冷振鵬，馬德勝，呂偉峰，劉慶杰，賈寧洪

(1.北京大學(xué)，北京 100871;2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

CT掃描技術(shù)在水敏傷害評價(jià)中的應(yīng)用

冷振鵬1，2，馬德勝2，呂偉峰2，劉慶杰2，賈寧洪2

(1.北京大學(xué)，北京 100871;2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

常規(guī)儲層敏感性評價(jià)方法無法準(zhǔn)確反映發(fā)生傷害的具體區(qū)域，同時(shí)也缺少對敏感性傷害程度的定量評價(jià)。以2塊采自老君廟油田同一層位的巖心為例，利用CT掃描技術(shù)開展儲層水敏傷害評價(jià)實(shí)驗(yàn)研究，分別開展水驅(qū)和“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)基于CT掃描原理建立相應(yīng)的水敏傷害評價(jià)方法。水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中注入壓力和CT值的變化表明，實(shí)驗(yàn)用水與巖心接觸時(shí)存在很強(qiáng)的水敏傷害。在“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，分析CT掃描孔隙度分布可確定水敏傷害主要發(fā)生在注入端附近，并可估算出平均孔隙度降低10%～15%;同時(shí)通過對比水敏傷害切片孔隙度圖像前后變化，可準(zhǔn)確反映出巖心中發(fā)生水敏傷害的具體區(qū)域。

水敏;CT掃描;頻率分布曲線;微觀機(jī)理;水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

0 引言

在經(jīng)歷油田開發(fā)初期的天然能量開采后，通常采用注水方式來補(bǔ)充地層能量，以便獲取穩(wěn)定的產(chǎn)量，并最終達(dá)到理想的采收率。當(dāng)外來流體與儲層不匹配時(shí)，儲層中的黏土礦物很可能發(fā)生水化、膨脹、分散和運(yùn)移等，從而導(dǎo)致儲層滲流能力下降，進(jìn)而在不同程度上引起儲層傷害［1-4］。儲層敏感性是指儲層中發(fā)生某種傷害對外界誘發(fā)條件的敏感程度［5］。

常規(guī)儲層敏感性評價(jià)主要是基于流動實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)的，通過測量發(fā)生傷害前后巖心滲透率的變化來反映儲層敏感性，并利用滲透率的相對變化程度來評價(jià)敏感程度。通過廣泛調(diào)研，大量學(xué)者基于常規(guī)流動實(shí)驗(yàn)對儲層敏感性開展深入研究。例如，朱玉雙等人利用油層巖心制作的真實(shí)砂巖模型，進(jìn)行水敏傷害條件下的微觀水驅(qū)油滲流特征實(shí)驗(yàn)［6］;韓德金等人在儲層巖石成分、物性特征和孔隙結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用巖心流動實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行油層水敏性研究，深入分析儲層水敏形成機(jī)理［7-8］;廖紀(jì)佳等人通過鑄體薄片、掃描電鏡、圖像分析及全巖分析等手段詳細(xì)研究儲層特征，結(jié)合巖心流動驅(qū)替實(shí)驗(yàn)開展水敏實(shí)驗(yàn)研究［9］;祝琦將驅(qū)替?zhèn)?shí)驗(yàn)與核磁共振技術(shù)相結(jié)合，定性分析致密砂巖油氣藏水敏性傷害程度［10］。綜合分析，以上研究普遍存在2方面缺陷，既無法準(zhǔn)確描繪發(fā)生傷害的具體區(qū)域，也缺少對敏感性傷害程度孔隙尺度級別的定量評價(jià)。為此，結(jié)合巖心流動實(shí)驗(yàn)和巖心CT掃描技術(shù)，進(jìn)行水敏傷害定量評價(jià)研究。

