趙方劍，侯健，元福卿，王代剛，劉永革

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249）

0 引言

以大慶油田和勝利油田為代表的中國(guó)東部陸上油田，由于沉積環(huán)境復(fù)雜，儲(chǔ)層滲透率在平面和縱向2個(gè)維度存在較強(qiáng)非均質(zhì)性，多年注水開發(fā)進(jìn)一步加劇了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，部分層段甚至出現(xiàn)了高耗水條帶，導(dǎo)致采收率較低。以聚合物驅(qū)為主的三次采油技術(shù)通過(guò)改善流度比、擴(kuò)大波及系數(shù)可以有效改善驅(qū)油效果，但是在油層深部區(qū)域，特別是當(dāng)聚合物遇到高耗水條帶后，依然會(huì)發(fā)生竄流現(xiàn)象，導(dǎo)致油井見(jiàn)聚問(wèn)題的發(fā)生，降低了三次采油驅(qū)油體系的作用范圍，增加了油井產(chǎn)出液處理成本，影響了油田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益［1-6］。

近年來(lái)，為了解決高含水開發(fā)階段油藏控水穩(wěn)油的難題，勝利油田研制出一種新型支化預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒（B-PPG）驅(qū)油劑。該顆粒由化學(xué)主劑、交聯(lián)劑和引發(fā)劑在一定條件下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，然后經(jīng)粉碎、篩分等處理得到。內(nèi)部獨(dú)特的預(yù)交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使B-PPG具有優(yōu)異的黏彈性能和耐溫抗鹽性能，部分支化分子結(jié)構(gòu)造就了B-PPG良好的增黏性能和顆粒懸浮性能［7-9］。由聚合物、表面活性劑和B-PPG組成的非均相復(fù)合驅(qū)油體系已經(jīng)在勝利油田進(jìn)行了大規(guī)模礦場(chǎng)應(yīng)用，取得了明顯的降水增油效果［10-12］。為了進(jìn)一步明晰該驅(qū)油體系的驅(qū)油機(jī)理，需要開展B-PPG微觀驅(qū)油機(jī)理研究。常規(guī)研究方法是通過(guò)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)M礦場(chǎng)驅(qū)油過(guò)程，但是對(duì)于微觀孔喉中剩余油動(dòng)用狀況無(wú)法進(jìn)行表征，因此，本文將B-PPG巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)與CT掃描技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了B-PPG驅(qū)替過(guò)程中剩余油的三維可視化；同時(shí)，深入認(rèn)識(shí)該驅(qū)油劑在多孔介質(zhì)中的微觀滲流機(jī)制，為進(jìn)一步增強(qiáng)其油藏適應(yīng)性、提高原油采收率提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用水為勝利油田的模擬地層水溶液，由NaCl，CaCl2，MgCl2·6H2O和蒸餾水配制而成，密度為1.017 6 g/cm3，礦化度為10 000 mg/L。實(shí)驗(yàn)用油為勝利油田外輸原油與煤油按體積比1∶1調(diào)制的混合油，密度為0.86 g/cm3，黏度為63 mPa·s。聚合物為現(xiàn)場(chǎng)使用的常規(guī)聚合物，水解度為23%，相對(duì)分子質(zhì)量約為2×107，室溫條件下黏度為30 mPa·s（質(zhì)量濃度為2 000 mg/L時(shí)）。選用100～150目的B-PPG，按照聚合物與B-PPG質(zhì)量比1∶1配制成B-PPG顆粒懸浮驅(qū)油體系，總的質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，25℃下溶液黏度為130 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用填砂管模型由人工石英砂制作而成，模型直徑2.5 cm，長(zhǎng)度5.0 cm。

1.2 層析成像CT掃描系統(tǒng)

為了更好地獲取不同階段巖心中流體的分布形態(tài)，實(shí)驗(yàn)研究選用工業(yè)用微焦點(diǎn)CT掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由X射線源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和成像系統(tǒng)4個(gè)部分組成。進(jìn)行CT掃描時(shí)，X射線源按照設(shè)定的速度圍繞被掃描樣品旋轉(zhuǎn)，全方位測(cè)量某一固定橫截面X射線強(qiáng)度，通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到單個(gè)橫截面的空間圖像［13-15］，再通過(guò)一系列橫截面圖像疊加，最終得到樣品的三維掃描圖像。

