定劑（YN），相對分子質(zhì)量185.69，含量50%，東營福瑞達(dá)石油科技有限責(zé)任公司；有機(jī)陽離子聚合物黏土穩(wěn)定劑（JN），相對分子質(zhì)量25 000，含量18%，東營福瑞達(dá)石油科技有限責(zé)任公司；WCXX 油田地層水，礦化度32 405.90 mg/L，離子組成（單位mg/L）：K++Na+11 935.34、Ca2++Mg2+626.92、Cl-19 539.33、HCO3-278.43；WCXX 油田生產(chǎn)水，礦化度35 275.70 mg/L，離子組成（單位mg/L）：K++Na+12 968.78、Ca2++Mg2+679.82、Cl-20 738.25、HCO3-272.15；石英砂，上高華硅礦業(yè)有限公司；可動黏土，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的鈉膨潤土，以模擬實(shí)際儲層。

巖心驅(qū)替裝置，江蘇海安石油科研儀器有限公司；離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；202-0 型臺式干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；恒定載荷巖心加載裝置，武漢科盛石油科技有限公司。

1.2 實(shí)驗方法

（1）防膨性能評價

采用離心法測試黏土穩(wěn)定劑在70 ℃下的防膨性能。先向離心管內(nèi)加入10 g 用生產(chǎn)水配制的黏土穩(wěn)定劑溶液，然后分4～6 次加入0.50 g 鈉膨潤土。利用液體質(zhì)量和密度求取體積，減少人為計量誤差。防膨率計算公式為：

式中，B—防膨率，%；V1—鈉膨潤土在蒸餾水中的膨脹體積，mL；V2—鈉膨潤土在黏土穩(wěn)定劑中的膨脹體積，mL。

（2）松散巖心驅(qū)替評價

將0.074～0.015 mm（100～200 目）與0.048～0.038 mm（300～400 目）石英砂按體積比3∶7 混合，添加7%可動黏土，用攪拌器以10 r/min的速度攪拌30 min，然后用熱塑管包裹成系列松散巖心。用恒定載荷巖心加載裝置對巖心裝填磨具施加恒定壓力，以模擬地層巖心。將自制的模擬巖心放入巖心夾持器中，飽和地層水，測定巖心滲透率。然后按照不同的實(shí)驗?zāi)康模栽O(shè)定的流體及驅(qū)替速度驅(qū)替巖心，測定巖心實(shí)時驅(qū)替壓力和巖心滲透率。巖心為同期制作，液測滲透率為3.31×10-3～6.65×10-3μm2。通過室內(nèi)速敏實(shí)驗測得目標(biāo)區(qū)塊儲層巖心的臨界流速為0.54 mL/min。只有當(dāng)自制松散巖心的滲透率在3.31×10-3～6.65×10-3μm2時，測得的臨界流速才為0.5 mL/min，因此選用此巖心顆粒配比開展實(shí)驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 儲層微粒梯度運(yùn)移現(xiàn)場試驗對比分析

WCXX油田上部為中高滲透儲層、下部為低滲透儲層。由于儲層疏松，在低滲透儲層和中高滲透儲層注水過程中，均存在微粒運(yùn)移堵塞儲層的現(xiàn)象。低滲透儲層和中高滲儲層對應(yīng)的兩口井的注水曲線（2021年）如圖1所示。其中，低滲透儲層注水強(qiáng)度為0.29 m3/（d·m），中高滲透儲層注水強(qiáng)度為10 m3/（d·m）。