1 CT掃描評價(jià)水敏傷害原理

CT掃描目前被廣泛應(yīng)用于巖心的非均質(zhì)性評價(jià)、裂縫定量分析、流體飽和度實(shí)時(shí)在線測量和巖心流動實(shí)驗(yàn)研究等方面［11-15］。CT掃描巖石的基本原理如下:CT機(jī)發(fā)射并接收X射線，通過測定X射線的衰減量，計(jì)算出被掃描巖石各單位體積元的X射線衰減系數(shù)，這些衰減系數(shù)將構(gòu)成不同的數(shù)字矩陣，以清水的衰減系數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行無量綱轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的CT值，通過CT機(jī)內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換最后重建出CT圖像，圖像中每個像素點(diǎn)(即各單位體積元)對應(yīng)前面的CT值。

由于不同物質(zhì)的CT值不一樣，因此，可利用巖心尺度上CT值的差別來進(jìn)行相應(yīng)的研究。CT掃描評價(jià)水敏傷害原理基于CT值的變化而展開，對干巖心、完全飽和油的巖心以及流動實(shí)驗(yàn)中油水共存的巖心進(jìn)行CT掃描可得到:

當(dāng)考慮水敏傷害造成孔隙度變化并在實(shí)驗(yàn)中將油水的CT值調(diào)至一致(即CTwater=CToil)時(shí)，流動實(shí)驗(yàn)中油水共存的巖心CT掃描模型表達(dá)式如下:

聯(lián)立式(1)、(2)、(4)可推導(dǎo)出產(chǎn)生水敏傷害時(shí)的孔隙度:

為了更好地反映產(chǎn)生水敏傷害后孔隙度的變化程度，定義相對孔隙度如下:

式中:CTdry為干巖心CT值;CToilwet為100%飽和油的巖心CT值;CTt為驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中油水共存t時(shí)刻的巖心CT值;CTgrain為巖心骨架平均的CT值，可視為恒定不變;CTwater為實(shí)驗(yàn)用水的CT值;CToil為實(shí)驗(yàn)用油的CT值;CTair為空氣的CT值;φi為巖心原始的孔隙度，%;Sw為含水飽和度，%;So為含油飽和度，%;φd為巖心產(chǎn)生水敏傷害后的孔隙度，%;φr為巖心水敏傷害后的相對孔隙度，%。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)巖心和流體

選用2塊采自老君廟油田同一層位的巖心開展實(shí)驗(yàn)研究，巖心基本物性參數(shù)詳見表1。結(jié)合巖心CT掃描孔隙度沿程分布信息，2塊巖心可作為平行樣開展實(shí)驗(yàn)研究。鑄體薄片分析表明，2塊巖心中均含有一定量的水敏性黏土礦物，如綠泥石、蒙脫石和伊利石等。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心常規(guī)參數(shù)

由于缺少地層水資料，實(shí)驗(yàn)中采用8%的標(biāo)準(zhǔn)鹽水作為實(shí)驗(yàn)用水，同時(shí)為了提高水相在CT掃描中的識別度，上述標(biāo)準(zhǔn)鹽水中一部分NaCl按礦化度對等原則置換成NaBr，實(shí)驗(yàn)溫度24℃下其黏度為1.02 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用油包括普通模擬白油和添加油相CT增強(qiáng)劑的模擬白油，其中后者的CT值被調(diào)至與實(shí)驗(yàn)用水保持一致，實(shí)驗(yàn)溫度下其黏度為15.04 mPa·s。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件及過程

2.2.1 水驅(qū)實(shí)驗(yàn)

對巖樣ST74開展水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中為了避免可能的水敏傷害，在巖心抽真空后用普通模擬白油完全飽和巖心，之后采用0.01 mL/min的流速進(jìn)行水驅(qū)，實(shí)驗(yàn)全過程保持巖心凈圍壓(即實(shí)際圍壓減去注入壓力)略大于3 MPa。實(shí)驗(yàn)中分別對干巖心、濕巖心(完全飽和油)和水驅(qū)過程中巖心進(jìn)行CT掃描，水驅(qū)全過程采集注入壓力。當(dāng)實(shí)際圍壓接近安全壓力15 MPa時(shí)，停止水驅(qū)實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 “設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)

