王志遠(yuǎn)，張烈輝，譚 龍，張朝良，唐洪明

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)，四川成都610500；2.中國(guó)石油新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

礫巖油藏是最難開(kāi)發(fā)的油藏之一，具有相變快、巖性變化快、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性嚴(yán)重等特點(diǎn)[1]。新疆克拉瑪依油藏經(jīng)過(guò)50多年的注水開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已進(jìn)入高含水階段，水驅(qū)開(kāi)發(fā)穩(wěn)產(chǎn)的難度越來(lái)越大，實(shí)施以聚合物為先導(dǎo)試驗(yàn)的三次采油技術(shù)成為必然的趨勢(shì)。聚合物驅(qū)主要是通過(guò)提高驅(qū)替液的黏度、并通過(guò)滯留在孔隙中的聚合物來(lái)降低水相滲透率，從而改善油水流度比，進(jìn)而擴(kuò)大波及體積，達(dá)到提高采收率的目的[2-3]。聚合物驅(qū)油技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展了近30年，但主要應(yīng)用在砂巖油藏，在礫巖油藏的應(yīng)用較少，尤其是新疆地區(qū)礫巖屬于山麓洪積扇，填隙物含量高，顆粒分選差，呈現(xiàn)出非均質(zhì)性嚴(yán)重、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、喉道半徑均質(zhì)小及孔喉比大等特點(diǎn)[4-5]。砂巖油藏的聚合驅(qū)油成果不能直接運(yùn)用到礫巖油藏中，還需要進(jìn)行專門的研究。

目前新疆七東1區(qū)礫巖油藏聚合物驅(qū)試驗(yàn)取得了階段性成果，但是對(duì)礫巖油藏聚合物驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)理與控制因素還不清楚。針對(duì)礫巖油藏聚合物驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)理的研究，劉衛(wèi)東[6]利用壓汞法測(cè)量了不同滲透率巖心的孔喉直徑，建立了不同相對(duì)分子量聚合物與礫巖油藏孔隙結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系；胡小東[7]利用核磁共振技術(shù)研究了礫巖油藏不同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物驅(qū)后剩余油的影響，并且確定了剩余油的分布規(guī)律；馮慧潔等[8]利用微觀透明實(shí)驗(yàn)技術(shù)模擬聚合物的驅(qū)油過(guò)程，揭示了聚合物驅(qū)后剩余油的分布特征；譚鋒奇等[9]采用CT掃描技術(shù)研究了聚合物驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)理，建立了礫巖油藏聚合物驅(qū)最終采收率計(jì)算模型。以上研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但對(duì)影響礫巖油藏聚合驅(qū)驅(qū)油效果的主要控制因素沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)研究。該文結(jié)合核磁共振等手段，全面分析了礫巖油藏孔隙原油的動(dòng)用規(guī)律與控制因素，在此基礎(chǔ)上研究了孔隙度、滲透率、巖性、可動(dòng)油飽和度與聚合物驅(qū)提高采收率幅度的關(guān)系。

1 儲(chǔ)集層特征

克拉瑪依七東1區(qū)克下組位于克拉瑪依油田第七斷塊區(qū)的東端，是典型的礫巖儲(chǔ)集層。儲(chǔ)集層是以正旋回沉積為主的粗碎屑巖，屬山麓洪積相和辮狀河流相沉積，儲(chǔ)集層巖性復(fù)雜，主要巖石類型為砂礫巖、含礫粗砂巖、不等粒小礫巖、細(xì)粒小礫巖等，其中細(xì)粒小礫巖占16%，含礫粗砂巖占40%，砂礫巖占24%，不等粒小礫巖占8%，礫質(zhì)砂巖等其它巖性占12%。礫巖儲(chǔ)集層沉積環(huán)境特殊，表現(xiàn)出多模態(tài)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，七東1區(qū)克下組儲(chǔ)集層單模態(tài)占13%、雙模態(tài)48%、復(fù)模態(tài)占39%。單模態(tài)巖心孔隙發(fā)育好，孔喉粗大，孔喉網(wǎng)絡(luò)狀連通，膠結(jié)物含量少，巖心孔喉分布均勻，孔喉以中粗喉道為主。雙模態(tài)巖心一級(jí)顆粒形成的孔隙半充填，孔喉發(fā)育好—中等，呈網(wǎng)絡(luò)狀分布或星點(diǎn)狀分布；復(fù)模態(tài)巖心孔喉發(fā)育較差，一般為零星散亂狀分布，滲流系統(tǒng)以“稀網(wǎng)狀”和“非網(wǎng)狀”形態(tài)為主[10-16]。儲(chǔ)層巖石膠結(jié)疏松，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較差，平均孔隙度19.6%，有效滲透率395.1×10-3μm2，屬于中孔—中高滲儲(chǔ)集層。

