碳酸鹽巖油藏不同裂縫產(chǎn)狀巖心水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)及水驅(qū)規(guī)律

郭紅鑫，程林松，王 鵬，賈 品

（1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

碳酸鹽巖油藏儲量大，分布廣，單井日產(chǎn)油量 大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，碳酸鹽巖油藏油氣總產(chǎn)量約占全球油氣總產(chǎn)量的60%，全球單井日產(chǎn)油量超過1 000 t/d的油井主要來自碳酸鹽巖油藏。因此碳酸鹽巖油藏是全球油氣勘探開發(fā)的重要研究領(lǐng)域［1-3］。同時(shí)，碳酸鹽巖油藏廣泛發(fā)育各種產(chǎn)狀裂縫，這不僅加劇了儲層的非均質(zhì)性，并且導(dǎo)致出現(xiàn)注入水沿裂縫突進(jìn)、含水率上升快、油井產(chǎn)能差異大等開發(fā)矛盾［4-6］。因此，碳酸鹽巖裂縫產(chǎn)狀的研究對提高油氣產(chǎn)能具有重要意義［7］。

目前，研究碳酸鹽巖油藏水驅(qū)油機(jī)理及特征主要依賴于微觀孔喉、巖心尺度物理實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬方法：①微觀孔喉方法是通過可視化模型來研究碳酸鹽巖水驅(qū)油微觀機(jī)理。王璐等設(shè)計(jì)研制了裂縫型、孔洞型和縫洞型碳酸鹽巖可視化模型，重點(diǎn)研究了3 種儲層類型注水驅(qū)替時(shí)是否發(fā)生水竄、見水時(shí)間以及采出程度等［8］。對于廣泛發(fā)育裂縫的儲層，李雪嬌等借助微觀蝕刻玻璃模型，研究了體膨顆粒在縫洞中的堵水機(jī)理及卡封運(yùn)移規(guī)律［9］。對于縫洞型碳酸鹽巖油藏，借助微觀可視化技術(shù)，從微觀上觀察溶洞和裂縫的水驅(qū)油機(jī)理及耦合流動作用［10-11］。②巖心尺度物理實(shí)驗(yàn)方法是通過碳酸鹽巖的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析水驅(qū)特征，揭示巖心水驅(qū)油機(jī)理。蘇彥春等利用不同傾角裂縫巖心滲吸實(shí)驗(yàn)，得出巖心內(nèi)微裂縫發(fā)育程度越大，基質(zhì)滲吸采出程度越高［12］。另外，采用低礦化度水［13-14］、合理的注水壓力［15-16］以及注水速率［17］可以有效降低殘余油飽和度，提高采收率。廉培慶等分析了水平貫通縫巖心與基質(zhì)巖心相對滲透率曲線的差異，研究了帶縫巖心的應(yīng)力敏感情況，發(fā)現(xiàn)含裂縫的巖心應(yīng)力敏感更強(qiáng)［18］。③數(shù)值模擬方法是通過建立油藏?cái)?shù)值解的方式來研究裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖油藏水驅(qū)油機(jī)理。房娜等在不同裂縫發(fā)育程度下優(yōu)化周期注水參數(shù)，得到裂縫分布越不均勻，周期注水的間注時(shí)間相應(yīng)延長，注采比減?。?9］。對于注入水沿裂縫竄進(jìn)的現(xiàn)象，可以采用不穩(wěn)定注水的方式，增大水驅(qū)波及系數(shù)，抑制含水率增加［20-22］。郭小哲等建立了兩注一采正對水平井井網(wǎng)的數(shù)值模擬，定量刻畫高滲透層水流通道，并優(yōu)化高滲透層控水參數(shù)［23］。對于單縫洞的碳酸鹽巖油藏，楊前雄等利用數(shù)值模擬研究單相驅(qū)替時(shí)溶洞內(nèi)的流線分布，發(fā)現(xiàn)了溶洞內(nèi)流體流動的規(guī)律［24］。欽東科等利用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，分析碳酸鹽巖油藏地質(zhì)特征、開發(fā)生產(chǎn)動態(tài)等，進(jìn)而提出合理的開發(fā)建議［25-29］。以上從微觀尺度、巖心尺度和油藏尺度3方面研究了碳酸鹽巖油藏水驅(qū)油機(jī)理，但針對高角度縫和低角度縫、貫穿縫和非貫穿縫的水驅(qū)特征及水驅(qū)油機(jī)理研究較少。

