崔鵬興，梁衛(wèi)衛(wèi)，侯玢池，馮 東，劉 慶

(1.陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)任公司研究院，西安 710065；2.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組是目前國(guó)內(nèi)外特低滲及致密砂巖油藏注水開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一[1-3]。延長(zhǎng)油田的勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)，該類油藏油水分布規(guī)律難尋，鄰井油水采出程度差異大，致密砂體一旦被動(dòng)用其開(kāi)發(fā)效果將好于微觀非均質(zhì)性較強(qiáng)的相對(duì)高滲砂體。其微觀孔隙油分分散是制約采收率低的核心問(wèn)題之一[4-7]。

石油勘探開(kāi)發(fā)理論及方法對(duì)于油藏儲(chǔ)層宏觀油水分布規(guī)律及特征研究趨于成熟，但對(duì)于儲(chǔ)層微觀油水分布規(guī)律的描述存在明顯的不足。研究微觀油水運(yùn)移機(jī)理以及剩余油在多孔介質(zhì)中的微觀分布，對(duì)于低滲透油田開(kāi)發(fā)具有特別重要的意義[8-10]。近年來(lái)微觀仿真模型刻蝕技術(shù)在石油領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)了微觀油水分布規(guī)律的直接觀察和量化表征[11-12]。但在砂巖儲(chǔ)層三角孔隙內(nèi)的油水分布規(guī)律的研究相對(duì)薄弱。

該研究以鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征為依據(jù)，借著理想刻蝕模型顯微成像表征，結(jié)合理論推導(dǎo)，研究三角孔隙模型在原油充注條件下的油水分布，并評(píng)價(jià)其影響因素。該研究結(jié)果將為合理評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)儲(chǔ)層含水條件下油井產(chǎn)能奠定理論基礎(chǔ)。

1 單毛管模型原油充注實(shí)驗(yàn)

在原油運(yùn)移充注的過(guò)程中，親水性儲(chǔ)層充注的原油并不能完全占據(jù)孔隙，由于原始地層水的存在，充注原油過(guò)程中往往會(huì)在孔隙壁面形成一定厚度的水膜。水膜是水與砂巖表面發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后，附著在砂巖表面顆粒及黏土礦物上，形成一層薄膜狀的附著帶(如圖1所示)，在原油充注運(yùn)移中，隨著充注壓力的增大，水膜會(huì)逐漸變薄，但剝離水膜會(huì)變得越來(lái)越困難，這是由于油相與水膜之間存在分離壓[13-15](如圖2所示)。根據(jù)DLVO理論和Laplace方程，分離壓由范德華力、靜電力和結(jié)構(gòu)力構(gòu)成，實(shí)際上靜電力和結(jié)構(gòu)力與范德華力相比非常小，可忽略不計(jì)，因次分離壓常被表示為[16-17]:

圖1 油水微觀界面及水膜現(xiàn)像

圖2 水膜受力示意圖

(1)

式中:Pd為分離壓力，MPa；h為水膜厚度，μm；AH為Hamaker常數(shù)，對(duì)于強(qiáng)親水的油-水-固系統(tǒng)，取值一般為10×10-20J。

通過(guò)AutoCAD軟件繪制刻蝕模型，通過(guò)刻蝕技術(shù)在玻璃平板上刻蝕出扁平毛管槽模型，毛管厚度是200 μm；深度為500 μm，截面近似長(zhǎng)方形。