2 實(shí)驗(yàn)器材與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)裝置：主要包括恒速恒壓泵、壓力容器、巖心夾持器、核磁共振系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)量裝置等。核磁共振儀器為紐曼生產(chǎn)的MacroMR12，核磁共振主要參數(shù)如下：磁體類型，永磁體；磁場(chǎng)強(qiáng)度，0.3±0.05 T；儀器主頻率，12.8 MHz；探頭線圈直徑，150 mm；有效樣品檢測(cè)范圍，150 mm×100 mm。

實(shí)驗(yàn)材料：重水、聚合物、模擬地層水等。巖心直徑約為3.8 cm，長(zhǎng)度在5～7 cm；原油為七東1區(qū)克下組脫氣脫水原油，26 ℃下黏度為77 mPa·s，實(shí)驗(yàn)時(shí)加煤油配制成模擬油，室溫下黏度為15.4 mPa·s。聚合物為北京恒聚油田化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品，平均相對(duì)分子質(zhì)量2.5×107的聚丙烯酰胺，用注入水或者重水配液，質(zhì)量濃度2 000 mg/L，室溫下黏度95 mPa·s。模擬水為重水配制的地層水，礦化度334.46 mg/L，水型為CaCl2型。微觀刻蝕模型（尺寸45 mm×15 mm，平面有效尺寸為25 mm×13 mm）；微觀刻蝕用模擬油（硅油與油溶黃染色劑，室溫下黏度10 mPa·s）。

實(shí)驗(yàn)用巖心均為新疆油田七東1區(qū)天然巖心，長(zhǎng)度在3.99～8.106 cm，巖心平均孔隙度17.07%，平均滲透率992.93×10-3μm2，平均含油飽和度64.66 %。巖心基本參數(shù)見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)用微觀刻蝕模型借助光刻法復(fù)制礫巖巖心鑄體薄片的孔隙網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)制版、涂膠、光成像、化學(xué)刻蝕和燒結(jié)成型。

表1 實(shí)驗(yàn)用巖心基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental cores

2.2 天然巖心驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟及原理

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

核磁共振測(cè)試可以直接檢測(cè)巖石孔隙中的油水信號(hào)（氫原子信號(hào)），用重水來(lái)代替普通水，可以使水信號(hào)消失，而油的馳豫時(shí)間（T2時(shí)間）不變，進(jìn)而區(qū)分出油水信號(hào)。圖1 為重水配制的驅(qū)替液（聚合物、地層水、注入水）與原油核磁信號(hào)對(duì)比，圖1 表明，重水配制的驅(qū)替液基本沒(méi)有信號(hào)，只有原油具有核磁共振信號(hào)，因此，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行^(qū)分原油與驅(qū)替液、地層水、注入水。

圖1 不同體系T2時(shí)間信號(hào)幅度對(duì)比Fig.1 Comparison of T2 time signal amplitude of different system

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1）巖心洗油、洗鹽處理，烘干巖心，測(cè)試巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)。

2）抽空飽和模擬地層水，第1次測(cè)試T2譜；表征巖石初始孔喉分布特征。

3）再次洗鹽，并烘干巖心，抽空飽和重水；用核磁第2 次測(cè)試T2譜，確保巖心無(wú)任何信號(hào)，開(kāi)始開(kāi)展驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

