注水開發(fā)對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

劉 學(xué)，劉英憲，陳存良，吳春新，錢 賡

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

引 言

油田在開發(fā)過程中儲(chǔ)層物性也在發(fā)生改變，正確認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層物性的變化規(guī)律，探究油田開發(fā)特征與儲(chǔ)層物性變化之間的關(guān)系，對(duì)于深刻揭示油田剩余油分布規(guī)律，從而更好地制定改善油田開發(fā)效果的增產(chǎn)措施具有重要意義[1-5]。目前，針對(duì)油田開發(fā)過程中儲(chǔ)層物性變化規(guī)律的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：一、高含水階段儲(chǔ)層物性變化研究。王洪光[6]等人以巖心為研究對(duì)象，分析了不同沉積微相帶儲(chǔ)集層物理特征的變化；李浩[7]等人將儲(chǔ)層物性參數(shù)的空間變化特征劃分為物性主頻分布變窄型、向高值收斂增大型以及數(shù)值均勻增大型3類。二、地層壓力降低對(duì)物性變化的影響。張津?qū)嶽8-9]開展了變圍壓實(shí)驗(yàn)，研究了儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率及巖石孔隙壓縮系數(shù)與圍壓的變化關(guān)系。三、儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的水敏性。陳麗華[10]利用高壓釜物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了高溫條件下蒙脫石對(duì)儲(chǔ)層物性的影響。四、在化學(xué)驅(qū)方面，盧亞濤[11]對(duì)三元復(fù)合驅(qū)后油層孔隙半徑和泥質(zhì)含量的變化進(jìn)行了研究，分析強(qiáng)堿三元體系在油層中的運(yùn)移特點(diǎn)及分布規(guī)律。五、相滲曲線的變化規(guī)律研究。趙振鐸[12]研究了儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)油水相滲曲線形態(tài)特征的影響，并對(duì)毛管壓力曲線和油水相滲曲線關(guān)系進(jìn)行了分析。

然而目前的研究中鮮見針對(duì)不同含水階段儲(chǔ)層物性變化的定量描述。本文以渤海X油田為研究對(duì)象，開展注水開發(fā)后儲(chǔ)層物性變化規(guī)律的研究，為油田后期的開發(fā)調(diào)整提供重要依據(jù)。

1 儲(chǔ)層滲流物理模擬的原理與方法

收集整理了研究區(qū)有關(guān)的原始資料(包括常規(guī)物性、特殊物性等參數(shù))，并對(duì)研究區(qū)實(shí)際的注采資料進(jìn)行總結(jié)和歸納，對(duì)室內(nèi)巖心物理模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡化處理。

1.1 實(shí)驗(yàn)簡化原則

(1)實(shí)驗(yàn)巖心選取

將注水井點(diǎn)假設(shè)成以它為中心的圓，把實(shí)驗(yàn)樣品巖心作為儲(chǔ)層進(jìn)行注水沖刷實(shí)驗(yàn)，根據(jù)流線原理可知，在注采井直線連接處流線最弱，沖刷程度最小，因此，選用距離注水井點(diǎn)直線連接1/2處沖刷程度較小的儲(chǔ)層(新鉆調(diào)整井)作為巖心單元。

(2)不同開發(fā)階段的模擬

考慮現(xiàn)場不同注水階段的特點(diǎn)，模擬實(shí)驗(yàn)選用綜合含水40%、60%、80%、90%、98%代表不同開發(fā)時(shí)期。

1.2 注水沖刷物理模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，設(shè)計(jì)思路為：將巖樣進(jìn)行洗油、烘干，隨后測(cè)量該樣品的空氣滲透率、孔隙度，測(cè)量完成后，對(duì)巖樣進(jìn)行長期注水沖刷實(shí)驗(yàn)，注水的速度在臨界流速范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)定的過水倍數(shù)后將樣品再烘干測(cè)滲透率、孔隙度。在注水前后借助電鏡、X-衍射、薄片、巖電等輔助分析手段進(jìn)行了多種參數(shù)的測(cè)定，為描述長期注水沖刷過程中不同含水時(shí)期儲(chǔ)層參數(shù)(滲透率、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)等)的影響因素及變化規(guī)律提供基礎(chǔ)資料。

