李海濤 馬啟睿 李東昊

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

低礦化度注水提高砂巖儲(chǔ)集層采收率的微觀機(jī)理

李海濤 馬啟睿 李東昊

西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

低礦化度注水是一項(xiàng)前沿技術(shù)，因在碳酸鹽巖和砂巖儲(chǔ)集層中能提高驅(qū)油效果，目前受到廣泛關(guān)注。本文梳理了砂巖儲(chǔ)層低礦化度注水提高采收率的主要微觀機(jī)理，即潤(rùn)濕性的改變、黏土的膨脹與運(yùn)移、雙電層的擴(kuò)散等。低礦化度水的質(zhì)量濃度、離子類型能改變多種黏土內(nèi)部力平衡及黏土與原油之間的力平衡，造成雙電層擴(kuò)散，最終使黏土出現(xiàn)潤(rùn)濕性的改變以及膨脹運(yùn)移的現(xiàn)象。低礦化度注水能提高大部分砂巖油藏的采收率。國(guó)內(nèi)大部分砂巖油藏開發(fā)已進(jìn)入中后期，進(jìn)行低礦化度注水的微觀機(jī)理研究對(duì)砂巖油藏開發(fā)有極大的指導(dǎo)意義。

低礦化度注水；微觀機(jī)理；提高采收率；潤(rùn)濕性；黏土；雙電子層擴(kuò)散；砂巖油藏

目前國(guó)內(nèi)外90%的油田都通過(guò)注水開發(fā)，常規(guī)注水通常會(huì)從儲(chǔ)層保護(hù)以及防腐角度考慮，防止地層因黏土膨脹、微粒運(yùn)移以及注入水與儲(chǔ)層流體不配伍而產(chǎn)生沉淀等引起的堵塞。為此不得不采用相應(yīng)防堵增注措施。同時(shí)由于高礦化度也更容易引起注入管線的腐蝕。為此人們?cè)鴩L試在高礦化度的注入水中參入淡水以降低礦化度高帶來(lái)的問(wèn)題。

低礦化度水驅(qū)的概念自1997年由Tang和morrow［1］提出后，在國(guó)外一直受到廣泛關(guān)注。低礦化度注水，通常是指礦化度低于5 000 mg/L的鹽水，對(duì)采收率的提高相比于高礦化度水注水效果更好，能使得儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性發(fā)生變化達(dá)到洗油的目的，也能使得黏土發(fā)生一定程度的膨脹和運(yùn)移，從而改變目標(biāo)地層的孔隙結(jié)構(gòu)以達(dá)到調(diào)剖目的。在近幾年，在國(guó)外文獻(xiàn)中關(guān)于低礦化度注水的相關(guān)文獻(xiàn)逐年增加［2］，許多學(xué)者進(jìn)行了室內(nèi)與礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究［3-7］，目前最認(rèn)可的微觀機(jī)理有低礦化度水驅(qū)使巖石潤(rùn)濕性發(fā)生變化達(dá)到洗油的目的，雙電層的擴(kuò)散使得黏土膨脹運(yùn)移達(dá)到調(diào)剖的目的等［8-12］，但就低礦化度注水的研究仍然較少，國(guó)內(nèi)鮮見報(bào)道。

低礦化度注水對(duì)含輕質(zhì)油或中質(zhì)油的碳酸鹽巖和砂巖油藏才能達(dá)到提高采收率的效果，但提高采收率的機(jī)理因巖石的物理化學(xué)性質(zhì)不同而不同［13-15］。

砂巖油藏的儲(chǔ)滲空間以孔隙為主，碳酸鹽巖的儲(chǔ)滲空間以裂縫和溶洞為主。砂巖、碳酸鹽巖巖石一般為混合型潤(rùn)濕。砂巖中所含的黏土作為砂巖顆粒包裹物，以分散的顆粒形式與砂巖混在一起。部分碳酸鹽巖也含有黏土，但是這些黏土通常被密封在基質(zhì)中，因此注入流體對(duì)碳酸鹽巖中的這些黏土的影響不大。正是兩種巖性對(duì)黏土礦物的包裹性不同，使得低礦化度水驅(qū)在這兩種巖性中對(duì)黏土顆粒的膨脹、Zeta電位的變化和潤(rùn)濕性改變有所不同［16］。

