尉雪梅 张艳玉 蒋文超 孙晓飞
(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东 青岛 266580;2.非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东)),山东 青岛 266580)
低矿化度水驱作为一种通过降低注入水矿化度来提高采收率的技术[1-3],具有成本低、易操作和环保等优点,受到了广泛关注[4-9]。低矿化度水驱提高采收率的机理主要包括润湿性改变[10]、微粒运移[11]、阳离子交换[12]以及双电子层膨胀[13]等。国内外学者普遍认为,黏土矿物是砂岩油藏提高采收率的重要影响因素之一[14-21]。孔隙的扫描电镜图片与采出液的检测结果表明,低矿化度水驱提高采收率与黏土膨胀、微粒运移有关[19,22-23],但许多研究人员在低矿化度水驱过程中没有观察到微粒的膨胀与运移[24-26]。此外,也有学者[27]认为微粒运移并没有提高采收率。由此可见,不同实验方法导致实验结果差异较大。对于天然岩心来说,不同矿物特征对开发效果具有不同的影响[28],但天然岩心获得的实验结论仅针对单一岩心,无法得出单一黏土矿物提高采收率的机理,而一般的人工岩心只是黏土矿物与石英砂的简单混合,无法模拟出天然岩心中黏土矿物的胶结状态,得到的实验结论与真实岩心不相符。此外,目前对低矿化度水驱中黏土矿物的研究主要处于定性阶段,缺乏定量评测分析,没有针对不同类型黏土矿物进行过研究。
针对上述问题,本文借助黏土悬浮液对石英颗粒的表面高温黏附技术,制作附着黏土矿物的人工岩心。通过控制离子类型与质量浓度的低矿化度水驱替实验,分析不同黏土矿物下的宏观驱替效果,得到不同黏土矿物对低矿化度水驱的适应性评价,同时测量黏土表面Zeta电位,得到低矿化度水驱的微观机理,从宏观与微观总结出黏土矿物对低矿化度水驱的影响规律,为确定现场的低矿化度水驱砂岩油藏界限提供依据。
原油样品:选用胜利油田某区块原油,其组分为饱和烃体积分数36.12%,芳香烃体积分数31.31%,胶质体积分数22.42%,沥青质体积分数10.15%。
模拟盐水:使用分析纯盐(NaCl、CaCl2)、去离子水配制用于驱替实验的盐水。
岩样材料:10~20目的粗石英砂、40~60目的细石英砂、1 250目的高岭石与蒙脱石。粗细石英砂的组合为模拟储层岩石孔渗物性的最佳组合,1 250目的极细黏土微粒可以使黏土矿物更好地附着在石英砂上。
实验装置:包括油藏模拟系统、流体注入系统、压力数据采集及控制系统共3个系统[29-30](图1)。
图1 定制矿物人造岩心低盐水驱替实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of LSF experimental equipment for customized mineral artificial core
油藏模拟系统可模拟真实油藏开采过程;流体注入系统可保持恒定流量注入;压力数据采集及控制系统可模拟地层及井底压力,并对压力进行实时跟踪采集。
1.2.1 岩样制备
先将黏土与去离子水按质量比为1∶15的比例混合搅拌,然后以15 Hz声波降解30 min,再向其中加入少许NaOH,将pH调至9.8,自然沉降0.5 h,取出上层悬浊液,快速搅拌,重复操作3次;取悬浊液附着于石英砂表面,置于烘干箱以120℃干燥。称黏土的质量,多次重复操作,直至粗石英砂、细石英砂、黏土矿物的质量比为5.0∶4.5∶0.5时,完成黏土附着过程。
将附着黏土的石英砂分步充填在填砂管内,再加入适量附着黏土的石英砂,进行相同次数和力度的锤实。填砂完成后,用岩石压制装置在15 MPa轴向覆压下,压制24 h,随后添加适量砂,再次压实,并采用压帽轴向挤压方式,尽量模拟沉积压实情况,并以目标储层渗透率为主要指标,进行近似模拟。
填砂模型为长30 cm、直径5 cm的圆柱体,岩心参数如表1所示。电镜扫描可清晰看出黏土矿物附着在石英砂的表面,如图2所示。
图2 不同黏土附着在石英砂颗粒上的扫描电子显微照片Fig.2 SEM photos of different clay minerals attached to quartz particles
表1 岩心性质及水驱实验方式Table 1 Core properties and waterflooding expriment modes
1.2.2 水样配制
为模拟储层地层水状况,根据孤东油田地层水与低矿化度水中的离子成分,配制本次实验用水,其水质离子组成如表2所示。
表2 注入水性质Table 2 Properties of injected water
