低滲透油藏注水井堵塞物的化學(xué)成因研究*

張紫航，卓興家，曹廣勝，張 寧，張人昱

（1.東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶 163853）

大慶外圍的新站、敖南油田葡萄花層滲透率低、儲層敏感性強(qiáng)[1-3]。經(jīng)過長期注水，有些注水井近井地帶儲層發(fā)生傷害和堵塞，吸水能力下降，部分注水井實(shí)施了調(diào)剖措施后吸水能力也下降，致使欠注，不能滿足配注量要求，影響了注水開發(fā)效果。對于注水井欠注的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了討論，一般認(rèn)為水驅(qū)的欠注原因主要是油層的孔隙度滲透率過低等地質(zhì)因素[4,5]；其次，外來流體入井后，無論是流體中原有的固相顆粒還是與儲層巖石或流體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒運(yùn)移，都有可能堵塞孔隙[6,7]，從而導(dǎo)致欠注；注入水中的溶解氣體和微生物等對注水管道產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)產(chǎn)生的水不溶物會進(jìn)入地層[8,9]，導(dǎo)致欠注；另外，注入水若含油，即使量少，但日積月累下產(chǎn)生的乳狀液及其捕捉的雜質(zhì)與懸浮物也會產(chǎn)生嚴(yán)重的欠注問題[10,11]。

為研究大慶外圍的新站、敖南油田葡萄花儲層的欠注原因，依據(jù)研究區(qū)塊的生產(chǎn)實(shí)際情況，通過注入水質(zhì)、堵塞物成分進(jìn)行取樣化驗(yàn)，檢測水樣中離子成分、懸浮物含量、細(xì)菌含量、礦化度等指標(biāo)，結(jié)合室內(nèi)巖心模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析，得出造成欠注的主要原因。本文對新站、敖南油田解堵增注及水驅(qū)開發(fā)低滲透率油層具有重要意義。

1 新站、敖南油田概況分析

1.1 新站、敖南油田地質(zhì)概況分析

新站油田葡萄花儲層以薄層砂為主，單層砂巖、有效厚度小于1.0m 的層數(shù)分別占總層數(shù)的30%和60%[12]。巖石孔隙度范圍5%～30%，平均有效孔隙度為12.4%；滲透率值主要集中在（0，1]和（1，5]這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，其中介于0～1×10-3μm2內(nèi)占了61.44%，平均滲透率為1.99×10-3μm2。

敖南油田葡萄花油層砂地比在1.1%～64.0%之間，平均砂地比30%[13]。屬于低孔、低滲油田，油層顆粒細(xì)，以細(xì)－粉砂為主，粒度中值在0.033～0.123mm之間，平均僅0.07mm，泥質(zhì)含量高，平均值高達(dá)21.9%，儲層物性差，空氣滲透率為（0.86～91.03）×10-3μm2，平均為13.9×10-3μm2，有效孔隙度為18.2%～24.3%，平均為19.2%。

可以看出，新站、敖南油田滲透率較低，地層多孔介質(zhì)內(nèi)的孔隙吼道較小，當(dāng)注入水中的固體顆粒含量較高時(shí)，則會造成孔隙吼道內(nèi)的堵塞。另外儲層巖石中黏土礦物含量較高，有可能存在蒙脫石等水敏感性礦物，在水驅(qū)過程中，地層內(nèi)顆粒運(yùn)移會造成進(jìn)一步的堵塞。

1.2 注入井堵塞情況分析

統(tǒng)計(jì)新站、敖南油田注水井堵塞欠注情況，見表1。

表1 新站、敖南油田注水井欠注情況統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of water injection wells in Xinzhan and Aonan Oilfields

2 敖南油田注入水及返排液水質(zhì)分析

為了分析新站、敖南油田的欠注原因，取兩個(gè)區(qū)塊內(nèi)的注入水及返排液進(jìn)行了水質(zhì)分析，包括水樣中懸浮物含量及粒度，細(xì)菌含量，礦化度，各離子含量及結(jié)垢情況[14]。

2.1 懸浮物含量測量

有一些顆粒相對比較大的固體物質(zhì)，當(dāng)它們進(jìn)入到地層中時(shí)，會對近井地帶地層造成阻塞，從而引起欠注問題，所以有必要對這類固體物質(zhì)含量進(jìn)行測定。

5～100mg 樣品量為最佳區(qū)間，這是由于當(dāng)樣品過多時(shí)，懸浮物中的水分會造成過濾難；樣品過少時(shí)，將會導(dǎo)致誤差較大，影響準(zhǔn)確度。懸浮物含量C（mg·L-1）計(jì)算公式：

式中 C：水中懸浮物含量，mg·L-1；A：過濾后濾紙質(zhì)量，g；B：原濾紙質(zhì)量，g；V：樣品體積，mL。

圖1 新站、敖南油田注入水懸浮物和含油量變化Fig.1 Variation of suspended solids and oil content of injected water in Xinzhan and Aonan Oilfields

