利用动电位现象提高三塘湖致密油储层注水效率

吴 珂，何梦卿，任颖惠

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；

2.西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安 710069）

利用动电位现象提高三塘湖致密油储层注水效率

吴 珂1，何梦卿1，任颖惠2

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；

2.西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西西安 710069）

在石油工业众多新技术中，动电位现象已经在提高致密油储层采收率方面得以应用，在海外油田该方法取得的技术、商业方面的成功也已见诸报道。模拟效应的基本原理是预测孔隙壁上黏土由于孔喉扩大或者新吼道形成导致的胶体的运移。尽管如此，在注水井中该方面的相关工作却不多见。通过对三塘湖盆地致密油储层的岩心进行动电学实验，该文章在提高致密油储层注水效率的影响方面进行了论述。

三塘湖盆地；动电学；致密油储层；注水效率

目前世界上很多地区已经发现致密油气，在我国的鄂尔多斯盆地、准格尔盆地也已发现了致密油，但是致密油的开发现在还是比较困难的，其中注入效率较低是石油工作者目前遇到的普遍问题，特别是在致密油储层中。

通常，石油开采有三个阶段，一次开采，二次开采和三次开采。一次开采主要是利用储层中的天然能量进行开采，如溶解气或者气顶气压力释放，在大多数情况下，天然能量开采的效率较低，采收率很低[1]。目前应用较为广泛的二次开采通常是水驱开采，但是注水与很多其他因素有关，如流体的配伍性，储层的非均质性，以及颗粒堵塞、黏土膨胀等降低了渗透率，当黏土膨胀后会堵塞孔喉，在粉砂质泥岩中经常出现此现象。黏土的膨胀和孔隙壁上黏土颗粒的释放以及后续在更小孔喉中的二次沉淀会引起更严重的破坏[2]。目前，提高致密油储层注入水量的措施通常是水力压裂和基质酸化。但是由于环境、工艺以及经济等问题使得压裂出的裂缝长度和方向不能达到预期的效果。在大多数情况下，基质酸化适用于富含黏土的砂岩储层，但是在高温条件下氢氟酸会与岩石颗粒发生反应，产生的二次沉淀会造成新的破坏。

三塘湖盆地条湖组沉凝灰岩致密油储集层分布稳定。储集层粒度较细，以亚微米和纳米孔喉为主，渗透率低，孔隙度和含油饱和度较高，属于以原生为主的混合型致密储集层。条湖组烃源岩主要发育于条二段，岩性为泥岩和沉凝灰岩，有机质丰度差-中等。条湖组不同岩性烃源岩有机质丰度不同，目前处于低熟-成熟阶段，Ro值主要为0.5%～0.9%，烃源岩厚度为 100 m～600 m[3]。

本文对三塘湖盆地条湖组沉凝灰岩岩心进行动电位实验，分析动电位影响注入效率的原因，并得到提高注入效率的最优值。

1 理论原理

目前看来动电现象在提高油田产量方面有很大的前景，原则上它是使直流电通过含油储层，此技术运用了电动传输原理，该机理很复杂，包括了电迁移法、电泳现象、电渗、电化学反应以及焦耳热，总之所有机理都是为了提高致密油储层的渗透率[4]。

电迁移是离子在阴阳两极的缓慢运动；电泳现象会引起胶质中带负电的黏土颗粒和表面带电的离子分离和运移；电渗是应用动电位使得孔隙介质溶液中的离子运移（其流动是由带电溶液之间的库仑力引起的）；电化学可以增强基质和孔隙流体之间的反应。这些反应会由于流体的电位、离子大小和pH值的改变而受到影响。

由于动电现象，黏土颗粒的运移如同胶粒运移，将直接有效地提高渗透率和孔隙度。黏土矿物的主要矿物组分是层状硅酸盐，基本组成部分是硅氧四面体和铝氧八面体或镁氧八面体，晶体可以按照不同的形式堆叠，形成不同的黏土矿物。分布在边缘的正电荷与分布在层表面的负电荷达到平衡，当液体流进该系统，渗透压差会促使带负电的离子沿着层表面流动，但是与表面负电荷共存的静电荷会产生与渗流压力相反的作用力，最终在渗透压力和静电引力之间形成一个稳定的双电子层[5]。显然双电子层包含两个层，一层是固定的，正电荷附着在带负电的表面，形成很强的线状键，另一层是可动的，由正离子和一些运移缓慢的离子连接而成。在这两层之间，存在着一个光滑的表面，使得可动层不受固定层的约束而移动。因此在水流的作用下黏土胶体颗粒发生运移，最终致使孔喉扩张和渗透率增大。电渗流的速率与离子浓度，价位和所加的电场强度成正比，与地层电阻率成反比。总的流速计算如下公式：

其中：K-绝对渗透率，D；A-流体的横截面积，m2；Ke-电导渗透率，Pa·m2/V；E-所加电压，V；μ-动黏度，Pa·s；L-岩心长度，m；ΔP-压差，Pa。

2 研究方法与内容

有关岩心流体流动的研究中，岩心塞的注入端加正直流电压，在排出端加负电压，在此设计了两个实验组，第一组实验在注入流体的过程中改变直流电压的大小，通过对比来选择最优电压值，第二组实验保持直流电压不变，改变注入速率，来研究水动力对黏土颗粒运移的影响。通过颗粒释放和ICP-MS技术来分析岩心塞和分离出的黏土颗粒的特性。在整个注入过程中考虑了因动电学实验产生的热量。