圖1 WCXX油田疏松砂巖注水初期曲線

由圖1（a）可見，在低滲透儲層注水過程中，注水初期即使在較低的注水強(qiáng)度下，儲層細(xì)小微粒的運(yùn)移也會導(dǎo)致孔喉堵塞，注入壓力急劇升高，儲層可承受的注水強(qiáng)度降低。當(dāng)注水壓力接近井筒臨界安全注入壓力時，只能降低日注水量，而注入壓力降幅甚微；當(dāng)提高日注水量，注入壓力相應(yīng)增大，在激動壓力的影響下，儲層中部分堵塞喉道被沖開，儲層容忍注水強(qiáng)度增大。由圖1（b）可見，在中高滲透儲層注水過程中，注水初期與低滲透儲層表現(xiàn)出同樣的特征。但當(dāng)提高日注水量后，激動壓力解除了微粒堵塞，繼續(xù)增加日注水量，注入壓力降低。說明經(jīng)過注水初期的低排量注水，可動微粒得到了適量運(yùn)移；在提高日注水量階段，較高的注水量可攜帶更多可動微粒運(yùn)移至儲層的安全半徑之外。

在疏松高黏土中高滲透儲層中，由低到高的注水速度可實(shí)現(xiàn)微粒梯度運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)安全綠色注水；而在疏松高黏土低滲透儲層中，僅通過速度梯度實(shí)現(xiàn)綠色注水的難度較大，需要在注水初期配合一定的防堵藥劑，在注水過程中控制黏土膨脹、適度攜帶微粒運(yùn)移，保護(hù)儲層骨架避免微粒過度脫落，降低注水壓力。

2.2 儲層微粒梯度運(yùn)移速度梯度設(shè)計

儲層微粒梯度運(yùn)移防堵體系首先需要確定速度梯度，在速度梯度的基礎(chǔ)上優(yōu)選防堵藥劑，使可動微粒實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定梯度運(yùn)移。

2.2.1 速度梯度的確定

用8%KCl 溶液開展模擬巖心臨界流速驅(qū)替實(shí)驗，結(jié)果如表1所示。由于模擬巖心疏松，可動微粒數(shù)量較多，隨驅(qū)替速度增大，驅(qū)替壓力急劇上升，巖心滲透率迅速下降。模擬巖心的臨界流速為0.5 mL/min（實(shí)際油藏巖心的臨界流速為0.54 mL/min），此時壓力增幅為6.2 MPa?；谂R界流速驅(qū)替速敏實(shí)驗，設(shè)計0.25 mL/min 為速度梯度的第一速度，0.5 mL/min 為第二速度。通過驅(qū)替速度逐級增加，實(shí)現(xiàn)微粒的梯度運(yùn)移。進(jìn)一步，應(yīng)用生產(chǎn)水開展速度梯度模擬實(shí)驗評價。

表1 模擬巖心臨界流速驅(qū)替實(shí)驗評價結(jié)果

2.2.2 速度梯度效果評價

利用生產(chǎn)水開展模擬巖心速度梯度實(shí)驗評價，速度變化為0.25 mL/min—0.5 mL/min—0.75 mL/min，并與定速（0.75 mL/min）驅(qū)替空白實(shí)驗進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2 所示。圖中階段①（0.25 mL/min）、②（0.5 mL/min）、③（0.75 mL/min）分別對應(yīng)速度梯度驅(qū)替過程中的不同驅(qū)替速度。以定速驅(qū)替時，壓力逐漸升高，滲透率持續(xù)降低。定速驅(qū)替時，在階段①，巖心可動微粒大量運(yùn)移，導(dǎo)致巖心入口附近孔喉堵塞嚴(yán)重，驅(qū)替壓力急劇增大，滲透率降幅超過80%。隨驅(qū)替量增大，雖壓力持續(xù)增大，但部分可動微粒已架橋堵塞孔喉，無法運(yùn)移至巖心出口，所以滲透率持續(xù)降低。速度梯度驅(qū)替時，階段①的驅(qū)替速度較小，少量可動微粒運(yùn)移，模擬巖心受微粒運(yùn)移傷害較小，壓力較定速驅(qū)替增長緩慢，說明可動微粒可逐漸運(yùn)移至巖心深處。在階段②，雖驅(qū)替速度小于定速驅(qū)替，但瞬間提速，可動微粒運(yùn)移量增大，導(dǎo)致壓力增長倍數(shù)快速增大，但第二速度梯度對滲透率的影響較小。與定速驅(qū)替相比，滲透率保留率增幅約17%。當(dāng)注入體積超過8 PV后，注入壓力開始降低，說明可動微粒已運(yùn)移出巖心，驅(qū)替阻力開始降低。在階段③，兩者驅(qū)替速度相同，定速驅(qū)替壓力持續(xù)增大，而速度梯度驅(qū)替在提高驅(qū)替速度注入1 PV（注入體積13 PV）后，壓力增長出現(xiàn)了拐點(diǎn)，說明在速度梯度的變化過程中，微粒由于梯度運(yùn)移排出巖心，孔喉堵塞逐漸解除，巖心滲透率逐漸恢復(fù)。