1.3.1 岩心驱替实验
为分别研究不同黏土矿物与不同离子水对采出程度的影响,设置高岭石、蒙脱石与石英砂3个实验组,每个实验组各设计6组驱替实验,分别使用质量浓度为5 000、1 000、500 mg/L的Na+型、Ca2+型模拟地层水驱替,模拟不同质量浓度的离子水的驱替效果,并比较Na+与Ca2+的驱替效果。
实验步骤:
(1)使用高矿化度模拟地层水饱和填砂模型,充分模拟真实地层条件,待压力稳定后测试岩心的孔隙度、渗透率。
(2)使用原油驱替岩心直至无水流出,计算初始含油饱和度,填砂管放入60℃恒温箱中进行原油老化7 d。
(3)根据实验方案,进行不同矿化度水的驱替实验,记录实验数据。在实验过程中,为模拟真实储层环境,温度设置为60℃,回压阀压力为10 MPa。根据前期速敏测试,设定水驱速度为2 mL/min。每注入0.2 PV记录采出液中原油的体积,计算采收率与含水率。当采出液含水率大于99%后,停止驱替,完成该组实验。
1.3.2 Zeta电位测定
测量不同黏土矿物与盐水间的Zeta电位,与驱替实验进行比较,分析低矿化度水提高采收率的微观机理。
石英砂、高岭石、蒙脱石(质量均为2 g),高岭石与蒙脱石质量比为1∶1的混合黏土的粉末25 mL,配置3组,分别放入5 000、1 000、500 mg/L的Na+型、Ca2+型盐水中,均用磁力搅拌器搅拌10 min,将混合液缓慢注射到样品池中,注意避免气泡的产生。打开Zeta电位分析仪,设定各种参数,测量和记录岩石/盐水间的Zeta电位。
每组实验测量多次,取平均值。
1.3.3 接触角实验
对岩石表面的润湿性进行研究可以深入了解低矿化度水的影响规律。本实验选用接触角法研究润湿性。取附着高岭石、蒙脱石、混合黏土、未附着黏土共4种岩石矿物薄片,分别在质量浓度为5 000、1 000、500 mg/L的Na+型、Ca2+型盐水中测定接触角。接触角的实验结果也可表明黏土矿物是附着在石英砂表面。
先将黏土与去离子水按质量比为1∶15的比例混合搅拌,然后以15 Hz声波降解30 min,然后向其中加少许NaOH,将pH调至9.8,自然沉降0.5 h,取出上层悬浊液,均匀覆盖在清洗干净的玻璃片表面,将玻璃片放入80℃恒温箱内干燥,干燥后黏土会吸附在玻璃片上。玻璃片表面附着一层光滑的黏土矿物层,得到不同类型的岩石矿物载玻片。测量原油—盐水—矿物三相接触角。首先,将矿物载玻片浸泡在不同的溶液中,放入时保持附着黏土矿物的一面朝下,稳定0.5 h,用注射器注入原油,原油会上升并停留吸附在矿物玻片表面,形状稳定后记录液滴形状并计算接触角,反复多次测量,取平均值,确保结果准确。
2.1.1 低矿化度水驱采收率
图3为附着高岭石岩心被不同离子质量浓度与离子类型低矿化度水驱替采收率随注入量的变化曲线。
图3 低矿化度水驱替附着高岭石岩心的采收率随注入量的变化Fig.3 Changes of the recovery with water injection rate for the cores attached with kaolinite and displaced by low salinity water
从图3中可以看出,对于附着高岭石的岩心,随着Na+、Ca2+质量浓度的降低,岩心采收率升高。对于Na+型模拟地层水来说,质量浓度从5 000 mg/L降为1 000、500 mg/L时,采收率从60.14%提高到63.5%、65.13%,而Ca2+型模拟地层水的采收率则从50.59%增加到55.73%、60.14%。低矿化度水可有效提高含高岭石岩心的采收率,且使用Na+比Ca2+效果更好。图4为附着蒙脱石岩心被不同离子质量浓度与离子类型低矿化度水驱替采收率随注入量的变化曲线。
图4 低矿化度水驱替附着蒙脱石岩心的采收率随注入量的变化Fig.4 Changes of the recovery with water injection rate for the cores attached with montmorillonite and displaced by low salinity water
从图4中可以看出低矿化度水也可以提高附着蒙脱石岩心的水驱采收率,但提高程度有限,质量浓度为1 000 mg/L的Na+将采收率从53.82%提高到59.03%,达到最高采收率。超过这一质量浓度后,再降低注入水的质量浓度也不会提高水驱采收率,反而采收率会少量下降,500 mg/L的Na+的采收率为58.91%,Ca2+型盐水驱替也有类似的现象,1 000 mg/L的Ca2+驱替时达到最高采收率51.95%。在被相同低矿化度水驱替时,附着蒙脱石岩心采收率均小于附着高岭石岩心的采收率。
