三元復(fù)合驅(qū)后儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化研究進(jìn)展

文慧儉，王兆雪，孫秋爽，李勇霖

（東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

三元復(fù)合驅(qū)油技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種石油采油技術(shù)，是將堿劑溶液、表面活性劑溶液與聚合物溶液以適當(dāng)比例混合作為三元復(fù)合驅(qū)油劑段塞注入油層進(jìn)行驅(qū)油，利用復(fù)合驅(qū)油劑的加合增效機(jī)理，化學(xué)協(xié)同效應(yīng)，降低油水界面張力，增加波及效率和驅(qū)油效率及提高原油采收率的技術(shù)，簡稱ASP.我國的三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)尤其是大慶油田，在經(jīng)過“八五”和“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)后已走在世界前列.室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，采用強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)后，可以在水驅(qū)開發(fā)的基礎(chǔ)上再提高采收率20%以上[1]，展現(xiàn)了該技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景.

近年來石油科技工作者在三元復(fù)合驅(qū)后儲層物化反應(yīng)及化學(xué)機(jī)理方面做了大量工作，對三元復(fù)合驅(qū)液與儲層礦物間作用機(jī)理進(jìn)行了大量研究.2002年唐洪明[2]等人根據(jù)三元復(fù)合驅(qū)體系配方及試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)條件，對復(fù)合驅(qū)過程中結(jié)垢類型及其結(jié)垢能力進(jìn)行了預(yù)測與分析，發(fā)現(xiàn)中心井的垢大多來自鉆井液中的微粒，還有一部分來自儲層的顆粒.2003年王賢君[3]等人采用了多種單溶液和復(fù)合溶液對不同種類礦物和儲層巖石進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，用以確定在各種水-巖反應(yīng)條件下垢的形成作用和成垢離子的濾失作用.2006年葛稚新等人[4]通過對新生成礦物的分析說明，堿蝕不僅會使儲層的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，還會形成新的沉積，其中鈣垢先形成，而硅垢后形成，且當(dāng)NaOH被Na2CO3替代后，礦物的溶蝕程度降低.不過這些研究多以一般化學(xué)反應(yīng)原理來分析復(fù)合驅(qū)液與儲層礦物反應(yīng)之間機(jī)理，而對于復(fù)雜礦物變化特征卻缺少詳細(xì)表征，且多以單一影響因素來判斷復(fù)合驅(qū)液對儲層溶蝕的傷害，缺乏對多元反應(yīng)體系綜合分析與標(biāo)識.在三元驅(qū)儲層的孔隙結(jié)構(gòu)變化方面的研究比較局限，僅研究物性變化，或沒有進(jìn)行三元驅(qū)前后儲層對比，或只研究了靜態(tài)條件下堿對儲層的變化，缺少同儲層物化反應(yīng)相結(jié)合.因此本文通過大量文獻(xiàn)調(diào)研，精細(xì)表征儲層三元復(fù)合驅(qū)前后儲層特征變化，為推進(jìn)三元復(fù)合驅(qū)大規(guī)模工業(yè)化推廣和確定三元復(fù)合驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率技術(shù)奠定理論技術(shù).

1 三元復(fù)合驅(qū)前后儲層成分變化

三元復(fù)合驅(qū)體系受地層溫度、壓力、pH值及離子組成等因素的影響，不僅與地層中流體混合發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，而且與巖石礦物發(fā)生溶蝕反應(yīng).三元復(fù)合驅(qū)前儲層的巖石組成成分包括石英、長石及黏土礦物等，它們均可以與三元復(fù)合驅(qū)體系中的堿溶液發(fā)生不同程度的反應(yīng)，產(chǎn)生不同現(xiàn)象.

石英為架狀結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)礦物，屬于酸性氧化物，在一般情況下比較穩(wěn)定，但在堿性介質(zhì)中，石英會變得不穩(wěn)定，會發(fā)生溶解.因此在三元復(fù)合驅(qū)后，石英完整的晶形被破壞，顆粒邊界呈鋸齒狀，表面碎屑顆粒增多，呈球粒狀集合體.石英溶蝕的微觀作用機(jī)理可以概括為[5]：石英顆粒表面羥基化、溶解產(chǎn)生硅酸鹽離子、動態(tài)硅酸鹽平衡體系.石英堿溶后堿電離的容易與空氣中CO2反應(yīng)生成，導(dǎo)致Si、O元素含量減少，Ca、Mg、Al元素出現(xiàn)且含量顯著，最后生成硅酸垢或硅酸鹽垢[6].