圖1 水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flowchart of water flooding experiment

1.3 模擬實(shí)驗(yàn)條件的確定

(1)物理模型樣品的選取

從渤中X油田沙河街二段1小層以及3小層選取不同沉積微相帶、不同含水階段具有代表性的、地層原始狀態(tài)相近的1-178、1-169、3-14、3-18四口井的巖心。其中，1小層屬于中—高滲儲(chǔ)層，3小層屬于中—低滲儲(chǔ)層。通過巖心觀察描述及綜合分析研究，鉆取相同直徑的幾組樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試及對(duì)比，從6組30多個(gè)巖樣中篩選出孔隙結(jié)構(gòu)相似、滲透率相近的12塊巖心(見表1)。

表1 模擬實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation experiment samples

(2)實(shí)驗(yàn)環(huán)境確定

注水沖刷的模擬溫度為50 ℃；實(shí)驗(yàn)用機(jī)械油黏度為2.46 mPa·s；地層水和注入水的總礦化度分別為25 132 mg/L和16 432 mg/L，均為氯化鈣水型，同時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，用3%氯化鈉鹽水作為沖刷用水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 注水沖刷前后儲(chǔ)層孔隙物性的變化及其原因

2.1.1 孔隙物性的變化

渤中X油田儲(chǔ)層以粉細(xì)砂巖、含礫不等粒砂巖為主，其中：近岸灘壩砂和河口壩沉積物(3小層)粒徑普遍小于0.25 mm，以粉細(xì)砂巖為主；水下分流河道沉積物(1小層)磨圓度較差呈棱角、次棱角狀，粒度普遍為0.25～0.50 mm，局部含小型礫石，巖性以含礫不等粒砂巖為主。3小層比1小層更細(xì)，磨圓度好于1小層，呈次棱角狀—次圓狀。兩小層顆粒間孔喉發(fā)育，分布都較為均勻。

表2為模型注水沖刷前后的孔隙度值?？紫抖认鄬?duì)變化值總體上較小，只有沖刷到特高含水期后，巖心孔隙度才表現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，在此之前基本未出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，由此可見注水開發(fā)對(duì)孔隙度的影響并不顯著。

表2 沖刷前后孔隙度數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Contrast of porosity before and after scouring

雖然注水沖刷前后孔隙度變化不大，但是對(duì)比1小層以及3小層在不同含水階段的鑄體薄片及巖心樣品的實(shí)驗(yàn)資料表明(表3所示)，儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的改變，物性較好的1小層最大孔喉半徑增大， 增幅1.63%～16.9%； 孔喉半徑中值增加，增幅2.06%～4.85%；孔喉半徑平均值增大，增幅1.55%～5.40%。物性較差的3小層最大喉道半徑增加，增幅20.76%～40.20%；孔喉半徑中值增加，增幅12.50%～46.20%；孔喉半徑平均值增大，增幅11.50%～21.90%。

表3 水驅(qū)前后孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of pore structure parameters before and after water flooding

儲(chǔ)層巖石物性參數(shù)的變化表明，對(duì)于滲透率在(200～400)×10-3μm3左右的1小層，注水后最大喉道半徑、孔喉半徑平均值的增加幅度較小，滲透率在(50～100)×10-3μm3的3小層相應(yīng)參數(shù)增加幅度較大，但絕對(duì)值比滲透率較好儲(chǔ)層小很多。

