离子组成及矿化度对低矿化度水驱采收率的影响

黄广庆

（中国石油长城钻探工程有限公司国际测井公司，北京100101）

0 引言

注水开发是油藏开发中最常见的补充地层能量的开发方式。注水开发提高采收率的机理主要是提高注入水的洗油效率和波及系数。常规水驱可以有效提高水的波及系数，但是无法有效提高洗油效率［1-2］。目前，油田主要使用的注水方式为污水回注，只考虑注入水的物理作用，而很少考虑其化学作用［3-4］。

油田进入高含水期后，往往采取调剖、堵水［5-8］、压裂及酸化等［9-10］措施来改善开发效果［11］。国外 20世纪60年代就已开始研究低矿化度水驱采油，国内目前相关研究较少［12］。低矿化度水驱是通过向油藏注入低矿化度水，提高洗油效率来降低残余油饱和度，减缓见水时间，提高原油采收率［13-14］。国外研究了低矿化度水驱提高采收率的机理［15-17］，主要包括类碱驱［18-19］、微粒运移［20-22］、多组分离子交换［23］等，但是针对二次采油和三次采油模式下的研究均较少。通过室内岩心驱替实验来研究在二次采油和三次采油模式下的低矿化度水驱，即常规水驱及其后注入低矿化度水进行三次采油时，地层水和注入水的离子组成及矿化度对提高采收率的影响，以期为实现低矿化度水驱提高采收率提供参考。

1 实验目的、材料及步骤

1.1 目的

本次实验是为了研究水的离子组成及矿化度对岩心驱替实验中原油采收率的影响。与低矿化度效应紧密相关的离子主要是二价阳离子，常见的是Ca2+和Mg2+，因此，本次实验主要研究Ca2+和Mg2+对三次采油模式中低矿化度水驱提高采收率的影响。

1.2 材料

①岩心。采用砂岩岩心进行水驱实验。表1为岩心样品参数，表2为岩心样品矿物组成。②原油。所有岩心均使用相同的原油，其属性参数如表3所列。③地层水。考虑到地层水离子组成对低矿化度水驱的影响，实验饱和岩心的地层水选择3种，即分别含有Ca2+，Mg2+的NaCl盐水及纯NaCl盐水，所用注入水也有2种，一种是只含Ca2+的不同矿化度NaCl盐水，一种是含有Ca2+，Mg2+的低矿化度NaCl盐水，其离子组成及参数如表4所列。

表1 岩心参数Table 1 Core parameters

表2 岩心矿物组成Table 2 Core mineral composition%

表3 原油属性参数Table 3 Crude oil parameters

1.3 步骤

（1）先后将1～3号岩心和4～6号岩心饱和地层水A，B，C；之后依次放入岩心夹持器，继续用饱和所用的地层水以0.15 mL/min的速率驱替5 PV，确保岩心完全饱和地层水。

（2）测量岩心对地层水的渗透率，对岩心称重并计算其孔隙度。

表4 实验所用人造盐水属性参数Table 4 Parameters of artificial brine in experiments

（3）用原油驱替岩心，直至不再产出水，建立束缚水饱和度。

（4）将岩心置于密封真空容器，在80℃条件下老化21 d后，在相同温度下以0.1 mL/min的速率驱替岩心，再按照以下顺序对岩心进行水驱驱替实验（不再驱替出原油时，切换注入水种类）：对1～3号岩心，用饱和所用地层水驱替至不再出油，然后按照0.10 D→E→0.01 D的顺序，用盐水继续驱替岩心至不再出油；对4～6号岩心，用饱和所用地层水驱替至不再出油，然后按照D→0.5 D→0.2 D→0.1 D的顺序，用盐水继续驱替至不再出油。

（5）对实验数据进行处理，计算驱替过程中的原油采收率。

2 实验结果及分析

2.1 Ca2+或Mg2+对低矿化度效应的影响

3种地层水A，B，C的矿化度均为5万mg/L（参见表4），但是所含离子种类不同，其中注入水A和B的二价离子分别为Ca2+和Mg2+，注入水C则不含二价离子。通过对比这3个岩心的驱替实验结果，可以得到当矿化度相同但离子组成不同时，低矿化度效应的启动情况。

