三元复合驱后储层孔隙结构变化研究进展

文慧俭，王兆雪，孙秋爽，李勇霖

（东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318）

三元复合驱油技术是20世纪80年代发展起来的一种石油采油技术，是将碱剂溶液、表面活性剂溶液与聚合物溶液以适当比例混合作为三元复合驱油剂段塞注入油层进行驱油，利用复合驱油剂的加合增效机理，化学协同效应，降低油水界面张力，增加波及效率和驱油效率及提高原油采收率的技术，简称ASP.我国的三元复合驱技术尤其是大庆油田，在经过“八五”和“九五”国家重点科技攻关后已走在世界前列.室内和现场试验的研究结果表明，采用强碱三元复合驱后，可以在水驱开发的基础上再提高采收率20%以上[1]，展现了该技术的广阔应用前景.

近年来石油科技工作者在三元复合驱后储层物化反应及化学机理方面做了大量工作，对三元复合驱液与储层矿物间作用机理进行了大量研究.2002年唐洪明[2]等人根据三元复合驱体系配方及试验区的地质条件，对复合驱过程中结垢类型及其结垢能力进行了预测与分析，发现中心井的垢大多来自钻井液中的微粒，还有一部分来自储层的颗粒.2003年王贤君[3]等人采用了多种单溶液和复合溶液对不同种类矿物和储层岩石进行了实验研究，用以确定在各种水-岩反应条件下垢的形成作用和成垢离子的滤失作用.2006年葛稚新等人[4]通过对新生成矿物的分析说明，碱蚀不仅会使储层的孔隙结构发生变化，还会形成新的沉积，其中钙垢先形成，而硅垢后形成，且当NaOH被Na2CO3替代后，矿物的溶蚀程度降低.不过这些研究多以一般化学反应原理来分析复合驱液与储层矿物反应之间机理，而对于复杂矿物变化特征却缺少详细表征，且多以单一影响因素来判断复合驱液对储层溶蚀的伤害，缺乏对多元反应体系综合分析与标识.在三元驱储层的孔隙结构变化方面的研究比较局限，仅研究物性变化，或没有进行三元驱前后储层对比，或只研究了静态条件下碱对储层的变化，缺少同储层物化反应相结合.因此本文通过大量文献调研，精细表征储层三元复合驱前后储层特征变化，为推进三元复合驱大规模工业化推广和确定三元复合驱后进一步提高采收率技术奠定理论技术.

1 三元复合驱前后储层成分变化

三元复合驱体系受地层温度、压力、pH值及离子组成等因素的影响，不仅与地层中流体混合发生物理化学反应，而且与岩石矿物发生溶蚀反应.三元复合驱前储层的岩石组成成分包括石英、长石及黏土矿物等，它们均可以与三元复合驱体系中的碱溶液发生不同程度的反应，产生不同现象.

石英为架状结构的硅质矿物，属于酸性氧化物，在一般情况下比较稳定，但在碱性介质中，石英会变得不稳定，会发生溶解.因此在三元复合驱后，石英完整的晶形被破坏，颗粒边界呈锯齿状，表面碎屑颗粒增多，呈球粒状集合体.石英溶蚀的微观作用机理可以概括为[5]：石英颗粒表面羟基化、溶解产生硅酸盐离子、动态硅酸盐平衡体系.石英碱溶后碱电离的容易与空气中CO2反应生成，导致Si、O元素含量减少，Ca、Mg、Al元素出现且含量显著，最后生成硅酸垢或硅酸盐垢[6].

长石是一类含钙、钠和钾的铝硅酸盐类矿物.长石溶蚀是从外层逐渐向内层溶蚀.溶蚀前长石表面颗粒、凸起较多、晶体结构明显，溶蚀后大部分晶体表面未被破坏，但是出现孔洞，表面颗粒、凸起逐渐减少，去棱角化明显.同时能够在溶蚀物旁观察到大量书架状高岭石和少量伊利石，在部分喉道处出现次生石英和次生粘土矿物.其中钾长石碱溶后Al含量变小，溶蚀作用明显，推测有其他含Al沉淀生成.