為此，筆者通過制備不同裂縫產(chǎn)狀碳酸鹽巖巖心并開展巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，對比分析了不同裂縫產(chǎn)狀巖心的水驅(qū)油規(guī)律，總結(jié)提煉了水平貫穿縫巖心呈現(xiàn)三段式動用規(guī)律，分別從無水期、中低含水期和高含水期分析了每個(gè)階段的特征。針對水驅(qū)特征對比，分析了5種裂縫產(chǎn)狀巖心的見水規(guī)律、驅(qū)油效率、相對滲透率曲線等，提出了僅考慮裂縫的滲透率計(jì)算方法，解決了束縛水飽和度難統(tǒng)一的問題，對裂縫型碳酸鹽巖油藏注水開發(fā)具有指導(dǎo)借鑒意義。

1 不同裂縫產(chǎn)狀巖心制備及巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1.1 裂縫發(fā)育模式及典型特征抽提

目標(biāo)區(qū)塊為裂縫-孔隙型碳酸鹽巖油藏，裂縫較為發(fā)育，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)。該油藏發(fā)育各種產(chǎn)狀裂縫，其中低角度縫和水平縫占78.5%，斜交縫占8.8%，高角度縫占12.7%（圖1）。依據(jù)油藏發(fā)育的裂縫產(chǎn)狀類型，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基質(zhì)型、水平貫穿縫（裂縫傾角為0°）、低角度貫穿縫（裂縫傾角為15°）、低角度非貫穿縫（裂縫傾角為30°）和高角度非貫穿縫（裂縫傾角為75°）等5種類型巖心。

圖1 目標(biāo)區(qū)發(fā)育的各種產(chǎn)狀裂縫Fig.1 Various fracture occurrences in target area

1.2 人造碳酸鹽巖巖心制備

依據(jù)目標(biāo)區(qū)塊天然巖心孔滲資料制備人造碳酸鹽巖巖心（表1）。利用環(huán)氧樹脂將方解石砂和白云石砂制備成基質(zhì)型巖心，對于水平貫穿縫巖心，采用擠壓造縫，其余低角度縫和高角度縫均采用切割造縫（圖2）。

圖2 5種裂縫產(chǎn)狀巖心Fig.2 Cores with five types of fracture occurrences

表1 人造碳酸鹽巖巖心基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)計(jì)Table1 Basic parameter design of artificial carbonate core

1.3 不同裂縫產(chǎn)狀巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置主要有UPUMP-100 恒壓恒速驅(qū)替泵、2 L 中間容器、巖心夾持器、精密壓力表、高精度圍壓泵和分液管等。利用該裝置（圖3），實(shí)時(shí)記錄流體流量和壓力變化，探究不同裂縫產(chǎn)狀對水驅(qū)油特征的影響規(guī)律。基于實(shí)際油田區(qū)塊油水黏度比為1，為了達(dá)到動力相似，本實(shí)驗(yàn)保證了驅(qū)替液與模擬油的黏度比為1。實(shí)驗(yàn)?zāi)M油為無水煤油，利用品氏黏度計(jì)測量煤油黏度為2.3 mPa?s，采用丙三醇與水以1∶2.86 的體積比配制驅(qū)替液（以下簡稱水），使驅(qū)替液黏度也達(dá)到2.3 mPa?s。

圖3 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.3 Devices of core displacement experiment

巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①干巖心測量。采用電子天平稱取干巖心質(zhì)量，利用游標(biāo)卡尺測巖心長度和直徑，計(jì)算出巖心體積，同時(shí)利用氣體流量計(jì)測定干巖心的氣測滲透率。②飽和水。先用真空泵將巖心抽真空，再利用恒壓恒速驅(qū)替泵，以1 mL/min 的速度恒速注入水，待入口壓力穩(wěn)定（大約驅(qū)替3 h），計(jì)量1 min產(chǎn)水量，計(jì)算巖心水相滲透率。稱取飽和水后巖心的質(zhì)量，計(jì)算巖心的孔隙度。③油驅(qū)水，建立束縛水。以0.5 mL/min 的速度恒速注入油，待入口壓力穩(wěn)定（大約注入20 PV），記錄累積產(chǎn)水量，計(jì)算束縛水飽和度。計(jì)量1 min 產(chǎn)油量，計(jì)算油相滲透率。由于注入油易沿裂縫竄流，因此巖心充分飽和油較難，需要束縛水飽和度標(biāo)定來解決。④水驅(qū)油。以0.5 mL/min 的速度恒速注入水。從巖心出口端出油時(shí)開始記錄時(shí)間，同時(shí)需要記錄入口壓力、累積產(chǎn)油量和累積產(chǎn)液量。待巖心出口端出水時(shí)，需要記錄見水時(shí)間、見水時(shí)的累積產(chǎn)油量、累積產(chǎn)液量以及入口壓力。當(dāng)注入30 PV 后，測定殘余油飽和度下的水相滲透率，計(jì)算殘余油飽和度。