2.1.2 變化原因分析

孔隙結(jié)構(gòu)變化的主要原因是注水沖刷導(dǎo)致地層微粒運(yùn)移引起的，為了研究其變化規(guī)律，采用近年來新的分析方法——激光顆粒計(jì)數(shù)器，觀測(cè)并記錄不同含水時(shí)期沖出顆粒總數(shù)隨注水倍數(shù)的變化曲線，如圖2所示。

圖2(a)為1小層注水倍數(shù)與沖出顆?？倲?shù)關(guān)系曲線，該圖表明隨著注水倍數(shù)的增加，沖出顆粒總數(shù)的變化在a區(qū)(含水0～80%)最多，在b區(qū)(含水80%～90%)減少，隨后顆?？倲?shù)在c區(qū)(含水90%～98%)呈小幅波動(dòng)變化。沖出顆?？倲?shù)由注水開發(fā)初期的225 080 個(gè)/mL漸趨減少，當(dāng)巖心含水達(dá)到90%以后，沖出顆?？倲?shù)在39 389～90 836 個(gè)/mL浮動(dòng)。

同理，從圖2(b)中可以看出，3小層沖出顆?？倲?shù)的變化趨勢(shì)與圖2(a)基本一致，僅僅在顆粒個(gè)數(shù)上有一定差別。沖出顆?？倲?shù)由注水開發(fā)初期的73 063 個(gè)/mL漸趨減少，當(dāng)進(jìn)入c區(qū)(含水90%～98%)后，沖出顆粒總數(shù)在6 011～30 520 個(gè)/mL浮動(dòng)。

綜上所述，1小層和3小層由于物性不同，在注水開發(fā)的不同階段沖出的微粒個(gè)數(shù)相差很大，但總體規(guī)律基本一致。在注水開發(fā)初期沖出顆粒總數(shù)較多，主要為膠結(jié)程度不強(qiáng)、可移動(dòng)的自由顆粒較多，因此，在中高含水階段，孔隙結(jié)構(gòu)的變化幅度較大。隨著注水開發(fā)的不斷深入，巖石有效孔隙中自由顆粒基本被沖出，粒徑較小的自由顆粒減少，沖出顆?？倲?shù)逐漸降低，因此，孔隙結(jié)構(gòu)的變化逐漸變緩。

圖2 沖出顆?？倲?shù)與注水倍數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between total number of flushed particles and water injection multiple

2.2 注水沖刷前后滲透率的變化及其原因

2.2.1 滲透率的變化

長期注水開發(fā)對(duì)儲(chǔ)集層滲透率的影響主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：一是地層的微小顆粒被沖出，孔喉半徑增大，使得滲透率增加[13]；二是由于地層可移動(dòng)微粒脫落、運(yùn)移及與地層水、注入水不配伍等原因，部分孔隙通道被微?；虼紊锒氯?，導(dǎo)致滲透率下降[14-15]。

1小層屬于中—高滲儲(chǔ)層，從圖3(a)滲透率比值曲線形態(tài)上可以看出，注水開發(fā)過程中滲透率比值呈現(xiàn)波動(dòng)變化，最終滲透率值要略高于沖刷前滲透率，曲線形態(tài)略有上升。滲透率的振幅在a區(qū)(含水0～80%)內(nèi)變化最明顯，而隨著注水倍數(shù)的增加，b區(qū)(含水80%～90%)、c區(qū)(含水90%～98%)滲透率變化幅度較小最后基本趨于穩(wěn)定。

3小層屬于中—低滲儲(chǔ)層，與1小層相比，3小層的滲透率比值隨著注入倍數(shù)的增加逐漸下降(圖3(b))，在注水開發(fā)末期其滲透率為原來的70%左右。

