張曉芹,舒 政,梁旭偉,葉仲斌
(1.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江大慶 163000;2.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)
堿-表面活性劑-聚合物(ASP)三元復(fù)合驅(qū)體系通過(guò)提高水相黏度、降低油水界面張力來(lái)擴(kuò)大注入體系的波及體積和提高洗油效率,從而顯著提高原油采收率[1—4]。經(jīng)過(guò)多年現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化運(yùn)用,大慶油田三元復(fù)合驅(qū)取得良好效果,采收率增幅超過(guò)18%[5]。隨著開(kāi)發(fā)程度的提高,為滿足大慶油田穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的需求,ASP 三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的運(yùn)用由主力儲(chǔ)層(一類儲(chǔ)層)逐漸推廣至非主力儲(chǔ)層(二類、三類儲(chǔ)層)[6—7]。為了準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)各類儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)潛力,指導(dǎo)開(kāi)發(fā)方案的制定,大慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院于2012年修訂了油田分類標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)沉積環(huán)境及砂體類型的不同,將三類儲(chǔ)層進(jìn)一步劃分為ⅢA、ⅢB 和ⅢC儲(chǔ)層[8]。復(fù)合驅(qū)體系易與儲(chǔ)層礦物發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生溶蝕-沉積,造成儲(chǔ)層滲透率降低,而三類儲(chǔ)層具有油層薄、滲透率低、孔喉半徑小等特征,開(kāi)采難度更大,更容易發(fā)生儲(chǔ)層傷害[9—12]。目前通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),對(duì)于三元復(fù)合驅(qū)體系對(duì)儲(chǔ)層的傷害作用機(jī)理已經(jīng)有了初步認(rèn)識(shí)[13—17],但是對(duì)于細(xì)分的ⅢA、ⅢB 和ⅢC 儲(chǔ)層還缺少針對(duì)性的研究,同時(shí)ASP 三元驅(qū)過(guò)程中影響儲(chǔ)層物性變化的因素眾多,常規(guī)評(píng)價(jià)方法難以定量表征儲(chǔ)層物性參數(shù)的變化規(guī)律。因此,本文選取典型ⅢA、ⅢB 和ⅢC 儲(chǔ)層的巖心,利用孔滲聯(lián)測(cè)儀、全直徑巖心核磁共振儀研究三元復(fù)合驅(qū)對(duì)不同類型巖心物性參數(shù)的影響,結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),建立了弱堿三元復(fù)合驅(qū)儲(chǔ)層物性變化預(yù)測(cè)模型。
“高分”聚合物HPAM,相對(duì)分子質(zhì)量700×104數(shù)950×104,固含量90%,水解度23%,大慶煉化公司;煉化石油磺酸鹽,有效含量40%,大慶煉化公司;Na2CO3,分析純,四川光亞聚合物化工有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為配制的模擬注入水,含5000 mg/L NaCl 和50 mg/L CaCl2。實(shí)驗(yàn)用巖心為取自大慶油田喇、薩、杏油田三類儲(chǔ)層ⅢA、ⅢB和ⅢC的天然巖心,直徑2.5 cm、長(zhǎng)度約7 cm。
260D型恒速微量泵,美國(guó)ISCO公司;HKY-300型全自動(dòng)孔滲聯(lián)測(cè)儀,海安石油科研儀器廠;AniMR-150 型全直徑巖心核磁共振分析儀,上海紐邁電子科技有限公司。
弱堿三元復(fù)合驅(qū)體系由聚合物、石油磺酸鹽以及Na2CO33種藥劑母液按比例與模擬注入水混合而成,其中,聚合物濃度為2360 mg/L,石油磺酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%,Na2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%。