2 不同裂縫產(chǎn)狀巖心基礎(chǔ)滲流參數(shù)標(biāo)定

2.1 裂縫滲透率計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)利用氣體流量計(jì)測定不同裂縫產(chǎn)狀巖心的滲透率，該滲透率為基質(zhì)和裂縫共同作用的滲透率，結(jié)合理論計(jì)算方法，以確定純裂縫的滲透率。

以水平貫穿縫巖心為例，根據(jù)Hagen-Poiseuille方程，假設(shè)含有1條裂縫的巖石，并且假設(shè)裂縫為矩形的、平滑的、沒有任何填充物，則有：

結(jié)合（3）式和（4）式，得到不填充裂縫的滲透率與孔隙度的關(guān)系式為：

已知水平貫穿縫巖心裂縫高度hf，裂縫寬度ωf，將上述數(shù)據(jù)代入（4）式和（5）式中，計(jì)算得到未填充裂縫的滲透率K2。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用氣體流量計(jì)測得水平貫穿縫巖心氣測滲透率（基質(zhì)和裂縫共同作用的滲透率）K1，那么本實(shí)驗(yàn)所使用的水平貫穿縫巖心的填充裂縫的滲透率（僅考慮裂縫的滲透率）取值范圍為K1—K2。

2.2 束縛水飽和度處理方法

實(shí)驗(yàn)過程中，由于不同裂縫產(chǎn)狀巖心的滲透率差異大，使得飽和油后建立的束縛水飽和度差異較大，對驅(qū)油效率和相對滲透率曲線影響較大，因此要減小實(shí)驗(yàn)誤差，就得保證不同裂縫產(chǎn)狀的巖心具有相同的束縛水飽和度?？刹扇〉拇胧┲饕ǎ孩俨粩喔淖冿柡陀偷乃俣龋沟脦r心內(nèi)部達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)，油可以驅(qū)替小孔隙內(nèi)的水。②交換巖心的注入端和采出端，使得巖心整體束縛水飽和度均勻，并能驅(qū)替出更多的水。③大流量沖刷。暫時(shí)關(guān)閉巖心夾持器注入端，等壓力上升到一定值后，再打開開關(guān)，使其驅(qū)替出更多的水。通過以上措施，基本實(shí)現(xiàn)了不同裂縫產(chǎn)狀下飽和油后驅(qū)替出的水量一致，但也會有一定的差異，因此需通過理論的方式對束縛水飽和度進(jìn)行標(biāo)定，即確定相同的束縛水飽和度。根據(jù)實(shí)際測得的束縛水飽和度與標(biāo)定的束縛水飽和度差異，確定相應(yīng)的殘余油飽和度，這樣不同裂縫產(chǎn)狀巖心的相對滲透率曲線才具有可比性。束縛水飽和度的標(biāo)定，可以更清晰地對比不同裂縫產(chǎn)狀巖心的相對滲透率曲線中的殘余油飽和度、兩相區(qū)寬窄以及等滲點(diǎn)等。

2.3 不同裂縫產(chǎn)狀巖心滲流參數(shù)對比

通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，測定了不同裂縫產(chǎn)狀巖心的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）。較基質(zhì)型和非貫穿縫來說，貫穿縫可以大幅度提高巖心滲透率，增大殘余油飽和度，這是因?yàn)樨灤┛p作為巖心的主要滲流通道，提高了巖心整體的滲透率，但抑制了基質(zhì)的動用，使得基質(zhì)內(nèi)剩余油較多，驅(qū)油效率較低。同時(shí)，殘余油飽和度下的水相滲透率明顯小于水相滲透率和束縛水飽和度下的油相滲透率，因?yàn)闅堄嘤惋柡投认碌目蓜恿黧w范圍更小，大部分巖心孔隙被殘余油和束縛水占據(jù)，這些流體都是不可動流體，導(dǎo)致滲透率降低。

表2 不同裂縫產(chǎn)狀巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 Experimental data of cores with different fracture occurrences

從滲透率排序可以看出，在裂縫未貫穿巖心條件下，裂縫的存在及角度對巖心整體基礎(chǔ)滲流參數(shù)影響較小；裂縫貫穿巖心后，巖心整體滲透率大幅提升，殘余油飽和度增加。