對(duì)于不同的碳酸鹽巖低礦化度注水的效果在實(shí)驗(yàn)中差異較大甚至有部分結(jié)果互相矛盾，而在砂巖中低礦化度注水的部分微觀機(jī)理已經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但不論在碳酸鹽巖還是砂巖儲(chǔ)集層中低礦化度注水的主要微觀機(jī)理還存在爭(zhēng)議［17-18］。

因?qū)ι皫r型儲(chǔ)層進(jìn)行低礦化度注水施工，需對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的各性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)后才能決定是否能進(jìn)行低礦化度注水。那么在砂巖中低礦化度注水的微觀機(jī)理的評(píng)價(jià)就尤為重要。本文針對(duì)低礦化度注水在砂巖中的微觀機(jī)理就低礦化度注水、低礦化度注水對(duì)黏土水化、雙電子層的擴(kuò)散、Zeta電位、巖石表面的潤(rùn)濕性、礦物溶解等影響，低礦化度注水提高采收率的微觀機(jī)理進(jìn)行了綜述和分析。該研究對(duì)砂巖是否適合采用低礦化度注水提供了一定的指導(dǎo)。

1 潤(rùn)濕性的改變

Wettability alteration

在眾多低礦化度提高采收率的微觀機(jī)理中，往往是因?yàn)樽罱K通過(guò)各種化學(xué)或物理的變化所引起的潤(rùn)濕性的改變才使得采收率得到提高。低礦化度注水適用的地層為中性潤(rùn)濕地層或油濕地層。常規(guī)注水過(guò)程中，注入水會(huì)驅(qū)替孔隙中部分油滴，大部分油滴吸附在油濕巖石表面沒(méi)法驅(qū)替，通常采用化學(xué)驅(qū)如加入表面活性劑等來(lái)改變巖石表面潤(rùn)濕性，而低礦化度注水可直接改變潤(rùn)濕性。低礦化度水注入后，會(huì)引發(fā)各種物理化學(xué)變化，使巖石的潤(rùn)濕性由油濕變?yōu)榛旌闲蜐?rùn)濕或變?yōu)樗疂?，油滴與巖石的接觸面減小，從而更容易脫落，達(dá)到提高采收率的目的。

潤(rùn)濕性的改變是低礦化度水驅(qū)引發(fā)的黏土膠粒表面吸附電荷發(fā)生減少，Zeta電位變小，雙電層擴(kuò)散導(dǎo)致黏土內(nèi)部的力平衡發(fā)生變化。使巖石/原油/地層水的熱力平衡被打破，達(dá)到了一個(gè)新平衡，優(yōu)化了潤(rùn)濕條件，使?jié)櫇裥詮挠蜐窈突旌闲蜐?rùn)濕向水濕進(jìn)行改變，采收率得到提高。

原油中的極性成分中的電負(fù)性基團(tuán)（羧基物質(zhì)）與碳酸鹽巖電正性基團(tuán)之間的化學(xué)鍵是不同于原油與砂巖電負(fù)性基團(tuán)之間的化學(xué)鍵的。其中起到關(guān)鍵作用的是礦物表面與注入水的化學(xué)反應(yīng)速度。

Nanji J.Hadia［9］就礦化度為25 000 mg/L高礦化度鹽水、和將該鹽水稀釋10倍、100倍的中礦化度2 500 mg/L、低礦化度鹽水250 mg/L在潤(rùn)濕指數(shù)分別為0.63、0.12、-0.27和-0.57的水濕砂巖巖心、混合型潤(rùn)濕砂巖巖心、混合型偏油濕砂巖巖心和油濕砂巖巖心的A、B、C和D中進(jìn)行水驅(qū)，得到3種礦化度鹽水在4種不同潤(rùn)濕性的巖心中注入過(guò)程中采收率的變化關(guān)系（圖1）。

圖1 不同礦化度鹽水對(duì)不同潤(rùn)濕性巖心驅(qū)替后的最終采收率Fig.1 Ultimate recovery factor after the displacement of cores with different wettability by salt water with different salinities