4）用模擬原油驅(qū)替重水，建立束縛水飽和度，第3次測(cè)試T2譜。

5）用重水配制的模擬地層水恒速（0.1 mL/min）驅(qū)替模型中的原油，直至含水率達(dá)98%，第4次測(cè)試T2譜。

6）再注入重水配制的聚合物段塞0.7PV，繼續(xù)重水驅(qū)至含水率達(dá)98%，第5次測(cè)試T2譜。

7）將巖心放入離心機(jī)中離心（離心力0.69 MPa），甩出其中的可動(dòng)油，第6 次測(cè)試T2譜，與第3 次測(cè)量的T2譜進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算可動(dòng)油飽和度。

2.3 微觀驅(qū)油實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟：①將微觀刻蝕模型抽真空12 h、飽和地層水48 h；②模擬油驅(qū)替地層水并穩(wěn)定48 h；③以固定壓差（0.015 MPa）水驅(qū)油至含水率達(dá)到100%為止，形成水驅(qū)殘余油；④以固定壓差注入聚合物溶液驅(qū)替剩余油，記錄驅(qū)替過(guò)程；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用石油醚清洗微觀模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

根據(jù)微觀模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，研究礫巖油藏聚合物驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)理。模型驅(qū)油效率66.52%，其中水驅(qū)油效率43.0%，聚合物驅(qū)提高驅(qū)油效率23.5%。模型水驅(qū)后形成大量孤島狀剩余油（圖2a中A區(qū)）和簇狀剩余油（圖2a中B區(qū)）；還有一部分以柱狀（圖2a中C區(qū)）和膜狀剩余油（圖2a 中D 區(qū)）存在于孔隙及喉道中。此外，還有較少部分存在死孔隙中，形成盲端剩余油（圖2a中E區(qū)）。同砂巖油藏相比，5類剩余油在模型中均存在，只是由于礫巖油藏小喉道包圍大孔的現(xiàn)象，簇狀剩余油和孤島狀剩余油所占的比例更大（圖2a）。

圖2 各類剩余油分布及含量變化情況Fig.2 Distribution and content change of various remaining oil

聚合物增加了驅(qū)替相流體在孔隙介質(zhì)的流動(dòng)阻力，引起水相滲透率下降，提高微觀波及系數(shù)，使水驅(qū)后的簇狀剩余油、柱狀剩余油驅(qū)替出來(lái)。在聚合物驅(qū)油壓差不大于水驅(qū)油壓差的條件下，由于聚合物分子體相黏度大于注入水的黏度，并且聚合物在經(jīng)過(guò)彎曲孔隙和小喉道時(shí)，聚合物鏈會(huì)出現(xiàn)拉伸，大幅度提高驅(qū)替液的黏度[9]。當(dāng)聚合物流經(jīng)孤島狀、膜狀殘余油表面時(shí)，聚合物作用在油相上的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于注入水作用在油相上的剪切力，將孤島狀、膜狀殘余油拉扯成小油珠。由于礫巖孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，剪切作用更強(qiáng)，孤島狀殘余油更容易被拉扯成更小的油珠，更容易通過(guò)小喉道，被攜帶運(yùn)移。

圖2b是聚合物驅(qū)后剩余油的分布情況。從圖中明顯可以看出簇狀殘余油大量減少，并有部分轉(zhuǎn)化為孤島狀剩余油。聚合物驅(qū)后，孤島狀剩余油占總剩余油的比例最大，占初始含油飽和度比例為20.83%（圖2c），要將這部分油采出，還需要注入二元體系（三元體系）進(jìn)一步降低原油分子之間的內(nèi)聚力，進(jìn)一步提高采收率。

3.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.2.1 驅(qū)油效率

對(duì)25 塊具有代表性巖心進(jìn)行聚合物驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，水驅(qū)平均采收率47.94 %，最高為54.90 %，最低23.89 %。聚合物驅(qū)平均提高采收率13.10 %，最高19.07%，最低7.65%。最終采收率平均61.03%，最高72.93 %，最低46.00 %。無(wú)論是水驅(qū)還是聚合物驅(qū)，不同巖心采收率差別大，即使孔隙度和滲透率相近的兩塊巖心，由于孔隙結(jié)構(gòu)的差別，聚合物驅(qū)提高采收率的幅度差別也很大。