圖2 定速驅(qū)替與速度梯度驅(qū)替對比

空白模擬實(shí)驗較臨界流速驅(qū)替速敏實(shí)驗（見表1）對巖心的傷害大，這主要是由于速敏實(shí)驗使用了具有穩(wěn)定黏土的8%KCl 體系。由此可見，速度梯度與防堵體系的雙重作用可達(dá)到防堵降壓的效果。由對比實(shí)驗可得，在驅(qū)替階段①，防堵體系需要穩(wěn)定黏土顆粒不膨脹，并適度運(yùn)移；在驅(qū)替階段②，微粒大量運(yùn)移，需要在黏土穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，增加促進(jìn)微粒運(yùn)移的藥劑。

2.3 儲層微粒梯度運(yùn)移防堵體系藥劑優(yōu)選

2.3.1 黏土穩(wěn)定劑性能

模擬巖心蒙脫石含量50%。由于蒙脫石為膨脹型黏土礦物，遇水膨脹，堵塞孔喉，而且膨脹后的蒙脫石還可進(jìn)一步分散，在運(yùn)移中堵塞孔喉。因此，優(yōu)選pH 值為中性的無機(jī)黏土穩(wěn)定劑KCl（pH=7.2）、有機(jī)陽離子黏土穩(wěn)定劑YN（pH=7.2）和有機(jī)陽離子聚合物黏土穩(wěn)定劑JN（pH=7.1），利用生產(chǎn)水開展防膨性能評價，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同類型黏土穩(wěn)定劑性能評價

由圖3可見，3種黏土穩(wěn)定劑的防膨率均隨加量增大呈增大趨勢。在加量超過0.4%后，防膨率的變化很小。3 種黏土防膨劑中，JN 的黏土穩(wěn)定效果最優(yōu)，0.4%加量下的防膨率達(dá)到91.19%；KCl 的黏土穩(wěn)定效果次之，0.4%加量下的防膨率達(dá)到90.05%；YN 的黏土穩(wěn)定性能最差，0.4%加量下的防膨率為88.45%，較生產(chǎn)水的防膨率85.22%，僅提高3.23%。目標(biāo)區(qū)塊蒙脫石含量高，為使其微粒運(yùn)移降到最低，黏土穩(wěn)定劑的防膨率設(shè)計值應(yīng)大于90%。因此，YN 需要復(fù)配一定量價格低廉的KCl，以提高其防膨率，實(shí)驗結(jié)果如表2 所示。從體系性能、經(jīng)濟(jì)均衡考慮，優(yōu)選0.2%KCl+0.3%YN 體系，黏土防膨率可達(dá)到91.32%。

表2 KCl與YN復(fù)配的防膨效果

雖然黏土穩(wěn)定劑能抑制黏土的膨脹，但模擬巖心為疏松細(xì)粉砂巖，在注入流體的沖刷下，細(xì)小顆粒極易脫落。脫落的顆粒隨注入流體運(yùn)移，當(dāng)微粒直徑達(dá)到孔隙喉道直徑1/3 架橋堵塞原則［27］時，孔隙喉道就會堵塞，巖心滲透性降低，驅(qū)替壓力升高。因此，需要開展不同黏土穩(wěn)定劑對低滲透巖心微粒運(yùn)移攜帶影響程度的研究。