圖1表明：在潤(rùn)濕指數(shù)和潤(rùn)濕性不同的4種砂巖巖心中，均表現(xiàn)出隨注入水礦化度的降低采收率提高的現(xiàn)象。其對(duì)應(yīng)的殘余油飽和度（圖2）也表現(xiàn)出相同的規(guī)律結(jié)果。

圖2表明：3種礦化度的鹽水驅(qū)油中，均在水潤(rùn)濕和混合性潤(rùn)濕的巖心中殘余油飽和度低，而在混合性偏油潤(rùn)濕和油濕巖心中殘余油飽和度高。無(wú)論在哪種潤(rùn)濕性不同的巖心中，注入水礦化度越低，殘余油飽和度越低，其對(duì)應(yīng)的采收率就高。礦化度為250 mg/L低礦化度水驅(qū)油，巖石越被水潤(rùn)濕殘余油飽和度越低。由此表明，巖石的潤(rùn)濕性越是接近混合型潤(rùn)濕和水濕，水驅(qū)油的采收率越高，低礦化度注水較高礦化度注水能提高采收率。

圖2 不同潤(rùn)濕性巖心注入不同礦化度鹽水殘余油飽和度對(duì)比圖Fig.2 Comparison of residual oil saturation after the injection of salt water with different salinities into cores with different wettability

M.B.Alotaibi［19］將Berea砂巖與Scioto砂巖進(jìn)行不同時(shí)間、不同溫度的老化后切成光滑薄片，將該薄片放置于礦化度為174 156 mg/L的地層水、54680 mg/L的海水和5 436 mg/L的水層水中然后滴定油滴，測(cè)定接觸角（圖3）。

圖3 測(cè)定接觸角示意圖Fig.3 Sketch of measured contact angle

通過(guò)改變環(huán)境溫度、測(cè)定時(shí)間，進(jìn)行對(duì)比得到巖心潤(rùn)濕性、鹽水、溫度的關(guān)系。在老化時(shí)間為5d，測(cè)試溫度為90℃時(shí)，在地層水、海水和水層水中Berea砂巖的左接觸角為54.0°±2.06°、51.0°±0.71°和27.9°±1.81°，右接觸角為53.3°±8.91°、49.5°± 0.78°和26.1°；在Scioto巖心中左接觸角為101.0°± 5.65°、69.2°±2.41°和107.8°±1.38°，右接觸角為105.7°±3.80°、61.5°±5.12°和99.4°±1.97°。潤(rùn)濕性不僅與溫度有關(guān)系，也與鹽水環(huán)境的礦化度以及離子類型有關(guān)。在相同的老化時(shí)間、測(cè)試溫度下，對(duì)于Berea巖心，鹽水的礦化度越低，接觸角越小即越偏向水濕。對(duì)于Scioto巖心，隨著礦化度的降低，接觸角變小后再變大，先向水濕轉(zhuǎn)換再向油濕變化。所以對(duì)Berea砂巖低礦化度注水對(duì)采收率的提高有利，對(duì)于Scioto砂巖中等礦化度對(duì)采收率的提高有利。兩種巖心，礦化度從高礦化度到中等和低礦化度潤(rùn)濕角均減小。之所以Scioto砂巖和Berea砂巖隨礦化度降低表現(xiàn)出潤(rùn)濕性的改變不同，是因?yàn)槠渌酿ね恋V化類型以及含量不同且因不同類型的黏土礦物在同礦化度環(huán)境下的Zeta電位不同（圖4），兩種巖心在同礦化度下的Zeta電位也就不同。

圖4 不同黏土礦物及巖石在不同礦化度環(huán)境中的Zeta電位Fig.4 Zeta electric potential of clay minerals and rocks in the environments with different salinities

低礦化度水驅(qū)（5 000 mg/L以下）作用于砂巖，對(duì)砂巖中不同類型黏土都能起到Zeta電位變小、雙電層擴(kuò)散的作用。最終導(dǎo)致含不同類型、含量黏土的砂巖的潤(rùn)濕性向水濕改變。

