注水水质对海上油藏储层损害影响实验研究

王宇飞，陈华兴，张绍广，李 想，赵顺超

中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452

注水开发油田是世界上应用较为广泛和行之有效的一种方式，通过注水保持压力采油是油田开发的基本措施，也是保持油田长期稳产的根本。目前，很多油田将其产出污水作为注水水源回注地层，既有利于保护环境，又能取得较好的驱油效果［1-2］。但由于油田产出污水含有较高比例的悬浮固体、浮化油、细菌及有害离子等，会造成注水地面设施的腐蚀和地层的堵塞损害［3］。其中，注水造成油层堵塞损害的实质是注入流体使油层的渗透性下降，主要表现为几种方式［4-6］：一是注水造成岩石结构破坏，关键取决于油层的胶结形式、固结程度和埋深；二是注水造成岩石的黏土胶结物或充填物膨胀，从而堵塞孔隙；三是注水与地层所含流体或地层某些组成成分不配伍形成结垢，或因注入过程中物理化学条件的变化形成结垢，造成地层渗透性下降；四是注入速度太大或压力太高均可造成地层结构损害；五是注水所含机械杂质或污油颗粒造成地层孔隙堵塞、渗透性下降。因此，在影响注水井吸水能力的诸多因素中，注水的水质是一个至关重要的因素。

本文以渤海B 油田的物性特征为基础，开展针对该油田的注水水质对储层影响的机制分析，并通过室内实验，根据模拟悬浮物浓度（S）、颗粒粒径中值（D）以及含油率（O）等指标，从单因素到多因素的原则，开展注水水质对储层伤害的物理模拟实验，给出适合渤海B 油田安全采油的水质指标，为海上油田的有效注水开发提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

主要实验仪器：RS600 型流变仪∕磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；ISCO 高精度驱替泵，美国Teledyne公司；中间容器（200 mL）、搅拌中间容器、人造岩心以及多功能非均相驱替系统，海安石油科研仪器有限公司；TOG∕TPH 红外分析仪，美国Wilks公司。

主要实验材料：渤海B油田地层注水、水源井水、原油以及模拟悬浮物用超细CaCO3。实验流程如图1所示。

图1 物理模拟实验流程

1.2 悬浮物模拟方法

悬浮物的模拟主要有两种方法。其中一种方法是将D分别为3.0、4.0、5.0 μm 的不同粒径超细CaCO3作为模拟悬浮物，以精细过滤后的地层水作为母液（人造岩心可以用无离子水配制），向母液中添加相应浓度的悬浮物。悬浮物浓度（S）选择7、10、15、20 mg∕L 4 个等级指标。实验前配制水样，用高速搅拌机在5 000 r∕min 转速下搅拌均匀，放置时间不超过2 h。另一种方法是将矿场不同节点注水稀释模拟。首先，取渤中28-2南油田CEP 平台和B 平台水处理流程不同节点注水，测定其S、D、O；其次，将不同S、D、O的注水进行高低浓度混合，制备不同水质的实验用水。如果S达不到要求，可适当添加相应粒径的超细CaCO3。

1.3 含油率模拟方法

含油率（O）的模拟方法分为标定法定量加原油以及现场流程不同节点混配模拟2 种［7］。标定法定量加原油是向不含油的精细过滤地层水中加入定量原油，实验前配制水样，水浴加热到60 ℃，再用乳化机以5 000 r∕min 的转速剪切20 min，形成乳化液用于流动实验，现配现用。对乳化后液体，取中间部分使用，同时标定含油率。现场流程不同节点混配模拟是取现场平台水处理流程不同节点出口的污水，分别标定含油率，将含油率高的污水和含油率低的污水按不同比例混合，再测试含油率，最终选择10、15、20、25、30、40、50 mg∕L 7个等级指标。

1.4 悬浮物粒径中值的确定

悬浮物指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等［8］。注水中的悬浮物对储层损害程度主要决定于悬浮物颗粒大小与储层孔喉大小的匹配程度。结合桥堵、沉积和通过准则：当悬浮物粒径为孔喉直径的1∕3～1∕2时，颗粒会堵塞孔喉；当悬浮物粒径为孔喉直径的1∕7 时，颗粒基本通过岩石基质；当悬浮物粒径小于孔喉直径1∕10 时，颗粒能顺利通过岩石基质［9］。考虑到目标油田高孔高渗的物性特征，研究将悬浮物粒径中值（D）初定为4.5 μm 较为合理。

2 结果与分析

2.1 悬浮物成因及类型

目标油田注水由水源井水与生产污水在注水缓冲罐混合，再经注水泵注入注水井。将注水缓冲罐出口注水经0.45 μm 滤膜过滤后，对滤膜上截留的悬浮物进行X-pert 衍射分析，结果表明注水缓冲罐出口滤膜上悬浮物无明显衍射峰出现，说明注水中悬浮物主要为有机物质或隐晶质物质。图2 为注水悬浮物扫描电镜照片，由图2（a）可以看出，悬浮物呈膜状、片状、絮团状堆积于滤膜上。由图2（b）可以看出，局部放大后，可见由大量细小片状物质聚集而成的有机絮团，细小片状有机物质粒径在10 μm 以下，但聚集成絮团后的粒径可达40 μm 以上。由图2（c）可以看出，继续局部放大，还可见块状有机物质絮团，且粒径大于15 μm。

图2 注水悬浮物扫描电镜（SEM）照片

表1 为目标油田平台注水缓冲罐中出口注水悬浮物元素的能谱分析结果。由表1 可知：注水缓冲罐出口滤膜悬浮物元素组成有C、O、Ca，其中C、O 原子百分比达到96%以上，说明悬浮物中绝大部分为有机物质，Ca为结垢产物。