2.3.2 防堵體系微粒攜帶性能

開展生產(chǎn)水、0.5% KCl、0.2% KCl+0.3% YN、0.5%JN 4個體系的驅(qū)替實(shí)驗，驅(qū)替速度為0.25 mL/min（階段①）和0.50 mL/min（階段②）。防堵體系對低滲透巖心微粒攜帶的影響實(shí)驗結(jié)果如圖4 所示。隨驅(qū)替速度增大，不同體系的驅(qū)替壓力均有不同程度的增加。在較低的驅(qū)替速度下，KCl 體系的效果最優(yōu)。這是由于在較低的驅(qū)替速度下，流體對巖心中可動微粒的攜帶能力有限，輔以KCl 體系穩(wěn)定黏土顆粒的作用下，驅(qū)替壓差增幅較小，驅(qū)替5 PV 后的驅(qū)替壓力是初始驅(qū)替壓力的2.47倍；KCl+YN和JN體系因具有較高的微粒攜帶能力，在較低的驅(qū)替速度下，導(dǎo)致大量微粒運(yùn)移，堵塞孔喉，驅(qū)替壓力增大。在較高的驅(qū)替速度下，KCl+YN體系的效果最優(yōu)。這是由于在較高的驅(qū)替壓力下，流體對巖心中可動微粒的攜帶能力提高，KCl 體系雖能較好地穩(wěn)定黏土顆粒，但其微粒攜帶能力較差。JN體系具有一定的黏度（2 mPa·s），對于密度小的蒙脫石、高嶺石，微粒的攜帶能力很強(qiáng)，加上其對微粒的吸附作用使其攜帶能力進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致部分孔喉堵塞，驅(qū)替壓力最大。但當(dāng)注入體積達(dá)到3 PV后，與空白實(shí)驗相比，JN體系驅(qū)替壓力開始降低，說明JN通過防膨、吸附和攜帶，疏通了巖心，但驅(qū)替壓力增幅較大，為初始值的11.12 倍。因此，在低滲透油藏中，不宜選用JN 體系穩(wěn)定黏土。在較低的驅(qū)替速度下，優(yōu)選KCl 體系；較高的驅(qū)替速度下，優(yōu)選KCl+YN體系。

圖4 不同驅(qū)替速度下4種防堵體系的驅(qū)替壓力變化

2.4 儲層微粒梯度運(yùn)移防堵體系性能評價

在速度梯度的基礎(chǔ)上增加防堵體系的應(yīng)用。在較低速度階段①用KCl 防堵體系，在較高速度階段②用KCl+YN 防堵體系，最后在階段③用生產(chǎn)水驅(qū)替。梯度防堵體系的防堵降壓效果如圖5 所示。在階段①，利用防堵體系KCl穩(wěn)定黏土，在較低的驅(qū)替速度下，使可動微粒適度運(yùn)移至出口，減少了孔喉堵塞，注入4 PV 后的巖心滲透率保留率為49.15%。逐漸提高驅(qū)替速度至階段②，利用防堵體系KCl+YN 穩(wěn)定黏土、攜帶微粒、吸附穩(wěn)壁等作用，適度提高可動微粒的排泄能力，巖心的滲透率逐漸回升，超過了階段①的滲透率。逐漸提高驅(qū)替速度至階段③，此階段雖沒有藥劑處理，但驅(qū)替壓力僅在提速階段較空白樣略有增大，驅(qū)替3 PV后，驅(qū)替壓力呈降低趨勢；滲透率在階段③迅速恢復(fù)至原始滲透率的91.58%，驅(qū)替壓力是初始低速注入壓力的3.28倍。由此可見，通過防堵體系的黏土穩(wěn)定、微粒攜帶和吸附保護(hù)等作用，輔合速度梯度，可使微粒在較低的壓力下逐漸運(yùn)移，促進(jìn)了巖心滲透率的快速恢復(fù)。