工業(yè)用微焦點(diǎn)CT掃描系統(tǒng)不同于一般的醫(yī)用CT系統(tǒng)，主要優(yōu)勢(shì)有以下3個(gè)方面：1）X射線源由穿透能力強(qiáng)的320 kV小焦點(diǎn)源和225 kV微焦點(diǎn)源構(gòu)成，二者的加速電壓都遠(yuǎn)高于醫(yī)用CT，更有利于穿透大直徑巖心，實(shí)現(xiàn)巖石孔隙微觀結(jié)構(gòu)成像，空間分辨率可以達(dá)到10μm數(shù)量級(jí)。2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)器采用三視野圖像增強(qiáng)器，一次掃描后可以實(shí)現(xiàn)100個(gè)切片成像和體積層析，確保準(zhǔn)確觀察油水運(yùn)移過(guò)程。3）控制系統(tǒng)對(duì)被掃描物體采用整體旋轉(zhuǎn)控制模式，設(shè)計(jì)立式轉(zhuǎn)臺(tái)和臥式轉(zhuǎn)臺(tái)2種機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)，分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種途徑記錄不同時(shí)刻巖心內(nèi)流體的形態(tài)，更有利于全時(shí)段捕捉孔隙結(jié)構(gòu)間的油水分布形態(tài)。

1.3 方法

為對(duì)比研究微觀剩余油分布規(guī)律，分析驅(qū)油機(jī)理差異性，利用上述CT掃描系統(tǒng)對(duì)B-PPG驅(qū)的巖心模型，進(jìn)行了重要實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)剩余油分布掃描，分析巖心中油水分布信息，探究驅(qū)替體系的驅(qū)油機(jī)理。實(shí)驗(yàn)選取的掃描節(jié)點(diǎn)共5處，分別為飽和水結(jié)束時(shí)、飽和油結(jié)束時(shí)、水驅(qū)2.00 PV時(shí)、B-PPG驅(qū)0.35 PV時(shí)和后續(xù)水驅(qū)結(jié)束時(shí)。在各掃描節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行全巖心切片CT掃描，每個(gè)節(jié)點(diǎn)約掃描100個(gè)切片。掃描完成后，首先進(jìn)行掃描圖像的預(yù)處理，選取合理圖像區(qū)域進(jìn)行亮度、對(duì)比度調(diào)整和銳化，通過(guò)圖像插值和分割功能實(shí)現(xiàn)孔喉、油水分割，最后進(jìn)行CT圖像的三維重建，得到三維數(shù)字巖心模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀波及系數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

驅(qū)油體系驅(qū)油效果的差別在于動(dòng)用的孔隙個(gè)數(shù)不同，同時(shí)反映微觀波及作用的差異性。由于存在CT掃描精度和圖像處理誤差，必須制定合理的含油飽和度變化閾值（合理波及閾值），從而判斷真正意義上的波及現(xiàn)象。定義含油飽和度變化值超過(guò)合理波及閾值的孔隙體積與所有孔隙體積的比值為微觀波及系數(shù)Emv：

式中：N為有效孔隙個(gè)數(shù)；Vsi為第i個(gè)孔隙的體積，μm3；ΔSi為第i個(gè)孔隙的含油飽和度變化值；Sc為合理波及閾值。

為了進(jìn)一步研究B-PPG驅(qū)微觀驅(qū)油機(jī)理，選取水驅(qū)實(shí)驗(yàn)過(guò)程作為對(duì)比，可以看出（見(jiàn)圖1），當(dāng)含油飽和度變化值大于0.14時(shí)，水驅(qū)微觀波及系數(shù)下降較為迅速，并且與B-PPG驅(qū)微觀波及系數(shù)曲線的差異性變大［16-20］，所以合理的波及閾值取值為0.14。