驅(qū)替實(shí)驗(yàn)具體步驟如下:(1)巖心抽真空飽和水,裝入巖心夾持器提供巖心周圍覆壓,出口回壓10 MPa 模擬地層壓力,恒溫烘箱溫度為地層溫度45℃;(2)以0.5 mL/min 的注入速率向巖心注入10數(shù)50 PV的弱堿三元復(fù)合驅(qū)溶液。巖心注入體系前后,使用全自動(dòng)孔滲聯(lián)測(cè)儀檢測(cè)巖心孔隙度及滲透率,使用全直徑巖心核磁共振分析儀檢測(cè)巖心孔隙分布。
使用全自動(dòng)孔滲聯(lián)測(cè)儀檢測(cè)三類儲(chǔ)層巖心的孔隙度及滲透率,按照ⅢA、ⅢB和ⅢC類型整理,巖心孔隙度及滲透率分布結(jié)果見(jiàn)表1,巖心孔隙度及滲透率關(guān)系見(jiàn)圖1。由表1可以看到,巖心的孔隙度與滲透率平均值按照ⅢA、ⅢB、ⅢC 的順序逐漸減小;圖1 中ⅢA、ⅢB 和ⅢC 巖心的孔隙度及滲透率線性關(guān)系的擬合優(yōu)度R2分別為0.786、0.721 和0.432,即巖心的孔隙度與滲透率相關(guān)性同樣按ⅢA、ⅢB、ⅢC 順序逐漸降低。這說(shuō)明三類儲(chǔ)層巖心的非均質(zhì)性較為顯著,整體物性按照ⅢA、ⅢB、ⅢC的順序逐漸變差。
表1 三類儲(chǔ)層巖心的孔隙度及滲透率分布
圖1 三類儲(chǔ)層巖心孔隙度與滲透率的相關(guān)性
通過(guò)核磁共振得到巖心孔隙半徑的頻率分布以及累計(jì)分布曲線見(jiàn)圖2,以ⅢA1 巖心為例,進(jìn)一步按式(1)—(3)計(jì)算分選系數(shù)Sp、歪度Skp和峰態(tài)Kp,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可以看到,三類儲(chǔ)層巖心的平均孔隙半徑按照ⅢA、ⅢB、ⅢC 的順序逐漸變小,孔隙結(jié)構(gòu)變得更加細(xì)窄;分選系數(shù)較大且平均值接近,這表明三類巖心的分選性均較差,非均質(zhì)性問(wèn)題普遍存在。歪度大于0說(shuō)明巖心孔隙以偏粗為主,歪度值按ⅢA、ⅢB、ⅢC 的順序逐漸變小,說(shuō)明峰的位置逐漸向左偏移;峰態(tài)值也依照ⅢA、ⅢB、ⅢC 的順序逐漸變小,即峰的陡峭程度降低,孔隙半徑的分布范圍更廣。綜合來(lái)看,三類儲(chǔ)層的巖心物性按照ⅢA、ⅢB、ⅢC逐漸變差,且ⅢC巖心的物性與ⅢA、ⅢB巖心的差異較大。
圖2 A1巖心的孔隙半徑分布與累計(jì)分布曲線
表2 三類巖心孔隙半徑分布參數(shù)對(duì)比
注入ASP三元復(fù)合驅(qū)體系后,三類儲(chǔ)層巖心的物性參數(shù)隨注入量的增加波動(dòng)變化。這是因?yàn)槿悆?chǔ)層的非均質(zhì)性較顯著,巖心之間物化性質(zhì)存在較大差異,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)前后物性參數(shù)變化存在波動(dòng)性。因此,通過(guò)計(jì)算物性參數(shù)變化百分比的平均值來(lái)研究ASP 三元復(fù)合驅(qū)體系對(duì)儲(chǔ)層物性的影響規(guī)律,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看到,經(jīng)ASP三元復(fù)合驅(qū)后,三類儲(chǔ)層巖心的孔隙度變化很小,而滲透率變化較為明顯:ⅢA和ⅢB巖心的滲透率增加,而ⅢC 巖心的滲透率降低。核磁共振檢測(cè)結(jié)果顯示,ⅢA和ⅢB巖心的平均孔隙半徑增大,歪度變粗,分選性變好;而ⅢC 巖心的平均孔隙半徑減小,歪度變細(xì),分選性變差。
表3 驅(qū)替后三類儲(chǔ)層巖心的物性參數(shù)變化
分析認(rèn)為,在儲(chǔ)層物性相對(duì)較好時(shí),弱堿ASP三元復(fù)合體系對(duì)儲(chǔ)層礦物具有較弱的溶蝕作用,溶蝕脫落以及結(jié)垢產(chǎn)生微粒的粒徑較小,在ASP三元復(fù)合體系驅(qū)替運(yùn)移的作用下,孔隙的半徑有所增大,因此孔隙度和滲透率有略微增大的趨勢(shì),表現(xiàn)出物性改善。隨著黏土含量的增加和巖心本身物性的變差(ⅢA→ⅢC),一方面堿組分與黏土礦物的成垢趨勢(shì)增強(qiáng),另一方面巖心孔隙結(jié)構(gòu)更加細(xì)窄,微粒在運(yùn)移過(guò)程中更容易在孔隙細(xì)窄處附著堆積,此時(shí)表現(xiàn)為巖心物性變差。