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        礫巖低滲透油藏注入水中固體懸浮物的傷害實(shí)驗(yàn)

        2022-07-30 03:26:36許世京伍家忠史永兵陳興隆
        油氣地質(zhì)與采收率 2022年4期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)質(zhì)量

        許世京,伍家忠,史永兵,陳興隆

        (1.中國石化油田綜合管理部,北京 100083;2.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;4.西安長慶化工集團(tuán)有限公司,陜西西安 710018)

        注入水質(zhì)是影響低滲透油藏注水開發(fā)效果的重要因素[1-3]。與砂巖低滲透油藏相比,礫巖低滲透油藏在孔隙結(jié)構(gòu)、喉道分布、非均質(zhì)性、黏土礦物種類及含量等方面差異較大,礫巖低滲透儲(chǔ)層介質(zhì)遇水分散、遷移且蒙脫石遇水膨脹更加嚴(yán)重,其中,注入水中固體懸浮物(SS)含量、粒徑大小引起儲(chǔ)層堵塞嚴(yán)重,注水壓力升高,注入難度加大,是造成儲(chǔ)層嚴(yán)重傷害的主要因素[4-7]。因此在油田注水開發(fā)過程中,注入水質(zhì)指標(biāo)的確定需與注入儲(chǔ)層相匹配。對于礫巖低滲透油藏的注水開發(fā),固體懸浮物的堵塞是重要因素,由于不同油藏的差異性較大,無法形成統(tǒng)一的注入水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn),需要在行業(yè)推薦指標(biāo)的基礎(chǔ)上結(jié)合目標(biāo)油藏,有針對性地開展注入水質(zhì)對目標(biāo)油藏的儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)研究。在控制巖心滲透率傷害較小的情況下,科學(xué)制定合理的注入水質(zhì)指標(biāo),建立適用于目標(biāo)礫巖低滲透油藏的注入水質(zhì)合理指標(biāo)界限[8-9],提高注水開發(fā)效果。

        新疆油田某區(qū)塊是典型的礫巖低滲透油藏[10],埋深為2 571.10~2 578.87 m,地層原油黏度為4.0~10.7 mPa·s,油相相對滲透率隨著含水飽和度的增加迅速下降,油水兩相滲流范圍窄,束縛水飽和度為20.8%~34.8%,標(biāo)定采收率為21.3%,采出程度為12.67%,綜合含水率為68%,采油速度僅為0.38%。在注水開發(fā)過程中,面臨注水難、采出少的困境,油田開發(fā)效果受到嚴(yán)重影響。根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊礫巖低滲透油藏儲(chǔ)層特性,采用現(xiàn)場注入水樣和儲(chǔ)層巖心開展了SS 不同質(zhì)量濃度和不同粒徑中值的巖心驅(qū)替堵塞實(shí)驗(yàn),研究其對儲(chǔ)層滲透率的影響程度[11],進(jìn)而提出目標(biāo)礫巖低滲透油藏注水水質(zhì)的合理界限指標(biāo),用以指導(dǎo)現(xiàn)場開展污水處理水質(zhì)控制,提高水驅(qū)效果,發(fā)揮注入水介質(zhì)的有效效能,為新疆油田礫巖低滲透油藏水驅(qū)持續(xù)高效開發(fā)提供技術(shù)支撐。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

        實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)水樣取自現(xiàn)場注水泵出口的注入水,其離子組成和水質(zhì)分析按照油田水分析方法[12]和碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標(biāo)及分析方法中注入水水質(zhì)分析方法[13],注入水總礦化度為6 866.97 mg/L,pH 值為8.2,呈弱堿性,不含油,Ca2+和Mg2+成垢離子質(zhì)量濃度≤130 mg/L,水型為CaCl2型。

        針對目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層差異性和不同滲透率巖心孔隙結(jié)構(gòu)特征差異,選取典型的巖心樣品,巖心氣測滲透率為7.59~119 mD,直徑約為2.5 cm,長度不等。分別按照巖心分析方法[14]、沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 衍射分析方法[15]對其進(jìn)行常規(guī)物性分析(表1)和儲(chǔ)層黏土及礦物分析(表2),巖心喉道分布曲線峰值低,展布范圍較大,喉道半徑較大的比例高,為4.0~15.0 μm(圖1)。

        圖1 礫巖低滲透油藏巖心喉道分布曲線Fig.1 Core throat distribution of low-permeability conglomerate reservoir

