付 紅，李華斌，2，殷慶國，郭程飛

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川成都 610059；3.中國石油吐哈油田公司工程技術(shù)研究院，新疆鄯善 838200；4.中國石化中原油田普光分公司采氣廠，四川達(dá)州 636155）

世界上一半以上的原油可采儲量存在于碳酸鹽巖儲層中，注水開發(fā)是油藏開發(fā)中最常見的一種開發(fā)方式。注水開發(fā)提高采收率的機(jī)理主要是提高注入水的洗油效率和波及系數(shù)，但常規(guī)注水并不能提高注入水的洗油效率，油田大多使用污水回注，只考慮了注入水的物理作用而忽略其化學(xué)作用。

Seethepalli 等［1］使用不同的陰離子表面活性劑進(jìn)行巖心吸附實驗，發(fā)現(xiàn)原油采收率能達(dá)到50%以上，潤濕性反轉(zhuǎn)被認(rèn)為是重要原因。Xie等［2］發(fā)現(xiàn)停止注入鹽水溶液后，注入的表面活性劑溶液能提升原油采收率5%～10%OOIP，認(rèn)為表面活性劑增加了巖心的水潤濕性。盡管已有研究表明表面活性劑能降低油水界面張力、乳化原油進(jìn)而形成油墻，聚合物驅(qū)以及三元復(fù)合驅(qū)能提高原油采收率［3］，但由于價格昂貴，大規(guī)模在油藏的應(yīng)用受到限制。而水驅(qū)是一種廉價的二次采油工藝，已有研究表明水驅(qū)性能取決于注入水的組成。Webb 等［4］在儲層條件下用模擬無鹽水和含鹽水對北海碳酸鹽巖巖心樣品進(jìn)行對比實驗，發(fā)現(xiàn)改變碳酸鹽巖潤濕性是造成含油飽和度改變的原因。大量實驗工作圍繞著表面活性劑溶液和模擬鹽水對提高原油采收率的作用機(jī)理，提出是提高原油采收率的決定因素，但需要與Ca2+和Mg2+共同作用，因為單獨的并不能自發(fā)吸附在巖石上［5—10］。

盡管前人進(jìn)行了大量的實驗工作，但仍有許多問題尚不清楚。在上述研究中都將巖心在原油中老化使巖心油潤濕，對于潤濕性改變作為硫酸鹽水驅(qū)改善原油采收率這一主要機(jī)制是通過排除其他原因（界面張力的顯著降低和流變性）得到的。為了驗證潤濕性改變不是硫酸鹽水驅(qū)提高原油采收率的唯一因素，本文實驗設(shè)計在巖心潤濕性不改變的基礎(chǔ)上（實驗過程中巖心潤濕性一直為水濕）進(jìn)行水驅(qū)，探究硫酸鹽濃度對水驅(qū)提高采收率的影響，研究了溫度、注入速率和原油類型對硫酸鹽水驅(qū)效果的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

甲苯（純度99.9%）、丙酮，分析純，成都科龍化工試劑廠；實驗用油為吐哈油田溫西、玉果和玉東3個區(qū)塊的脫水原油，在室溫下的密度分別為0.835、0.836、0.832 g/cm3，黏度分別為13.2、8.84、10.56 mPa·s，瀝青質(zhì)含量分別為3.43%、0.30%、1.1%（數(shù)據(jù)由吐哈油田公司工程技術(shù)研究院提供）；實驗用鹽水由蒸餾水與各種無機(jī)鹽混合而成，鹽水組成如表1 所示，其中NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、Na2SO4、NaHCO3均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；巖心均取自現(xiàn)場天然露頭巖心（鉆取打磨加工而得），且都為碳酸鹽巖巖心，巖心參數(shù)如表2所示。

表1 不同鹽水的離子組成

表2 巖心參數(shù)

電熱恒溫箱，上海市凱測實驗設(shè)備有限公司；常規(guī)物理模擬驅(qū)替實驗裝置，包括中間容器、平流泵、手搖泵、巖心夾持器等，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）將1—13 號巖心用甲苯、丙酮和蒸餾水清洗。通過改進(jìn)Romero-Zerón等［11］提出的方法，獲得水濕巖心的步驟如下：甲苯清洗，真空干燥；丙酮清洗除去殘余液體；蒸餾水洗除去丙酮后干燥；最后在100℃烘箱中放置2 h。（2）將14號巖心進(jìn)行切片、打磨制得3 塊巖心薄片。首先將巖心薄片用甲苯、丙酮和蒸餾水進(jìn)行清洗以獲得水濕巖心薄片。第1塊巖心薄片抽真空飽和SW0S 鹽水2～4 h，直至無氣泡離開薄片，在80℃下將薄片浸泡在SW0S 鹽水中老化3 d，測量接觸角；第2塊及第3塊巖心薄片分別以同樣的方式（飽和鹽水類型不同，第2 塊飽和SW 鹽水，第3 塊飽和SW3S 鹽水）測量接觸角。（3）使用真空泵將1—13 號巖心用不含硫酸鹽的鹽水（SW0S）飽和，測量巖心濕重，通過鹽水密度計算巖心的孔隙度和孔隙體積。之后依次將巖心放入巖心夾持器中，繼續(xù)用SW0S鹽水驅(qū)替，計算巖心的滲透率。（4）在高溫下將未老化的初始飽和巖心放入巖心夾持器中，加圍壓3 MPa。待巖心飽和不同原油后，在不同溫度、注入速率和驅(qū)替鹽水的條件下進(jìn)行驅(qū)油實驗。在所有水驅(qū)實驗中，鹽水中的鈣離子和鎂離子濃度保持恒定，以避免其變化對實驗產(chǎn)生影響。在巖心水驅(qū)實驗中，40℃下不加回壓，在90、110、130℃下加1.5 MPa回壓以避免巖心中的液體蒸發(fā)。水驅(qū)過程中，當(dāng)巖心出口端含水率達(dá)到98%時，停止驅(qū)替或轉(zhuǎn)另一種流體驅(qū)替直至含水率再次上升至98%，不同水驅(qū)方案如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖心潤濕性

