·720· 工程科学学报，第41卷，第6期 jected water flow rate will cause the hydration,expansion,migration,and clogging of a large amount of clay particles,leading to a marked permeability decline in the high-permeability layer.More injected water is diverted into low-permeability and middle-permeabil- ity layer with low sweep efficiency.The injection profile and interlayer interference is relieved.Therefore,the production degree of res ervoirs and cumulative oil recovery improve by approximately 3%beyond conventional seawater flooding. KEY WORDS low-salinity waterflooding;equilibrium displacement:DLVO theory:fines migration:enhanced oil recovery 我国油田主要以陆相沉积为主，纵向上含油层 效果 系多，多层合采时注入水沿高渗层突进，造成相对低 1低矿化度水驱微粒运移微观机理 渗层动用程度差，层间矛盾突出.近年来，低矿化度 水驱技术在缓解层间矛盾与提高采收率方面取得了 1.1黏土微粒的稳定性与运移机理 新进展.当降低注入水矿化度和二价阳离子浓度 大多数的砂岩油藏都含有黏土矿物，原生水环 时，易引起黏土的水化膨胀与失稳，黏土微粒随水驱 境下黏土矿物受平衡力作用，稳定地附着在岩石表 发生运移并重新滞留在孔喉处，造成高渗通道内渗 面.由于注入水的不配伍性与冲刷作用，黏土矿物 透率下降，水流被重新分配到驱替程度较小的区域， 易发生水化膨胀、失稳、运移并堵塞在孔喉处，造成 进而提高原油采收率.相关学者已对低矿化度 地层渗透率下降，如图1所示.黏土矿物的稳定性 水驱微粒运移提高采收率机理做了大量的研究， 与注入水矿化度、离子价型及水驱速度等性质密切 1979年经Muecke研究提出，造成储层伤害的微 相关，当降低注入水矿化度与二价阳离子含量时，会 粒是水湿的，这些微粒在水相中运移并滞留于孔喉， 引起黏土扩散双电层膨胀和Zeta电势（升高，黏土 导致水相的相对渗透率下降.2010年Bedrikovetsky 微粒间的静电斥力作用增加，同时提升注入速度加 等因通过最大滞留体积分数方程建立了注入水矿 强了水驱对微粒的举升与牵引作用，最终黏土微粒 化度、离子价型、水驱速度与渗透率损伤程度间的关 间的受力平衡遭到破坏，黏土微粒失稳并脱离岩石 系，为微粒运移模拟提供了理论基础.2011年Yuan 骨架分散在水相中0).因此，研究不同注入水性 与Shapiro针对纵向非均质油藏动用程度差等问 质下黏土表面电势、扩散双电层结构及颗粒间作用 题，研究发现低矿化度水驱可有效实现对各层注水 力的变化规律，对于分析黏土稳定性和微粒运移条 量的控制，从而实现均衡驱替和提高采收率的效果. 件至关重要 2013年Zeinijahromi等针对平面非均质油藏进行 了低矿化度水驱开发效果模拟，结果显示注入低矿 化度水能有效提高波及系数和延缓见水时间，进而 提高采收率.2016年Yuan等回针对纵向非均质油 藏，开展了纳米段塞流与低矿化度水驱结合开发效 果研究：研究发现两种方法结合不仅实现了均衡驱 替与提高采收率的效果，而且还能有效地缓解由微 粒运移造成的注水井吸水量与压力下降等弊端， ●吸附微粒 ●运移微粒 ●堵塞微粒 本文的研究目的在于(1)基于胶体稳定性 图1砂岩油藏孔隙中黏土微粒运移示意图 Derjaguin-Landau--Verwey--Overbeek(DLVO)理论 Fig.I Schematic of the clay fines migration in sandstone reservoirs pore space 与扩散双电层理论，从微观角度综合分析注入水矿 化度、离子价型、水驱速度等因素对黏土颗粒受力情 1.2扩散双电层结构与zeta电势 况与运移量的影响，通过最大滞留体积分数方程建 砂岩黏土颗粒由于晶格取代作用和可交换阳离 立微粒运移量与渗透率损伤程度间的表征关系： 子的解离作用，表面通常带负电.在水溶液中，反离 (2)针对层间矛盾引起的低渗层动用程度差、综合 子（正电荷）一方面受带电颗粒静电引力作用，规则 采出程度低等问题，建立一维多层纵向非均质油藏 且紧密地吸附在带电颗粒表面附近，另一方面受热 渗流模型，耦合低矿化度水驱微粒运移机理，开展特 运动的影响而脱离表面，无规则地分散在水溶液 高含水期转注低矿化度水驱数值模拟研究，与高矿 中回，这便形成了如图2所示的扩散双电层结构. 化度水驱下各层注水量和综合采出程度等开发指标 黏土微粒以扩散双电层结构存在于多孔介质和 对比，综合评价特高含水期转注低矿化度水驱开发 孔隙流体中，并与其他黏土微粒相互作用.