裂縫型致密油藏氣水交替采油機理定量研究

戴儀心, 郭和坤, 李海波, 曾慶橋, 孟立新, 王睿思, 孟 煥, 高鐵寧

(1.中國科學院大學工程科學學院， 北京 100049； 2.中國科學院滲流流體力學研究所， 廊坊 065007； 3.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院， 廊坊 065007； 4.華北油田勘探開發(fā)研究院， 任丘 062552； 5.大港油田勘探開發(fā)研究院， 大港 300280)

氣水交替注入方案由兩項傳統(tǒng)的水驅(qū)和氣驅(qū)采油技術(shù)組成，是二次采油和三次采油中頗具潛力的一種方法[1]。文獻[2]記載該技術(shù)最早應用于1957年加拿大阿爾伯塔省(Alberta)的北帕木宓納(North Pembina)油田，1962年Seelington第一個將氣水同時注入應用于礦場實踐[3]，到21世紀氣水交替注入在外國已經(jīng)成為一種成熟的技術(shù)，特別是在低滲透油藏開發(fā)中應用更為廣泛[2]。

華北潛山油藏滲透率分布范圍跨度大，儲層非均質(zhì)性很強，氣驅(qū)動用規(guī)律及氣水交替提高采出程度的定量研究對評價儲層開發(fā)潛力具有重要的現(xiàn)實意義。

氣水交替注入技術(shù)的應用主要集中在美國、加拿大以及蘇聯(lián)[4]，中國注氣開發(fā)相對較晚，大部分屬于先導試驗，但也取得了一些進展[4-8]?，F(xiàn)有中外研究表明，氣水交替驅(qū)可明顯提高注水波及效率，減緩氣竄的影響，提高油田的采收率。在氣驅(qū)動用規(guī)律方面，前人的研究包括氣驅(qū)時孔喉間的原油動用情況[9-10]，孔喉間的氣體流動規(guī)律[11]等機理研究，以及不同開采方式提高致密巖心[12-14]及含裂縫巖心[15-16]采收率的方法研究。現(xiàn)有孔喉微觀表征技術(shù)種類很多[17]，而從微觀角度對含裂縫致密巖心進行定量分析的研究較少。在氣水交替方面，現(xiàn)有研究多側(cè)重于某一油田的開發(fā)方式優(yōu)選、氣水交替驅(qū)提高采收率可行性研究、注入?yún)?shù)優(yōu)化及注入能力變化規(guī)律等[18-27]方面的研究，用于指導現(xiàn)場開采油田，對于氣水交替提高采收率機理的實驗和理論研究較少[15-16]。張本艷等[10]通過實驗定量分析了低滲儲層巖心，在氣水交替時大、中、小孔隙的原油動用率，未對致密巖心進行研究；胡偉等[11]用(computed tomography, CT)技術(shù)研究后發(fā)現(xiàn)氣水交替注入能在一定程度上抑制氣竄，不能實現(xiàn)大小孔隙定量分析；秦正山等通過對模擬巖心進行氣水交替后，發(fā)現(xiàn)水在孔隙中的束縛狀態(tài)是一個不斷打破不斷重建的動態(tài)過程[18]，也無法實現(xiàn)孔隙內(nèi)的定量分析。這些研究均未從微觀孔隙的角度對含裂縫致密巖心的氣水交替進行定量分析。因此本研究針對華北潛山油藏巖心，對不同孔隙結(jié)構(gòu)巖心進行不同壓力的常規(guī)氣驅(qū)及氣水交替實驗，對比不同實驗階段的巖心T2譜和驅(qū)出油百分數(shù)，概述不同滲透率儲層巖心氣驅(qū)動用規(guī)律，定量分析氣水交替采油機理，以期為含裂縫致密油藏利用氣水交替技術(shù)提高采收率提供依據(jù)。