圖5 微粒梯度運(yùn)移防堵體系防堵降壓效果評價

2.5 儲層微粒梯度運(yùn)移防堵機(jī)理分析

2.5.1 速度梯度使可動微粒梯度運(yùn)移

在現(xiàn)場注水過程中，水流方向為徑向流動，流速與水流的徑向半徑為冪函數(shù)關(guān)系。目標(biāo)區(qū)塊最大注水速度（vmax）對應(yīng)的危險半徑為3.05 m，即圖6（c）的灰色區(qū)域。因此，在注水開始階段，當(dāng)以較小的驅(qū)替速度注入，即圖6（a）工況，灰色區(qū)域面積僅有圖6（c）工況的6.37%。在少量的可動微粒運(yùn)移下，輔以防堵KCl體系，可使微粒逐漸運(yùn)移到灰色區(qū)域以外（安全區(qū)域）。當(dāng)圖6（a）工況穩(wěn)定后，逐步提高驅(qū)替速度至圖6（b）工況，灰色面積增大，占圖6（c）工況的25.16%。但圖6（a）工況下可動微粒已大量運(yùn)移至安全區(qū)域以外，此時輔以防堵體系KCl+YN 提高可動微粒運(yùn)移能力，降低微粒運(yùn)移孔喉堵塞和注入壓力升高的風(fēng)險。當(dāng)圖6（b）工況穩(wěn)定后，緩慢提高驅(qū)替速度至圖6（c）工況，繼續(xù)輔以防堵體系KCl+YN 提高可動微粒的運(yùn)移能力，實(shí)現(xiàn)了灰色區(qū)域可動微粒的梯度運(yùn)移。

圖6 目標(biāo)區(qū)塊在不同注水速度下的注水危險半徑

2.5.2 防堵體系使可動微粒梯度脫落

當(dāng)注水速度較低時，首先應(yīng)用KCl黏土穩(wěn)定劑，減少驅(qū)替過程中儲層骨架上黏土顆粒的膨脹運(yùn)移。單一KCl 黏土穩(wěn)定劑的顆粒攜帶作用較弱，可實(shí)現(xiàn)低驅(qū)替速度下少量可動顆粒的運(yùn)移。當(dāng)增大注水速度時，驅(qū)替力的提高促使可動微粒運(yùn)移數(shù)量增大，此時增加具有微粒攜帶能力的陽離子黏土穩(wěn)定劑YN。該藥劑吸附于可動顆粒上，通過聯(lián)動攜帶作用，促進(jìn)可動顆粒運(yùn)移至危險半徑外。同時，YN還吸附于儲層骨架，避免了顆粒的過量脫落。

綜上所述，通過速度梯度和防堵體系的協(xié)同作用，可使儲層可動微粒實(shí)現(xiàn)梯度運(yùn)移，達(dá)到防堵降壓的效果。

3 結(jié)論

優(yōu)選出一種高黏土疏松低滲透油藏梯度防堵體系。體系組成為：低速梯度防堵體系0.5%KCl，高速梯度防堵體系0.2%KCl+0.3%有機(jī)陽離子黏土穩(wěn)定劑。通過速度梯度和防堵體系的協(xié)同作用，巖心滲透率保留率由空白水驅(qū)的10.56%提高至91.58%，壓力增長倍數(shù)由9.47降為3.28。

梯度防堵體系可應(yīng)用于高黏土低滲透儲層注水補(bǔ)充能量初期階段，在注水速度逐漸增大的過程中，實(shí)現(xiàn)了儲層可動微粒的梯度運(yùn)移，減少了油藏孔喉堵塞，有效提高了儲層滲透性，降低了注水壓力。該體系為中性（pH值為7.2），不傷害儲層骨架，為低滲透油藏超前綠色注水提供了一定的理論支撐。