實(shí)驗(yàn)步驟:①薄片的清潔與干燥。在高壓下從入口端注入酒精，清除玻璃刻蝕薄片中的雜質(zhì)，然后將玻璃片放在高溫下(120 ℃)烘烤，酒精自動(dòng)蒸發(fā)，得到干燥的玻璃薄片。②模型飽和水。在高壓下持續(xù)注入蒸餾水(加入甲基藍(lán)染色)直至刻蝕模型完全飽和水。③模擬油驅(qū)水過(guò)程。模擬油藏充注過(guò)程，分別以0.002 MPa，0.005 MPa，0.010 MPa，0.050 MPa，0.100 MPa，0.500 MPa，1.000 MPa，2.000 MPa，3.000 MPa的充注壓差注入原油(加入紅色染色劑)，觀察充注完成后的油水分布特征，即靜態(tài)情況下油水分布形態(tài)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果:在微納流控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)高倍放大鏡觀察油驅(qū)水過(guò)程中的微觀界面現(xiàn)象。親水模型中，油水界面呈半月弧形，潤(rùn)濕相不能被完全驅(qū)替，有一定厚度的水膜粘附在孔隙壁面，造成有效流動(dòng)孔隙減小以及油水界面曲率發(fā)生變化(如圖1所示)。在油驅(qū)水的過(guò)程中能明顯看出，潤(rùn)濕相流體(水)并不能被完全驅(qū)替，總有一定厚度的水膜粘附在孔隙壁面，造成有效流動(dòng)孔隙的減小。

待油驅(qū)水穩(wěn)定后，在平板表明形成穩(wěn)定的水膜，利用軟件對(duì)孔隙中的水膜厚度進(jìn)行量化表征，通過(guò)式(1)可求取分離壓，分離壓與充注壓力的關(guān)系可表示為:

Pd=0.005ΔP1.101 17

(2)

充注壓力的增大能顯著減小水膜厚度，基本上水膜厚度隨充注壓力的增加呈現(xiàn)對(duì)數(shù)遞減規(guī)律，充注壓力的增加，在減小水膜厚度的同時(shí)會(huì)增加分離壓，并呈現(xiàn)指數(shù)式增加。不同驅(qū)替壓差下的水膜厚度與分離壓見(jiàn)表1，200 μm孔隙中水膜厚度隨充注壓差的變化規(guī)律如圖3所示，充注壓力與分離壓的關(guān)系如圖4所示。

表1 不同驅(qū)替壓差下的水膜厚度與分離壓

圖3 200 μm孔隙中水膜厚度隨充注壓差的變化規(guī)律

圖4 充注壓力與分離壓的關(guān)系

從計(jì)量結(jié)果來(lái)看，充注壓力的增大能顯著減小水膜厚度，基本上水膜厚度隨充注壓力的增加呈現(xiàn)對(duì)數(shù)遞減規(guī)律，充注壓力的增加，在減小水膜厚度的同時(shí)會(huì)增加分離壓，并呈現(xiàn)指數(shù)式增加。

2 可視化三角孔隙模型充注實(shí)驗(yàn)

觀察鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6儲(chǔ)層天然巖樣的鑄體薄片與掃描電鏡，可發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)中存在大量的類三角孔隙，如圖5所示，三角孔隙對(duì)儲(chǔ)層的油水運(yùn)移和分布規(guī)律影響較大，對(duì)應(yīng)三角孔道的研究表明不同形狀的三角形孔道對(duì)于潤(rùn)濕流體和非潤(rùn)濕流體的分布形態(tài)與滲透性是不一致的[18-20]。

圖5 儲(chǔ)層砂巖微觀三角孔隙機(jī)構(gòu)

由于儲(chǔ)層的孔隙尺度及連通性等分布具有空間差異性，這構(gòu)成了油藏宏觀上的非均質(zhì)性，這種非均質(zhì)性在原油充注過(guò)程中起著極為重要的作用。一般認(rèn)為成藏之前沉積巖儲(chǔ)層孔隙為水充滿，成藏過(guò)程中來(lái)自側(cè)面或底部的油充注時(shí)，總是沿阻力最小的通道運(yùn)移，包括儲(chǔ)層連通的裂縫、孔隙，最終形成不同類型的油藏。最初儲(chǔ)層大多數(shù)是水潤(rùn)濕，充注的油只能賦存在較大的裂縫與孔隙中，其含油飽和度由孔隙結(jié)構(gòu)及尺寸、充注壓力等因素決定[21-23]。

對(duì)于砂巖油藏，水濕油藏相對(duì)來(lái)說(shuō)多于油濕油藏，Dawe[24]給出了水濕孔隙原始油水分布，如圖6所示。圖6中水環(huán)繞巖石顆粒，油賦存在孔隙中部。