图5为附着高岭石与蒙脱石质量比为1∶1混合的岩心被不同离子质量浓度与离子类型低矿化度水驱替采收率随注入量的变化曲线。可以看出附着混合黏土岩心的采收率变化趋势与附着蒙脱石相同,在质量浓度为1 000 mg/L时,达到最高的采收率,Na+为61.6%,Ca2+为54.25%,随后采收率随离子质量浓度的降低有所下降,其最高采收率要高于蒙脱石1%,但小于附着高岭石岩心,这表明采收率随着高岭石含量增加而提高。
图5 低矿化度水驱替附着混合黏土岩心的采收率随注入量的变化Fig.5 Changes of the recovery with water injection rate for the cores mixed by the clay and displaced by low salinity water
图6为未附着黏土矿物岩心低矿化度水驱替采收率随注入量的变化曲线,从图6中可以看出不论改变离子质量浓度还是离子类型,石英砂岩心的采收率都没有明显改变,Na+的采收率在71%左右,Ca2+的采收率在68%左右。对比附着黏土矿物的岩心可以发现未附着黏土矿物的岩心采收率远大于附着黏土矿物的采收率。
图6 低矿化度水驱替未附着黏土矿物岩心的采收率随注入量的变化Fig.6 Changes of the recovery with water injection rate for the cores displaced by low salinity water and without mixed by the clay
2.1.2 Zeta电位
Zeta电位测定的实验结果如表3所示。从表3可以看出,黏土矿物的Zeta电位与水的矿化度有着很好的相关性,随着矿化度降低,黏土矿物界面的Zeta电位逐渐降低。此外,与质量浓度500 mg/L的CaCl2溶液相比,质量浓度5 000 mg/L的NaCl溶液能够产生更大的负Zeta电位,这表明阳离子类型对Zeta电位变化有主导作用。与黏土矿物相比,石英砂的Zeta电位变化不明显。因此,黏土矿物在改变表面电荷方面有更重要的贡献。使用Zeta电位表示岩石/盐水界面处的电荷,界面处的电荷可以影响双电子层厚度,从而影响原油与岩石的作用力。因此岩石/盐水界面间的电荷是控制岩石表面水膜稳定性的主要因素,也是控制岩石润湿性的主要因素。
表3 不同微粒的Zeta电位Table 3 Zeta potential for different particles
2.1.3 接触角
通过测量原油在附着黏土的玻璃片上的接触角,测试离子质量浓度与类型对不同黏土矿物的影响,实验结果如表4所示。
表4 不同微粒的接触角Table 4 Contact angles for different particles
通过比较不同盐水下油滴在附着黏土的玻璃片上的接触角,可以看出,同种离子下,接触角随着离子质量浓度降低而下降,玻璃片表面变得更加亲水。Na+型盐水下油滴在附着黏土的玻璃片上的接触角要小于Ca2+型盐水的。对比表明,阳离子类型对润湿性的影响要大于阳离子质量浓度,这一结果与Zeta电位的作用结果一致。
2.2.1 未附着黏土岩心
未附着黏土岩心的驱替实验结果、Zeta电位测量结果与接触角结果如图7所示。可以发现,石英砂的采收率、Zeta电位与接触角均无太大的变化,低矿化度水对只含石英砂的岩心无明显作用。这是由于石英砂表面电负性较强,颗粒与油滴的静电斥力较大,油滴难以附着在石英砂表面,因而石英砂表面边界层处吸附的原油较少,石英砂表面表现强亲水性。同时,Zeta电位随离子浓度的变化不明显,双电子层厚度无明显膨胀,静电斥力变化不大,油滴无法从石英砂表面剥落下来。因此,低矿化度水无法提高只含石英砂的岩心采收率。
图7 不同质量浓度下未附着黏土岩心的采收率、Zeta电位与接触角Fig.7 Recoveries,Zeta potentials and contact angles of cores without attached clay mineral for different mass concentrations
2.2.2 附着高岭石岩心
图8为附着高岭石岩心采收率与Zeta电位、接触角测量结果,采收率随Zeta电位的降低而不断增加。岩心驱替实验与Zeta电位结果的一致性表明低矿化度水引起的岩石/盐水的Zeta电位变化是低矿化度水提高采收率的主要机理。
图8 不同质量浓度下附着高岭石岩心的采收率、Zeta电位与接触角Fig.8 Recoveries,Zeta potentials and contact angles of cores with attached kaolinite for different mass concentrations
