王瑞飛，呂新華，國殿斌

(1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安，710065；2.中石化 中原油田分公司，河南 濮陽，457001)

深層高壓低滲透砂巖油藏屬于低滲透油藏范疇，但又有別于常規(guī)低滲透油藏。該類油藏儲層埋藏深、高溫、高壓，開發(fā)中注水壓力高，地層壓力下降幅度大，見水后采液指數(shù)、采油指數(shù)下降快[1?3]。以往低滲油藏驅(qū)替研究都是以常壓油藏為研究對象[4?9]，對于深層高壓低滲油藏的驅(qū)替問題研究較少。為改善該類油藏的開發(fā)效果、提高水驅(qū)采收率，根據(jù)深層高壓低滲油藏注水較為困難的現(xiàn)狀，以東濮凹陷文南深層高壓低滲砂巖油藏為研究對象，在室內(nèi)進行水驅(qū)油、氮氣驅(qū)油實驗以探討該類油藏的驅(qū)替特征及影響因素。

1 實驗

1.1 實驗簡介

實驗用油為現(xiàn)場脫水原油，黏度為 4.19 mPa·s。為避免產(chǎn)生水敏，飽和巖心以及水驅(qū)油過程均用礦化度為30×104mg/L的NaCl水溶液。實驗溫度為70 ℃。實驗巖心取自東濮凹陷文南深層高壓低滲砂巖油藏。實驗方法及實驗裝置采用巖石中兩相相對滲透率測定方法(SY/T 5345—2007)中的非穩(wěn)態(tài)法測定油水相對滲透率及開展水(氣)驅(qū)油驅(qū)替實驗，主要實驗設(shè)備由巖心夾持器、循環(huán)泵、壓力傳感器、油水分離器及定值器等組成[10]。

按模擬條件，在油藏巖樣上進行恒速(水驅(qū))或恒壓(氣驅(qū))驅(qū)油實驗。水驅(qū)油實驗中，驅(qū)替速度分別為0.5，0.8，1.0和1.2 mL/min，凈覆壓力分別為2，10和20 MPa。巖樣出口端記錄每種流體的產(chǎn)量和巖樣兩端壓力差隨著時間的變化，整理實驗數(shù)據(jù)、繪制相對滲透率曲線、計算驅(qū)油效率和采收率。

基于國內(nèi)缺少CO2及烴類氣源的現(xiàn)狀，氣驅(qū)實驗中采用氮氣驅(qū)(氣源充足、成本低)。實際地下油藏開發(fā)時考慮用氮氣驅(qū)及水/氮氣交替驅(qū)的方法。

1.2 實驗步驟

室內(nèi)驅(qū)替實驗過程：(1)將巖心抽真空飽和NaCl水溶液，計算飽和水量及孔隙體積。(2)用原油驅(qū)替含水巖心，不再出水時計量驅(qū)出的水量，計算束縛水飽和度和油相滲透率。(3)水(氮氣)驅(qū)油，用NaCl水溶液(氮氣)驅(qū)替含油巖心，驅(qū)替時以恒速(水驅(qū))或恒壓(氣驅(qū))的方式進行。驅(qū)替開始前，在巖樣入口建立一定的壓力(壓力差小于測油相滲透率時的壓力差)。記錄見水(氣)前的油、水量(油、氣量)以及注入壓力差和驅(qū)替時間，記錄見水(氣)時的累積產(chǎn)油量、累積產(chǎn)液量、巖樣兩端的壓力差及驅(qū)替時間。(4)當不再出油時，測定水相(氣相)滲透率，結(jié)束實驗。

1.3 實驗結(jié)果

選擇低滲、特低滲巖心樣品共5塊，按上述方法進行水(氣)驅(qū)油實驗。實驗數(shù)據(jù)整理如表1和2所示。

表1 水驅(qū)油實驗數(shù)據(jù)Table 1 Testing datasheet of water flooding experiment

表2 氮氣驅(qū)油實驗數(shù)據(jù)Table 2 Testing datasheet of N2 flooding experiment

2 驅(qū)替特征

實驗中，水驅(qū)油采用束縛水狀態(tài)下的油相滲透率作為基準滲透率，氣驅(qū)油采用氣驅(qū)結(jié)束后的氣體滲透率作為基準滲透率。由實驗數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的相對滲透率曲線及采收率曲線如圖1所示。水(氣)驅(qū)油驅(qū)替特征如下：