3 不同裂縫產(chǎn)狀巖心水驅(qū)特征

3.1 含水率

從圖4 可以看出，水平貫穿縫巖心見水時(shí)間最早，低角度貫穿縫巖心次之；巖心裂縫傾角越小，見水時(shí)間越早。5 種裂縫產(chǎn)狀巖心含水率上升曲線均為凸型，即無水采油期短、含水率上升快、（特）高含水期長，巖心見水后含水率迅速增加到90%以上，其主因是水驅(qū)油過程中，巖心出口端見水后，即形成了竄流通道，在不改變注入速度的情況下，竄流通道一旦形成，較難波及到巖心內(nèi)部基質(zhì)，產(chǎn)油量小，甚至為0，而含水率將快速增加。

圖4 含水率隨注水量的變化關(guān)系Fig.4 Watercut varying with water injection volume

3.2 驅(qū)油效率

驅(qū)油效率是巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)評價(jià)驅(qū)替效果的重要指標(biāo)。對比5 種裂縫產(chǎn)狀巖心的驅(qū)油效率（圖5）可知，基質(zhì)型、高角度非貫穿縫和低角度非貫穿縫巖心的驅(qū)油效率最高且之間差異小，水平貫穿縫巖心驅(qū)油效率最低，僅為基質(zhì)型巖心驅(qū)油效率的50%。較水平貫穿縫巖心，低角度貫穿縫巖心驅(qū)油效率有所增幅，由于其雖為貫穿縫，但其裂縫更長，近縫基質(zhì)動用范圍大，驅(qū)油效率更高?；|(zhì)型巖心、非貫穿縫巖心（包括高角度非貫穿縫巖心和低角度非貫穿縫巖心）、貫穿縫巖心（包括低角度貫穿縫巖心和水平貫穿縫巖心）的無水驅(qū)油效率逐漸遞減（圖6），因?yàn)樵趲r心內(nèi)部，隨著裂縫傾角降低，水沿裂縫竄流現(xiàn)象更明顯，遠(yuǎn)縫基質(zhì)在見水前較難動用，并且見水時(shí)間更早，所以無水驅(qū)油效率低。

圖5 5種裂縫產(chǎn)狀巖心的驅(qū)油效率變化Fig.5 Oil displacement efficiency of cores with five types of fracture occurrences

圖6 無水驅(qū)油效率和最終驅(qū)油效率的變化Fig.6 Water-free oil displacement efficiency and final oil displacement efficiency

3.3 相對滲透率曲線

通過記錄巖心出口端實(shí)時(shí)的流體產(chǎn)出速率和驅(qū)替壓力，利用JBN 方法［30］，可以計(jì)算獲取油水兩相相對滲透率（圖7）。隨著裂縫影響增加（即裂縫傾角遞減），油（水）相對滲透率曲線下降（上升）加快，殘余油飽和度變大，水相相對滲透率增大，兩相區(qū)逐漸變窄。非貫穿縫巖心之間相對滲透率曲線變化差異小，貫穿縫巖心之間變化差異大。

圖7 5種裂縫產(chǎn)狀巖心相對滲透率的變化Fig.7 Relative permeability of cores with five types of fracture occurrences

4 不同裂縫產(chǎn)狀巖心水驅(qū)油規(guī)律

4.1 不同的動用階段

3 組不同滲透率的水平貫穿縫巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)完成后，對驅(qū)替壓力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，水平貫穿縫巖心的壓力曲線呈三段式特征（圖8）。其中，第Ⅰ階段定義為同步動用階段，該階段驅(qū)替壓力較高，可動用巖心注入端基質(zhì)和裂縫。第Ⅱ階段定義為近縫基質(zhì)動用階段，該階段流體沿裂縫竄流，導(dǎo)致驅(qū)替壓力有所下降，同時(shí)，水會從裂縫側(cè)面擴(kuò)展到近縫基質(zhì)，導(dǎo)致部分近縫基質(zhì)被動用。第Ⅲ階段定義為裂縫竄流階段，驅(qū)替后期大部分注入水沿裂縫竄進(jìn)，僅單相水流動，驅(qū)替壓力較低，此時(shí)巖心整體動用范圍表現(xiàn)為從入口端到出口端的子彈型分布。

圖8 水平貫穿縫巖心驅(qū)替壓力變化Fig.8 Displacement pressures of core with horizontal through fractures

