黨海龍 ，姜漢橋，王小鋒 ，趙習(xí)森 ，崔鵬興 ，侯玢池

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

2 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710075

3 陜西省特低滲透油氣勘探開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心，西安 710075

*通信作者, jhqlf@163.com

0 引言

杏子川油區(qū)地處鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部，主力油層長(zhǎng)6是典型的超低滲儲(chǔ)層，其孔隙喉道尺寸細(xì)小且小孔喉所占孔隙體積比例大，呈現(xiàn)出微觀非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，極大地影響了該區(qū)域的注水開(kāi)發(fā)效果，因此開(kāi)展孔喉特征對(duì)水驅(qū)規(guī)律及機(jī)制的研究十分必要。

王香增[1]等人針對(duì)延長(zhǎng)油田的裂縫性特低滲儲(chǔ)層進(jìn)行了動(dòng)態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂縫性特低滲油藏存在滲吸作用，特低滲油藏開(kāi)發(fā)時(shí)不可忽略滲吸作用的影響，周俊杰[2]針對(duì)延長(zhǎng)油田長(zhǎng)8儲(chǔ)層進(jìn)行了水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水驅(qū)油特征受孔隙結(jié)構(gòu)的影響，驅(qū)油效率與儲(chǔ)層物性、孔喉半徑有較好的正相關(guān)關(guān)系，韓進(jìn)[3]、李俊健[4]、黎盼[5]進(jìn)行的砂巖模型微觀水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)剩余油分布形態(tài)主要受微觀儲(chǔ)層物性、潤(rùn)濕性、油水黏度比及其非均質(zhì)性的影響。趙丁丁[6]發(fā)現(xiàn)喉道半徑大小與分布對(duì)水驅(qū)效果及滲流通道有決定性作用。核磁共振技術(shù)可以通過(guò)T2譜直接定量獲取孔喉中的流體分布，已經(jīng)在油氣田開(kāi)發(fā)研究中有所應(yīng)用[7,8]，也是研究?jī)?chǔ)層孔喉特征重要技術(shù)手段之一。但是目前利用核磁共振與恒速壓汞開(kāi)展孔喉特征對(duì)水驅(qū)規(guī)律的研究較少，基于此，本研究開(kāi)展了恒速壓汞及核磁共振水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，深入分析了孔喉特征對(duì)特低滲儲(chǔ)層水驅(qū)油效率的影響。

1 核磁共振水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)杏子川地區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)層和長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層30塊巖芯的物性測(cè)試結(jié)果，氣測(cè)滲透率分布區(qū)間為0.052～0.805 mD,平均氣測(cè)滲透率為0.28 mD；孔隙度分布區(qū)間為9.8%～17.7%，平均孔隙度為13.65%。

本研究按不同滲透率大小選取代表性實(shí)驗(yàn)樣品三塊，這三塊樣品每塊再制作2個(gè)樣品分別用于開(kāi)展核磁共振驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，其中核磁共振驅(qū)替實(shí)驗(yàn)樣品編號(hào)分別為#1、#2、#3，對(duì)應(yīng)用于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)樣品編號(hào)分別為#1′、#2′、#3′。本研究設(shè)計(jì)核磁共振條件下的水驅(qū)油模擬實(shí)驗(yàn)采用驅(qū)替速度均為0.01 mL/min，累計(jì)驅(qū)替倍數(shù)為4.0 PV，所采用飽和潤(rùn)濕相為蒸餾水，但在核磁驅(qū)替時(shí)采用質(zhì)量濃度為6.0%、礦化度為2.5×105mg/L的氯化錳(MnCl2)的水溶液，所采用非潤(rùn)濕相為白油(常溫下黏度為45.20 mPa·s)。核磁共振驅(qū)替實(shí)驗(yàn)樣品基礎(chǔ)物性及驅(qū)替速度和注入倍數(shù)如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