2 黏土顆粒的膨脹與運(yùn)移

Swelling and migration of clay particles

低礦化度注入水會(huì)促使地層的黏土和淤泥脫落，這些微粒會(huì)沿著高滲透路徑運(yùn)移。移動(dòng)的微粒在較小的孔隙空間中滯留下來(lái)，迫使注入水流向滲透率更低的區(qū)域；同時(shí)，微粒運(yùn)移導(dǎo)致地下巖石表面被暴露出來(lái)，提高了水的潤(rùn)濕性。

微粒運(yùn)移是在有黏土存在的條件下，且有高礦化度原生水和低礦化度注入水的條件下得到的。一種解釋是，如果黏土在孔隙喉道形成了薄膜，則壓力會(huì)在喉道高礦化度端升高，從而可能使孔隙中的剩余油被驅(qū)出。

S.Berg［20-21］在一個(gè)由黏土鋪設(shè)的可視化流動(dòng)裝置中，通過(guò)毛細(xì)針管將原油滴在黏土（蒙脫石）表面，用不同礦化度鹽水驅(qū)替來(lái)觀察油滴的變化（圖5）。

圖5 可視化黏土表面油滴驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.5 Visualized displacement experiment equipment on oil droplet at the clay surface

通過(guò)高速相機(jī)進(jìn)行拍攝實(shí)驗(yàn)發(fā)生的現(xiàn)象，用軟件分析出照片中油滴的總體積與變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到黏土的變化情況，直接觀察到在高礦化度水飽和后注入低礦化度水后，設(shè)備中附著在蒙脫石黏土表層的油滴較高礦化度有大量的釋放。這是由于在高礦化度下油滴橫向上的黏附力與黏性力相平衡，當(dāng)注入低礦化度鹽水時(shí)，黏附力減小，這時(shí)候會(huì)打破力的平衡，使其小于黏性力，造成油滴的釋放。也可說(shuō)力平衡的打破也是潤(rùn)濕性向水濕轉(zhuǎn)變的一種表現(xiàn)。

同時(shí)S.Berg也用可視化體積方法測(cè)定了不同礦化度下驅(qū)替原油的可視化體積變化。在礦化度為26000 mg/L的高礦化度下，原油的可視體積從68 mm3減少到47 mm3，將高礦化度鹽水稀釋4倍后的6 500 mg/L的中礦化度下，原油的可視體積較高礦化度下的驅(qū)油降低了59%，而在2 000 mg/L的低礦化度下，原油的可視體積較高礦度下的驅(qū)油降低了87%，表明注入水的礦化度越低驅(qū)油效果越好。

這是由于黏土的變化有兩種狀態(tài)：可控地層傷害狀態(tài)和地層傷害狀態(tài)。可控地層傷害狀態(tài)是由中礦化度引發(fā)的。使黏土發(fā)生輕度的膨脹和運(yùn)移，能打破附著在黏土表面油滴的力平衡；在可控地層傷害狀態(tài)下，油滴釋放發(fā)生后才有黏土的膨脹和運(yùn)移情況的發(fā)生。地層傷害狀態(tài)是由低礦化度引發(fā)的，除了有洗油的效果，還會(huì)伴隨較強(qiáng)的黏土膨脹和運(yùn)移情況，地層傷害狀態(tài)下，黏土優(yōu)先膨脹和運(yùn)移后才會(huì)發(fā)生油滴的釋放。

在高礦化度環(huán)境中前期原油可視體積大幅減小，是因?yàn)椴糠衷驮谒?qū)作用下被驅(qū)走，但仍有部分因?yàn)榱ζ胶廒呌诜€(wěn)定，在低礦化度水注入后，黏土表面潤(rùn)濕性發(fā)生改變，出現(xiàn)洗油現(xiàn)象使可視原油體積大幅減小。

可以看出在不考慮黏土因注入水礦化度低導(dǎo)致黏土膨脹和運(yùn)移所帶來(lái)的調(diào)剖作用而只考慮洗油效果時(shí)，礦化度越低黏土越往水濕變化，洗油效果越好。

3 雙電子層的擴(kuò)散

Dual electronic layer diffusion

Lee［22］等提出了薄水膜的理論，水膜厚度隨著水的礦化度而改變。降低水的礦化度，水膜變得比在高礦化度鹽水環(huán)境中厚，這個(gè)可以解釋低礦化度注水導(dǎo)致的雙電層變厚現(xiàn)象，從而使驅(qū)油效率更高。