1 實驗巖心資料

雁翎油田位于冀中饒陽坳陷中部，屬于以白云巖為主的碳酸鹽巖古潛山油藏[28]。該油田于1977年10月發(fā)現(xiàn)，同年11月投入開發(fā)，1978年2月起即開始以在油水界面以下邊部注水的方式水驅(qū)開采[29]。其中雁翎潛山霧迷山地層具有非均質(zhì)性強，儲層裂縫發(fā)育，儲集巖種類繁多，承壓能力低等特點[28-30]。本研究選取華北油田雁翎潛山油藏某井霧迷山地層6塊巖心，如圖1所示，開展不同滲透率儲層巖心的氣驅(qū)動用規(guī)律以及氣水交替采油機理定量研究，6塊巖心的物性參數(shù)如表1所示。氣驅(qū)動用規(guī)律研究實驗共6塊巖心，氣測孔隙度范圍為0.209%～4.775%，平均為1.94%，氣測滲透率為0.000 067×10-3μm2，波浪線109.94×10-3μm2，平均為20.559×10-3μm2。氣水交替采油機理定量研究實驗共5塊巖心，氣測滲透率范圍為0.209%～4.775%，平均為1.82%，氣測滲透率為0.000 067×10-3～6.71×10-3μm2，平均為2.68×10-3μm2。實驗用油為航空煤油，溫度25 ℃時黏度為2.65 mPa·s，實驗用水礦化度為20 000×10-6的重水。

圖1 華北雁翎潛山采樣圖Fig.1 Sampling map of Yanling buried hill in North China

表1 華北潛山6塊致密油儲層巖心物性參數(shù)

2 核磁共振實驗原理

核磁共振光譜是用頻率為兆赫數(shù)量級的、波長很長、能量很低的電磁波照射分子，這種電磁波能與暴露在強磁場中的磁性核相互作用，引起磁性核在外磁場中發(fā)生磁能級的共振躍遷而產(chǎn)生吸收信號。這種核對射頻區(qū)電磁波的吸收稱為核磁共振光譜。

本研究中的核磁共振設備(圖2)能通過檢測巖心內(nèi)部流體H(氕)元素的核磁共振T2譜，分析核磁弛豫時間的長短及核磁信號量的大小，得到不同實驗條件下的巖心中的含油(水)量。小孔隙內(nèi)的流體(或大孔隙中與固體表面緊密接觸的流體)的核磁橫向弛豫時間較小，反之大孔隙內(nèi)的流體(與固體表面接觸不緊密的流體)的核磁橫向弛豫時間較大；核磁信號量越大說明這種類型的流體越多，反之信號量越小說明對應的這種流體越少[31]。

圖2 核磁共振設備Fig.2 Nuclear magnetic resonance equipment

巖心中只有油和水(氕)的信號量能被檢測到，重水(氘)的信號量無法被檢測到。因此實驗中的核磁共振T2譜僅反映巖心中油的分布情況。

3 實驗步驟和方法

(1)巖心標號、洗油、烘干、稱重。

(2)對每塊巖心進行氣測孔隙度、氣測滲透率測量。

(3)將6塊巖心放入抽真空加壓飽和裝置，加壓飽和煤油，使巖心處于飽和油狀態(tài)。

(4)稱重，對每塊巖心進行核磁共振T2譜測量，記錄6塊巖心飽和油狀態(tài)下的重量及在不同孔隙的油相分布情況。

(5)將巖心放入驅(qū)替設備(圖3)，在不同壓力下對6塊巖心進行氮氣驅(qū)油實驗，驅(qū)替壓力分別為0.056、0.1、0.54、1.05、3.6 MPa，實驗過程中保持凈圍壓為2 MPa。在不同驅(qū)替壓力實驗中，當巖心驅(qū)替至沒有油產(chǎn)出時，對每塊巖心進行稱重、核磁共振T2譜測量，記錄當下巖心的質(zhì)量及這種驅(qū)替壓力下油相在巖心孔隙中的分布情況。