4.2 不同的含水階段

根據(jù)無水期、中低含水期和高含水期等不同含水階段來分析碳酸鹽巖巖心水驅(qū)油規(guī)律（圖9），其特征［31］主要包括：①無水期。該階段為水驅(qū)油階段，主要?jiǎng)佑昧芽p及近縫基質(zhì)，驅(qū)油動力為巖心兩端的驅(qū)替壓差，驅(qū)油效率較高，為主要的驅(qū)油階段，也是油田開發(fā)過程的高產(chǎn)階段，決定了油田的開發(fā)效益。②中低含水期。該階段是水驅(qū)油到自吸排油的過渡階段。巖心實(shí)驗(yàn)中，一旦出口端見水，含水率迅速上升，導(dǎo)致中低含水期較短，產(chǎn)油量迅速下降，甚至為0。③高含水期。該階段是遠(yuǎn)縫基質(zhì)的自吸排油階段，主要?jiǎng)佑眠h(yuǎn)縫基質(zhì)，驅(qū)油動力為毛細(xì)管力，驅(qū)油效率較低。該階段是油田開發(fā)過程的低產(chǎn)階段，但維持時(shí)間較長。

圖9 不同裂縫產(chǎn)狀巖心驅(qū)油效率與含水率的關(guān)系Fig.9 Relationship between oil displacement efficiency and water cut of cores with different fracture occurrences

5 礦場應(yīng)用

提液措施是油田進(jìn)入中高含水期后減緩產(chǎn)量遞減的一種重要方法，但提液措施需要確定最佳的提液時(shí)機(jī)。根據(jù)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)得到的相對滲透率曲線（圖7），結(jié)合實(shí)際油田的原油黏度和體積系數(shù)等流體物性資料，并利用無因次采液指數(shù)和無因次采油指數(shù)公式［32］，即可得到無因次采液、無因次采油指數(shù)曲線（圖10）。從圖10中可知，隨著含水率的增加，5 種裂縫產(chǎn)狀巖心無因次采液指數(shù)變大且后期增幅較大；且在相同的含水率下，裂縫傾角越小，無因次采油指數(shù)越小。由于提液時(shí)機(jī)一般選擇在無因次采油指數(shù)遞減較緩且無因次采液指數(shù)快速增加之前，所以該目標(biāo)區(qū)塊的提液時(shí)機(jī)在含水率為20%～80%；同時(shí)，根據(jù)不同裂縫產(chǎn)狀巖心含水率與驅(qū)油效率曲線，可以分析目標(biāo)區(qū)塊注水開發(fā)的水驅(qū)特征，并繪制水驅(qū)特征曲線。在實(shí)際油田中，水平縫和低角度縫加劇了儲層的非均質(zhì)性，導(dǎo)致剩余油較多，且難以實(shí)現(xiàn)有效動用。而高角度縫對儲層非均質(zhì)性的影響有限，既可以一定程度上提高儲層滲透率，也可以保持較高的采出程度。

圖10 目標(biāo)區(qū)塊無因次采液、無因次采油指數(shù)的變化Fig.10 Indexes of dimensionless liquid production and oil production in target area

6 結(jié)論

通過對比不同裂縫產(chǎn)狀碳酸鹽巖巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)并開展礦場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)貫穿縫在大幅度提高滲透率的同時(shí)，也會導(dǎo)致殘余油飽和度增大。貫穿縫巖心見水時(shí)間早、無水驅(qū)油效率和最終驅(qū)油效率較低。隨著裂縫影響增加，油（水）相相對滲透率曲線下降（上升）加快，殘余油飽和度變大，水相相對滲透率增大，兩相區(qū)逐漸變窄。其中，水平貫穿縫巖心的動用過程分為同步動用階段、近縫基質(zhì)動用階段和裂縫竄流階段3 個(gè)階段。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，無水期為水驅(qū)油階段，驅(qū)油效率高；中低含水期為水驅(qū)油到自吸排油的過渡階段，產(chǎn)油量迅速下降；高含水期為自吸排油階段，驅(qū)油效率低，無水期和高含水期是巖心主要的驅(qū)油階段。同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)氣測滲透率和Hagen-Poiseuille 方程，得到僅考慮填充裂縫的滲透率計(jì)算方法；通過3 方面的實(shí)驗(yàn)手段以及束縛水飽和度標(biāo)定，減小了束縛水飽和度差異帶來的誤差，使結(jié)果更準(zhǔn)確。

符號解釋

A——巖石截面積，cm2；

hf——裂縫高度，cm；

K——裂縫滲透率，1011mD；

K1——?dú)鉁y滲透率，1011mD；

K2——未填充裂縫的滲透率，1011mD；

L——裂縫長度，cm；

Δp——裂縫兩端壓差，kPa；

q——裂縫內(nèi)流量，m3/s；

μ——流體黏度，mPa?s；

?——裂縫孔隙度；

ωf——裂縫寬度，cm。