低場(chǎng)核磁共振的原理是利用油、水中的氫原子在外加磁場(chǎng)的作用下獲得能量激發(fā)而產(chǎn)生信號(hào)，在撤去外加磁場(chǎng)后，信號(hào)便開(kāi)始衰減，這種現(xiàn)象被稱作弛豫現(xiàn)象，它包括橫向弛豫現(xiàn)象和縱向弛豫現(xiàn)象，一般只記錄橫向弛豫，并且其信號(hào)強(qiáng)度的大小與樣品內(nèi)含氫原子的流體所處的孔隙空間大小成正比。利用這一特性，就可以分析在驅(qū)替過(guò)程中不同大小孔隙中的微觀驅(qū)替現(xiàn)象。將弛豫信號(hào)反演就可以得到T2譜，它反映了不同弛豫時(shí)間流體所占的比例，T2譜上弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的部分對(duì)應(yīng)于樣品中相對(duì)較大孔隙中的流體，T2譜上弛豫時(shí)間較短的部分對(duì)應(yīng)于樣品中相對(duì)較小孔隙中的流體[9-12]。

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)技術(shù)是分析儲(chǔ)層巖石微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征的常用技術(shù)之一。通過(guò)恒速壓汞實(shí)驗(yàn)可以得到準(zhǔn)確的孔隙、喉道大小及分布、孔喉比大小，它可以提供孔隙和喉道的毛細(xì)管壓力曲線，非常適用于孔隙和喉道性質(zhì)差別較大的特低、超低滲透儲(chǔ)層，能較好地反映儲(chǔ)層流體滲流過(guò)程中的動(dòng)態(tài)孔喉特征[13-18]。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

對(duì)上述三塊巖樣進(jìn)行水驅(qū)油模擬實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前使用6%的MnCl2溶液飽和樣品，因?yàn)镸nCl2溶于水后會(huì)電離出Mn2+離子，并與水分子直接作用減弱水分子中的氫原子弛豫時(shí)間，從而屏蔽樣品中水對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)的影響[19]。同時(shí)為了盡可能減少樣品存放時(shí)間對(duì)弛豫時(shí)間的影響[8]，樣品在飽和原油后立即進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將標(biāo)準(zhǔn)油樣放入磁體腔內(nèi)，調(diào)整核磁共振儀器參數(shù)，進(jìn)行中心頻率矯正，確定脈寬、中心頻率等參數(shù)；

(2)巖芯抽真空后加壓飽和蒸餾水，放置儀器中進(jìn)行核磁共振T2測(cè)試，并反演出T2弛豫時(shí)間譜；

(3)用礦化度為2.5×105mg/L的MnCl2溶液驅(qū)替巖芯中的蒸餾水并進(jìn)行核磁共振T2測(cè)試，觀察是否能檢測(cè)到信號(hào)；

(4)注入原油以0.01 mL/min流速驅(qū)替巖樣孔隙中的MnCl2溶液，建立束縛水飽和度條件，然后再進(jìn)行核磁共振T2測(cè)試，記錄T2譜；

(5)再注入礦化度為2.5×105mg/L的MnCl2溶液以0.01 mL/min速度進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。累積注入倍數(shù)為4.0 PV，同時(shí)進(jìn)行不同注入倍數(shù)條件下剩余油飽和度及分布狀態(tài)的核磁共振T2譜測(cè)試。

1.4 不同注入倍數(shù)水驅(qū)油T2譜

利用核磁共振測(cè)得樣品#1、#2和#3在不同驅(qū)替倍數(shù)(0.4～4.0 PV)條件下的T2譜的變化幅度，見(jiàn)圖1。由圖1(a)、(b)和(c)可以看出，#1和#2號(hào)樣品T2值呈雙峰分布，#3號(hào)樣品T2值單峰正態(tài)分布，孔滲大小和單峰雙峰分布沒(méi)有直接關(guān)系；水驅(qū)油過(guò)程中，三塊樣品的T2值隨著注入PV數(shù)的增大，均表現(xiàn)出早期T2值的信號(hào)頻率下降幅度大，隨著驅(qū)替倍數(shù)的增加，T2值的下降幅度呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)；#3號(hào)樣品與#2號(hào)樣品物性接近，與#1號(hào)樣品相比孔滲性差，但是#3號(hào)樣品的T2值整體下降幅度最大。

1.5 水驅(qū)油驅(qū)替效率分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的弛豫時(shí)間分布與孔隙半徑分布的轉(zhuǎn)化關(guān)系[14-15],可以將核磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)得的T2譜轉(zhuǎn)化為孔隙半徑分布。