        表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本物性參數(shù)Table1 Basic physical parameters of experimental core samples

        表2 目標(biāo)評價(jià)區(qū)儲(chǔ)層黏土及礦物全巖分析結(jié)果Table2 Reservoir clay and mineral analysis results in target evaluation area %

        實(shí)驗(yàn)儀器 實(shí)驗(yàn)儀器主要包括:ICS2100 離子色譜儀(US)、WSP-1 注水評價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置(中國石油勘探院研發(fā))、Lightspeed8 巖心CT 掃描系統(tǒng)、SIGMA300 掃描電鏡、CAT112 高低滲透率儀、CAT113氦孔隙度儀、Brucker D8 ADVANCE X射線衍射儀。

        1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        用現(xiàn)場水樣進(jìn)行SS巖心傷害實(shí)驗(yàn),分別開展不同SS質(zhì)量濃度和粒徑中值的巖心驅(qū)替堵塞實(shí)驗(yàn),研究SS 對巖心滲透率的影響規(guī)律,主要步驟為:①稱巖心干重,測量其長度及直徑,將巖心抽真空,用相同礦化度的鹽水飽和24 h。②將飽和好的巖心取出后測濕重,計(jì)算巖心的孔隙度。③按巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)要求安裝好要測試的巖心,先用實(shí)驗(yàn)水樣(用去離子水稀釋1倍)進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn),測定空白的巖心滲透率變化。參考實(shí)驗(yàn)水樣的SS質(zhì)量濃度和粒徑中值,配制成粒徑中值相同、懸浮物質(zhì)量濃度一致的水樣進(jìn)行巖心驅(qū)替堵塞實(shí)驗(yàn)(注入量為200 PV),記錄驅(qū)替前后壓差、驅(qū)替體積等參數(shù),計(jì)算巖心滲透率變化。④通過改變注入水的懸浮物質(zhì)量濃度和粒徑中值,研究不同注入量下儲(chǔ)層巖心滲透率的傷害情況。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 孔隙結(jié)構(gòu)及黏土礦物特性

        對于目標(biāo)區(qū)塊的礫巖低滲透儲(chǔ)層巖心,孔隙度為9%~21%的區(qū)域占79%,是主要的滲流通道區(qū)域,同時(shí),在砂粒組成的孔隙中由于黏土雜基充填,構(gòu)成復(fù)雜的雙模態(tài)結(jié)構(gòu),巖心掃描斷層面的非均質(zhì)性較強(qiáng),CT值分布曲線較寬,巖心的軸向均質(zhì)性較好,平均CT值分布較均勻(圖2),與砂巖低滲透油藏在孔隙結(jié)構(gòu)特征、孔喉分布、非均質(zhì)性等方面均有較大差異。掃描電鏡及薄片鑒定的分析結(jié)果表明,巖石為細(xì)礫顆粒結(jié)構(gòu)的碎屑顆粒,巖樣分選差,磨圓度為次圓,粒級主要為細(xì)礫(圖3)。在該區(qū)域選取6 塊巖心,分別進(jìn)行SS 質(zhì)量濃度和粒徑中值的巖心驅(qū)替堵塞實(shí)驗(yàn),評價(jià)方法按照儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法[16]。

        圖2 礫巖巖心CT掃描結(jié)果Fig.2 CT scanning of conglomerate core

        圖3 巖心掃描電鏡及薄片鑒定分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of core scanning electron microscope and thin section identification

        從儲(chǔ)層黏土及礦物全巖分析結(jié)果(表2)可知,儲(chǔ)層發(fā)育大量高嶺土,顆粒間膠結(jié)松散,存在夾心餅干式黏土礦物膠結(jié)(伊/蒙混層),易形成顆粒運(yùn)移、封堵現(xiàn)象,造成滲透率傷害。

        2.2 固體懸浮物含量傷害特性

        實(shí)驗(yàn)用水樣的粒徑中值為15.64 μm,對1#—3#巖心進(jìn)行不同SS 質(zhì)量濃度的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)(表3),1#—3#巖心的驅(qū)替速度分別為0.1,0.2 和1 mL/min。從表3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)巖心滲透率為9.28 mD,SS質(zhì)量濃度為1.43 mg/L 時(shí),對巖心滲透率傷害最小,隨著SS 質(zhì)量濃度的增大,對巖心的傷害程度逐漸增大,當(dāng)SS 質(zhì)量濃度為5.10 mg/L 時(shí),滲透率變化率急劇增加,當(dāng)SS 質(zhì)量濃度為11.30 mg/L 時(shí),巖心滲透率變化率為30%。由此可知,對于滲透率≤9.28 mD 的地層,當(dāng)滲透率變化率≤20%時(shí),可控制SS質(zhì)量濃度≤1.43 mg/L。

