特低滲透與中高滲透巖心潤濕性對水驅特性影響的差異

馮雪鋼，岳湘安，安維青，鄒積瑞

（1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

儲層潤濕性對水驅油效率的影響一直以來是石油開采領域備受關注的熱點問題，其基本規(guī)律的認識在長期研究中逐漸清晰。KYTE 等利用實際儲層巖心進行水驅實驗，發(fā)現(xiàn)強水濕巖心水驅油效率高于中等潤濕巖心［1］。部分學者對中等潤濕（或弱水濕）巖心與強水濕巖心水驅油效率差異進行對比，得到與KYTE 一致的實驗結果［2-7］。據此傳統(tǒng)主流觀點認為在中等潤濕（或弱水濕）至強水濕范圍，儲層親水性越強，水驅油效率越高。RATHMELL 等得到了不同的實驗結果，即中等潤濕巖心水驅油效率明顯高于強水濕巖心［8-9］。筆者認為導致這2 種看似矛盾認識的原因是受當時實驗條件所限，關鍵是實驗用巖心的潤濕性無法準確控制，評價巖心潤濕性的指標參數尚未實現(xiàn)統(tǒng)一量化和精確測量，所使用親水和強水濕的概念實際上均為很寬的潤濕性范圍。MORROW 等采用原油浸泡方法制作潤濕指數（WI）為-0.48～0.88 的巖心進行水驅實驗，首次提出從油濕到水濕范圍內水驅油效率隨潤濕指數變化的非單調相關規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水驅油效率峰值對應的臨界潤濕指數在0 附近（中等潤濕至弱水濕）［10-11］。大量實驗結果驗證了水驅油效率與潤濕指數的非單調相關規(guī)律［12-16］，并確定水驅油效率峰值對應的臨界潤濕指數約為0.2（弱水濕）［17］。

以往有關潤濕性對水驅油效率影響的研究，多數以中高滲透油藏為對象，實驗用巖心的滲透率為100～2 000 mD［3-11］。僅有少數學者進行了低滲透巖心潤濕性對水驅油效率影響的實驗［18-19］，所得定性結果與高滲透巖心一致，中等潤濕或弱水濕低滲透巖心水驅油效率高于親水性和親油性低滲透巖心［18-20］。而大量開采實踐表明低（特低）滲透油藏水驅特征及效果與中高滲透油藏具有明顯差異，其中低（特低）滲透油藏潤濕性對水驅特性的影響與中高滲透油藏是否存在差異，迄今尚未見相關研究。為此，筆者應用巖心潤濕性模擬專利技術［21-22］，制作潤濕指數為-0.7～0.7 的巖心，開展特低滲透巖心和中高滲透巖心水驅油的對比實驗，探討特低滲透與中高滲透巖心的潤濕性對水驅特性影響的主要差異，以期為特低滲透油藏的開采技術提供依據。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

設計潤濕指數分別為0.7，0.4，0.1，-0.4 和-0.7的強水濕、弱水濕、中等潤濕、弱油濕和強油濕均質巖心（表1），其中1?！?＃巖心滲透率屬中高滲透率，約為200 mD；6?！?0＃巖心滲透率屬特低滲透率，約為2 mD。

表1 巖心基本參數Table1 Basic core parameters

實驗用油為中國某油田脫氣脫水原油與煤油配制而成，原油黏度為1.8 mPa·s。實驗用水為某油田模擬地層水，總礦化度為12 875 mg/L；Mg2+，Ca2+，Na+和Cl-質量濃度分別為201.31，334.26，4 526.75和7 813.34 mg/L。實驗溫度為50 ℃。實驗儀器包括恒溫箱、巖心驅替裝置和雙缸泵等。

1.2 實驗方法

水驅實驗具體步驟包括：①對巖心抽真空4～6 h，飽和地層水并測定孔隙體積和孔隙度。②實驗用油及巖心在50 ℃的恒溫箱中恒溫4 h。③飽和原油，計算含油飽和度。④以0.5 m/d的注入速度進行水驅（圖1），水驅至沒有原油產出且累積注入2 PV的水時結束，記錄水驅油過程中壓力和含水率并計算水驅油效率。

圖1 水驅實驗裝置Fig.1 Devices for waterflooding experiment

2 實驗結果與分析

2.1 不同巖心潤濕性對含水特性影響的差異

通過水驅實驗獲得3種潤濕指數的特低滲透和中高滲透巖心的含水率，由圖2 可以看出含水率隨著注入量的增加先快速上升后趨于穩(wěn)定。特低滲透與中高滲透巖心的潤濕性對含水特性影響的差異由與含水率相關的3 個特征值來分析：一是表征水驅油過程中含水率上升快慢的平均含水上升速率；二是表征水驅前緣突破速度快慢的水驅前緣突破注入量；三是表征特高含水期開采時間的特高含水期注入量。

圖2 不同潤濕性巖心含水率隨注入量的變化Fig.2 Variation of water cut of cores with different wettability with injection volume