與上面的水驅(qū)實(shí)驗(yàn)不同，在“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)用水和實(shí)驗(yàn)用油的CT值被調(diào)整成一致，因此，水驅(qū)過程中CT值的變化將直接反映孔隙度的變化。選取巖樣ST73進(jìn)行“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，同樣為了避免可能的水敏傷害，在巖心抽真空后用添加油相CT增強(qiáng)劑的模擬白油完全飽和巖心，之后同樣采用0.01 mL/min的流速進(jìn)行水驅(qū)，保持凈圍壓略大于3 MPa。采用CT掃描分別獲取干巖心、濕巖心和水驅(qū)過程中巖心的CT值，實(shí)時(shí)監(jiān)測水驅(qū)過程中注入壓力。當(dāng)注入壓力出現(xiàn)顯著上升趨勢時(shí)，停止“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 水驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水驅(qū)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至460 min，注入壓力接近安全限壓12 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。在水驅(qū)初始時(shí)刻，少量白油從巖樣出口端產(chǎn)出，此時(shí)的注入壓力相對較低。在之后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，注入壓力緩慢上升，同時(shí)在該時(shí)間段內(nèi)出口端幾乎不再產(chǎn)液。水驅(qū)實(shí)驗(yàn)開始105 min左右至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整個實(shí)驗(yàn)進(jìn)入另一階段，此時(shí)間段內(nèi)注入壓力快速上升并伴有明顯的波動，同時(shí)出口端開始陸續(xù)有少量白油產(chǎn)出。

由于實(shí)驗(yàn)中油水CT值存在差異，采用CT差值(即水驅(qū)過程中巖心的CT值減去濕巖心的CT值)沿程分布曲線來分析注入水波及范圍(圖1)。從水驅(qū)實(shí)驗(yàn)開始到105 min的時(shí)間段內(nèi)，只有巖心進(jìn)口端附近的CT差值發(fā)生顯著變化，說明水相只侵入巖樣ST74的前端一小部分，而此時(shí)實(shí)際的注入量超過侵入前端一小部分所需的量，這也預(yù)示在巖心的前端很可能產(chǎn)生封堵。從105 min至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在CT差值沿程分布曲線中出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象，同時(shí)“鼓包”隨時(shí)間增大有向前推進(jìn)并變大的趨勢，結(jié)合注入壓力的快速上升并伴有明顯波動，推斷在巖心的深部位置很可能也產(chǎn)生了封堵。

綜合上面對水驅(qū)過程中出口產(chǎn)出、注入壓力和CT差值沿程分布曲線的分析，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)用水與巖心接觸將產(chǎn)生很強(qiáng)的水敏傷害。在水驅(qū)初期，水敏傷害主要發(fā)生在巖樣ST74進(jìn)口端附近;隨著注入壓力持續(xù)升高，巖心深部區(qū)域也將產(chǎn)生水敏傷害。

圖1 巖樣ST74水驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程CT差值分布

3.2 “設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，將重點(diǎn)評價(jià)水敏傷害解堵前巖心中孔隙尺度級別的變化，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至140 min，注入壓力開始快速上升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。巖樣ST73的注入壓力曲線變化趨勢基本同巖樣ST74在105 min之前的變化趨勢保持一致，同時(shí)出口的產(chǎn)液情況也基本一致，這些都預(yù)示巖樣ST73與實(shí)驗(yàn)用水接觸時(shí)也產(chǎn)生很強(qiáng)的水敏傷害。