圖1 微觀波及系數(shù)與含油飽和度變化值的關(guān)系

分別選取不同驅(qū)替階段統(tǒng)計(jì)了微觀波及系數(shù)（見(jiàn)圖2），可以看出，水驅(qū)、B-PPG驅(qū)各驅(qū)替階段的微觀波及系數(shù)均隨驅(qū)替時(shí)間的增加而增大。由于實(shí)驗(yàn)所用填砂管巖心尺寸有限，水驅(qū)至殘余油階段微觀波及系數(shù)已高達(dá)0.894，B-PPG驅(qū)后僅提高了0.088。

圖2 微觀波及系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

2.2 微觀驅(qū)油效率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

被波及孔隙的含油飽和度變化值加權(quán)平均為微觀驅(qū)油效率：

式中：EmD為微觀驅(qū)油效率；M為波及孔隙的個(gè)數(shù)；Sbi為第i個(gè)孔隙的原始含油飽和度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到了水驅(qū)和B-PPG驅(qū)各驅(qū)替階段的微觀驅(qū)油效率（見(jiàn)圖3）。水驅(qū)至殘余油階段的微觀驅(qū)油效率為49.5%，而B-PPG驅(qū)后，微觀驅(qū)油效率提高了11.0百分點(diǎn)。

圖3 微觀驅(qū)油效率計(jì)算結(jié)果

在確定了微觀波及系數(shù)和微觀驅(qū)油效率后，計(jì)算水驅(qū)和B-PPG驅(qū)各驅(qū)替階段的采收率［21-22］。與巖心驅(qū)替前后統(tǒng)計(jì)得到的采收率進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖4），可以看出，采用計(jì)算方法與驅(qū)替實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法得到的采收率值相近，證明了計(jì)算方法的合理性。相比水驅(qū)，B-PPG驅(qū)采收率提高了16.0百分點(diǎn)。

圖4 采收率結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2.3 微觀受效剩余油表征分析

微觀受效剩余油是指當(dāng)B-PPG驅(qū)替體系進(jìn)入儲(chǔ)層后，孔喉中被體系波及后多動(dòng)用的剩余油。為了表征剩余油的動(dòng)用過(guò)程，需要選取不同時(shí)間點(diǎn)的剩余油分布圖像進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)剩余油動(dòng)用前后的圖片進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖5），每1個(gè)方格代表圖片的1個(gè)像素。方格中標(biāo)識(shí)值為0的黃色方格代表巖石骨架，這部分像素在剩余油動(dòng)用前后是保持不變的；藍(lán)色方格中采用標(biāo)識(shí)值1來(lái)代表孔喉中的水；紅色方格中采用標(biāo)識(shí)值2來(lái)代表孔喉中的油，驅(qū)替實(shí)驗(yàn)之后若剩余油被動(dòng)用，則把被動(dòng)用部分方格的標(biāo)識(shí)值改為1；發(fā)生變化的方格標(biāo)記成粉色，定義為微觀受效剩余油。

圖5 微觀受效剩余油標(biāo)記示意

根據(jù)上述定義，將CT掃描得到的巖心切片進(jìn)行三維重建，受效剩余油重建結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，B-PPG驅(qū)受效剩余油形態(tài)更加飽滿，并且斑塊狀剩余油占比多，這是由于B-PPG顆粒注入后，其粒徑超過(guò)孔喉直徑時(shí)，會(huì)發(fā)生暫時(shí)封堵現(xiàn)象，迫使驅(qū)替相發(fā)生液流轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大波及體積，隨著后續(xù)注入壓力的上升，孔喉兩端驅(qū)替壓差增大，B-PPG顆粒產(chǎn)生變形通過(guò)孔喉繼續(xù)運(yùn)移，從而達(dá)到擴(kuò)大波及體積的目的，使得原來(lái)未動(dòng)用體積較大的剩余油被沖刷下來(lái)。

圖6 受效剩余油三維分布

為表征受效剩余油的位置，定義了接觸面積比（ROR）這一指標(biāo)。其物理意義為某一塊剩余油與巖石基質(zhì)的接觸面積，反映了剩余油與孔隙表面的相對(duì)位置關(guān)系，接觸面積比越大，剩余油越貼近巖石表面。