3 塊水濕巖心薄片分別飽和SW0S、SW 和SW3S 鹽水后的潤濕接觸角分別為76.12°、72.46°、66.18°，巖心薄片均為水濕巖心。隨著飽和鹽水硫酸鹽濃度的提高，巖心薄片接觸角逐漸降低，但降幅較小。由于每組實驗耗時均不長，巖心中的原油不足以讓巖心老化并將巖心潤濕性改變?yōu)橛蜐?，因此巖心潤濕性一直為水濕。

表3 巖心驅(qū)替方案

2.2 溫度對硫酸鹽水驅(qū)的影響

第1 組實驗在40℃的條件下進(jìn)行，兩個巖心均飽和溫西原油。1 號巖心以5 PV/d 的速率注入SW0S 鹽水直至巖心出口端含水率達(dá)到98%，然后以相同流速注入SW 鹽水水驅(qū)。如圖1 所示，實驗溫度為40℃時，注入SW0S 后的巖心水驅(qū)采收率為63.15%，隨后用SW 鹽水水驅(qū)時巖心采收率（64.02%）無明顯增加。這與Garcia-Olvera 的研究結(jié)果一致［12］，在40℃的低溫環(huán)境下不起作用。極少的吸附于巖石/油/水界面上，低溫環(huán)境下硫酸鹽水驅(qū)并不能提高原油采收率。2 號巖心SW0S、SW3S 鹽水水驅(qū)的采收率分別為62.41%、63.79%。大幅增加濃度，并未使巖心采收率明顯增加。由此可見，在低溫環(huán)境下，硫酸鹽濃度對水濕巖心原油采收率無影響。

圖1 40℃下1號和2號巖心水驅(qū)采收率曲線

研究表明，溫度對碳酸鹽巖石表面發(fā)生的不同化學(xué)反應(yīng)和離子（、Ca2+、Mg2+）在巖石基質(zhì)中的擴(kuò)散起重要作用［13］。為了驗證這種影響，將恒溫環(huán)境設(shè)置為90℃，先后注入SW0S 和SW 鹽水水驅(qū)。如圖2 所示，在90℃下，3 號巖心用SW0S、SW 鹽水水驅(qū)后的采收率分別為60.28%、63.94%，鹽水中濃度的增加使巖心原油采收率提高了3.66%。在巖心為水濕的條件下，采收率還能有如此大幅度的增加，說明硫酸鹽除了能改變巖心潤濕性外，還有其他因素在幫助提高驅(qū)油效果。為了確定該結(jié)論，用4號巖心重復(fù)實驗，用SW0S、SW鹽水水驅(qū)后的采收率分別為60.84%、64.22%，兩次實驗結(jié)果十分接近。

圖2 90℃下3號巖心水驅(qū)采收率曲線

圖3 110℃下5、6、7號巖心水驅(qū)采收率曲線

2.3 注入速率對硫酸鹽水驅(qū)的影響

圖4 110℃下8號和9號巖心水驅(qū)采收率曲線

2.4 原油瀝青含量對硫酸鹽水驅(qū)的影響

以往多數(shù)研究均集中在巖石/鹽水相互作用，而非石油/鹽水相互作用。原油中的瀝青質(zhì)組分含有天然界面活性物質(zhì)［15—16］，可以降低油水界面張力。原油瀝青含量升高，吸附在油水界面上的瀝青質(zhì)分子增加，使油水界面張力降低［17］，瀝青含量對原油和鹽水之間的界面現(xiàn)象有很大影響。為了研究原油組分對水驅(qū)采收率是否有影響，用4 個巖心飽和另兩種原油（玉果和玉東原油）并在110℃下進(jìn)行水驅(qū)實驗。10、11 號巖心飽和玉果原油，10 號巖心先后用SW0S 和SW 鹽水水驅(qū)，11 號巖心則直接用SW3S 鹽水水驅(qū)。10 號巖心SW0S（4 PV）和SW（4 PV）鹽水水驅(qū)的采收率分別為62.52%、63.76%；11號巖心SW3S（4.5 PV）鹽水水驅(qū)的采收率為70.08%。相對于SW0S鹽水驅(qū)替，SW和SW3S鹽水驅(qū)可分別提高采收率1.24%和7.56%。

12、13號巖心飽和玉東原油，水驅(qū)流程和10、11號巖心相同。12號巖心用SW0S鹽水（4.4 PV）水驅(qū)后再進(jìn)行SW 鹽水（4 PV）水驅(qū)，巖心水驅(qū)采收率分別為68.11%和71.51%，SW 鹽水驅(qū)較SW0S 鹽水驅(qū)采收率提高了3.4%；直接進(jìn)行SW3S 鹽水（4.2 PV）水驅(qū)的13 號巖心采收率為75.86%，較12 號巖心SW0S鹽水驅(qū)采收率提高了7.75%。由此可見，直接進(jìn)行高濃度硫酸鹽水驅(qū)有利于提高巖心采收率，并且原油組分對鹽水水驅(qū)效果有影響。溫西原油瀝青質(zhì)含量最高，且高濃度硫酸鹽水驅(qū)對溫西原油的效果最好。5號和7號巖心飽和了溫西原油后，7號巖心SW3S 鹽水驅(qū)采收率較5 號巖心SW0S 鹽水驅(qū)提高約10%，在13組巖心水驅(qū)實驗中水驅(qū)提高采收率最高。

3 結(jié)論