從含油量看出，雖然井口來水含油量不高，但井下取樣含油量均較高，說明存在地層油反吐現(xiàn)象。茂15（清水）含油量不高，敖南油田、大415（污水）、新站本部污水均含油，說明除了茂15（清水）區(qū)塊不需要考慮有機(jī)質(zhì)污染，其他幾個(gè)測試區(qū)塊均存在有機(jī)質(zhì)污染。

進(jìn)一步通過激光粒度儀測量注入水中懸浮物的固體顆粒尺寸變化，見圖2。

圖2 新站、敖南油田注入水中懸浮物尺寸變化Fig.2 Size change of suspended solids in injection water of Xinzhan and Aonan Oilfields

根據(jù)1/3 架橋理論，即顆粒粒度大于孔喉直徑的1/3 時(shí)，可產(chǎn)生堵塞，計(jì)算新站、敖南油田孔喉分別為28、51μm。由圖2 可以看出，新站、敖南油田部分井的底返排液中的懸浮物粒度中值差異較大，其粒度中值（μm）分別為：新站本部污水6.29，新站大415 區(qū)塊污水12.26，茂15 區(qū)塊所使用清水6，敖南清水的粒度中值較大，為18.96μm，因此，根據(jù)1/3架橋理論，新站大415 區(qū)塊的注污水井、敖南油田所注清水井均有可能引起地層堵塞。

2.2 水樣中細(xì)菌含量測量

注入水中若存在較多的細(xì)菌，細(xì)菌的代謝產(chǎn)物則會堵塞地層巖石孔隙，因此，我們開展了水樣中細(xì)菌含量的測量實(shí)驗(yàn)。利用絕跡稀釋法進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)，把以上的測試瓶放在35℃恒溫培養(yǎng)箱中。

由圖3 可見，各區(qū)域井底返排液中均出現(xiàn)腐生菌和鐵細(xì)菌，且細(xì)菌個(gè)數(shù)最高達(dá)到10000～100000 個(gè)·mL-1，敖南油田無硫酸鹽還原菌，其余區(qū)域均含有SRB，且SRB 最高達(dá)10000～100000 個(gè)·mL-1。長期注水，地層中運(yùn)移的雜質(zhì)、油污為細(xì)菌提供營養(yǎng)源，加速細(xì)菌繁殖，可堵塞地層，這說明細(xì)菌問題也是導(dǎo)致欠注的原因。

圖3 不同區(qū)塊返排液中細(xì)菌的含量Fig.3 Bacterial content in the flowback fluid of different blocks

2.3 無機(jī)垢含量測定

通過掛片法來檢測無機(jī)垢的結(jié)垢量[15]。首先，利用游標(biāo)卡尺去測量蓋玻片的長與寬，然后計(jì)算出該蓋玻片的表面積；將蓋玻片放置浸入在無水乙醇中，清洗并移入干燥皿中干燥30min；確保蓋玻片干燥的情況下，稱量其凈重；分別取5 口井的污水樣品各40mL 于燒杯中；用鑷子將蓋玻片（5 片·杯-1）斜置于呈有污水的燒杯中，保證其表面完全浸于污水中；設(shè)置恒溫箱溫度為50、60、70、80、90℃，將浸泡在污水中的蓋玻片放入其中6h；取出蓋玻片洗滌干凈后，放置烘干箱中烘干5h，拿出，觀察蓋玻片上的結(jié)垢情況，稱量其質(zhì)量。

結(jié)垢量的計(jì)算公式：

式中 M：結(jié)垢量，mg·cm-2；A：蓋玻片結(jié)垢后質(zhì)量，g；B：蓋玻片質(zhì)量，g；S：蓋玻片表面積，cm2。

由圖4 可以看出，除了新站注入水的結(jié)垢量與溫度呈正相關(guān)，隨著其增加而變大外，其他水樣的結(jié)垢量隨溫度變化并沒有明顯的規(guī)律，溫度為70℃及更高時(shí)，結(jié)垢量普遍高于0.3mg·cm-2且不大于0.6mg·cm-2，顯然這會對注水設(shè)備和井筒以及儲層造成一定的損害，從而使注水井產(chǎn)生欠注問題。

圖4 結(jié)垢量隨溫度變化趨勢圖Fig.4 Variation trend of scaling amount with temperature

3 新站、敖南油田儲層敏感性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 地層內(nèi)黏土礦物分析

新站、敖南油田滲透率較低，孔隙結(jié)構(gòu)較為細(xì)小，更容易被固體顆粒堵塞，若地層中存在較多水敏感性礦物，在水驅(qū)過程中，水敏感性礦物顆粒則容易從巖石表面脫落，從而導(dǎo)致地層堵塞。利用掃描電鏡得到新站、敖南油田地層黏土礦物特征見圖5。