Nasralla［23-24］就不同質(zhì)量濃度、pH值、離子類型的注入水進(jìn)行了與巖石、原油的接觸角與Zeta電位的測(cè)定，并進(jìn)行了不同鹽水的水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：同礦化度、同離子類型，pH值越高對(duì)應(yīng)Zeta電位的值越小，雙電層變厚，雙電層擴(kuò)散程度越大，對(duì)應(yīng)的接觸角也越小，即巖石表面越偏向水濕，采收率也相比較越大。

表1 不同礦化度、pH值、離子類型的注入水對(duì)Zeta電位、接觸角、采收率的影響Table 1 Effects of injected water with different salinities,pH and ion types on Zeta electric potential,contact angle and recovery factor

同礦化度、同pH值，離子類型不同Zeta電位也不同，Zeta電位越小，雙電層越厚，雙電層擴(kuò)散程度越大，所對(duì)應(yīng)的鹽水與巖石、油滴的接觸角也越小，即巖石表面越偏向水濕，采收率也相比越大。

不同礦化度、同離子類型、同pH值，礦化度越低對(duì)應(yīng)的Zeta電位越小，Zeta電位小，雙電層變厚，雙電層擴(kuò)散程度越大，對(duì)應(yīng)的接觸角越小，即巖石表面越偏向水濕，對(duì)應(yīng)的采收率相比較也越大。

不同黏土礦物在不同離子類型的鹽水中測(cè)定的Zeta電位如表2所示。

對(duì)于不同類型的黏土、所含離子不同的注入水，均存在注入水礦化度越低，Zeta電位越小。對(duì)于不同類型黏土，在同礦化度情況下，注入水含一價(jià)陽(yáng)離子比含二價(jià)陽(yáng)離子對(duì)應(yīng)的Zeta電位小。用含一價(jià)陽(yáng)離子與含二價(jià)陽(yáng)離子的鹽水進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)得到的采收率結(jié)果（表3）。

含一價(jià)陽(yáng)離子的鹽水也比含二價(jià)陽(yáng)離子的鹽水更能使采收率提高。而無(wú)論是一價(jià)陽(yáng)離子還是二價(jià)陽(yáng)離子的鹽水均隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低而采收率提高。表3和表2、表1比較得到：鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，Zeta電位越低，采收率越高。這說(shuō)明對(duì)于相同礦化度的鹽水，離子類型不但影響?zhàn)ね恋腪eta電位，也影響采收率。

S.Rivet［25］和Ⅰ.Fjelde［26］解釋了在同離子同礦化度情況下之所以高pH值下的Zeta電位比低pH值下的低，是由于黏土帶負(fù)電，對(duì)孔隙中的陽(yáng)離子有吸引，而黏土表面對(duì)陽(yáng)離子吸附能力可總結(jié)為：H+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+＞Cs+＞Rb+＞K+＞Na+＞Li+，因?yàn)閷?duì)H+的吸引最大，所以當(dāng)pH值低時(shí)，鹽水中的H+較多，因?yàn)閷?duì)H+的吸引力強(qiáng)，所以使得雙電層被壓縮從而使得Zeta電位變大，同理因?yàn)閷?duì)不同離子的吸引強(qiáng)度不同，也可以解釋Ca2+的Zeta電位為什么比Na+的低。

S.berg也在低礦化度和潤(rùn)濕性關(guān)系中討論了雙電層的機(jī)理，如圖6所示。

表2 不同黏土礦物在不同離子類型鹽水中的Zeta電位Table 2 Zeta electric potential of clay minerals in salt water with different ion types

表3 不同礦化度及離子類型的鹽水對(duì)應(yīng)采收率Table 3 Recovery factor salt water with different salinities and ion types

圖6 不同黏土狀態(tài)下的雙電子層機(jī)理示意圖Fig.6 Schematic mechanism of dual electric layer in different clay states