        表3 SS質(zhì)量濃度對1#—3#巖心的傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 Damage to cores 1#-3#at different concentrations of suspended solids

        在巖心滲透率為46.9 mD,粒徑中值一定時(shí),SS質(zhì)量濃度為1.43 mg/L,對巖心滲透率傷害最小。隨著SS質(zhì)量濃度的增大,對巖心傷害程度亦增大。當(dāng)SS 質(zhì)量濃度為11.30 mg/L 時(shí),巖心滲透率變化率為48%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,對于滲透率≤46.9 mD 的儲(chǔ)層,可控制SS質(zhì)量濃度≤3.10 mg/L。

        巖心滲透率為117 mD 時(shí),注入水中SS 質(zhì)量濃度提升到5.10 mg/L 時(shí),巖心滲透率僅下降19.01%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,注入水中SS質(zhì)量濃度對滲透率較大的巖心傷害程度有所降低,但相同SS質(zhì)量濃度的注入水對巖心滲透率的傷害程度要小于9.28 和46.9 mD的巖心。因此對于滲透率≥117 mD的地層,注入水可控制SS質(zhì)量濃度≤5.10 mg/L。

        同時(shí),由圖4 可以看出,當(dāng)注入水中SS 的粒徑中值一定時(shí),隨著注入水中SS 質(zhì)量濃度增大,對于巖心堵塞傷害的程度也增大;巖心的滲透率越低,對注入水中SS 質(zhì)量濃度越敏感;當(dāng)注入水中SS 質(zhì)量濃度達(dá)到9.19 mg/L 時(shí),3#巖心(滲透率為117 mD)滲透率下降至基準(zhǔn)值的72%,1#巖心(滲透率為9.28 mD)滲透率則下降至基準(zhǔn)值的43.95%,表明注入水中SS 質(zhì)量濃度上升,對巖心滲透率傷害加大,尤其是對低滲透巖心的滲透率傷害快速加大。

        圖4 SS質(zhì)量濃度對巖心滲透率的影響Fig.4 Effect of suspended solid concentration on core permeability

        2.3 固體懸浮物對巖心的堵塞特性

        從2#巖心滲透率隨注入量的變化趨勢(圖5)可以看出,巖心滲透率的變化主要表現(xiàn)為2種類型:①對于SS 質(zhì)量濃度較小的注入水,隨注入量的增加,滲透率持續(xù)緩慢下降,注入量≤80 PV 時(shí)降低幅度較小,主要原因是注入水中少量的顆粒逐步在孔隙喉道沉積下來,即顆粒逐步沉積的結(jié)果,實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)為SS 質(zhì)量濃度分別為1.43 和3.10 mg/L 的滲透率變化曲線。②注入水中SS質(zhì)量濃度較大時(shí),隨著注入水量的不斷增加,巖心滲透率明顯下降,大顆粒的固體懸浮物在注入端面或巖石內(nèi)部孔隙喉道處較快沉積堵塞,隨著注入端面堆積顆粒的增加,吸附在巖心端面形成相對穩(wěn)定的一層“橋塞層”,固體懸浮物小顆粒繼續(xù)往巖心內(nèi)部侵入。從圖5 可知SS 質(zhì)量濃度≤3.10 mg/L 時(shí),滲透率變化表現(xiàn)為緩慢堵塞的特征;當(dāng)SS質(zhì)量濃度≥9.19 mg/L時(shí),滲透率變化表現(xiàn)為快速堵塞的特征。

        圖5 SS質(zhì)量濃度對2#巖心的堵塞特性Fig.5 Plugging characteristics of core 2#at different suspended solid concentrations

        由此可見,SS 對儲(chǔ)層的堵塞與其質(zhì)量濃度和粒徑中值密切相關(guān),顆粒直徑是孔隙直徑的1/3~1/7時(shí)影響最大,粒徑小的顆粒易進(jìn)入孔道深部,堵塞作用加大,對巖心的傷害加大。

        2.4 粒徑中值的傷害特性

        實(shí)驗(yàn)用現(xiàn)場水樣的SS質(zhì)量濃度為9.20 mg/L,對不同滲透率的巖心進(jìn)行不同SS 質(zhì)量濃度的驅(qū)替?zhèn)?shí)驗(yàn)。