2.2.2 變化原因分析

造成滲透率變化的主要原因是長期注水開發(fā)后儲(chǔ)層顆粒間的接觸關(guān)系發(fā)生了一定的改變。對(duì)于物性較好的1小層而言，儲(chǔ)層的粒徑中值曲線形態(tài)(圖4(a))在a區(qū)、b區(qū)呈現(xiàn)出輕微上升的趨勢(shì)，在c區(qū)逐漸上升并趨于穩(wěn)定。結(jié)合巖心電鏡照片(圖5)可以看出，隨著可移動(dòng)顆粒被沖出，儲(chǔ)層顆粒表面變得更加光滑，孔隙中的膠結(jié)物明顯減少，當(dāng)含水98%時(shí)，1小層巖石骨架顆粒之間大部分已呈分離狀態(tài)，偶有部分呈點(diǎn)或線接觸，因此，注水沖刷后1小層巖石孔隙及喉道增大、增多，從而增加了地層滲流能力，導(dǎo)致滲透率升高。

圖3 滲透率比值與注水倍數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between permeability ratio and water injection multiple

圖4 粒徑中值與注水倍數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between median value of particle diameter and water injection multiple

圖5 1小層注水開發(fā)前后儲(chǔ)層巖心電鏡照片F(xiàn)ig.5 Electron microscope photographs of the first small layer core before and after water flooding

對(duì)于物性較差的3小層(圖4(b))而言，儲(chǔ)層的粒徑中值在1.16～1.46 μm范圍內(nèi)波動(dòng)，變化幅度較小，在a區(qū)、b區(qū)基本不變，c區(qū)出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，但上升幅度較小，這說明長期注水開發(fā)后滯留在儲(chǔ)層中的微粒多為粒徑中值較大的顆粒。結(jié)合巖心電鏡照片(圖6)可以看出：3小層在長期注水開發(fā)后儲(chǔ)層顆粒的接觸關(guān)系雖然發(fā)生了很大的改變，但顆粒間還是以點(diǎn)接觸為主，在長期的注水沖刷過程中，造成儲(chǔ)層內(nèi)小顆粒遷移，很容易在孔隙喉道處堆積，使喉道有效的滲流半徑減小，甚至部分微小孔隙被堵死，從而降低了巖石的滲透率。

2.3 巖石電阻率參數(shù)的變化及其原因

2.3.1 巖石電阻率參數(shù)變化

對(duì)1小層及3小層注水沖刷前后巖心的電性特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖7。1小層(中—高滲儲(chǔ)層)巖心的巖性系數(shù)由注水開發(fā)前的1.2變?yōu)樽⑺_發(fā)后的1.1，飽和指數(shù)絕對(duì)值由1.9變化為1.8，均呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)，這說明隨著注水開發(fā)的進(jìn)行，儲(chǔ)層的連通性變好。同理可知，3小層(中—低滲儲(chǔ)層)巖心的巖性系數(shù)由注水開發(fā)前的1.1變?yōu)樽⑺_發(fā)后的1.2，飽和指數(shù)絕對(duì)值由1.9變化為2.0，均呈現(xiàn)出變大的趨勢(shì)，主要是由于隨著注水沖刷，大粒徑的顆粒在狹窄孔喉聚集，導(dǎo)致滲流通道堵塞，滲透率下降。

圖6 3小層注水開發(fā)前后儲(chǔ)層巖心電鏡照片F(xiàn)ig.6 Electron microscope photographsof the third small layer core before and after water flooding

圖7 電阻增大率指數(shù)與含水飽和度關(guān)系Fig.7 Relation between resistance increase rate index and water saturation

電性特征參數(shù)在注水沖刷前后的變化情況并不很明顯，但這一變化基本上從電性特征參數(shù)上反映了長期注水沖刷對(duì)儲(chǔ)層的影響。

2.3.2 變化原因分析

儲(chǔ)層電阻增大率的變化涉及許多因素，根據(jù)阿爾奇公式可知，在注入水礦化度相似的條件下，儲(chǔ)層巖石中黏土礦物的變化是影響電阻增大率的主要因素。