2.1.1 平均含水上升速率

依據實測含水率可計算平均含水上升速率，其表達式為：

其中：

為統(tǒng)一對比標準，所有巖心水驅實驗計算平均含水上升速率的注入量上限值取1.0 PV。由圖3 可以看出，潤濕性對特低滲透和中高滲透巖心平均含水上升速率影響趨勢相似，中等潤濕（WI=0.1）巖心的平均含水上升速率低于強水濕（WI=0.7）和強油濕（WI=-0.7）巖心；巖心潤濕性越偏離中等潤濕，即潤濕指數的絕對值越大，平均含水上升速率越大。潤濕性對特低滲透巖心平均含水上升速率的影響幅度與中高滲透巖心差異較大。特低滲透巖心潤濕性對平均含水上升速率的影響幅度較小，僅為3.4%。中高滲透巖心潤濕性對平均含水上升速率的影響幅度較大，高達21.5%。中等潤濕特低滲透巖心的平均含水上升速率遠高于中高滲透巖心，這一現(xiàn)象與實際油藏水驅開采特性一致。

圖3 潤濕性對平均含水上升速率的影響Fig.3 Effect of wettability on rising rate of average water cut

2.1.2 水驅前緣突破注入量

潤濕指數對特低滲透和中高滲透巖心的水驅前緣突破注入量影響趨勢一致（圖4）：中等潤濕巖心的水驅前緣突破注入量高于強水濕和強油濕巖心；巖心潤濕性越偏離中等潤濕，即潤濕指數絕對值越大，水驅前緣突破注入量越小，水驅前緣突破速度越快。由此推斷，特低滲透和中高滲透均質油藏，在不考慮其他因素的條件下，親油性和親水性越強，水驅前緣突破速度越快。潤濕指數為-0.7～0.7時，特低滲透巖心的水驅前緣突破注入量均明顯低于中高滲透巖心，即特低滲透油藏水驅前緣突破速度明顯高于中高滲透油藏。

圖4 潤濕性對水驅前緣突破注入量的影響Fig.4 Influence of wettability on breakthrough injection volume of waterflooding front

2.1.3 特高含水期注入量

按照通常的劃分標準，含水率高于90%的開采階段為特高含水期。在相同注入速度條件下，以巖心水驅實驗含水率為90%～98%時的注水量即特高含水期注入量可作為特高含水期開采時間的表征參數。由圖5 可見，特低滲透巖心潤濕性對特高含水期注入量影響的趨勢與中高滲透巖心差異較大，中高滲透巖心的特高含水期注入量與潤濕指數呈明顯的凸型非單調相關性，而特低滲透巖心特高含水期注入量與潤濕指數呈單調遞增關系。

圖5 潤濕性對特高含水期注入量的影響Fig.5 Influence of wettability on injection volume in ultra-high water cut period

特低滲透巖心潤濕性對特高含水期注入量的影響幅度較小，從強油濕至強水濕，特高含水期注入量增加了0.2 PV；中高滲透巖心潤濕性對特高含水期注入量的影響幅度較大，潤濕指數為-0.7～0.7時，影響幅度高達196.7%。實驗結果表明，中高滲透中等潤濕巖心水驅油過程中特高含水期開采時間較長，而特低滲透中等潤濕巖心水驅的特高含水期開采時間較短。這與特低滲透油藏和中高滲透油藏水驅開采特性一致。

2.2 不同巖心潤濕性對水驅壓力梯度影響的差異

特低滲透和中高滲透巖心水驅油過程中實測壓力梯度隨著注入量的增加先升高到峰值再下降并趨于平緩（圖6），變化曲線有2 個典型特征值：一是水驅峰值壓力梯度即整個水驅油過程中的最大壓力梯度；二是水驅平衡壓力梯度即水驅至殘余油飽和度狀態(tài)的壓力梯度平穩(wěn)值。特低滲透巖心潤濕性對水驅壓力梯度的動態(tài)特征，特別是對水驅平衡壓力梯度的影響規(guī)律和幅度與中高滲透巖心有明顯的差異。

圖6 水驅壓力梯度隨注入量的變化Fig.6 Variation of waterflooding pressure gradient with injection volume

由表2可以看出特低滲透和中高滲透巖心的水驅峰值壓力梯度隨著巖心親水性的增強而降低；潤濕性對特低滲透巖心水驅峰值壓力梯度影響較小，強油濕巖心的水驅峰值壓力梯度比強水濕巖心高5%；潤濕性對中高滲透巖心水驅峰值壓力梯度影響較大，強油濕巖心的水驅峰值壓力梯度比強水濕巖心高32%。

表2 不同潤濕性巖心的水驅峰值壓力梯度和水驅平衡壓力梯度Table2 Peak waterflooding pressure gradient and equilibrium waterflooding pressure gradient of cores with different wettability