式中：Scor為剩余油與巖石的接觸面積，μm2；Soil為剩余油的表面積，μm2。

對(duì)不同驅(qū)替階段孔隙中剩余油的接觸面積比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖7），可以看出，B-PPG驅(qū)與水驅(qū)相比，剩余油的接觸面積比更小。這進(jìn)一步證明了B-PPG驅(qū)擴(kuò)大波及范圍的作用，使更多連片的剩余油從巖石表面被剝離下來(lái)。

圖7 不同驅(qū)替階段剩余油接觸面積比統(tǒng)計(jì)

2.4 剩余油微觀賦存形態(tài)定量表征

剩余油在孔隙和喉道空間中的微觀賦存形態(tài)是多種多樣的，特別是注入不同的驅(qū)油體系后，所呈現(xiàn)的形態(tài)更是多種多樣，但是總體可以歸納為以下4種：1）網(wǎng)絡(luò)連片狀——體積較大，呈現(xiàn)連片交聯(lián)形態(tài)，分布于多個(gè)孔喉中；2）多孔復(fù)雜狀——形狀較為復(fù)雜，貫穿于部分孔隙和喉道中；3）單個(gè)孤立狀——形狀比較規(guī)則，通常分布于單個(gè)孔隙中；4）附著油膜狀——呈連續(xù)薄膜狀形態(tài)，附著于巖石表面。

假設(shè)剩余油賦存形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)球形時(shí)，呈現(xiàn)為最規(guī)則狀態(tài)，定義此時(shí)剩余油微觀賦存形態(tài)因子為1；如果演化成其余形狀時(shí)，則剩余油微觀賦存形態(tài)因子變小，用G來(lái)表示這一形態(tài)因子。

式中：V為剩余油所占體積，μm3。

由式（5）可知，相同體積下，形態(tài)因子越小，表明剩余油在孔隙空間中的分布越復(fù)雜，形狀越不規(guī)則。分析不同孔隙空間里的分布形態(tài)，結(jié)合形態(tài)因子及接觸面積比，將剩余油微觀賦存形態(tài)劃分成4類（見(jiàn)表1）。

表1 剩余油微觀賦存形態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，繪制B-PPG驅(qū)不同驅(qū)替階段的剩余油形態(tài)（見(jiàn)圖8）。B-PPG驅(qū)過(guò)程動(dòng)用的剩余油是由網(wǎng)絡(luò)連片狀向其他類型轉(zhuǎn)化的過(guò)程，當(dāng)驅(qū)替至殘余油狀態(tài)時(shí)，多孔復(fù)雜狀剩余油的含量已超過(guò)網(wǎng)絡(luò)連片狀，而通過(guò)水驅(qū)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一狀態(tài)轉(zhuǎn)換的。這表明，由于B-PPG顆粒的注入，原本水驅(qū)無(wú)法被驅(qū)動(dòng)的連片狀剩余油得以充分動(dòng)用。

圖8 各驅(qū)替階段不同形態(tài)剩余油所占比例

3 結(jié)論

1）基于工業(yè)用微焦點(diǎn)CT掃描系統(tǒng)完成了B-PPG驅(qū)的層析成像驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，引入“微觀波及系數(shù)”和“微觀驅(qū)油效率”概念，定量表征B-PPG驅(qū)的微觀驅(qū)油過(guò)程。與水驅(qū)相比，B-PPG驅(qū)采收率提高了16.0百分點(diǎn)。

2）對(duì)驅(qū)油體系注入前后的微觀受效剩余油研究發(fā)現(xiàn)，B-PPG驅(qū)的暫堵—變形—運(yùn)移驅(qū)替過(guò)程使更多連片的剩余油從巖石表面被剝離下來(lái)，剩余油呈現(xiàn)的接觸面積比更低。

3）相比于水驅(qū)，B-PPG驅(qū)之后剩余油分布更加分散，驅(qū)替至殘余油階段時(shí)，形態(tài)復(fù)雜的多孔狀剩余油成為主要賦存形態(tài)。