表1 注水悬浮物能谱组分分析

综合衍射、电镜、能谱分析结果可知：目标油田平台注水悬浮物中塑性絮团和刚性颗粒共存，且绝大部分为有机物质（塑性絮团），有机物质多呈聚集体或絮团形式，烘干后的絮团粒径粗大且可达40 μm 以上，有机物质注入地下易造成端面封堵；无机物质（刚性颗粒）占少部分，且主要是结垢产物。

2.2 综合水质指标筛选评价实验

注水中的悬浮物主要来源于地层微粒、黏土、油滴、悬浮砂粒、细菌或细菌体、腐蚀产物、注入的混合流体间化学产物或单一流体的化学分解或降解产物［10］，而注水中悬浮物固体含量、粒径中值和含油率是影响水质的关键指标。通过测定不同水质指标参数对储层岩心的渗透率保留率与损害率来评价水质指标对储层的伤害程度，以此来确定水质指标参数的上限［11］。

2.2.1 水质指标对中渗透率储层的影响

表2 为注入水中悬浮物浓度、悬浮物粒径中值以及含油率对气测渗透率为600 mD 左右的中渗透率储层岩心的伤害程度，即损害率，它由注入40 倍孔隙体积（PV）时的初始渗透率与渗透率保留值的差值计算得到。由表2 可以看出：对于中渗透率储层，当用综合指标S≤7 mg∕L、D≤3 μm、O≤20 mg∕L 的注入水进行驱替，注入体积为40 PV 时，岩心渗透率损害率小于20%，损害程度弱；当增加注入水中的悬浮物浓度、悬浮物粒径中值以及含油率等值时，注入水对储层岩心的损害率随之上升，当综合指标达到S≤10 mg∕L、D≤4 μm、O≤20 mg∕L 时，岩心渗透率损害率超过20%而小于30%，已接近储层能接受的水质指标上限。

表2 注水水质指标对中渗透率储层的影响

2.2.2 水质指标对中高渗透率储层的影响

表3 为注入水中悬浮物浓度、悬浮物粒径中值以及含油率对气测渗透率为1 500 mD 左右的中高渗透率储层岩心的伤害程度。由表3 可以看出：对于渗透率为1 500 mD 左右的储层，当用综合指标S≤20 mg∕L、D≤4 μm、O≤35 mg∕L的注入水进行驱替时，岩心渗透率损害率小于30%，已接近储层能接受的水质指标上限。对比方案4、方案5 可知，在悬浮物粒径中值及含油率相同的情况下，增加悬浮物浓度，对储层的伤害率增加幅度较小。对比方案4、方案6 可知，在悬浮物浓度和含油率一定的情况下，当增加悬浮物粒径中值时，储层岩心的伤害率从28.2%增加到32.8%。对比方案6、方案7 可知，在悬浮物浓度和悬浮物粒径中值一定的情况下，当增加含油率时，储层岩心的伤害率从32.8%增加到39.2%。说明相比悬浮物浓度，悬浮物粒径中值及含油率对储层渗透率的影响更大。因此，对于渗透率为1 500 mD 左右的储层，可接受的注水水质综合指标为S≤20 mg∕L、D≤4 μm、O≤35 mg∕L。

表3 注水水质指标对中高渗透率储层的影响

2.2.3 水质指标对高渗透率储层的影响

表4 为注水水中悬浮物浓度、悬浮物粒径中值以及含油率对气测渗透率为2 500 mD 左右的高渗透率储层岩心的伤害程度。由表4 可以看出：储层渗透率提高后，注水水质指标的范围也随之扩大，当用综合指标S≤10 mg∕L、D≤4 μm、O≤30 mg∕L的注入水进行驱替，岩心渗透率损害率小于20%，储层渗透率损害弱。对于高渗透率岩心，增加悬浮物浓度，储层损害率随之上升。当注水水 质 综合指标 为S≤20 mg∕L、D≤4 μm、O≤40 mg∕L 时，储层岩心损害率达到30.0 %，已到达可接受的最大值，在悬浮物浓度、含油率不变的情况下，进一步提高悬浮物粒径中值到5 μm 后，储层岩心损害率已经达到了39.2%，储层伤害程度较大，说明悬浮物粒径中值是影响注水水质的关键因素，与储层孔喉尺寸的匹配程度直接决定了其对储层的封堵程度。

表4 注水水质指标对高渗透率储层的影响

3 结论

1）注入水对油层的损害程度取决于油层本身的结构组成、所含流体的性质、注入水的成分特征，而影响水质指标的关键参数为悬浮物固体含量、粒径中值和含油率。

2）渤海B 油田悬浮物元素组成有C、O、Ca，其中C、O 含量达到96%以上，说明有机物质占悬浮物绝大部分，且有机物质多呈聚集体或絮团形式，烘干后的絮团粒径粗大可达40 μm 以上，注入地下易造成端面封堵；无机物质占少部分，无机物质中主要是结垢产物，悬浮物中塑性絮团和刚性颗粒共存。

3）针对目标油田，为实现有效的注水开发，对于中高渗透率储层，水质指标应控制在S≤20 mg∕L、D≤4 μm、O≤35 mg∕L 范围内；对于高渗透率储层，水质指标应控制在S≤15 mg∕L、D≤5 μm、O≤35 mg∕L 或者S≤20mg∕L、D≤4 μm、O≤40 mg∕L范围内。