注入水對(duì)儲(chǔ)層中黏土礦物的影響主要有兩種表現(xiàn)形式，一是對(duì)黏土礦物的搬運(yùn)—沉積作用，二是儲(chǔ)層中黏土礦物遇水膨脹作用。不同種類的黏土礦物，在持續(xù)的沖刷過程中也表現(xiàn)出不同的特性。水驅(qū)前后全巖礦物、黏土礦物相對(duì)含量(表4)統(tǒng)計(jì)表明，巖樣經(jīng)過長期的注水沖刷后，黏土礦物的組分并沒有發(fā)生變化，黏土的總量由7.3%下降為4.3%，黏土的絕對(duì)含量下降了41.1%。巖樣中伊利石、高嶺石、蒙脫石的絕對(duì)含量在1小層中下降了78.7%、42.7%、30.9%，在3小層中下降了66.5%、41.2%、29.4%。這說明巖樣中的黏土礦物在長期注水沖刷下微粒發(fā)生了運(yùn)移。其中3小層與1小層黏土礦物變化的區(qū)別主要是孔隙結(jié)構(gòu)不同所致。

如表4所示，X油田1、3小層全巖礦物組分中的黏土體積分?jǐn)?shù)平均為7.3%，以高嶺石為主，體積分?jǐn)?shù)為81%83%，由于高嶺石具有易于搬移的特征，因此，黏土礦物的搬運(yùn)—沉積作用是造成X油田儲(chǔ)層巖電參數(shù)發(fā)生變化的主要原因。

表4 水驅(qū)前后全巖礦物、黏土礦物相對(duì)含量Tab.4 Volume fraction of whole rock minerals and clay minerals before and after water flooding

渤海X油田儲(chǔ)層黏土礦物主要有孔隙式充填、連接搭橋式、分散附著式3種分布形式，孔隙充填是該區(qū)域黏土礦物在儲(chǔ)層中最為普遍的分布方式。在電鏡下可以明顯地看出注水開發(fā)前后高嶺石賦存狀態(tài)和分布狀況的變化(圖8)。注水開發(fā)前高嶺石呈蠕蟲狀、書頁狀、手風(fēng)琴狀，形狀比較規(guī)則；長期注水開發(fā)后，高嶺石呈碎片狀散布于顆粒表面及孔喉中，造成儲(chǔ)層內(nèi)微小顆粒在喉道處堆積，使喉道有效半徑減小，造成巖性系數(shù)和飽和指數(shù)變大。

圖8 3小層黏土礦物沖刷前后在儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)和分布狀況Fig.8 Occurrence and distribution of clay minerals in the third small layer before and after water flooding

3 結(jié) 論

(1)渤海X油田長期注水沖刷對(duì)孔隙度的影響不大，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)有一定的影響，滲透率在(200～400)×10-3μm3的1小層，注水后最大喉道半徑、孔喉半徑平均值的增加幅度較?。粷B透率在(50～100)×10-3μm3的3小層相應(yīng)參數(shù)增加幅度較大，但絕對(duì)值比滲透率較好儲(chǔ)層小很多，主要是由于注水沖刷后地層微粒運(yùn)移引起的。

(2)長期注水沖刷后，滲透率在(200～400)×10-3μm3的中、高滲儲(chǔ)層滲透率增加；滲透率在(50～100)×10-3μm3左右的低滲儲(chǔ)層滲透率減小，主要是由于注水開發(fā)后儲(chǔ)層顆粒間的接觸關(guān)系發(fā)生了一定的改變。

(3)長期注水沖刷后，滲透率在(200～400)×10-3μm3的中、高滲儲(chǔ)層巖心的巖性系數(shù)和飽和指數(shù)變?。粷B透率在(50～100)×10-3μm3的低滲儲(chǔ)層巖心的巖性系數(shù)和飽和指數(shù)變大，主要是由于儲(chǔ)層中易于遷移的高嶺石在儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)和分布發(fā)生了一定的變化所致。