圖5 新站、敖南油田巖石掃描電鏡觀察結(jié)果Fig.5 SEM observation results of reservoir in Xinzhan and Aonan Oilfields

由圖5 可以看出，新站、敖南油田葡萄花油層中存在較多的水敏性礦物，綠泥石和蒙脫石礦物，因此，在注水開發(fā)的過程中，地層本身就具有較強(qiáng)的水敏感特征，選用清水驅(qū)替原油會造成地層巖石滲透率的降低。

3.2 儲層敏感性實(shí)驗(yàn)研究

測量巖心初始滲透率后，用50%地層水注入，注入速度與初始流速保持一致，注入10～15PV，停止注入，保持圍壓和溫度不變，使50%地層水與巖石礦物反應(yīng)12h 以上；將泵速調(diào)整為初始流速，然后用25%地層水注入，來測定巖心的滲透率；利用同樣的方法進(jìn)行蒸餾水驅(qū)替巖心的實(shí)驗(yàn)，并檢測出在蒸餾水下巖心的滲透率，見圖6。

圖6 新站、敖南油田儲層水敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Water sensitivity test results of putaohua reservoir in Xinzhan and Aonan Oilfields

由圖6 可知，在注入不同濃度的地層水之后，新站、敖南油田的滲透率都會發(fā)生明顯的改變，這說明采用清水等低礦化度的流體注入地層之后，會大幅度的降低儲層的滲透率，所以這也是導(dǎo)致注水井的注入量逐漸降低的主要原因。

4 新站、敖南儲層流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)

由水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果可見，新站和敖南兩個(gè)油田的注入水均存在不同程度的懸浮物和結(jié)垢等堵塞地層的物質(zhì)條件，但對于能否造成堵塞和堵塞的程度，則需要通過巖心模擬注水實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行研究。

測定巖樣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過利用模擬的地層水來飽和巖心。并用模擬的地層水測量巖心的原始滲透率，記為K1；取1000mL 水樣，選取不同編號巖心，以0.3mL·min-1的注入速度向樣品中注入10PV 注入水，然后進(jìn)行水測滲透率記為K2；用不同編號的巖樣，過濾后的水樣稱量1000mL，以0.3mL·min-1的注入速度向巖樣中注入10PV 返排液，然后進(jìn)行水測滲透率記為K3；記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。

有機(jī)堵塞和無機(jī)堵塞的混合堵塞率為P0、無機(jī)堵塞率為P1、有機(jī)堵塞率為P2，可由公式（3）～（5）計(jì)算：

式中 P0、P1、P2：混合堵塞率、無機(jī)堵塞率、有機(jī)堵塞率，%；K1、K2、K3：由上述步驟中測得不同情況下的巖心滲透率，10-3μm2。

表2 巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.2 Basic core data

選取以上巖心進(jìn)行注入水堵塞巖心實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖7。

圖7 隨注入體積增加滲透率變化Fig.7 Permeability changes with the increase of injection volume

由圖7 可見，隨著注入體積的增加，無論注入水是否進(jìn)行過濾，巖心的滲透率都會急劇下降，并且在注入體積為4PV 左右，下降速度開始放緩。經(jīng)過計(jì)算，新站油田的混合堵塞率為79.9%，無機(jī)堵塞率為76.4%，有機(jī)堵塞率為3.5%，說明對于新站油田堵塞物中無機(jī)堵塞占主導(dǎo)，有機(jī)物如浮油對地層的傷害很??；敖南油田的混合堵塞率為79.0%，無機(jī)堵塞率為70.0%，有機(jī)堵塞率為9.0%，敖南油田的混合堵塞率和新站油田相差不大，有機(jī)堵塞率是其兩倍以上，雖然有機(jī)堵塞率不到10%，但其對油藏的損害仍然需要重視。

5 結(jié)論

（1）儲層物性差，滲透率、孔隙度均較小，注入水中懸浮物含量和懸浮物粒徑尺寸均為不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，極易造成堵塞，同時(shí)注入水中鈣鎂等成垢離子濃度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)入地層后在巖石孔道中結(jié)垢。

（2）注入井回注的水里含有污油，會滯留在井眼附近巖石孔隙中，從而導(dǎo)致堵塞地層；另外，游離油和分散油會對懸浮顆粒造成膠結(jié)效果，因此，增加了橋堵的可能。

（3）無機(jī)堵塞多數(shù)為注入水中離子超標(biāo)進(jìn)入儲層結(jié)垢導(dǎo)致的，油層中存在較多的水敏性礦物，因此，在注水開發(fā)的油藏中，選用清水驅(qū)替原油會造成地層巖石滲透率的降低。

（4）新站油田堵塞物中無機(jī)堵塞占主導(dǎo)，有機(jī)物如浮油對地層的傷害很??；敖南油田的混合堵塞率和新站油田相差不大，有機(jī)堵塞率是其兩倍以上，雖然有機(jī)堵塞率不到10%，但其對儲層的損害仍然不可忽視。