圖3 巖心驅(qū)替設備Fig.3 Core displacement equipment

(6)選取氣驅(qū)實驗的6塊巖心中的1-5號巖心進行氣水交替實驗。

(7)將氣驅(qū)實驗后的1～5號巖心置于礦化度為20 000×10-6的重水中浸泡24 h滲吸，對浸泡后的5塊巖心進行稱重，同時測試其核磁共振T2譜，記錄5塊巖心滲吸后的重量及油相在不同孔隙中的分布情況。

(8)將滲吸后的5塊巖心再次分別裝入驅(qū)替設備，以2.6 MPa的壓力對每塊巖心進行氮氣驅(qū)替實驗。

(9)驅(qū)替后將設備中的5塊巖心取出，稱重，并測試巖心滲吸后氣驅(qū)的核磁共振T2譜，記錄5塊巖心最終的重量及氣水交替后油相在不同孔隙中的分布情況。

(10)對比巖心在不同實驗階段的T2譜弛豫圖，觀察實驗過程中油相在孔隙中的分布變化，最終進行實驗數(shù)據(jù)分析及總結(jié)。

4 不同滲透率儲層巖心氣驅(qū)動用規(guī)律

以6塊巖心中的4號巖心與6號巖心為例，分析不同滲透率儲層氣驅(qū)動用規(guī)律。依表1可知，4號是不含裂縫巖心，巖心孔隙度為1.2%，滲透率為0.47×10-3μm2，物性較好；6號巖心是含裂縫巖心，孔隙度為2.53%，滲透率為109.94×10-3μm2。圖4為4號與6號巖心在不同驅(qū)替壓力下進行氣驅(qū)實驗后的核磁共振T2譜，圖5為4號與6號巖心不同驅(qū)替壓力下氣驅(qū)采出程度對比。表2為6塊巖心在不同驅(qū)替壓力下氣驅(qū)及氣水交替的實驗數(shù)據(jù)。

從圖4(a)及圖5可以看出，相比飽和煤油，4號巖心在驅(qū)替壓力為0.056 MPa時，T2譜的右峰減小幅度較大，對應采出程度為27.54%，采出油量較多。驅(qū)替壓力增加至0.1、0.54、1.05 MPa時，對應的T2譜幅度均有一定程度的降低，采出程度分別升為29.76%、35.64%、39.46%。當驅(qū)替壓力達到2.6 MPa時，對應的T2譜信號量最低，此時巖心的采出程度變?yōu)?9.05%。4號巖心最大驅(qū)替壓力與最小驅(qū)替壓力下的采出程度相差21.51%，說明對于不含裂縫巖心，驅(qū)替壓力增加，巖心中的孔隙受到更大的驅(qū)替作用，能有效驅(qū)替出小孔隙中的可動油，增加驅(qū)油量，所以增加驅(qū)替壓力對驅(qū)油效率的提高有一定的作用。

從圖4(b)及圖5可以看出，相比飽和煤油，6號巖心在驅(qū)替壓力為0.056 MPa時，T2譜的右峰減小幅度較大，對應采出程度為24.61%，采出油量較多。驅(qū)替壓力增加至0.1、0.54、1.05 MPa時，對應的T2譜幅度降低程度較小，采出程度分別升為26.31%、30.63%、34.47%。當驅(qū)替壓力達到 2.6 MPa 時，對應的T2譜信號量最低，此時巖心的采出程度變?yōu)?7.03%。6號巖心最大驅(qū)替壓力與最小驅(qū)替壓力下的采出程度相差12.48%，說明對于裂縫巖心，高壓驅(qū)替更容易產(chǎn)生氣竄現(xiàn)象，對巖心中的基質(zhì)及小孔隙中的油很難發(fā)揮高壓驅(qū)替作用，所以增加驅(qū)替壓力對驅(qū)油效率的提高作用不明顯。

圖4 巖心在不同驅(qū)替壓力下的核磁共振T2譜Fig.4 T2 NMR spectra of core under different displacement pressures