圖6 水濕孔隙原始油水分布示意圖

低含水飽和度儲(chǔ)層，即傳統(tǒng)意義上水為油藏束縛水的情況，水主要賦存在較小的孔隙、角隅或孔隙壁面，油相主要分布在較大孔隙及較大喉道中間。天然能量開(kāi)發(fā)在正常生產(chǎn)壓差驅(qū)替下孔隙水可以認(rèn)為不流動(dòng)。刻劃這種儲(chǔ)層孔隙油水分布示意圖如圖7所示。圖7中儲(chǔ)層顆粒堆積，易形成各中類似三角形狀(銳角、直角、鈍角)孔隙，在低含水飽和度下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯微照片可看出:三角孔隙中存在角隅水和水膜水；同一孔隙中，水相和油相均分別連通，如果各角隅水可以傳遞流體壓力，其相對(duì)應(yīng)的曲率相等，即R1=R2=R3。

圖7 低含水砂巖孔隙原始油水分布示意圖

由于三角孔隙在儲(chǔ)層中大量存在，所以有必要去研究不同類型的三角孔隙充注過(guò)程的油水分布情況。通過(guò)刻蝕技術(shù)，在玻璃平板上分別建立了4個(gè)三邊邊長(zhǎng)為400 μm，600 μm，650 μm的一組銳角三角孔隙模型(鈍角和直角三角孔隙模型的機(jī)理與銳角三角孔隙一致，算法也相同)。實(shí)驗(yàn)步驟與上述水膜測(cè)試實(shí)驗(yàn)類似，模擬油藏充注過(guò)程，先將孔隙完全飽和水，進(jìn)行油驅(qū)水過(guò)程，模擬油藏孔隙中的原油油水分布狀態(tài)，充注時(shí)充注壓差分別為0.002 MPa，0.010 MPa，0.100 MPa，1.000 MPa。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果:待驅(qū)替在微納流控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通過(guò)高倍放大鏡觀察原油充注后的油水薄片，可以看出在三角形孔隙中普遍存在角隅水，油相主要分布在孔隙中心，三角孔隙的直線邊上存在一定厚度的水膜，如圖8所示，圖中箭頭代表充注方向，紅色為油，藍(lán)色為水。

圖8 不同充注壓力下的三角形孔隙中的油水界面分布

三角形孔隙角隅處容易形成角隅水，擴(kuò)展到儲(chǔ)層不規(guī)則孔隙中，該規(guī)律同樣適用。若孔隙形狀越接近于圓形，則初始含水飽和度越低；若孔隙形狀越復(fù)雜越不規(guī)則，邊角越多，則初始含水飽和度越高。對(duì)于特低滲儲(chǔ)層，巖石顆粒堆積密集，孔喉細(xì)小，形狀不規(guī)則，初始含水飽和度較高。

不同的充注壓差下三角角隅處形成的角隅水體大小不一，水體的體積隨著壓力的增加而減小，通過(guò)測(cè)量可得知3個(gè)角處油水界面的曲率半徑(見(jiàn)表2)。可以看出，隨著充注壓力的增加，油水界面的曲率半徑逐漸變小。

表2 油水界面曲率半徑

3 三角孔隙模型油水飽和度分析

三角孔隙的水膜與角隅水在孔隙和喉道的橫截面上的分布如圖9所示。油驅(qū)水過(guò)程中會(huì)在喉道和三角孔隙的壁面形成一定厚度的水膜，隨著孔徑的減小，水膜厚度對(duì)孔喉的流體運(yùn)動(dòng)及分布的影響變得越來(lái)越明顯。假設(shè)三角孔隙出入口兩端的壓差即為驅(qū)替壓差。對(duì)于三角孔隙內(nèi)角隅處的流體，由于水相的厚度要遠(yuǎn)大于孔壁處的水膜厚度，并將角隅處的水視為體相，因此角隅處可忽略表面力，即忽略分離壓力，油水的壓差主要取決于毛細(xì)管力，即:

