高含水油藏微觀剩余油滲流機理與孔喉動用特征

周宗良 張凡磊 劉斌 劉建

摘? ?要：基于港東油田密閉取心分析化驗，開展微觀滲流機理特征、孔喉動用特征及水驅(qū)過程中不同孔徑剩余油飽和度定量分布研究。數(shù)學物理推理表明，毛細管半徑與滲流流速呈平方級數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系得到壓汞實驗數(shù)據(jù)分析及微觀滲流實驗證實。通過核磁共振成像巖心微觀驅(qū)替實驗分析，認為水驅(qū)過程中不同巖樣、不同驅(qū)替階段、不同注水倍數(shù)水驅(qū)后剩余油分布情況不同。驅(qū)替20 PV以前，中、大孔喉水驅(qū)效果較好，小孔喉的油少量動用;驅(qū)替20 PV以后，主要是小孔喉的油被驅(qū)替出。小于0.01 μm的微孔喉表現(xiàn)為先微幅升高后回落，最終回到原始狀態(tài)。實驗表明，水驅(qū)油主要發(fā)生在中、大孔喉及部分小孔喉中，對微孔喉中剩余油無明顯效果。

關(guān)鍵字：滲流機理;孔喉動用特征;剩余油飽和度;高含水油藏;核磁共振

我國陸上油田經(jīng)半個多世紀的勘探開發(fā)，已整體進入高含水開發(fā)階段，老油田效益穩(wěn)產(chǎn)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。針對以注水為主要開發(fā)方式的砂巖油藏儲層非均質(zhì)性強特點，水驅(qū)動用程度差異及剩余油的分布研究成為此類油藏效益開發(fā)的攻關(guān)重點，對促進油田持續(xù)開發(fā)具十分重要意義[1-3]。密閉取心技術(shù)是進行剩余油研究的主要手段之一，通過巖樣分析，可較準確地求取不同動用程度油層的剩余油、水飽和度數(shù)據(jù)，較準確地認識油層動用程度與不同層位巖性相帶的水洗特征，定性-定量確定剩余油宏觀分布規(guī)律和微觀賦存狀態(tài)。研究表明，油藏中剩余油賦存狀態(tài)與分布很大程度上受控于微觀孔隙結(jié)構(gòu)，水驅(qū)油藏進入特高含水期后仍具一定潛力。微觀剩余油流動特征及運移規(guī)律的研究對特高含水期水驅(qū)油藏提高采收率具重要意義[4-6]。

研究區(qū)港東油田沉積類型為河流相，新近系明化鎮(zhèn)為曲流河沉積，館陶組為辮狀河沉積，東營組為辮狀河三角洲沉積。區(qū)域油層發(fā)育，油層以中-細砂巖為主，平均孔隙度31%，平均空氣滲透率975×10-3 μm2，屬高孔、高滲的疏松砂巖儲層。膠結(jié)類型為孔隙式和接觸式，膠結(jié)成分以泥質(zhì)為主[7]。主要孔隙類型為高孔滲粗喉型?？缀硖卣髌毡檩^好，連通孔喉半徑為10.7～25.8 μm，分選系數(shù)0.32～0.46。近年來，為探索巖心尺度微觀剩余油的分布機理，大港油田在港東油田部署實施了多口密閉取心井，開展了大量與微觀剩余油研究相關(guān)的室內(nèi)實驗。

1? 微觀滲流機理特征

油藏開發(fā)實踐表明，由于注水開發(fā)的沖洗，含油儲層的巖性、物性發(fā)生了變化，油藏儲層的剩余油飽和度隨開發(fā)進程不斷發(fā)生變化。實驗表明，飽和原油巖石樣品在注水驅(qū)替過程中，影響儲層剩余油飽和度的因素主要有儲層物性、孔隙結(jié)構(gòu)、巖石潤濕性、注水過程或注水倍數(shù)等。下面先從理論上探討毛細管半徑與滲流流速的關(guān)系[8]。

1.1? 毛細管半徑與滲流流速關(guān)系

一般來說，在多孔介質(zhì)中，孔喉半徑越大，孔喉連通性越好，原油滲流條件就較好。儲集層的孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強，在水驅(qū)油時有大量剩余油滯留于細小孔隙中，驅(qū)油效率低。通過利用單相流模型可從滲流定量理論模型論述上述現(xiàn)象，模型中只考慮粘滯力作用情況，毛管流動公式為：