圖5 4號與6號巖心不同驅(qū)替壓力下采出程度對比Fig.5 Comparison of recovery degree of No.4 and No.6 cores under different displacement pressures

5 定量研究氣水交替采油機理

氣水交替實驗可以通過對氣驅(qū)后的巖心進行滲吸和再次驅(qū)替，分析巖心的T2譜信號量變化，對比實驗各個階段采出程度的變化，定量分析氣水交替實驗中，提高采收率的主要因素是滲吸作用還是水的“封堵”作用。滲吸作用是利用巖石的親水性，用重水置換孔隙中的油，能將小孔隙的油滲吸到大孔隙，從而更好地被驅(qū)替開采，滲吸作用主要在“氣驅(qū)后滲吸”階段的小孔隙中發(fā)揮主要作用；而水的“封堵”作用是通過水的體積堵住大孔隙，讓高壓氣體進入小孔隙，從而能有效地采出小孔隙中的油，主要作用于“滲吸后再氣驅(qū)”階段的小孔隙；因此可依據(jù)“氣驅(qū)后滲吸”及“滲吸后再氣驅(qū)”兩個階段的小孔隙采出程度變化，定量計算滲吸作用及水的“封堵”作用對提高采收率的影響。表2中氣水交替作用的采出程度為“泡重水2.6 MPa驅(qū)”與“2.6 MPa 驅(qū)”采出程度的變化量。從表2可以得到1～5號巖心在氣水交替不同階段的采出程度變化，5塊巖心氣水交替作用的采油效果百分數(shù)界于5.04%～8.15%，平均為6.58%。

以3號巖心與5號巖心為例，表3為3號與5號巖心不同孔隙在氣水交替過程中采出程度變化對比，圖6為兩塊含裂縫巖心(3號及5號)照片，圖7給出了3號與5號巖心在氣水交替實驗不同階段的核磁共振T2譜。從表1可知，兩塊巖心的孔隙度分別為4.78%與2.01%，滲透率為6.71×10-3μm2與2.45×10-3μm2。從圖6可知，3號(29號樣)及5號(34號樣)均為含裂縫巖心，裂縫巖心由于存在裂縫，水的體積無法對裂縫造成封堵，氣水交替中水的“封堵”作用可能會有所下降。參閱文獻后發(fā)現(xiàn)，致密油巖心對大孔隙、中小孔隙分界線為T2=100 ms[31]，因此本文將以100 ms作為大小孔隙分界線進行分析。

表2 6塊巖心不同驅(qū)替壓力下氣驅(qū)及氣水交替實驗結(jié)果

表3 兩塊巖心氣水交替不同孔隙采出程度對比

圖6 兩塊含裂縫巖心Fig.6 Two fractured cores

圖7 巖心在氣水交替不同階段的核磁共振T2譜Fig.7 T2 NMR spectra of cores at different stages of gas water alternation

如圖7(a)所示，對比“2.6 MPa驅(qū)”與“泡重水滲吸后”的T2譜，3號巖心的核磁共振信號整體向右有所移動，根據(jù)核磁共振實驗原理，弛豫時間越長，孔隙越大，說明3號巖心滲吸過程將孔隙中的油向更大的孔隙中遷移；對比“泡重水滲吸后”與“滲吸后再2.6 MPa氣驅(qū)”的T2譜，3號巖心的核磁共振信號右側(cè)稍有下降，左側(cè)基本沒變化，說明小孔隙中的油基本沒有變動，水的“封堵”作用基本沒有發(fā)揮作用。如圖7(a)所示，3號巖心以弛豫時間100 ms為大小孔隙的分界線進行定量研究。依表3可知，3號巖心泡重水滲吸時小孔隙的采出程度由5.57%變?yōu)?2.49%，增加了6.92%，大孔隙由33.7%變?yōu)?0.53%，降低了3.17%，說明小孔隙中6.92%的油被滲吸到大孔隙中，而大孔隙中3.75%的油被滲吸出巖心，以小孔隙為標準，滲吸作用采油效果為6.92%。3號巖心滲吸后再次氣驅(qū)時小孔隙的采出程度由12.49%變?yōu)?2.68%，增加了0.19%，大孔隙由30.53%變?yōu)?3.77%，增加了3.24%，說明小孔隙中的油基本上沒有被波及，而大孔隙中的油被驅(qū)替至重水中，以小孔隙為標準，水的“封堵”作用采油效果為0.19%。