由圖6(a)可知，在高礦化度環(huán)境中黏土表面附著陽(yáng)離子多，較圖6(b)、圖6(c)中雙電層不擴(kuò)散；圖6（b）中處于可控地層傷害，因?yàn)榈V化度處于中礦化度，黏土表面附著中等量的陽(yáng)離子，處于電荷不平衡，但沒(méi)有使得黏土內(nèi)部力平衡被打破，而使得油滴與黏土間的力平衡被打破，所以發(fā)生油滴的釋放，隨黏土因電荷不平衡雙電層有擴(kuò)散，但因?yàn)殛?yáng)離子仍較為多，所以黏土的膨脹較小并不發(fā)生運(yùn)移；圖6(c)中在地層傷害環(huán)境中，因?yàn)榈V化度低所以黏土表面吸附的陽(yáng)離子極少使得電荷不平衡，發(fā)生極強(qiáng)的雙電層擴(kuò)散現(xiàn)象，黏土發(fā)生膨脹，并且潤(rùn)濕性發(fā)生改變，油滴與黏土間的力平衡被打破從而造成油滴釋放。

D.J.Ligthelm［27］在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更深入的解釋，其認(rèn)為：巖石/鹽水、油滴/鹽水的雙電子層的擴(kuò)散意味著Zeta電位值的變小，這種情況會(huì)增加黏土與油滴之間的靜電排斥力，多價(jià)陽(yáng)離子的注入會(huì)使得其排斥力超過(guò)束縛力，即能使得原油發(fā)生脫離，同時(shí)這樣能使得油滴與巖石之間的接觸面積變小，即為潤(rùn)濕性的改變。當(dāng)然這種情況發(fā)生的前提是要先注入高礦化度水再進(jìn)行低礦化度注水。在低礦化度鹽水注入后，巖石中的黏土內(nèi)部力也會(huì)發(fā)生變化，黏土內(nèi)部的束縛力小于黏土內(nèi)部的因礦化度降低而增大的靜電排斥力，所以黏土發(fā)生膨脹。

4 礦物溶解和其他化學(xué)機(jī)理

Mineral dissolution and other chemical mechanisms

礦物的溶解也能提高采收率，溶解巖石表面能使得潤(rùn)濕性發(fā)生改變，H.Pu［28］從懷俄明州的Tensleep巖心的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，礦物溶解可以提高采收率，但對(duì)于來(lái)自產(chǎn)水層的巖心是沒(méi)法提高采收率的。將編號(hào)為T、TA、M、P的巖心（其中T巖心從產(chǎn)層取出的巖心，含油污；從含水層取得的巖心無(wú)與油接觸的痕跡）用高礦化度地層水A和C、低礦化度水B和煤層氣水進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。 在60℃下以0.25 mL/min勻速注入，直到采收率穩(wěn)定不變時(shí)換為低礦化度水來(lái)注入，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄采收率變化，如表4所示。

所有巖心在低礦化度鹽水注入采收率均上升，3種巖心不含黏土，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)壓降前后變化極大，說(shuō)明有其他礦物溶解的情況發(fā)生。為探究礦物的具體變化對(duì)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中污水所含離子變化進(jìn)行了分析。由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在注入一定礦化度的鹽水后，檢測(cè)注入水與流出污水中各種離子質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)：流出污水中的離子質(zhì)量濃度發(fā)生變化，大部分離子質(zhì)量濃度在注入0～1 PV時(shí)有所增加。

這說(shuō)明在注入鹽水過(guò)程中，巖石/鹽水發(fā)生反應(yīng)能使孔隙喉道中的硬石膏與白云巖等礦物溶解導(dǎo)致離子質(zhì)量濃度增加，同時(shí)也有一部分離子吸附在巖石表面使得流出污水中其離子質(zhì)量濃度降低，共同的作用使得流出污水中離子質(zhì)量濃度大部分增加，并表現(xiàn)出離子質(zhì)量濃度隨注入體積而發(fā)生變化。

Rezaeidoust A［29］認(rèn)為，活化能是低礦化度水注入后地層發(fā)生潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素，雖然砂巖和碳酸鹽巖在低礦化度水注入后潤(rùn)濕性都能發(fā)生改變，但原油極性成分中的負(fù)電性基團(tuán)（羧基物質(zhì)）與碳酸鹽巖正性基團(tuán)之間的化學(xué)鍵要比原油與砂巖電負(fù)性基團(tuán)之間的化學(xué)鍵鍵能高，而活化能控制礦物表面和注入水的化學(xué)反應(yīng)速度，所以碳酸鹽巖和砂巖通過(guò)注低礦化度水使其潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)換的機(jī)理不同。