由上述公式可見，在壓差、粘度和毛管長度均相同時，毛管中流動速度與管徑平方成正比。如取孔隙毛細管半徑分別為R1及R2，且R1>R2，流速之比為：V1/V2=（R1/R2）2，故V1=（R1/R2）2×V2。表明毛細管半徑與滲流流速呈平方級數(shù)關(guān)系，若兩孔隙毛細管半徑相差10倍，則儲層滲流速度會相差100倍。因此，在外加壓差作用下，油藏滲流主要發(fā)生在巖石儲層的大孔道中，小孔道受毛細管力的阻礙，可能滲流作用很弱或未參與流動。

1.2? 滲透率與孔喉半徑相關(guān)關(guān)系

儲層孔隙度是儲層空間大小的體現(xiàn)，滲透率是巖心中孔隙、喉道系統(tǒng)允許流體通過的一種能力體現(xiàn)，巖心滲透率與巖心孔隙結(jié)構(gòu)（孔喉大小、孔徑分布）間存在某種相關(guān)關(guān)系。所以，滲透率與平均孔喉半徑間的數(shù)理關(guān)系是定量表達兩者之間關(guān)系的完美結(jié)果。據(jù)GX4-23井密閉取心壓汞實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計（表1，圖1），滲透率與孔喉半徑（毛細管半徑）的關(guān)系：K=21.252r1.952，R2=0.846 1，完全符合據(jù)毛管流動公式表明的毛細管半徑與滲流流速呈平方級數(shù)關(guān)系。

1.3? 微觀滲流機理實驗特征分析

為驗證上述滲透率與孔喉半徑相關(guān)關(guān)系，據(jù)GX4-23井1 330.76 m處巖心孔喉尺度微觀滲流水驅(qū)油實驗照片（圖2），可看出樣品孔喉半徑主要分布在1.5～21.6 μm。藍色為驅(qū)替動用孔喉，暗黃色為未波及的剩余油分布區(qū)，水驅(qū)方向由左向右。水驅(qū)前緣首先被驅(qū)替部分是按最小阻力原則優(yōu)先沿大孔喉向前推進，水驅(qū)孔喉動用區(qū)間主要發(fā)生在大于5.0 μm的孔喉半徑。驅(qū)替過程中，微觀孔喉的非均質(zhì)性越強，水驅(qū)前緣推進的指進現(xiàn)象越嚴重，小孔喉分布區(qū)域驅(qū)替阻力較大，易形成剩余油滯留區(qū)。

2? 孔喉動用特征與剩余油飽和度動態(tài)分布

2.1? 不同驅(qū)替倍數(shù)下孔喉動用特征

本次研究主要利用核磁共振成像巖心微觀驅(qū)替實驗，測量巖石中油和水中的氫原子核在磁場中具共振并產(chǎn)生信號特性。據(jù)氫原子在低場條件下衰減與弛豫時間關(guān)系，通過數(shù)學反演可快速獲得巖樣的含油飽和度等參數(shù)，廣泛應用于油田儲層評價、核磁測井和核磁巖屑錄井等領(lǐng)域[9-11]。G2-62-4井共完成4塊樣品核磁共振成像驅(qū)替實驗，樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。實驗以1.0 ml/min的驅(qū)替速度將標準鹽水驅(qū)替入巖心，每個PV下（0.3 PV、0.6 PV、1.0 PV、20.0 PV、30.0 PV、50.0 PV、80.0 PV）進行核磁共振T2譜測試及核磁共振不同方向切片成像。同時記錄出口端出油出水量，不再出油時結(jié)束實驗。核磁共振成像驅(qū)替不同階段信號量及剩余油飽和度見表3，核磁共振驅(qū)替過程的不同PV下T2弛豫時間譜及成像見圖3。