高岭石颗粒表面有大量羟基,其可吸附油滴,从而使颗粒表面因附着油斑而呈现出较强油湿性。随注入水离子质量浓度降低,Zeta电位的负电性增强,界面阳离子数量减少,阳离子对高岭石微粒中双电子层的压缩作用减弱,原油与黏土矿物间的静电斥力增强,当静电斥力足够强时,会破坏原油附着点的稳定性,导致黏土表面吸附的油滴从黏土颗粒表面脱落驱出,提高原油采收率,岩心的润湿性会向水湿方向改变。
此外,比较Na+与Ca2+盐水在黏土矿物下的水驱采收率,可以发现质量浓度5 000 mg/L的Na+盐水驱替采收率大于500 mg/L的Ca2+盐水驱替采收率,这表明阳离子类型在低矿化度水提高采收率的过程中有着重要的作用。Ca2+的带电量比Na+高,水合半径更大,相同质量浓度下对双电子层压缩程度更强,降低了油滴与黏土间排斥力。此外,二价离子能够在黏土矿物与油滴间起架桥作用,增加油滴在黏土表面的吸附能力。因此,相比于NaCl溶液,相同质量浓度的CaCl2溶液提高采收率的程度有限。
2.2.3 附着蒙脱石岩心
图9为附着蒙脱石岩心的最终采收率与Zeta电位、接触角的测量结果。蒙脱石岩心采收率的变化与Zeta电位与接触角的变化并不一致,随离子质量浓度的降低,蒙脱石表面的负电性逐渐增大,亲水性增大,但采收率增加到一定程度后却随离子浓度的降低而下降。
图9 不同质量浓度下附着蒙脱石岩心的采收率、Zeta电位与接触角Fig.9 Recoveries,Zeta potentials and contact angles of cores with attached montmorillonite for different mass concentrations
高岭石与蒙脱石的不同是由黏土矿物的晶格结构所决定的。蒙脱石晶层间引力较弱,晶层间联结松散,其中有大面积的孔渗层,能够吸附有机质与水进入,容易发生吸水膨胀。图10为高岭石与蒙脱石微粒吸水后的电镜扫描照片,从图10中可以发现高岭石微粒呈层状排列,排列紧密,而蒙脱石微粒已经发生吸水膨胀,排列混乱,层间孔隙较大。
图10 高岭石与蒙脱石的电镜扫描图片Fig.10 SEM photos of kaolinite and montmorillonite
水中的阳离子能够预防蒙脱石的膨胀运移,随注入水矿化度的降低会导致3种不同的结果:(1)微粒运移被驱出岩心,黏有油滴的颗粒被采出;(2)微粒膨胀诱导孔隙堵塞,起到调驱的效果,并形成岩心中的高渗透带,进一步提高采收率;(3)严重的黏土膨胀导致孔隙完全堵塞,采收率有所下降。
2.2.4 附着混合黏土岩心
附着高岭石与蒙脱石混合黏土岩心的采收率与Zeta电位、接触角的测量结果如图11所示。
图11 不同质量浓度下附着混合黏土岩心采收率、Zeta电位与接触角Fig.11 Recoveries,Zeta potentials and contact angles of cores with attached mixed clay mineral for different mass concentrations
混合黏土岩心的实验现象与含蒙脱石岩心类似,采收率达到一定程度后不再提高,但采收率的最大值比只附着蒙脱石岩心要高,这是由于蒙脱石含量较低情况下,孔喉被堵塞时间较晚,更多的油被采出。根据蒙脱石的黏土含量,低矿化度水有最佳临界浓度。如果注入水离子质量浓度太高,提高采收率的性能很难保证,而离子质量浓度太低会堵塞孔喉,注入的成本也会增加。因此,注入水离子质量浓度的最佳选择应综合考虑黏土矿物类型及含量。
(1)低矿化度水能够提高附着黏土矿物岩心的采收率,但对纯石英砂岩心几乎没有提高采收率的效果,黏土矿物是低矿化度水提高采收率的必要条件。
(2)对于不同黏土矿物,低矿化度水提高采收率的机理不同。对于高岭石,低矿化度水会提高Zeta电位的负电性,双电子层膨胀,增加油滴与黏土表面的排斥力,使吸附在黏土表面的油滴脱落;对于蒙脱石,低矿化度水一方面可增加水膜厚度,剥离附着油膜,另一方面可引起黏土膨胀、运移,但黏土过度膨胀会堵塞孔喉,降低采收率,存在最高采收率的临界矿化度;对于混合黏土,低矿化度水作用机理与蒙脱石类似,但水驱效果好于蒙脱石,应进一步采取实验明确附着不同蒙脱石含量岩心的临界矿化度与最高采收率。
(3)相比于Ca2+型盐水,注入Na+型盐水可以得到更高的采收率。Ca2+的带电量比Na+高,水合半径更大,相同质量浓度下形成的排斥力不如Na+,Ca2+还具有架桥作用,增加油滴在黏土表面的吸附能力。Ca2+型盐水提高采收率的作用不如Na+型盐水。