扩散双工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 jected water flow rate will cause the hydration，expansion，migration，and clogging of a large amount of clay particles，leading to a marked permeability decline in the high-permeability layer． More injected water is diverted into low-permeability and middle-permeabil￾ity layer with low sweep efficiency． The injection profile and interlayer interference is relieved． Therefore，the production degree of res￾ervoirs and cumulative oil recovery improve by approximately 3% beyond conventional seawater flooding． KEY WOＲDS low-salinity waterflooding; equilibrium displacement; DLVO theory; fines migration; enhanced oil recovery 我国油田主要以陆相沉积为主，纵向上含油层 系多，多层合采时注入水沿高渗层突进，造成相对低 渗层动用程度差，层间矛盾突出． 近年来，低矿化度 水驱技术在缓解层间矛盾与提高采收率方面取得了 新进展． 当降低注入水矿化度和二价阳离子浓度 时，易引起黏土的水化膨胀与失稳，黏土微粒随水驱 发生运移并重新滞留在孔喉处，造成高渗通道内渗 透率下降，水流被重新分配到驱替程度较小的区域， 进而提高原油采收率［1--4］． 相关学者已对低矿化度 水驱微粒运移提高采收率机理做了大量的研究， 1979 年经 Muecke［5］研究提出，造成储层伤害的微 粒是水湿的，这些微粒在水相中运移并滞留于孔喉， 导致水相的相对渗透率下降． 2010 年 Bedrikovetsky 等［6］通过最大滞留体积分数方程建立了注入水矿 化度、离子价型、水驱速度与渗透率损伤程度间的关 系，为微粒运移模拟提供了理论基础． 2011 年 Yuan 与 Shapiro ［7］针对纵向非均质油藏动用程度差等问 题，研究发现低矿化度水驱可有效实现对各层注水 量的控制，从而实现均衡驱替和提高采收率的效果． 2013 年 Zeinijahromi 等［8］针对平面非均质油藏进行 了低矿化度水驱开发效果模拟，结果显示注入低矿 化度水能有效提高波及系数和延缓见水时间，进而 提高采收率． 2016 年 Yuan 等［9］针对纵向非均质油 藏，开展了纳米段塞流与低矿化度水驱结合开发效 果研究; 研究发现两种方法结合不仅实现了均衡驱 替与提高采收率的效果，而且还能有效地缓解由微 粒运移造成的注水井吸水量与压力下降等弊端． 本文的 研 究 目 的 在 于 ( 1 ) 基于胶体稳定性 Derjaguin--Landau--Verwey--Overbeek ( DLVO) 理 论 与扩散双电层理论，从微观角度综合分析注入水矿 化度、离子价型、水驱速度等因素对黏土颗粒受力情 况与运移量的影响，通过最大滞留体积分数方程建 立微粒运移量与渗透率损伤程度间的表征关系; ( 2) 针对层间矛盾引起的低渗层动用程度差、综合 采出程度低等问题，建立一维多层纵向非均质油藏 渗流模型，耦合低矿化度水驱微粒运移机理，开展特 高含水期转注低矿化度水驱数值模拟研究，与高矿 化度水驱下各层注水量和综合采出程度等开发指标 对比，综合评价特高含水期转注低矿化度水驱开发 效果． 1 低矿化度水驱微粒运移微观机理 1. 1 黏土微粒的稳定性与运移机理 大多数的砂岩油藏都含有黏土矿物，原生水环 境下黏土矿物受平衡力作用，稳定地附着在岩石表 面． 由于注入水的不配伍性与冲刷作用，黏土矿物 易发生水化膨胀、失稳、运移并堵塞在孔喉处，造成 地层渗透率下降，如图 1 所示． 黏土矿物的稳定性 与注入水矿化度、离子价型及水驱速度等性质密切 相关，当降低注入水矿化度与二价阳离子含量时，会 引起黏土扩散双电层膨胀和 Zeta 电势 ζ 升高，黏土 微粒间的静电斥力作用增加，同时提升注入速度加 强了水驱对微粒的举升与牵引作用，最终黏土微粒 间的受力平衡遭到破坏，黏土微粒失稳并脱离岩石 骨架分散在水相中［10--11］． 因此，研究不同注入水性 质下黏土表面电势、扩散双电层结构及颗粒间作用 力的变化规律，对于分析黏土稳定性和微粒运移条 件至关重要． 图 1 砂岩油藏孔隙中黏土微粒运移示意图 Fig． 1 Schematic of the clay fines migration in sandstone reservoirs pore space 1. 2 扩散双电层结构与 zeta 电势 砂岩黏土颗粒由于晶格取代作用和可交换阳离 子的解离作用，表面通常带负电． 在水溶液中，反离 子( 正电荷) 一方面受带电颗粒静电引力作用，规则 且紧密地吸附在带电颗粒表面附近，另一方面受热 运动的影响而脱离表面，无规则地分散在水溶液 中［12］，这便形成了如图 2 所示的扩散双电层结构． 黏土微粒以扩散双电层结构存在于多孔介质和 孔隙流体中，并与其他黏土微粒相互作用． 扩散双 · 027 ·