（1）據(jù)核磁T2譜數(shù)據(jù)和壓汞實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性，將核磁T2譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為巖石孔徑分布數(shù)據(jù)[12-13]。從核磁T2譜擴散系數(shù)分離油水相信號譜知巖心孔喉大小分段（圖3）：大孔喉（弛豫時間為大于200 ms，相當于孔徑大于10 μm）、中孔喉（弛豫時間為50～200 ms，相當于孔徑1～10 μm）、小孔喉（弛豫時間為1～50 ms，相當于孔徑0.01～1 μm）、微孔喉（弛豫時間為小于1 ms，相當于孔徑小于0.01 μm）。

（2）驅(qū)替前飽和油時，1#和27#樣品中含油飽和度信號量主要分布在大、中孔喉段（弛豫時間為50～700 ms），孔徑大于1 μm（圖3-a，b）;33#和50#樣品中含油飽和度信號量主要分布在大、中孔喉段（弛豫時間為50～800 ms），孔徑大于1 μm，和微孔喉段（弛豫時間為0.01～1 ms），孔徑小于0.01 μm（圖3-c，d）。

（3）水驅(qū)油過程中，驅(qū)替20 PV以前，大、中孔喉水驅(qū)效果較好，水驅(qū)過程中小、微孔喉的油也有動用，但下降幅度很小;驅(qū)替20 PV以后，主要是小、微孔喉的油被驅(qū)替出。經(jīng)驅(qū)替后剩余油主要分布在大、中孔喉段（弛豫時間為50～700 ms），其次分布在微孔喉（弛豫時間為0.1～1 ms），孔徑0.01～1 μm的小孔喉（弛豫時間為1～50 ms）剩余油分布較少。

2.2? 水驅(qū)過程中各孔徑剩余油飽和度變化分析

以27#樣品為例，分析各孔徑區(qū)間剩余油飽和度分布及水驅(qū)過程中的變化情況。

（1）針對飽和油巖石樣品，巖石剩余油飽和度隨注水開發(fā)進程不斷發(fā)生變化[14-15]。實驗表明，原油主要富集在1～50 μm大、中孔喉中，少量分布在0.01～1 μm小孔喉中，小于0.01 μm的微孔喉中剩余油飽和度偏高。

（2）在外加壓差作用下，油藏滲流主要發(fā)生在巖石儲層的大、中孔喉中。注水開發(fā)過程中，原油易被驅(qū)替，形成低剩余油飽和度[16]。在大于1 μm的中、大孔喉中，隨驅(qū)替倍數(shù)的增加，剩余油飽和度呈快速下降趨勢。在納米級微孔喉中，則出現(xiàn)完全不同現(xiàn)象。注水驅(qū)替初期，微孔喉中剩余油飽和度反而有一定幅度升高，飽和度一度超過10%。隨著驅(qū)替倍數(shù)的增加，剩余油飽和度有所回落，少量剩余油被驅(qū)替出，最終回到原始飽和狀態(tài)。實驗表明，儲層微細孔喉空間，孔喉連通性較差，原油滲流條件非常差，注入水難以高效驅(qū)替原油，是形成高剩余油飽和度的主要原因（圖4，5）。

3? 結(jié)論

（1） 數(shù)學物理推理認為，毛細管半徑與滲流流速呈平方級數(shù)關(guān)系。若兩孔隙毛細管半徑相差10倍，則儲層滲流速度會相差100倍。微觀滲流實驗表明，微觀孔喉的非均質(zhì)性越強，指進現(xiàn)象越嚴重，小孔喉分布區(qū)易形成剩余油滯留區(qū)。

（2） 孔喉動用直接影響微觀剩余油的分布。驅(qū)替20 PV以前，中、大孔喉的水驅(qū)效果較好，隨驅(qū)替倍數(shù)的增加，小孔喉的油少量動用。驅(qū)替20 PV以后，主要是小孔喉的油被驅(qū)替出。而小于0.01 μm的納米級微孔喉在注水初期含油飽和度反而微幅度升高，隨驅(qū)替倍數(shù)的增加又有所回落，最終回到原始狀態(tài)。

（3） 據(jù)實驗分析，認為水驅(qū)過程中不同巖樣、不同驅(qū)替階段、不同注水倍數(shù)水驅(qū)后剩余油分布情況是不同的。水驅(qū)油主要發(fā)生在中、大孔喉及部分小孔喉中，水驅(qū)對微孔喉中的剩余油無明顯驅(qū)替效果。

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