長石是一類含鈣、鈉和鉀的鋁硅酸鹽類礦物.長石溶蝕是從外層逐漸向內(nèi)層溶蝕.溶蝕前長石表面顆粒、凸起較多、晶體結(jié)構(gòu)明顯，溶蝕后大部分晶體表面未被破壞，但是出現(xiàn)孔洞，表面顆粒、凸起逐漸減少，去棱角化明顯.同時能夠在溶蝕物旁觀察到大量書架狀高嶺石和少量伊利石，在部分喉道處出現(xiàn)次生石英和次生粘土礦物.其中鉀長石堿溶后Al含量變小，溶蝕作用明顯，推測有其他含Al沉淀生成.

黏土礦物微孔發(fā)育，不均勻分布于石英、長石粒間，起支撐和膠結(jié)作用，且黏土礦物主要包括蒙脫石、高嶺石、伊利石、綠泥石.黏土礦物具有顆粒小，比表面積大的特點(diǎn)，故優(yōu)先與外來復(fù)合驅(qū)溶液發(fā)生反應(yīng).蒙脫石原始結(jié)構(gòu)形態(tài)由細(xì)鱗片朵狀或花瓣?duì)罨蚓砬∑瑺睿帕忻芗R.隨著溶蝕作用的增加，鱗片邊緣不齊，層次模糊，蒙脫石組分減少.其實(shí)蒙脫石在弱堿溶液中便可發(fā)生溶蝕變化，反應(yīng)液中鋁離子質(zhì)量濃度先增大,然后急劇下降，而硅離子質(zhì)量濃度變化不大[7].高嶺石溶蝕前表面粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)明顯.被堿溶蝕后，高嶺石表面比溶蝕前平整、細(xì)膩、光滑.而且高嶺石只有經(jīng)過質(zhì)量濃度高的（12.00g/L）NaOH溶液的浸泡，并且反應(yīng)時間超過13d時，才能起變化[8].在溶蝕過程中，高嶺石中的元素與溶蝕液中的Na發(fā)生交換反應(yīng)，導(dǎo)致Na元素增多；同時空氣中CO2與溶蝕體系中的鈣鎂在高嶺石中形成碳酸鹽沉積，使C、O元素含量增加；而高嶺石中 Mg、Al、Si、Ca、Ba、K 元素在堿液反應(yīng)過程中進(jìn)入到溶蝕液體系，使硅離子溶出量最大，從而使這些元素都降低[9].蒙脫石與堿溶液反應(yīng)能力比高嶺石反應(yīng)能力強(qiáng)，且反應(yīng)后溶液中離子總量高.綠泥石一般在黏土礦物中含量較少，而強(qiáng)堿對儲層巖石的作用確實(shí)會生成綠泥石等新礦物[10].

三元復(fù)合體系會溶蝕礦物并改變礦物組分比例，同時對黏土礦物種類及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的作用效果不一.三元復(fù)合驅(qū)后儲層礦物石英成分主要呈增加趨勢，鉀長石成分主要減少，鈉長石增加，蒙脫石、高嶺石、伊利石成分減少，綠泥石成分可能有所增加.研究表明[11]，堿更容易對儲層巖心中黏土礦物發(fā)生溶蝕作用，而對石英和長石等骨架成分溶蝕作用較弱.因此，巖石中主要礦物溶蝕順序是蒙脫石、高嶺石、伊利石、長石、石英.總之，三元復(fù)合驅(qū)后石英、長石和黏土礦物大量溶蝕，部分喉道處出現(xiàn)次生礦物，形成碳酸鹽垢、硅酸鹽垢、氫氧化物垢、硫酸鹽垢等垢質(zhì)沉淀.

2 三元復(fù)合驅(qū)前后孔隙結(jié)構(gòu)變化

在巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，孔隙大小反映巖石儲集能力，而喉道的形狀、大小、孔喉比等描述的是介質(zhì)對流體儲集和滲透能力.隨著三元復(fù)合驅(qū)溶液注入地下，砂巖儲層的孔隙空間受到化學(xué)藥劑的沖刷，孔隙形狀、結(jié)構(gòu)及泥質(zhì)成分發(fā)生了變化.

何金鋼[12]等人采用常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)將研究區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)劃分為低排驅(qū)壓力-粗喉道型、中排驅(qū)壓力-中喉道型、高排驅(qū)壓力-細(xì)喉道型三類.運(yùn)用恒速壓汞技術(shù)，對比儲層巖心三元復(fù)合驅(qū)前后孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)變化程度可以看出，強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)后喉道半徑和孔隙半徑平均值均較水驅(qū)有所下降，且孔隙半徑下降幅度要小于喉道半徑下降幅度，所以與水驅(qū)的孔喉半徑比相比，強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)后孔喉半徑比有所增加，這也說明在使用強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)后，因?yàn)榭缀斫Y(jié)構(gòu)參數(shù)變差可能導(dǎo)致殘余油無法驅(qū)替，使其最終含油飽和度較低，最終含油飽和度系數(shù)較小.