黏土矿物微孔发育，不均匀分布于石英、长石粒间，起支撑和胶结作用，且黏土矿物主要包括蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石.黏土矿物具有颗粒小，比表面积大的特点，故优先与外来复合驱溶液发生反应.蒙脱石原始结构形态由细鳞片朵状或花瓣状或卷曲薄片状，排列密集整齐.随着溶蚀作用的增加，鳞片边缘不齐，层次模糊，蒙脱石组分减少.其实蒙脱石在弱碱溶液中便可发生溶蚀变化，反应液中铝离子质量浓度先增大,然后急剧下降，而硅离子质量浓度变化不大[7].高岭石溶蚀前表面粗糙，孔隙结构明显.被碱溶蚀后，高岭石表面比溶蚀前平整、细腻、光滑.而且高岭石只有经过质量浓度高的（12.00g/L）NaOH溶液的浸泡，并且反应时间超过13d时，才能起变化[8].在溶蚀过程中，高岭石中的元素与溶蚀液中的Na发生交换反应，导致Na元素增多；同时空气中CO2与溶蚀体系中的钙镁在高岭石中形成碳酸盐沉积，使C、O元素含量增加；而高岭石中 Mg、Al、Si、Ca、Ba、K 元素在碱液反应过程中进入到溶蚀液体系，使硅离子溶出量最大，从而使这些元素都降低[9].蒙脱石与碱溶液反应能力比高岭石反应能力强，且反应后溶液中离子总量高.绿泥石一般在黏土矿物中含量较少，而强碱对储层岩石的作用确实会生成绿泥石等新矿物[10].

三元复合体系会溶蚀矿物并改变矿物组分比例，同时对黏土矿物种类及质量分数的作用效果不一.三元复合驱后储层矿物石英成分主要呈增加趋势，钾长石成分主要减少，钠长石增加，蒙脱石、高岭石、伊利石成分减少，绿泥石成分可能有所增加.研究表明[11]，碱更容易对储层岩心中黏土矿物发生溶蚀作用，而对石英和长石等骨架成分溶蚀作用较弱.因此，岩石中主要矿物溶蚀顺序是蒙脱石、高岭石、伊利石、长石、石英.总之，三元复合驱后石英、长石和黏土矿物大量溶蚀，部分喉道处出现次生矿物，形成碳酸盐垢、硅酸盐垢、氢氧化物垢、硫酸盐垢等垢质沉淀.

2 三元复合驱前后孔隙结构变化

在岩石内部结构中，孔隙大小反映岩石储集能力，而喉道的形状、大小、孔喉比等描述的是介质对流体储集和渗透能力.随着三元复合驱溶液注入地下，砂岩储层的孔隙空间受到化学药剂的冲刷，孔隙形状、结构及泥质成分发生了变化.

何金钢[12]等人采用常规压汞实验将研究区孔隙结构划分为低排驱压力-粗喉道型、中排驱压力-中喉道型、高排驱压力-细喉道型三类.运用恒速压汞技术，对比储层岩心三元复合驱前后孔喉结构参数变化程度可以看出，强碱三元复合驱后喉道半径和孔隙半径平均值均较水驱有所下降，且孔隙半径下降幅度要小于喉道半径下降幅度，所以与水驱的孔喉半径比相比，强碱三元复合驱后孔喉半径比有所增加，这也说明在使用强碱三元复合驱后，因为孔喉结构参数变差可能导致残余油无法驱替，使其最终含油饱和度较低，最终含油饱和度系数较小.