3.2.2 剩余油微觀分布研究

應(yīng)用核磁共振技術(shù)測(cè)試了25個(gè)巖樣不同驅(qū)替階段的T2譜，平均含油飽和度64.66%，水驅(qū)后平均含油飽和度32.20%。T2分布可以反映待測(cè)液體的大小特征[17]，當(dāng)巖心中飽和普通地層水時(shí)，地層水充滿孔隙，此時(shí)的T2分布可以反映巖心的孔喉分布特征。圖3為其中1塊巖心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，巖心烘干后飽和重水及原油后，飽和原油的T2分布與飽和水的T2分布在第2 個(gè)峰上基本重合，原油主要分布在大孔隙中。注入重水后，原油的信號(hào)幅度逐漸下降，峰值逐漸下降，并逐漸向左偏移，這表明大孔中的原油逐漸被采出。注入聚合物后，峰值繼續(xù)下降并向左偏移，并且7～43 ms 馳豫時(shí)間內(nèi)的信號(hào)幅度小幅度增加，由于聚合物溶液與原油的剪切應(yīng)力大于油水的剪切應(yīng)力，聚合物溶液作用于簇狀殘余油，將油滴“撕裂”為多個(gè)小油滴，并將部分油滴夾帶運(yùn)移走，這與微觀驅(qū)替實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)的結(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)在不同驅(qū)替階段時(shí)，采出程度增加，剩余油減少，隨著1PV水驅(qū)、水驅(qū)結(jié)束、聚驅(qū)、后續(xù)水驅(qū)進(jìn)行，核磁測(cè)量的總剩余油量在圖中是明顯減少。

圖3 巖心核磁共振測(cè)試不同驅(qū)替階段T2分布Fig.3 T2 distribution of core nuclear magnetic resonance at different displacement stages

3.3 聚合物驅(qū)油效率影響因素

3.3.1 物性對(duì)聚合物驅(qū)提高采出程度影響評(píng)價(jià)

圖4 物性參數(shù)與聚合物驅(qū)提高采收率幅度關(guān)系Fig.4 Relation between physical property parameters and EOR amplitude of polymer flooding

對(duì)不同物性的巖心與聚合物提高采出程度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（圖4），聚合物驅(qū)提高采出程度與巖心物性（孔隙度、滲透率）存在明顯的非相關(guān)關(guān)系，這與傳統(tǒng)的砂巖油藏聚合物驅(qū)驅(qū)油規(guī)律相左。對(duì)砂巖油藏而言，孔隙度和滲透率是儲(chǔ)集層儲(chǔ)集能力與滲流能力的反映，在一定程度上能反映出油藏原油的采出能力。但礫巖油藏與砂巖油藏在微觀孔隙結(jié)構(gòu)上相比，孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，孔隙連通性差，喉道半徑小且少，且填隙物含量高，大量泥質(zhì)顆粒充填于粒間粒表，這更增加聚合物滲流的復(fù)雜程度，導(dǎo)致巖石的物性與聚合物提高采出率程度關(guān)系不明顯的現(xiàn)象。

3.3.2 巖性對(duì)聚合物驅(qū)提高采出程度影響評(píng)價(jià)

對(duì)不同巖性、不同驅(qū)替階段采出程度進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)不等粒小礫巖水驅(qū)采收率最低，平均為48.52 %，而細(xì)粒小礫巖水驅(qū)采收率最高，平均為54.17%。含礫粗砂巖聚合物驅(qū)提高采出程度幅度最高，平均為14.52%。細(xì)粒小礫巖聚驅(qū)提高采收率幅度最低，平均為9.20%，但其最終采收率最高，平均為63.36%。含礫粗砂巖、砂礫巖聚合物驅(qū)提高采收率幅度由大到小次序?yàn)椋汉[粗砂巖＞砂礫巖＞不等粒小礫巖＞細(xì)粒小礫巖（圖5）。水驅(qū)后，含礫粗砂巖和不等粒小礫巖剩余油含油飽和度較高，但不等粒小礫巖聚合物驅(qū)采收效率較低，這說(shuō)明含礫粗砂巖儲(chǔ)層是聚合物驅(qū)潛力儲(chǔ)層。