表1 核磁共振驅(qū)替實(shí)驗(yàn)樣品基礎(chǔ)物性及實(shí)驗(yàn)信息表Table 1 Basic physical properties and experimental information of NMR displacement test samples

圖1 三塊巖芯在不同驅(qū)替倍數(shù)條件下的水驅(qū)油T2譜Fig. 1 T2 spectrum of water drive oil under different displacement volumes

根據(jù)孔隙大小的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，可以得到微米孔(＞1 μm)、亞微米孔(0.1～1 μm)、納米孔(＜0.1 μm)三個(gè)大類(lèi)，還可進(jìn)行細(xì)分成21個(gè)亞類(lèi)；再結(jié)合T2譜的峰面積，使用積分的方法，可以獲得孔隙中所含注入流體體積，得到不同注入PV數(shù)條件下的不同孔隙中的剩余油體積占總孔隙體積的百分比。經(jīng)轉(zhuǎn)換，#1、#2和#3樣品在不同驅(qū)替PV倍數(shù)條件下的剩余油孔徑分布直方圖如圖2(a)、(b)和(c)所示。從剩余油分布直方圖中可以看出，各樣品中的剩余油在孔隙中呈近似正態(tài)分布，并且峰值主要分布在半徑為1～2.5 μm孔隙中。這一部分孔隙中的油在驅(qū)替過(guò)程被采出的最快，相對(duì)采收率也最高，說(shuō)明這一級(jí)別的孔隙是樣品中的主要連通孔隙。水驅(qū)油過(guò)程中，首先沿主要連通孔隙流動(dòng)，其中的油被驅(qū)替出來(lái)。通過(guò)T2譜及直方圖可以看出，1～4 μm的孔隙中的油含量減小的最快，而樣品中部分較大孔隙則含油量下降緩慢，說(shuō)明這部分孔隙沒(méi)有被有效波及到，并且在水持續(xù)流動(dòng)形成水鎖后很大一部分油便殘留在這部分孔隙中，采收率變低，與中高滲儲(chǔ)層的水驅(qū)油特征有所不同[16]。

圖3分別繪制了三個(gè)樣品在不同驅(qū)替倍數(shù)條件下的含油飽和度和驅(qū)替效率曲線。由圖3可知，在注入體積達(dá)4 PV時(shí)，#1、#2和#3號(hào)樣品的含油飽和度分別為：50.83%、33.83%和20.94%。定義驅(qū)替效率為當(dāng)前含油飽和度和初始含油飽和度的差值占初始含油飽和度的比例，#1、#2和#3號(hào)樣品在4.0PV時(shí)的驅(qū)替效率分別為62.09%、57.41%和72.85%， 其中#3號(hào)樣品的物性參數(shù)明顯不如#1號(hào)樣品，但是#3號(hào)樣品的驅(qū)油效率卻最高，剩余油飽和度最低。因此對(duì)于超低滲儲(chǔ)層，并不是孔隙度、滲透率越高，驅(qū)替效率越高，巖石的孔隙度、滲透率和驅(qū)油效率不存在正相關(guān)關(guān)系。

2 微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征分析

3塊巖樣的恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括毛管壓力曲線和孔喉半徑分布曲線如圖4(a)、(b)和(c)所示，此外，這3個(gè)樣品的主要微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，包括孔喉比、中值半徑、平均孔隙半徑、主流喉道半徑、分選系數(shù)、歪度等微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)列于表2。

圖2 不同驅(qū)替倍數(shù)條件下剩余油分布直方圖Fig. 2 Histogram of remaining oil distribution under different displacement times

圖3 含油飽和度和驅(qū)替效率隨驅(qū)替倍數(shù)關(guān)系Fig. 3 Relationship between oil saturation and displacement efficiency of samples under different displacement times

圖4 壓汞毛管壓力曲線和孔喉分布直方圖Fig. 4 Capillary pressure curve and pore throat distribution histogram of mercury injection