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性的數(shù)據(jù)建模工具,由輸入層和輸出層、一個(gè)或者幾個(gè)隱藏層構(gòu)成神經(jīng)元,通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)算法,在迭代過(guò)程中調(diào)整神經(jīng)元之間的權(quán)重,最終使得預(yù)測(cè)誤差最小化并給出預(yù)測(cè)精度[18—19]。三元復(fù)合驅(qū)對(duì)儲(chǔ)層的溶蝕過(guò)程十分復(fù)雜,受到三元體系組成、儲(chǔ)層物化性質(zhì)、相互作用條件等多種因素影響,適合通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)分析變化規(guī)律。因此基于36 組三類儲(chǔ)層巖心的弱堿三元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 內(nèi)的多層感知器(MLP)模塊,建立了三元復(fù)合驅(qū)儲(chǔ)層物性變化預(yù)測(cè)模型。向模型輸入巖心孔隙度、滲透率、孔隙分布參數(shù)、礦物含量、驅(qū)替倍數(shù)等參數(shù)后便可以預(yù)測(cè)三類儲(chǔ)層在復(fù)合驅(qū)過(guò)程中的各項(xiàng)物性參數(shù)變化。如圖3給出了模型對(duì)驅(qū)替后巖心滲透率的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的關(guān)系,可以看到數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分都落在y=x的參考線上,表明模型預(yù)測(cè)效果可靠,經(jīng)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)各項(xiàng)物性參數(shù)的平均預(yù)測(cè)精度達(dá)到92%以上。
圖3 驅(qū)替后巖心滲透率的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值
使用建立的ASP 三元復(fù)合驅(qū)儲(chǔ)層物性變化預(yù)測(cè)模型,計(jì)算不同驅(qū)替倍數(shù)下儲(chǔ)層巖心的滲透率變化,結(jié)果見(jiàn)圖4,其中輸入的ⅢA、ⅢB、ⅢC巖心初始物性參數(shù)取平均值如表1、表2 所示??梢钥吹?,對(duì)于ⅢA 與ⅢB 巖心,ASP 三元復(fù)合驅(qū)體系的驅(qū)替倍數(shù)小于60 PV 時(shí),巖心滲透率改善且改善效果隨驅(qū)替倍數(shù)的增加先增強(qiáng)后減弱,而驅(qū)替倍數(shù)大于60 PV 時(shí),巖心滲透率逐漸發(fā)生傷害。對(duì)于ⅢC 巖心,在ASP三元復(fù)合驅(qū)體系注入后,巖心滲透率很快就開(kāi)始降低。
圖4 弱堿ASP三元復(fù)合驅(qū)替后三類儲(chǔ)層巖心的滲透率變化
模型計(jì)算結(jié)果與前文分析結(jié)果一致:對(duì)于物性相對(duì)較好的ⅢA、ⅢB儲(chǔ)層,ASP三元復(fù)合驅(qū)體系具有一定的增黏能力,可以攜帶溶蝕產(chǎn)物運(yùn)移,導(dǎo)致小孔道數(shù)量減少,大孔道數(shù)量增加,因此物性發(fā)生改善;隨著注入時(shí)間的延長(zhǎng),溶蝕產(chǎn)物的量逐漸增加,黏土顆粒和溶蝕物附著在孔道,對(duì)巖心滲流產(chǎn)生不利影響,巖心的滲透率以及孔隙半徑逐漸低于初始值,此時(shí)已產(chǎn)生儲(chǔ)層傷害。而ⅢC儲(chǔ)層滲透率變化的計(jì)算結(jié)果印證了物性較差、孔隙結(jié)構(gòu)偏細(xì)窄的儲(chǔ)層更易受到ASP三元復(fù)合驅(qū)體系產(chǎn)生的不利影響。
三類儲(chǔ)層的巖心物性按照ⅢA、ⅢB、ⅢC 順序逐漸變差,且ⅢC 儲(chǔ)層的物性與ⅢA、ⅢB 儲(chǔ)層具有較大差異。
弱堿三元復(fù)合體系對(duì)儲(chǔ)層礦物具有較弱的溶蝕作用,在注入早期對(duì)于物性相對(duì)較好的ⅢA、ⅢB儲(chǔ)層物性具有一定的改善效果,對(duì)ⅢC 儲(chǔ)層會(huì)導(dǎo)致物性變差,物性越差的儲(chǔ)層在三元復(fù)合驅(qū)中越容易發(fā)生儲(chǔ)層傷害。
利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立的三元復(fù)合驅(qū)儲(chǔ)層物性變化預(yù)測(cè)模型,能夠定量表征三類儲(chǔ)層物性變化規(guī)律,對(duì)三元復(fù)合驅(qū)的推廣運(yùn)用具有指導(dǎo)意義。