(1)由圖1(a)和圖1(b)可見：隨巖心物性變好，兩相共滲區(qū)變寬，曲線變緩且兩相交叉點右移。水驅(qū)中交叉點分布相對集中，5塊樣品中有4塊樣品交叉點含水飽和度(Sw)在 50%～53%(質(zhì)量分數(shù))，滲透率最低的樣品交叉點Sw略小于50%。相對于水驅(qū)的水相相對滲透率(Krw)，氣驅(qū)的氣相相對滲透率(Krg)更為發(fā)散。這表明氣驅(qū)容易發(fā)生氣竄，其驅(qū)替效果較水驅(qū)差。

(2)由圖1(c)可見：同一巖樣無水采收率高于無氣采收率。不同物性巖心的氣體平衡飽和度(氣驅(qū)時，氣體開始流動的最小飽和度)均很低(3%～5%)，無氣采收率也很低(4%～9%)。無水采收率隨滲透率(K)的增大而增大，無氣采收率隨K的增大而減小至某一恒定值不變。

(3)由圖1(d)可見：不論氣驅(qū)還是水驅(qū)，采收率(ER)均隨著K的增大而增大，氣驅(qū)采收率(ERg)變化范圍小(40.6%～53.2%)，水驅(qū)采收率(ERw)變化范圍大(35.9%～61.5%)。不同巖樣ERg和ERw有差異。特低滲巖心ERw低于ERg，而低滲以上物性巖心ERw高于ERg。這與相對滲透率曲線相吻合(隨驅(qū)替相飽和度的增加，氣相流動能力強，氣相相對滲透率曲線發(fā)散)。

分析水、氣驅(qū)油實驗中驅(qū)替特征的差異。低滲及低滲以上儲層，水、油流度比遠小于氣、油流度比且水比氣更能潤濕巖石，水能滲入細小喉道，故ERw高于ERg[11?13]。特低滲儲層，由微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究可知：其喉道細小且小喉道數(shù)量多，毛管力作用較強，束縛水飽和度高，水驅(qū)油時注入水易沿孔隙內(nèi)表面水膜突進形成卡斷，驅(qū)油效率較低[14?16]；氣驅(qū)時，因特低滲巖心大孔道比例小，突進現(xiàn)象不明顯，細小孔道氣驅(qū)較為充分，因此，ERg高于ERw。氣體(N2)和液體(NaCl水溶液)雖同屬于流體，但二者的低速滲流規(guī)律差異大。液體需要克服液?固吸附阻力才能流動，儲層視滲透率(Ka)減小。氣體因滑脫效應(yīng)而附加了一種滑脫動力，儲層Ka增大，更易流動。

圖1 水驅(qū)及氮氣驅(qū)實驗結(jié)果Fig.1 Experiment results of water flooding and N2 flooding

基于以上分析，對于水驅(qū)開發(fā)適應(yīng)性差的特低滲透砂巖油藏可以考慮進行氮氣驅(qū)(或氮氣/水交替驅(qū))以改善開發(fā)效果、提高原油采收率。

3 驅(qū)替特征影響因素

3.1 驅(qū)替速度

油水相對滲透率曲線是水驅(qū)油微觀驅(qū)替機理的綜合體現(xiàn)。油、水滲流具有啟動壓力的現(xiàn)象，水驅(qū)油的微觀驅(qū)替機理及表現(xiàn)形式受驅(qū)替壓力(驅(qū)替速度)的影響。因此，驅(qū)替速度影響油水兩相在孔隙中的運動規(guī)律，影響含水上升規(guī)律及驅(qū)油效率。低滲、特低滲巖心不同驅(qū)替速度下的油水相對滲透率曲線如圖2所示。

圖3 驅(qū)替速度與驅(qū)油效率及無水采收率的關(guān)系Fig.3 Relative curves between displacement efficiency,coarse oil recovery and displacement rate

(1)低滲樣品(圖2(a))：不同驅(qū)替速度油相相對滲透率(Kro)中間區(qū)域呈規(guī)律性發(fā)散，兩端區(qū)域收斂；Krw在低含水飽和度區(qū)域呈規(guī)律性發(fā)散，在高含水飽和度區(qū)域基本平行向上。說明K越高，一定程度提高驅(qū)替速度有利于提高驅(qū)替效果。

