砂岩润湿反转机理包括矿物溶解[1]、多组分离子交换[2]、双层膨胀[3]、黏土表面有机物解吸[4]、界面张力降低[5]以及微粒运移[6]。砂岩储集层中黏土的存在对产量有显著影响[2, 3, 4, 5, 6]。注入水的化学组分是影响产量的另一个主导因素[4, 7, 8]。然而, 对于砂岩储集层提高采收率的主要机理, 尚无统一意见[4, 8, 9]。这主要是因为提高采收率过程存在多种作用, 目前尚未见同时考虑多种水岩反应的系统实验和数值模拟研究。

储集层化学非均质性也对采收率有一定影响。室内实验和现场实践显示, 对碳酸盐岩[10, 11]和砂岩[5, 12]油藏应用低矿化度水驱提高原油采收率时, 采收率增量差异显著。天然多孔介质中矿物通常在空间上分布不均匀, 且分布模式具有随机性, 可能均匀分布, 也可能聚集式分布[13, 14]。一方面, 物理非均质性使流场发生改变, 进而改变了离子的空间分布[15]。另一方面, 化学非均质性使矿物溶解速度[16, 17]和吸附/解吸作用[18]发生显著改变。物理非均质性和化学非均质性相结合会对水岩反应及润湿反转产生显著影响。然而, 对于低矿化度水驱过程中储集层的物理和化学非均质性对水岩反应和润湿反转的影响, 尚未进行综合研究。

本文尝试对砂岩低矿化度水驱过程中矿物成分和水化学性质对水岩反应及润湿反转的影响进行量化分析。分别采用填充物中含黏土和不含黏土的色谱柱研究在不同温度下含黏土砂岩和不含黏土砂岩低矿化度水驱机理, 分析黏土对提高采收率的影响。

在色谱柱中填充矿物以制备砂岩岩心。不含黏土砂岩岩心的成分为纯石英, 含黏土砂岩岩心的成分为5%伊利石+5%高岭石+90%石英。岩心长度均为6.3 cm, 直径均为1.5 cm。为了避免色谱柱中产生气泡从而改变渗透率, 采用湿式填充法[19]。色谱柱端口连接处配备精滤器, 以防止矿物颗粒移出色谱柱。

首先使用高矿化度盐水冲洗色谱柱, 再使用添加了10 μ mol醋酸钠的相同高矿化度盐水将其在70 ℃下老化1周。这样可以使羧基物质最大限度地吸附到岩心表面, 以此来模拟羧基物质与储集层的黏合。羧酸的作用如图1所示。然后, 用注射泵从色谱柱底部向上注入高（或低）矿化度盐水直至流出物的pH值稳定。注入过程中在色谱柱出口处收集水样, 以便进行离子浓度分析。每次实验后, 在相同条件下将色谱柱静置1周, 使岩心样品恢复到其初始状态。整个实验过程在1个可设定温度的烘箱中完成。

使用2000D电感耦合等离子体发射光谱仪测定流出物中Ca2+的浓度。使用Dionex DX-120离子色谱装置测定流出物中CH3COO-的浓度。

将CaCl2和NaCl试剂溶解到去离子水中, 制备高矿化度盐水。将NaCl试剂溶解到去离子水中, 制备低矿化度盐水。盐水成分如表1所示。

首先使用高矿化度盐水冲洗色谱柱并饱和油, 再在70 ℃条件下老化1周。然后, 将高矿化度盐水注入到色谱柱中, 再注入低矿化度盐水。根据流出物测算采收率。

本文采用笔者自主研究的新方法[20]测量润湿性。

2.1.1 流出物化学分析结果

不含黏土的砂岩岩心的渗透率为602× 10-3 μ m2, 使用高矿化度盐水测得的孔隙度为33.64%。25 ℃下, 首先使用高矿化度盐水驱替, 测得色谱柱流出物pH值为7.26。然后使用低矿化度盐水驱替, 测得pH值升高到9.77。再使用最初的高矿化度盐水驱替, pH值回落到7.29。由此可见, 使用高矿化度盐水和低矿化度盐水驱替时, 流出物的pH值相差约2.5。流速高时, pH值达到稳定需要更长的时间。

70 ℃下, 最初使用高矿化度盐水驱替时, 流出物pH值为7.28。换成低矿化度盐水后, 流出物pH值为9.72。再换成最初的高矿化度盐水时, pH值又回落到7.28。可见, 使用高矿化度盐水和低矿化度盐水驱替时pH值相差高达2.44。

90 ℃下, 使用高矿化度盐水驱替时, pH值稳定在7.23。换成低矿化度盐水时, pH值升高并稳定在9.32。再换成最初的高矿化度盐水时, pH值变回7.23。

120 ℃下, 使用高矿化度盐水驱替时, pH值为7.15。换成低矿化度盐水时, pH值升高并稳定在9.20。再换成最初的高矿化度盐水时, pH值最终回落到7.15。