5 應(yīng)用前景

Application prospect

低礦化度注水作用于砂巖油藏能有效改變雙電子層的擴(kuò)散、Zeta電位、巖石表面的潤(rùn)濕性和一定的黏土膨脹，起到調(diào)剖洗油等作用，較常規(guī)注水更能提高采收率。

砂巖油藏進(jìn)行低礦化度水驅(qū)的前提是目標(biāo)砂巖油藏油質(zhì)為輕質(zhì)油或中質(zhì)油，黏土含量不低。滿足條件的油藏采用礦化度低于5 000 mg/L的注入水能取得較常規(guī)采出水回注方法更高的采收率。但具體的參數(shù)優(yōu)化，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試巖樣與不同質(zhì)量濃度以及離子類型鹽水的Zeta電位、潤(rùn)濕角以及采收率才能得出一個(gè)合適的條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)油田大部分為砂巖油藏并且大部分砂巖油藏油質(zhì)為輕質(zhì)油或中質(zhì)油，完全滿足低礦化度注水的要求。而這些油藏目前基本均采用采出水回注的方式進(jìn)行驅(qū)替，這種注入水均含有較高的礦化度。對(duì)這種常規(guī)高礦化度注水的砂巖油藏進(jìn)行低礦化度水驅(qū)能提高注水效果，使得采收率得到提高。因此低礦化注水可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)注水開發(fā)的砂巖油藏，具有廣闊的應(yīng)用前景。

同時(shí)低礦化度注水與聚合物驅(qū)、表面活性劑驅(qū)相結(jié)合可達(dá)到比常規(guī)復(fù)合驅(qū)更好的效果。低礦化度注水可減少注水過(guò)程中的鹽析、鹽堵和鹽垢的形成，也減少了高礦化度引起的注水管線的腐蝕，并且能達(dá)到增注效果?，F(xiàn)在采用常規(guī)注水開發(fā)的油井采用低礦化度注水可更好地提高注水效果，必將得到重視和應(yīng)用。

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（修改稿收到日期 2017-02-26）

〔編輯 景 暖〕

Microscopic mechanisms of low salinity water injection technology for sandstone reservoir EOR

LI Haitao ,MA Qirui,LI Donghao
State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chendu610500,Sichun,China

Low salinity water injection is a leading technology.At present,much attention is paid on it for it can improve oil displacement effect of carbonate and sandstone reservoirs.In this paper,the main microscopic mechanisms of low salinity water injection technology for sandstone reservoir EOR were analyzed,including wettability alteration,clay swelling and migration,dual electronic layer diffusion and etc.Mass concentration and ion type of low salinity water change various force balance inside clay and the force balance between clay and crude oil,leading to dual electronic layer diffusion.As a result,the wettability of clay is altered and the phenomena of swelling and migration occur.Low salinity water injection can enhance the recovery of most sandstone oil reservoirs.The domestic sandstone oil reservoirs are mostly in the middle and late development stage,so the study on microscopic mechanisms of low salinity water injection technology plays an important role in instructing the development of sandstone oil reservoirs.

low salinity water injection;microscopic mechanism;enhanced oil recovery;wettability;clay;dual electronic layer diffusion;sandstone oil reservoir

李海濤，馬啟睿，李東昊.低礦化度注水提高砂巖儲(chǔ)集層采收率的微觀機(jī)理［J］.石油鉆采工藝，2017，39（2）：151-157.

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: LI Haitao,MA Qirui,LI Donghao.Microscopic mechanisms of low salinity water injection technology for sandstone reservoir EOR［J］.Oil Drilling &Production Technology,2017,39(2): 151-157.

李海濤(1965-)，博士，教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)從事提高采收率機(jī)理及工藝技術(shù)、采油采氣理論與工程技術(shù)等的教學(xué)和研究工作。通訊地址：(610500)四川省成都市新都區(qū)新都大道8號(hào)西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室B312。E-mail: lihaitao@swpu.edu.cn

馬啟睿，碩士研究生，電話:17790289049。 E-mail：regisma@163.com