不僅強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)會使儲層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，弱堿三元復(fù)合驅(qū)也會引起儲層孔隙結(jié)構(gòu)的變化.且弱堿三元體系不僅可以降低界面張力，而且能夠解決堿對聚合物濃度降低及粘彈性降低等問題.夏惠芬[13]等人通過弱堿三元復(fù)合體系的滲流實(shí)驗(yàn)、常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)弱堿三元復(fù)合體系對巖心的溶蝕作用并不強(qiáng)烈，但還是會使小孔道半徑變大，從而導(dǎo)致小孔道數(shù)量減少，大孔道數(shù)量增加，而使整體巖心的滲透率稍微增大.弱堿三元復(fù)合驅(qū)前巖石致密，孔隙較小且比較均勻；而弱堿三元復(fù)合驅(qū)后，出現(xiàn)斑駁狀凸起，孔隙發(fā)育比較明顯，巖石上有可動碎屑附著.

三元復(fù)合驅(qū)前后微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化對測井響應(yīng)特征也具有一定的影響，胡碩[14]便利用壓汞曲線、薄片分析等檢測方法，分析了同井場密閉取心井的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及地下流體性質(zhì)變化，進(jìn)而開展了不同類型測井曲線在三元復(fù)合驅(qū)儲層和水驅(qū)儲層中的測井響應(yīng)變化研究.結(jié)果表明：三元復(fù)合驅(qū)儲層后，儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，粘土礦物增加，粒度中值變小，雖然顆粒表面去棱角化明顯，粘土礦物大量溶蝕，但垢質(zhì)沉淀堵塞孔隙，儲層整體孔隙度變化不大.

3 三元復(fù)合驅(qū)前后孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為查明剩余油分布，指導(dǎo)設(shè)計(jì)提高采收率方案而對孔喉結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行重點(diǎn)研究；此外，精細(xì)表征孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律也是快速、經(jīng)濟(jì)、有效開發(fā)低滲、低孔油氣資源方面的技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)油田增產(chǎn)提供支持.

在三元復(fù)合驅(qū)的作用下，一方面儲層礦物會與堿液反應(yīng)，形成各種沉淀，使部分小孔喉堵塞；另一方面部分黏土礦物或巖石礦物碎片隨復(fù)合驅(qū)液遷移，使大孔喉有一定程度的增大.整體上看，三元復(fù)合驅(qū)前后孔隙結(jié)構(gòu)具有以下變化規(guī)律：強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)后儲層物性變差，孔隙度下降，滲透率下降，粒徑中值減小，泥質(zhì)含量增加，分選變差，孔隙結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生變化；三元復(fù)合驅(qū)后巖石骨架的顆粒碎散、孔隙變大、孔徑變大；三元復(fù)合驅(qū)后小孔隙所占比例下降；三元復(fù)合驅(qū)后微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.

不過，不同地區(qū)的實(shí)際地層在沉積過程中，由于不同的水動力驅(qū)動和物源供給的影響，使巖石的顆粒大小、分選、組成成分及礦物發(fā)育程度都有明顯的差異，并且在后期各種成巖作用和變質(zhì)作用會進(jìn)一步改造沉積物原始的孔隙，從而產(chǎn)生復(fù)雜多變的儲層孔隙結(jié)構(gòu).因此不同地區(qū)三元復(fù)合驅(qū)后儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化程度不同，要根據(jù)實(shí)際地區(qū)情況進(jìn)行研究分析.

4 結(jié)論及發(fā)展趨勢

本文根據(jù)大量的文獻(xiàn)調(diào)研,通過對三元復(fù)合驅(qū)前后儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化及其變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)主要是由于三元復(fù)合驅(qū)中堿液溶蝕石英、長石等礦物，形成結(jié)垢，造成孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，堵塞孔喉.因此接下來三元復(fù)合驅(qū)及表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾個方向：第一，納米技術(shù)在油田中的應(yīng)用，包括納米分子膜驅(qū)油試劑的研制和納米表征技術(shù)在油田儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征上的應(yīng)用；第二，微米或亞微米孔隙結(jié)構(gòu)的表征，在實(shí)際油田中微米或亞微米級別的孔隙才是主要影響評價儲層產(chǎn)能的孔隙，因此它們的表征對儲層滲流影響重大，尤其是孔隙－巖石界面的形態(tài)，包括曲率大小，粗糙程度等；第三，開發(fā)過程中儲層異?，F(xiàn)象的解釋，儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征影響著儲層潛能，但實(shí)際開發(fā)中驅(qū)油效率與滲透率之間關(guān)系吻合度差,甚至出現(xiàn)反比異?，F(xiàn)象，而目前針對此類異常尚無合理解釋；第四，在研究過程中需要探究降低三元復(fù)合驅(qū)成本的技術(shù)方法及耐堿聚合物，因?yàn)樵谌獜?fù)合驅(qū)中所使用的表面活性劑及聚合物的成本較高，且聚合物耐堿性能較弱.