(2)特低滲樣品(圖2(b))：不同驅(qū)替速度下Krw發(fā)散程度高于Kro，在高含水飽和度區(qū)域更為明顯。說明Sw越高，不同孔道中水滲流的差異越大。不同驅(qū)替速度下Kro隨著Sw的增加有逐漸收斂的趨勢，說明油相滲流能力減弱。在最高驅(qū)替速度下，油水相對滲透率曲線具有親油的特征(油相滲流能力弱)。

圖2 不同驅(qū)替速度的油水相對滲透率曲線Fig.2 Relative permeability curves with various displacement rates

分析驅(qū)油效率與驅(qū)替速度的關(guān)系(圖3)，隨著K的增大，驅(qū)油效率增大，不同驅(qū)替速度均有這一特征。這也說明水驅(qū)油以驅(qū)替機理為主，即沿孔道中心驅(qū)替原油。不同物性巖心驅(qū)替速度對驅(qū)油效率(或無水采收率)的影響不同：(1)對于特低滲樣品，存在一最佳驅(qū)替速度。實驗驅(qū)替速度為0.8 mL/min時，水驅(qū)油效率(或無水采收率)最高。表明特低滲巖心在這一驅(qū)替速度下剝蝕機理與驅(qū)替機理能夠形成有機結(jié)合，剝蝕掉的原油能及時被驅(qū)走。(2)實驗速度范圍內(nèi)，低滲巖心驅(qū)油效率(或無水采收率)隨驅(qū)替速度的增大而增大，這與巖心孔道分布有關(guān)。隨驅(qū)替速度的增大，注入水沿大孔道中心部位突進，油流在喉道處卡斷形成液阻效應(yīng)。油珠與喉道配合較好，大孔道油水滲流阻力增加，迫使注入水的一部分沿較小孔道驅(qū)油，形成連續(xù)驅(qū)替。不論何種巖心，建立適宜的驅(qū)替速度可改善水驅(qū)驅(qū)替效果[17?20]。

3.2 凈覆壓

研究表明：微觀孔隙結(jié)構(gòu)是影響驅(qū)替效果的主要因素[21]，深層高壓低滲砂巖油藏儲層因存在較大的凈覆壓力致使驅(qū)替過程中孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。水驅(qū)油實驗時，巖心夾持器加圍壓以模擬實際地層凈覆壓。圖4所示為凈覆壓條件下的相對滲透率曲線及驅(qū)替效果。由圖4可知：隨著凈覆壓的增加，相對滲透率曲線兩相滲流區(qū)略有減小，說明凈覆壓增大不利于水驅(qū)替原油。隨著凈覆壓的增大，驅(qū)油效率、無水采收率均相應(yīng)減??；驅(qū)油效率及無水采收率減小幅度隨著K的減小而增大。低滲儲層孔喉系統(tǒng)中細小喉道數(shù)量多，凈覆壓增加時，喉道變小，無效喉道比例增加，孔喉系統(tǒng)中不可動油比例也隨之增加，驅(qū)油效率、無水采收率相應(yīng)減小。這也從另一個角度說明低滲油藏原油可動用程度低，地層壓力虧空越大(凈覆壓越大)，原油可動用程度越差[22?25]。

3.3 兩相啟動壓力梯度

氣(水)驅(qū)油時，兩相流體相互干擾使各相的相滲透率及啟動壓力梯度均有變化，這必然影響驅(qū)替效果。氣(水)驅(qū)中，未見氣(水)階段，兩相啟動壓力梯度是單相原油的啟動壓力梯度。見氣(水)后，油、氣(水)按各自的滲流規(guī)律流動。將油、氣(水)相對滲透率轉(zhuǎn)換成各自的相滲透率，再根據(jù)油和氣(水)的啟動壓力梯度規(guī)律分別計算出兩相流動時各相的啟動壓力梯度(圖5)。

圖4 凈覆壓條件下的相對滲透率曲線及驅(qū)替效果Fig.4 Relative permeability curves and displacement effect with effective overburden pressure