实验前，岩心塞要在13.8 MPa的压力下充满饱和的盐水，在0.2 mL/min的稳定流速下测量其绝对渗透率，一旦岩心塞中的压力稳定后，开启直流电，保持流体流动，在岩心流装置的注入端加正电位，在排出端加负电位。

第一组岩心流实验的目的是选出最优的直流电压值，在盐水流体以0.2 mL/min的速率下，使得电场强度从0.5 V/cm增加到2.0 V/cm，增幅为0.5 V。四个岩心流实验继续流动直到达到一个稳定状态。在第二组岩心流实验中，主要目的是选出最优的流速，在这组实验中，四个岩心流实验的电场强度均保持在1.5 V/cm不变，该最优值可从第一组实验得到，然后控制注入盐水的速率，使其以0.1 mL的增幅从0.3 mL/min增加到0.6 mL/min。上述两组实验的总结（见表1），在整个流动实验中，测量废液的温度用以研究焦耳热对多孔介质的影响。

表1 岩心流实验结果

3 实验分析

3.1 最优直流电压的选择

第一组岩心流实验的结果（见表1）。结果显示，直流电压的应用对黏土的不稳定性有很重要的影响，而且可以提高岩心的渗透率。用2 V/cm的电场强度可以使渗透率得到明显提高，增幅可达361%，但是当注入流体的体积接近4.5 PV时渗透率会突然增大，产生大量粒度较大的颗粒，可能会破坏基质自身。从表2可以明显地看出实验4产生了粒度较大的颗粒。因此，最优的电场强度为1.5 V/cm，渗透率会缓慢增加，大概为原来的153%。

表2 实验中排出不同粒度黏土的量

3.2 最优水力流速的选择

在第二组实验中，固定电场强度为1.5 V/cm而改变流速，通过表1可以看出渗透率随着流体流速的增加而增加，当流速增加到0.6 mL/min时渗透率会增加到原来的233%，然而，当注入流体的体积接近4.5 PV时渗透率会突然增大，将会有大量粒度较大的颗粒从过滤器中排出，因此，最优的注入速率是0.5 mL/min，它可以缓慢的增加渗透率，最终为原来的151%。

3.3 其他影响

通过两组实验的对比分析，可以看出电压对实验值的影响比流体流速大。

ICP-MS分析的结果显示在每一次应用直流电之后会产生大量的金属离子，然而在滤纸上呈现的颗粒却很少。这间接地说明随废液排出的黏土小于1 μm而且不能阻挡孔喉（见表2）。

在实验中对温度的测量显示随着注入时间和电场强度的增加，温度也成比例增加（见图1）。温度的改变和第1组实验相似，这是由于焦耳热与电场强度成正比所致。

对废液pH值的测量（见图2），随着流动达到稳定，pH值也在碱性环境达到稳定。

如前所述，持续测量通过滤纸的不同压力，用以监测滤纸是否堵塞（见图3），从图3中可以看出，在流体流动过程中压差没有增加，表明没有细小的黏土颗粒产出，然而在流动过程中应用动电现象后，前期滤纸两侧的压差迅速增加，在注入量为2 PV后压差增加变缓，最终在5 PV后达到稳定状态。

4 结论

（1）直流电压的使用可以提高致密油储层的渗透率，可以提高注水效率。

（2）动电学提高致密油储层渗透率的主要机理是黏土的剥蚀和运移。

（3）基于岩石特性，注入速率和电压梯度差异的应用可以提高注水效率。

（4）渗透率随着电压梯度和水动力注入速率的升高而增加。

（5）流体温度的测量显示随着注入时间和电位的增加，流体温度成线性变化。

图1 温度随电场强度的改变

图2 pH随注入体积的改变

图3 滤纸两侧压差随注入体积的改变

［1］Ahmed，T．油藏工程手册（第二版）［M］．海湾专业出版社，2001：857-858．

［2］Pang，S.and Sharma，M.预测注水井注入量下滑模型［J］．地层评价期刊，1995，3（12）：194-201．

［3］梁浩，李新宁，马强，等．三塘湖盆地条湖组致密油地质特征及勘探潜力［J］．石油勘探与开发，2014，41（5）：563-572．

［4］Amba，S.，Chilingar，G.and Beeson，C. 使用直流电增加储层中流体流量［J］．加拿大石油技术学报，2016，3（1）：8-14．

［5］Sokolov，V.黏土微观结构模型［J］．Inzhenernaya Geologiya，1991，（6）：32-42．

Improving the efficiency of water injection of tight oil reservoir in the Santanghu basin by using the potentiodynamic phenomenon

WU Ke1，HE Mengqing1，REN Yinghui2
（1.College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China；2.University of Northwest China Dynamics National Key Laboratory/Northwestern University Geology Department，Xi'an Shanxi 710069，China）

In a number of new technologies of petroleum industry,the potentiodynamic phenomenon has been applied in improving the recovery of tight oil reservoirs.And the method has also been reported in overseas oilfield by obtaining the technical,commercial success.The basic principle of the simulation effect is to predict the colloid migration of clay on pore wall which is caused by the expansion of pores or the formation of new pores.Though the relevant work is rare in the injection wells.This paper has researched the effect on increasing the efficiency of water injection of tight oil reservoir by electro-kinetics experiment of the core in Santanghu basin.

Santanghu basin；electro-kinetics；tight oil reservoir；the efficiency of water injection

TE357.62

A

1673-5285（2017）10-0061-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.015

2017－09-25