結(jié)合上文核磁共振實(shí)驗(yàn)水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)在不同驅(qū)替PV數(shù)條件下剩余油飽和度和驅(qū)油效率的變化趨勢(shì)可以看出，#3號(hào)(#3′號(hào))樣品的基礎(chǔ)孔、滲透性能較低，但驅(qū)油效率最高；平均孔隙半徑不是影響驅(qū)油效率的主要微觀參數(shù)，驅(qū)油效率主要受平均喉道半徑、平均孔喉比這兩個(gè)微觀參數(shù)綜合影響。因?yàn)槠骄淼腊霃绞潜碚鲀?chǔ)層滲流能力的最重要參數(shù)，對(duì)于親水油藏，平均喉道半徑越小，小喉道所占的比例越大，毛管力更強(qiáng)，滲吸作用越明顯，對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)越大；平均孔喉比是表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性的主要微觀參數(shù)，平均孔喉比越大，非均質(zhì)性越強(qiáng)，儲(chǔ)層滲流阻力越大，驅(qū)油效率越低。#3號(hào)巖芯平均喉道半徑(1.217 μm)最小，平均孔喉比中等，驅(qū)替過(guò)程中小喉道比例大，滲吸作用強(qiáng)，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較弱，因而在滲吸驅(qū)替雙重作用下，剩余油飽和度最低。而#2號(hào)(#2′號(hào))樣品雖然平均喉道半徑最大，但是平均孔喉比也最大，非均質(zhì)性最強(qiáng)，滲流能力最弱，同時(shí)由于平均喉道半徑也最小，毛管滲吸作用也最弱，因而#2號(hào)的驅(qū)油效率最低，剩余油飽和度最大?？梢?jiàn)在超低滲儲(chǔ)層當(dāng)中，由于平均喉道半徑小，滲吸作用起到了不可忽視的作用。在作者[21]前期關(guān)于杏子川長(zhǎng)6超低滲儲(chǔ)層的滲吸研究中，滲透率為 0.228×10-3，0.287×10-3和 0.352×10-3μm2的三塊巖芯，在溫度50 ℃當(dāng)含油飽和度在0.20～0.35之間時(shí)，其滲吸驅(qū)油效率可達(dá)0.50～0.75，進(jìn)一步佐證了滲吸對(duì)提高采收率的貢獻(xiàn)。由此可見(jiàn)，認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層孔喉特征參數(shù)分布，最大發(fā)揮滲吸和驅(qū)替協(xié)同作用，降低微觀非均質(zhì)性的影響是提高驅(qū)油效率的關(guān)鍵。

表2 恒速壓汞實(shí)驗(yàn)主要微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Table 2 The characteristic parameters of pore - throat structure in constant - speed mercury injection experiment

3 結(jié)論與展望

1)本研究對(duì)杏子川油區(qū)三塊不同滲透率的超低滲儲(chǔ)層樣品開(kāi)展了核磁共振條件下的水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)孔滲性能較低的樣品最終驅(qū)油效率反而較高，對(duì)于超低滲儲(chǔ)層，孔隙度、滲透率和驅(qū)油效率不存在正相關(guān)關(guān)系。

2)結(jié)合恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均孔隙半徑不是影響驅(qū)油效率的主要微觀參數(shù)，驅(qū)油效率主要受平均喉道半徑、平均孔喉比這兩個(gè)微觀參數(shù)綜合影響。平均喉道半徑是表征儲(chǔ)層滲流能力的最重要參數(shù)，對(duì)于親水油藏，毛管力為動(dòng)力，平均喉道半徑越小，小喉道所占的比例越大，毛管力的動(dòng)力作用更強(qiáng)，滲吸作用越明顯，對(duì)驅(qū)油效率的貢獻(xiàn)越大；平均孔喉比是表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性的主要微觀參數(shù)，平均孔喉比越大，非均質(zhì)性越強(qiáng)，儲(chǔ)層滲流阻力越大，驅(qū)油效率越低。

3)對(duì)于超低滲親水儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，認(rèn)識(shí)清楚儲(chǔ)層孔喉特征，利用和發(fā)揮滲吸和驅(qū)替協(xié)同作用，設(shè)計(jì)合理的注采速度、注采壓力、注采周期，降低儲(chǔ)層非均質(zhì)的影響，對(duì)于進(jìn)一步提高注水開(kāi)發(fā)效果具有重要意義。