圖5 兩相啟動壓力梯度Fig.5 Start-up pressure gradient of two phases

3.3.1 油氣兩相啟動壓力梯度

圖5所示為兩相啟動壓力梯度。由圖5(a)可見：見氣后，氣相啟動壓力梯度(λg)急劇減小，油相啟動壓力梯度(λo)增大，λg變化幅度遠大于λo變化幅度。隨著Sg的增加，λg呈指數(shù)規(guī)律減小，λo呈指數(shù)規(guī)律增大。隨著Sg的進一步增加，λo偏離規(guī)律而急劇增大。相同壓差下，氣相滲流相對更容易。因此，高氣油比時氣驅(qū)階段較長是氣驅(qū)油的顯著特征。氣驅(qū)后期，λo急劇增大，因孔喉的非均質(zhì)性影響，部分細小孔道中的原油在同一驅(qū)動壓力梯度下不能流動。因此，ERg較低。

3.3.2 油水兩相啟動壓力梯度

由圖5(b)可見：見水后，水相啟動壓力梯度(λw)、λo開始發(fā)散，λw逐漸減小，λo逐漸增大。水驅(qū)后期λo和λw均偏離指數(shù)規(guī)律。見水后，兩相啟動壓力梯度的規(guī)律性變化導(dǎo)致同一驅(qū)動壓力梯度下水油比呈規(guī)律性上升。水驅(qū)后期因λo急劇增大、λw急劇減小致使水油比規(guī)律遭到破壞。儲層中更細小孔道的原油不能流動，而水的流動加劇。提高驅(qū)替壓力，雖可部分提高細小孔道的原油動用程度，但因水更容易流動，水油比急劇上升，故水驅(qū)后期強水洗階段驅(qū)油效率急劇降低。

在儲層非均質(zhì)性較強的砂巖油藏中因兩相啟動壓力梯度的存在必將使部分細小孔道的原油得不到有效動用而殘留下來，這是氣驅(qū)或水驅(qū)驅(qū)油效率不會大幅提高的根本原因。

3.4 巖石物性

由以上分析可知：驅(qū)替速度、凈覆壓及兩相啟動壓力梯度均對驅(qū)油效率產(chǎn)生影響。對于油田現(xiàn)場生產(chǎn)，儲層物性是最容易獲得的參數(shù)。建立物性與驅(qū)油效率的相關(guān)規(guī)律也相對較為實用。圖6所示為滲透率與采收率的關(guān)系曲線。由圖6可知：可得出正常圍壓下驅(qū)油效率、無水采收率與空氣滲透率的關(guān)系。

物性與采收率(或驅(qū)油效率)、無水采收率呈正相關(guān)關(guān)系。即巖石滲透率越大，水驅(qū)采收率、無水采收率越高，二者間為對數(shù)關(guān)系。驅(qū)油效率與滲透率的相關(guān)關(guān)系好于無水采收率與滲透率的相關(guān)關(guān)系。

特低滲樣品采收率、無水采收率與滲透率呈較好的線性關(guān)系，相關(guān)程度高。低、中滲儲層采收率、無水采收率與滲透率間相關(guān)程度差(相關(guān)系數(shù)低)。這是儲層非均質(zhì)性造成的，同一類型儲層隨物性變好，儲層非均質(zhì)性增強。

圖6 滲透率與采收率的關(guān)系曲線Fig.6 Relative curves between permeability and oil recovery

4 結(jié)論

(1)隨著物性變好，兩相共滲區(qū)變寬、相滲曲線交點右移。水驅(qū)中，兩相交叉點分布相對集中。氣驅(qū)中氣相相對滲透率曲線發(fā)散。特低滲巖心氣驅(qū)效果好，低滲及低滲以上巖心水驅(qū)效果好。氣驅(qū)與水驅(qū)驅(qū)替特征的差異在于流度比、潤濕性、儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及氣、液滲流規(guī)律的差異。特低滲砂巖油藏開發(fā)可考慮進行氮氣驅(qū)(或氮氣/水交替驅(qū))以改善開發(fā)效果、提高采收率。

(2)影響驅(qū)替特征及驅(qū)油效率的因素主要有：①驅(qū)替速度。特低滲儲層驅(qū)替時存在一最佳驅(qū)替速度，低滲儲層一定范圍內(nèi)提高驅(qū)替速度有利于提高驅(qū)替效果；② 凈覆壓力。驅(qū)替時要求凈覆壓力盡可能小；③兩相啟動壓力梯度。兩相啟動壓力梯度的存在致使水驅(qū)或氣驅(qū)驅(qū)油效率不會大幅度提高；④ 儲層物性。特低滲儲層驅(qū)油效率與物性的相關(guān)程度好于低、中滲儲層，其原因在于儲層非均質(zhì)性。同類儲層，隨物性變好，儲層非均質(zhì)性增強。

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