图1所示为1～3号岩心驱替实验的采收率曲线。对比3块岩心在同一种注入水驱替时的原油采收率变化情况，得到如下结果：①对于1号和2号岩心来说，饱和了含有Ca2+和Mg2+的地层水，在高矿化度水驱的二次采油模式（对应地层水驱替）之后的三次采油模式（低矿化度水驱替）中，采收率均出现了增高的情况［图 1（a）—（b）］，表明饱和地层水（含有Ca2+或Mg2+）的2块岩心，在低矿化度水驱时都发生了低矿化度效应；②3号岩心的采收率曲线［图1（c）］，在高矿化度水驱的二次采油之后，尽管同样不断降低后续注入水的矿化度，并改变离子组成，其采收率仍然没有变化，表明饱和了地层水C（不含Ca2+和Mg2+）的3号岩心在低矿化度水驱时未发生低矿化度效应；③3块岩心在后续用低矿化度水E（含有Ca2+和Mg2+）驱替时，尽管其矿化度与0.1D（含有Ca2+）注入水同为1 000 mg/L，但是采收率均未增高，说明注入水中Ca2+，Mg2+对低矿化度效应的启动没有影响；④由表5和图2可知，对于饱和地层水A（含Ca2+）和B（含Mg2+）的1号岩心和2号岩心，整个后续的盐水驱替引起的低矿化度效应使二者的采收率分别增高了13.95%和11.13%，其中在0.1 D（矿化度为1 000 mg/L）盐水驱替后采收率分别增高了9.43%和6.33%，之后在0.01 D（矿化度为100 mg/L）盐水驱替后采收率又分别增高了4.52%和4.8%，说明Ca2+提高采收率效果相对更好。

图1 1号岩心（a），2号岩心（b）和3号岩心（c）不同矿化度水驱替采收率曲线Fig.1 Recovery curves of cores No.1（a），No.2（b）and No.3（c）of water flooding with different salinity

表5 1～3号岩心用不同人造盐水驱替时的采收率Table 5 Recovery of cores No.1-No.3 displaced by different artificial brine

图2 饱和不同地层水的1～3号岩心驱替时的采收率Fig.2 Recovery of cores No.1-No.3 saturated with different formation water

2.2 注入水矿化度对低矿化度效应的影响

在本次实验中，1～3号岩心饱和了含不同离子的地层水，使用高矿化度地层水进行二次采油模式下的驱替实验，之后先后使用低矿化度（矿化度为1 000 mg/L和100 mg/L）盐水（离子种类发生改变）进行三次采油模式下的驱替实验，从而明确了地层水和注入水的离子种类对低矿化度效应的影响。

由于针对1～3号岩心未开展注入水的矿化度对低矿化度效应的影响研究，因此，设计了饱和含有不同二价阳离子或不含二价阳离子地层水的4～6号岩心驱替实验，其中所用注入水的矿化度逐级递减。注入水的先后顺序为：对应的地层水→D→0.50 D→0.20 D→0.10 D→0.01 D，相应注入水的矿化度依次为50 000 mg/L→10 000 mg/L→5 000 mg/L→2 000 mg/L→1 000 mg/L→100 mg/L，通过梯度性改变注入水的矿化度，来研究注入水矿化度对低矿化度效应的影响。

图3分别为饱和了不同地层水的4～6号岩心在注入水矿化度梯度降低情况下的采收率曲线。4号岩心与5号岩心在高矿化度地层水（矿化度由10 000 mg/L→5 000 mg/L→2 000 mg/L）驱替后均未出现采收率增加的现象。对于4号和5号岩心而言，当注入水的矿化度高于2 000 mg/L时，采收率并没有增加，说明低矿化度效应没有启动。

但是，当注入水矿化度降低至1 000 mg/L及100 mg/L后，采收率均出现了不同程度的增高，说明4号和5号岩心发生低矿化度效应所需要的条件是：注入水的矿化度低于1 000～2 000 mg/L内的某一值即可，该值为低矿化度效应的启动阈值。这个值由油藏系统决定，会因为油-水-岩体系属性的不同而有所差异。

6号岩心采收率曲线如图3（c）所示，在注入水的矿化度逐步降低的驱替过程中，采收率在任何时刻都没有增高，说明6号岩心没有发生低矿化度效应，同时也进一步证明了地层水中存在二价阳离子是低矿化度效应启动的必要条件。

图3 4号岩心（a），5号岩心（b）和6号岩心（c）不同矿化度水驱替采收率曲线Fig.3 Recovery curves of cores No.4（a），No.5（b）and No.6（c）of water flooding with different salinity

3 结论

（1）地层水中包含二价阳离子，如Ca2+和Mg2+，是实现低矿化度水驱提高采收率的条件之一；注入水是否含有二价阳离子对低矿化度效应的实现没有影响；Ca2+比Mg2+提高采收率的效果略好。

（2）油藏系统的状态对应着一个低矿化度阈值，低矿化度效应的启动要求注入水的矿化度低于油藏系统对应的低矿化度阈值。

（3）只有同时满足地层水的离子组成和注入水的矿化度2个条件，低矿化度效应才会启动。

（4）低矿化度水驱作为三次采油模式下的技术，可以在高含水期的二次采油模式之后，进一步提高油藏采收率。

致谢：在项目完成过程中，中国地质大学（北京）范洪富教授给予了悉心指导，在此表示感谢！