如圖7(b)所示，對比“2.6 MPa驅(qū)”與“泡重水滲吸后”的T2譜，小孔隙的峰值有所降低，大孔隙的T2譜有些許上升，說明小孔隙的油被滲吸到大孔隙；對比“泡重水滲吸后”與“滲吸后再2.6 MPa氣驅(qū)”的T2譜，更小孔隙的信號量有所增加，中間孔隙的信號量有所減少，大孔隙信號量有所下降，說明小孔隙中的油基本上沒有被驅(qū)替到大孔隙中。如圖7(b)所示，3號巖心以馳豫時間100 ms為大小孔隙的分界線進行定量研究。依表3可知，5號巖心泡重水滲吸時小孔隙的采出程度由3.44%變?yōu)?.34%，增加了4.9%，大孔隙由17.52%變?yōu)?5.23%，降低了2.29%，說明小孔隙中4.9%的油被滲吸到大孔隙中，而大孔隙中2.61%的油被滲吸出巖心，以小孔隙為標準，滲吸作用采油效果為4.9%。5號巖心滲吸后再次氣驅(qū)時小孔隙的采出程度由8.34%變?yōu)?.74%，升高了1.4%，大孔隙由15.23%變?yōu)?8.6%，增加了2.37%，說明小孔隙中的油動用很少，而大孔隙中的油被驅(qū)替至重水中，以小孔隙為標準，水的“封堵”作用采油效果為1.4%。

定量分析氣水交替中不同孔隙采出程度的變化，可以發(fā)現(xiàn)3號和5號巖心滲吸作用的采油效果分別為6.92%與4.9%，水的“封堵”作用采油效果分別為0.19%與1.4%。從而得到的結(jié)論是，由于裂縫發(fā)育巖心中存在裂縫，進行氣水交替實驗時，水的體積很難對巖心中的裂縫形成“封堵”作用，因此含裂縫巖心大孔隙中不存在水的“封堵”，或水的“封堵”作用不明顯，氣水交替實驗提高采出程度主要是小孔隙中的滲吸作用。

6 結(jié)論

利用核磁共振技術(shù)，實現(xiàn)了對巖心孔隙中油相變化的定量分析，能直觀準確地得到常規(guī)氣驅(qū)及氣水交替實驗過程中的采油機理。驅(qū)替實驗通過對不同物性巖心開展不同壓力常規(guī)氣驅(qū)，總結(jié)不同儲層巖心氣驅(qū)動用規(guī)律；氣水交替實驗對氣驅(qū)后巖心進行滲吸和再驅(qū)替，對比巖心T2譜變化，建立定量評價氣水交替采油機理的方法。裂縫系統(tǒng)巖心低驅(qū)替壓力下，T2譜右峰減小幅度較大，采出油量較多，增加驅(qū)替壓力后，易產(chǎn)生氣竄現(xiàn)象，T2譜減小幅度很小，巖心中的基質(zhì)及小孔隙中的油被高壓氣體驅(qū)替出來；不含裂縫的均質(zhì)巖心低驅(qū)替壓力下，主要驅(qū)除大孔隙中的油，增加驅(qū)替壓力后，大小孔隙采油量均有所提高，增加驅(qū)替壓力能有效擴大波及面積，對驅(qū)油效率的提高有一定作用；氣水交替實驗中，5塊巖心氣水交替的采出油百分數(shù)介于5.04%～8.15%，平均為6.58%。對于裂縫發(fā)育巖心，氣水交替采油機理主要為水的滲吸作用將小孔喉內(nèi)的油采出，水的“封堵”作用不明顯。