潤濕性對特低滲透巖心水驅平衡壓力梯度的影響較大，潤濕性越偏離中等潤濕，水驅平衡壓力梯度越高；特低滲透強油濕巖心的水驅平衡壓力梯度比中等潤濕巖心高30%，強水濕巖心的水驅平衡壓力梯度比中等潤濕巖心高12%。中高滲透巖心在強油濕至中等潤濕區(qū)間，潤濕性對水驅平衡壓力梯度的影響較明顯，增幅為25%；而在中等潤濕至強水濕區(qū)間，潤濕性對中高滲透巖心水驅平衡壓力梯度的影響不明顯，增幅僅為4%。

2.3 不同巖心潤濕性對采油特性影響的差異

特低滲透與中高滲透巖心的水驅油效率隨著注入量的增加先快速上升后趨于平衡，3 種不同潤濕性巖心的水驅油效率變化曲線在形態(tài)和高度上均存在著差異（圖7）。

圖7 水驅油效率隨注入量的變化Fig.7 Variation of oil displacement efficiency with injection volume

結合含水率、注入量以及水驅油效率可得到3個特征值來分析特低滲透與中高滲透巖心潤濕性對采油特性影響的差異：一是無水驅油效率即含水率為0 的無水開采期內，水驅前緣突破注入量對應的水驅油效率；二是特高含水期采油量占比即含水率大于90%的特高含水期內，采油量在總采油量中所占的比例；三是極限驅油效率即含水率達到100%的水驅油效率。

2.3.1 無水驅油效率

特低滲透和中高滲透巖心潤濕性對無水驅油效率影響（圖8）具有相似趨勢：中等潤濕巖心的無水驅油效率高于強水濕和強油濕巖心；巖心潤濕性越偏離中等潤濕，即潤濕指數的絕對值越大，無水驅油效率越小。可見特低滲透和中高滲透均質油藏，潤濕性越趨近中等潤濕，無水驅油效率越高。潤濕指數為-0.7～0.7 時，特低滲透巖心的無水驅油效率均明顯低于中高滲透巖心，即強油濕、中等潤濕和強水濕特低滲透油藏的無水驅油效率明顯低于中高滲透油藏。

圖8 潤濕性對無水驅油效率的影響Fig.8 Influence of wettability on water-free oil displacement efficiency

2.3.2 特高含水期采油量占比

特低滲透和中高滲透且潤濕指數接近于0的巖心特高含水期采油量占比均低于強油濕和強水濕巖心（圖9）。特低滲透和中高滲透均質油藏，在不考慮其他因素的條件下，潤濕性越偏離中等潤濕，特高含水期采油量占比越高。

圖9 潤濕性對特高含水期采油量占比的影響Fig.9 Influence of wettability on percentage of oil production at ultra-high water cut stage

2.3.3 極限驅油效率

潤濕性對特低滲透和中高滲透巖心水驅極限驅油效率的影響（圖10）具有相似趨勢：中等潤濕巖心極限驅油效率最高；強水濕和強油濕巖心的極限驅油效率明顯低于中等潤濕巖心。潤濕性對特低滲透巖心極限驅油效率影響幅度與中高滲透巖心差異較大。特低滲透巖心潤濕性對極限驅油效率的影響幅度較大，中等潤濕與強油濕相比，極限驅油效率相對增幅為44.4%。中高滲透巖心潤濕性對極限驅油效率的影響幅度較小，中等潤濕與強油濕相比，極限驅油效率相對增幅僅為17.4%。由此可見，潤濕性對特低滲透油藏水驅油效率的影響比中高滲透油藏更加敏感。在特低滲透油藏實現(xiàn)潤濕性從油濕向中等潤濕轉變，提高水驅油效率的潛力遠大于中高滲透油藏。

圖10 潤濕性對極限驅油效率的影響Fig.10 Influence of wettability on ultimate oil displacement efficiency

3 結論

特低滲透和中高滲透巖心的潤濕性越偏離中等潤濕，水驅前緣突破速度越快，平均含水上升速率越大；潤濕性對特低滲透巖心影響幅度遠高于中高滲透巖心。弱水濕特低滲透巖心的特高含水期開采時間比弱水濕中高滲透巖心短；潤濕性對中高滲透巖心特高含水期開采時間的影響幅度遠大于特低滲透巖心；潤濕性對特低滲透巖心水驅平衡壓力梯度的影響較大，潤濕性越偏離中等潤濕水驅平衡壓力梯度越高；潤濕性對中高滲透巖心水驅平衡壓力梯度的影響不明顯。

特低滲透和中高滲透均質油藏潤濕性越偏離中等潤濕，無水驅油效率和極限驅油效率越低，特高含水期采油量占比越高。潤濕性對特低滲透油藏水驅油效率的影響比中高滲透油藏更加敏感；特低滲透油藏潤濕性從油濕向中等潤濕轉變，提高水驅油效率的潛力遠大于中高滲透油藏。

符號解釋

fw——含水率，%；

I——注入量，PV；

I0——某一個特定的注入量，PV；

Vw——平均含水上升速率，%；

WI——潤濕指數，無量綱。