圖5 巖性與采收率關(guān)系Fig.5 Relation between lithology and oil recovery

3.3.3 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物驅(qū)提高采出程度影響

孔隙度、滲透率是籠統(tǒng)表征巖石物性的參數(shù)，關(guān)鍵的還是孔隙結(jié)構(gòu)。圖6為11號(hào)巖心和13號(hào)巖心的鑄體薄片及核磁共振T2分布，11號(hào)巖心與13號(hào)巖心儲(chǔ)層礦物類型基本一致，粒間孔均發(fā)育，但11號(hào)巖心孔隙發(fā)育較差且泥質(zhì)含量高。11號(hào)巖心水驅(qū)油效率38.4%，13 號(hào)巖心水驅(qū)油效率38.8%，2 塊巖心水驅(qū)油效率基本一致。11 號(hào)巖心滲透率遠(yuǎn)大于13 號(hào)巖心的滲透率，但13號(hào)巖孔隙分布跟均勻，孔隙發(fā)育更好，聚合物驅(qū)采收率比11號(hào)高出4.5%，這表明，孔隙結(jié)構(gòu)是聚合物驅(qū)提高采收率的主控因素。

圖6 巖心鑄體薄片及飽和水后T2分布Fig.6 Core casting Slices and T2 distribution after saturated with water

可動(dòng)油飽和度是指孔隙可以被動(dòng)用的原油與孔隙體積的比值，它受到孔隙結(jié)構(gòu)及連通性的影響，能反映出巖石孔隙結(jié)構(gòu)的好壞。水驅(qū)后原油主要以孤島狀和簇狀剩余油為主，優(yōu)勢(shì)通道中已經(jīng)沒(méi)有剩余油存在，而聚合物溶液由于剪切稀釋性，在不同孔喉中表現(xiàn)出不同的黏度特性。在大喉道表現(xiàn)出高黏特性，在小喉道表現(xiàn)出低黏特性，從而將被小喉道控制的孤島及簇狀剩余油驅(qū)替出來(lái)。但對(duì)于孔喉結(jié)構(gòu)特別差的巖石，由于毛管壓力極大，聚合物溶液無(wú)法波及到。因此，聚合物提高采收率程度與可動(dòng)油飽和度表現(xiàn)出拋物線相關(guān)關(guān)系（圖7），可動(dòng)油飽和度較低時(shí)，聚合物提高采收率程度較低，隨著可動(dòng)油飽和度增加，聚合物提高采收率程度增加，可動(dòng)油飽和度繼續(xù)增加，孔隙結(jié)構(gòu)越來(lái)越好，水驅(qū)采收率越來(lái)越高，當(dāng)殘留在孔隙中的原油大量減少，聚合物提高采收率的幅度表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

圖7 可動(dòng)油飽和度與聚合物驅(qū)提高采收率程度關(guān)系Fig.7 Relation between mobile oil saturation and oil recovery of polymer flooding

4 結(jié)論

1）礫巖油藏孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聚合物驅(qū)后孤島狀剩余油占比最大，后續(xù)可以通過(guò)降低油相與驅(qū)替液之間的界面張力來(lái)進(jìn)一步提高采收率。

2）核磁共振實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于礫巖儲(chǔ)集層，水驅(qū)主要驅(qū)替大孔中的原油。由于聚合物溶液作用于油滴上的剪切應(yīng)力較大，促使大油滴被剪切為小油滴，并部分被聚合物溶液拖拽出孔隙。

3）聚合物提高礫巖油藏的采收率與巖心的孔隙度、滲透率的相關(guān)性不明顯，與巖性、可動(dòng)油飽和度關(guān)系密切，通過(guò)核磁共振測(cè)試巖心的可動(dòng)油飽和度，聚合物提高采收率程度與其呈現(xiàn)出拋物線的關(guān)系。