不仅强碱三元复合驱会使储层孔隙结构发生变化，弱碱三元复合驱也会引起储层孔隙结构的变化.且弱碱三元体系不仅可以降低界面张力，而且能够解决碱对聚合物浓度降低及粘弹性降低等问题.夏惠芬[13]等人通过弱碱三元复合体系的渗流实验、常规压汞实验和扫描电镜实验，发现弱碱三元复合体系对岩心的溶蚀作用并不强烈，但还是会使小孔道半径变大，从而导致小孔道数量减少，大孔道数量增加，而使整体岩心的渗透率稍微增大.弱碱三元复合驱前岩石致密，孔隙较小且比较均匀；而弱碱三元复合驱后，出现斑驳状凸起，孔隙发育比较明显，岩石上有可动碎屑附着.

三元复合驱前后微观孔隙结构变化对测井响应特征也具有一定的影响，胡硕[14]便利用压汞曲线、薄片分析等检测方法，分析了同井场密闭取心井的微观孔隙结构及地下流体性质变化，进而开展了不同类型测井曲线在三元复合驱储层和水驱储层中的测井响应变化研究.结果表明：三元复合驱储层后，储层的微观孔隙结构发生明显改变，粘土矿物增加，粒度中值变小，虽然颗粒表面去棱角化明显，粘土矿物大量溶蚀，但垢质沉淀堵塞孔隙，储层整体孔隙度变化不大.

3 三元复合驱前后孔隙结构变化规律

在实际生产过程中，为查明剩余油分布，指导设计提高采收率方案而对孔喉结构变化规律进行重点研究；此外，精细表征孔隙结构变化规律也是快速、经济、有效开发低渗、低孔油气资源方面的技术支撑，为实现油田增产提供支持.

在三元复合驱的作用下，一方面储层矿物会与碱液反应，形成各种沉淀，使部分小孔喉堵塞；另一方面部分黏土矿物或岩石矿物碎片随复合驱液迁移，使大孔喉有一定程度的增大.整体上看，三元复合驱前后孔隙结构具有以下变化规律：强碱三元复合驱后储层物性变差，孔隙度下降，渗透率下降，粒径中值减小，泥质含量增加，分选变差，孔隙结构也相应发生变化；三元复合驱后岩石骨架的颗粒碎散、孔隙变大、孔径变大；三元复合驱后小孔隙所占比例下降；三元复合驱后微观孔隙结构发生变化.

不过，不同地区的实际地层在沉积过程中，由于不同的水动力驱动和物源供给的影响，使岩石的颗粒大小、分选、组成成分及矿物发育程度都有明显的差异，并且在后期各种成岩作用和变质作用会进一步改造沉积物原始的孔隙，从而产生复杂多变的储层孔隙结构.因此不同地区三元复合驱后储层孔隙结构变化程度不同，要根据实际地区情况进行研究分析.

4 结论及发展趋势

本文根据大量的文献调研,通过对三元复合驱前后储层孔隙结构变化及其变化规律的分析，发现主要是由于三元复合驱中碱液溶蚀石英、长石等矿物，形成结垢，造成孔喉结构发生变化，堵塞孔喉.因此接下来三元复合驱及表征储层孔隙结构的发展趋势可以概括为以下几个方向：第一，纳米技术在油田中的应用，包括纳米分子膜驱油试剂的研制和纳米表征技术在油田储层微观孔隙结构表征上的应用；第二，微米或亚微米孔隙结构的表征，在实际油田中微米或亚微米级别的孔隙才是主要影响评价储层产能的孔隙，因此它们的表征对储层渗流影响重大，尤其是孔隙－岩石界面的形态，包括曲率大小，粗糙程度等；第三，开发过程中储层异常现象的解释，储层孔隙结构特征影响着储层潜能，但实际开发中驱油效率与渗透率之间关系吻合度差,甚至出现反比异常现象，而目前针对此类异常尚无合理解释；第四，在研究过程中需要探究降低三元复合驱成本的技术方法及耐碱聚合物，因为在三元复合驱中所使用的表面活性剂及聚合物的成本较高，且聚合物耐碱性能较弱.