圖9 三角孔隙水膜與角隅水分布示意圖

(3)

式中:Pw為水相壓力，MPa；σ為界面張力，mN/m；r為角隅油水曲率半徑，μm。

Mason和Morrow等人分析了潤(rùn)濕液體在角孔中的毛細(xì)管作用，并分析了潤(rùn)濕流體與非潤(rùn)濕流體的分布規(guī)律[25-27]，事實(shí)上，隨著充注壓力的增大或者三角孔隙的減小，水膜的影響變得越來(lái)越明顯，因此在分析角隅水分布的時(shí)候不能忽略水膜的作用，尤其是低滲透、致密儲(chǔ)層。

同一個(gè)三角孔隙內(nèi)3個(gè)角隅處的油水界面曲率r是相等的，且油相內(nèi)綠色虛線圍成的三角形與三角孔隙的形狀相似，忽略出入口毛細(xì)管對(duì)三角孔隙的影響，根據(jù)三角形的相似特征，三角孔隙的含水飽和度可以表達(dá)為:

(4)

式中:A為三角孔隙面積，μm2；P為三角孔隙截面周長(zhǎng)，μm。

水膜厚度所占的含水飽和度為:

(5)

角隅處含水飽和度為:

(6)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)充注壓力和對(duì)實(shí)驗(yàn)顯微照片的測(cè)量，取3個(gè)角處油水界面的曲率半徑的平均值，利用三角孔隙含水飽和度計(jì)算公式，即可以求取充注壓差分別為0.002 MPa，0.010 MPa，0.100 MPa，1.000 MPa下分別對(duì)應(yīng)的三角孔隙含水飽和度，得到充注壓力與含水飽和度的關(guān)系，如圖10所示，其關(guān)系可表示為:

圖10 充注壓力與三角孔隙含水飽和度的關(guān)系圖

Sw=-4.871lnΔP+6.972 5

(7)

可以看出，三角孔隙的原油充注受角隅的影響很大，原油充注并不能完全填滿孔隙，充注壓力越低原油充注量越少，在低充注壓力情況下，三角孔隙含水飽和度能達(dá)到38%以上。三角孔隙含水飽和度隨著充注壓力的增大而減小，并為對(duì)數(shù)遞減關(guān)系，充注壓力的增加會(huì)逐漸增大角隅水與水膜的剝離程度，但增加到一定的程度，由于固液分子間作用力的影響變得越來(lái)越大，剝離變得越來(lái)越困難，最后使得三角孔隙含水飽和度趨于穩(wěn)定。

角隅水對(duì)三角孔隙含水飽和度的貢獻(xiàn)占了主導(dǎo)作用，但隨著充注壓力的增大，水膜對(duì)三角孔隙含水飽和度的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，在充注壓力為1 MPa的時(shí)候，其貢獻(xiàn)度可達(dá)到10.3%。

4 結(jié)論

1)在親水單毛管模型之中，當(dāng)充注壓力為0.002～0.100 MPa時(shí)，水膜厚度由9.56 μm減少到2 μm，分離壓呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的增加，充注壓力為0.1～3.0 MPa時(shí)，水膜厚度由2 μm減少到0.70 μm，分離壓的增幅也變緩，總體上分離壓與充注壓呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

2)三角形孔隙中在充注過(guò)程中普遍存在角隅水，油相主要分布在孔隙中心，三角孔隙的直線邊上存在一定厚度的水膜，充注壓力的增加能明顯減少角隅水的含量。

3)三角孔隙中充注壓力增加，三角孔隙含水飽和度呈現(xiàn)對(duì)數(shù)式遞減，增加到一定程度后三角孔隙的含水飽和度趨于穩(wěn)定，但在低充注壓力情況下(小于0.01 MPa)，該模型的三角孔隙含水飽和度能達(dá)到38%以上，占了非常高的比例。

4)隨著充注壓力的增大，水膜對(duì)三角孔隙含水飽和度的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，在充注壓力為1 MPa的時(shí)候，其貢獻(xiàn)度可達(dá)到10.3%。