传统上认为使用低矿化度盐水驱替时流出物pH值升高的原因是吸附在黏土表面的Ca2+被替换成了H+。本文中不含黏土的情况下观察到了相同的趋势, 笔者把这种现象归因于吸附在带负电荷的石英表面的Ca2+和Na+被替换成了H+。

由表1可知, 低矿化度盐水中不含Ca2+, 而使用低矿化度盐水驱替时流出物中含有Ca2+（见图2）, 证实了Ca2+的解吸。Ca2+的解吸主要是Ca2+与H+在带负电荷的石英表面发生离子交换的结果。

对在含10 μ mol醋酸钠的高矿化度盐水中老化1周后的岩心先使用高矿化度盐水驱替再换低矿化度盐水驱替, 测量流出物中CH3COO-的浓度, 不同温度下CH3COO– 的浓度变化如图3所示。需要说明的是, 不同温度下总的注入孔隙体积倍数均为40。从图3可以看出, 用高矿化度盐水和低矿化度盐水驱替不含黏土砂岩岩心时, 羧基物质的解吸与温度的升高缺少相关性。可以观察到, 25 ℃时CH3COO-的解吸程度比70 ℃时高, 70 ℃时比90 ℃时低, 而120 ℃时最低。

因为石英表面和羧基物质都是带负电荷的, 所以二者相互排斥。羧基物质以与石英表面形成静电桥接的形式黏结多价阳离子。当低矿化度盐水侵入多孔介质时, 发生离子交换, 有机络合物被移除, 被未络合阳离子取代, 从而提供了亲水性更强的环境, 进而提高原油采收率。温度为25, 70, 90, 120 ℃时, 使用高矿化度盐水和低矿化度盐水驱替时色谱柱流出物pH值差值分别为2.51, 2.44, 2.09和2.04。可以看出, 随着温度的升高, pH值差值变小。由图2可知, 使用低矿化度盐水驱替不含黏土砂岩岩心时, 25, 70, 90, 120 ℃下, 分别有0.32, 0.37, 0.32和0.16 μ mol的Ca2+从石英表面解吸。将高矿化度盐水换成低矿化度盐水时, 产生大量的CH3COO-。由图3可知, 温度为25, 70, 90 ℃时, CH3COO-的释放量分别为10.60%, 8.35%和3.80%; 温度为120 ℃时, CH3COO-浓度变化曲线不稳定。观察到的Ca2+解吸和CH3COO-分离结果与预期一致, 这证明低矿化度水驱能促进羧酸脱离不含黏土的砂岩从而提高采收率。

2.1.2 采收率测试结果

在25 ℃条件下, 使用高矿化度盐水驱替不含黏土的砂岩岩心, 直到流出物中不含油为止。此时, 采收率是41.0%。相同温度下, 换用低矿化度盐水驱替, 采收率增加到45.0%, 增量为4.0%。之后, 继续使用低矿化度盐水驱替, 并将温度相继升高至70, 90, 120 ℃, 各温度下的采收率分别为47.0%, 48.5%和49.5%。

2.1.3 润湿性测量结果

由图4、图5可知, 使用高矿化度盐水和低矿化度盐水驱替不含黏土砂岩岩心时, Ca2+和Br-曲线间区域的面积（Ao）分别为0.140和0.185。由图6可知, 对于完全水湿岩心, Ca2+和Br-曲线间区域的面积（AH）为0.220。用Ao除以AH, 即可求得润湿指数, 以表征砂岩岩心的润湿性[20]。润湿指数的取值为0~1, 完全亲油时为0, 完全亲水时为1.0, 中性润湿时为0.5[20]。使用高矿化度盐水驱替时, 不含黏土砂岩岩心润湿指数为0.63; 使用低矿化度盐水驱替时, 不含黏土砂岩岩心润湿指数为0.84。这说明低矿化度水驱时砂岩岩心的亲水性增强。

对于含黏土的砂岩岩心, 25 ℃下使用高矿化度盐水驱替时, 原油采收率为41.85%, 流出物pH值为7.14。相同温度下, 换用低矿化度盐水驱替时, 采收率增加到45.55%, 流出物pH值为8.90。采收率增量为3.7%, 而对于不含黏土的砂岩岩心这一增量为4.0%。之后, 继续使用低矿化度盐水驱替, 并将温度相继升高至70, 90, 120 ℃, 各温度下的采收率分别为48.00%, 49.00%和49.70%, 流出物pH值分别为8.78, 8.10和8.00。可见, 使用低矿化度盐水驱替不含黏土砂岩岩心的采收率与含黏土砂岩岩心的采收率相差很小。

使用不含黏土石英岩心样品进行低矿化度水驱实验时, 钙离子解吸量和醋酸根释放量较高, 说明石英表面发生了离子交换, 也证明低矿化度水驱能促进羧酸脱离不含黏土的砂岩从而提高采收率。

低矿化度盐水驱替砂岩时, 即使砂岩中没有黏土, 也能提高采收率。

The authors have declared that no competing interests exist.