        SS 粒徑中值對4#巖心的影響 4#巖心滲透率為7.59 mD,驅(qū)替速度為0.1 mL/min,SS 粒徑中值為1.3 μm 時(shí),對巖心滲透率無傷害。隨著粒徑中值的增大,巖心滲透率傷害加大,粒徑中值為1.9 μm 時(shí),巖心滲透率降為基準(zhǔn)值的19.60%??梢妼τ跐B透率≤7.59 mD 的儲(chǔ)層,允許滲透率變化率≤20%時(shí),粒徑中值應(yīng)控制為≤1.9 μm(表4)。

        表4 SS粒徑中值對4#巖心的傷害程度Table4 Damage to core 4#at different median particle sizes

        SS 粒徑中值對5#巖心的影響 5#巖心滲透率為53.7 mD,驅(qū)替速度為0.2 mL/min,SS 粒徑中值為1.3 μm 時(shí),對巖心滲透率亦無傷害,SS 粒徑中值為2.6 μm 時(shí),巖心滲透率下降17.63%,在SS 粒徑中值上升到5.3 μm 時(shí),巖心滲透率急劇下降到基準(zhǔn)值的41.87%,表明SS 粒徑中值對儲(chǔ)層傷害影響較大,對于滲透率≤53.7 mD 的儲(chǔ)層,允許滲透率變化率≤20%時(shí),SS粒徑中值應(yīng)控制為≤2.6 μm(表5)。

        表5 SS粒徑中值對5#巖心的傷害程度Table5 Damage to core 5#at different median particle sizes

        SS 粒徑中值對6#巖心的影響 6#巖心滲透率為119 mD,驅(qū)替速度為1 mL/min,SS 粒徑中值為1.3 μm 時(shí),對巖心無傷害。隨著SS粒徑中值的增大,為6.8 μm 時(shí),對巖心滲透率變化率為30.32%。由此可見,滲透率高的儲(chǔ)層影響顯著下降;當(dāng)SS 粒徑中值為12.1 μm時(shí),滲透率降為基準(zhǔn)值的27.2%。對于滲透率≤119 mD 的儲(chǔ)層,允許滲透率變化率≤20%時(shí),SS粒徑中值應(yīng)控制為≤4.8 μm(表6)。

        表6 SS粒徑中值對6#巖心的傷害程度Table6 Damage to core 6#at different median particle sizes

        3 結(jié)論

        通過對礫巖低滲透油藏儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及黏土礦物特性的研究,明確了該類油藏潛在注水過程中的主要傷害因素為注入水中的SS 質(zhì)量濃度和粒徑中值大小,并由此系統(tǒng)研究了不同注入水中SS質(zhì)量濃度和粒徑中值對目標(biāo)區(qū)塊礫巖低滲透巖心的堵塞變化和傷害特性,具有較好的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,其結(jié)果用于指導(dǎo)對于礫巖低滲透油藏注水開發(fā)中的水質(zhì)指標(biāo)控制,確保油田開發(fā)中的有效注水。研究發(fā)現(xiàn),在目標(biāo)礫巖低滲透油藏注入水中SS質(zhì)量濃度越高,對儲(chǔ)層滲透率的傷害程度越大,儲(chǔ)層滲透率越小,SS 質(zhì)量濃度高對儲(chǔ)層的傷害越大;粒徑中值越大,對儲(chǔ)層滲透率的傷害程度越高。目標(biāo)礫巖低滲透油藏注入水中SS 質(zhì)量濃度的合理指標(biāo)控制界限,儲(chǔ)層滲透率小于等于9.28 mD,控制SS質(zhì)量濃度≤1.43 mg/L,粒徑中值控制在1.9 μm 以下;儲(chǔ)層滲透率大于9.28 mD但小于46.9 mD,控制SS質(zhì)量濃度≤3.10 mg/L,粒徑中值控制在2.6 μm 以下;儲(chǔ)層滲透率大于等于117 mD時(shí),控制指標(biāo)可適當(dāng)放寬到SS 質(zhì)量濃度≤5.10 mg/L,粒徑中值控制在4.8 μm以下。這樣對于注入同一水源的區(qū)塊,可以確保注入儲(chǔ)層中的全覆蓋傷害保護(hù)。同時(shí)隨著注水的深入,強(qiáng)化監(jiān)測注水井壓力變化,跟蹤調(diào)整控制水質(zhì)。

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