圖2 巖樣ST73“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)過程相對孔隙度分布

圖3 巖樣ST73原始孔隙度和水敏傷害孔隙度分析對比

由于“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中油水的CT值被調(diào)成一樣，故基于CT掃描評價(jià)水敏傷害原理開展深入分析。圖2為“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中相對孔隙度沿程分布曲線。由圖2可知，只有巖心進(jìn)口端附近的相對孔隙度發(fā)生顯著降低，而巖心中部和出口端附近的相對孔隙度仍保持在100%左右。這說明在注入壓力快速上升前，水敏傷害只發(fā)生在巖樣ST73注入端附近，同時(shí)可以估計(jì)出水敏傷害區(qū)域的平均孔隙度降低10%～15%。圖3是巖樣ST73注入端附近的切片4的孔隙度分析對比結(jié)果。由圖3a可知，切片4原始孔隙度頻率分布曲線和計(jì)算出的水敏傷害孔隙度頻率分布曲線并沒有重合在一起，同時(shí)其對應(yīng)的原始孔隙度圖像和水敏傷害孔隙度圖像也存在顯著差別，如圖3b中黃色圓圈標(biāo)記所示(即巖心中發(fā)生水敏傷害具體區(qū)域)。這些都說明切片4發(fā)生水敏傷害，即只在巖心進(jìn)口端附近產(chǎn)生水敏傷害。進(jìn)一步分析孔隙度頻率分布曲線可知，原始孔隙度頻率分布曲線并不是簡單地向左平移變成水敏傷害孔隙度頻率分布曲線。這說明大孔隙區(qū)域孔隙度的降低值并不等于小孔隙區(qū)域孔隙度的降低值;考慮水相更易侵入巖心中的大孔隙區(qū)域，同時(shí)結(jié)合孔隙度頻率分布曲線的變化方向，可推斷出水敏傷害過程的變化模式如下:在大孔隙區(qū)域?qū)⑾犬a(chǎn)生水敏傷害，而后才是小孔隙區(qū)域;由于一部分初始的大孔隙受水敏傷害影響變成小孔隙，因而反映在頻率分布曲線上小孔隙的頻率將增加;對比最終水敏傷害孔隙度頻率分布曲線可知，大孔隙區(qū)域孔隙度的降低比小孔隙區(qū)域孔隙度的降低要更顯著。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)CT掃描的基本原理，建立CT掃描水敏傷害評價(jià)方法，分別提出了水敏傷害孔隙度和相對孔隙度計(jì)算公式，通過開展“設(shè)計(jì)”水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合CT掃描評價(jià)方法進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對水敏傷害的定量評價(jià)。

(2)2塊巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)用水與老君廟油田同一層位的巖心接觸會產(chǎn)生很強(qiáng)的水敏傷害。流動實(shí)驗(yàn)表明:實(shí)驗(yàn)初期水敏傷害主要發(fā)生在巖心注入端附近，同時(shí)可估算出水敏傷害區(qū)域的平均孔隙度降低10%～15%，此時(shí)水敏傷害具體區(qū)域也可通過對比水敏傷害切片孔隙度圖像前后變化來準(zhǔn)確反映;隨著注入壓力持續(xù)升高，巖心深部區(qū)域也將產(chǎn)生水敏傷害。

(3)對比分析水敏傷害切片的原始孔隙度和水敏傷害孔隙度頻率分布曲線，水敏傷害過程的變化模式可推斷總結(jié)如下:水相進(jìn)入巖心后，大孔隙區(qū)域?qū)⑾劝l(fā)生水敏傷害，之后才是小孔隙區(qū)域;最終，大孔隙區(qū)域孔隙度的降低比小孔隙區(qū)域孔隙度的降低要更顯著，反映在頻率分布曲線上，小孔隙的頻率較原始孔隙情況有所增加。

(4)綜合流動實(shí)驗(yàn)和CT掃描的結(jié)果分析認(rèn)為，當(dāng)實(shí)驗(yàn)用水與巖心中的黏土礦物接觸時(shí)，二者之間會發(fā)生一系列的反應(yīng)，同時(shí)反應(yīng)生成物會占據(jù)一部分孔道空間，而此現(xiàn)象反映在巖心孔隙尺度級別方面表現(xiàn)為CT掃描孔隙度的降低。

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編輯王 昱

TE311

A

1006-6535(2015)05-0100-04

20150122;改回日期:20150830

中國石油天然氣集團(tuán)公司科研項(xiàng)目“油氣開發(fā)新技術(shù)、新方法研究”(2014A-1003)

冷振鵬(1989-)，男，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為北京大學(xué)與中國石油勘探開發(fā)研究院聯(lián)合培養(yǎng)在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)橛蛯游锢砼c滲流力學(xué)。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.021