吳建邦 楊勝來 李 強 周 偉 趙彬彬

（1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；3.中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引 言

致密油氣是一種重要的非常規(guī)油氣資源，隨著全球油氣勘探程度的提升，砂礫巖儲層引起了廣泛重視［1-2］。近年來，準噶爾盆地瑪湖斜坡區(qū)油氣勘探連續(xù)取得突破，正在形成百里新油區(qū)，主力開發(fā)層位為三疊系的百口泉組、二疊系的烏爾禾組。目前致密儲層的主體開發(fā)工藝為水平井體積壓裂，但壓裂后衰竭開采的一次采收率較低，注水是常用的增產方法［3］。與常規(guī)砂巖儲層相比，砂礫巖儲層物性較復雜，受沉積機制影響較大［4］。盡管有學者針對砂礫巖儲層開展過注水驅替的研究，但沒有針對不同沉積巖相的砂礫巖儲層進行分類研究，且缺少關于不同驅替壓力下可動孔隙界限的研究。注氣開采也是一種常用的提采方式［5］，但與注水開發(fā)相比其注入性和動用程度尚不明確，缺少不同開發(fā)方式的動用特征的對比實驗。傳統(tǒng)的研究動用程度和可動孔隙界限的實驗方法有巖心驅替法、刻蝕模型法［6］等，但單獨的巖心驅替手段無法反映巖心內部孔隙級別的動用規(guī)律，人造刻蝕模型無法模擬真實巖心的礦物組成。核磁共振是一種快速、無損的巖心檢測方法，核磁—離心實驗確定可動孔隙下限方法應用較為成熟［7］，而利用在線核磁共振監(jiān)測下的驅替實驗是一項更高效的實驗研究方法，可以實時監(jiān)測巖心內部孔隙級的動用規(guī)律，并確定不同條件下的可動孔隙界限。

另外，礦場實踐表明砂礫巖儲層注水開采過程中存在較嚴重的水敏傷害問題，水驅過程中發(fā)生明顯的介質變化，使儲層物性變差［8］，但對于其介質變化特征及其對驅替動用的影響機理缺少研究。傳統(tǒng)的水敏傷害研究多是基于驅替實驗確定傷害前后的滲透率變化［9］，但無法直觀地反映水化誘導造成的介質變化特征。李俊踺等［10］利用CT 掃描技術研究了孔隙尺度的砂礫巖水敏機理，王磊等［11］采用掃描電鏡和核磁共振技術研究了低滲透砂礫巖儲層遇水后的孔隙結構變化，說明了CT 掃描和核磁共振技術研究砂礫巖介質變化特征的可行性，但以上研究得到的均是靜態(tài)的實驗結果，并沒有直觀地反映水化誘導的介質變化趨勢。數字圖像相關（DIC）技術是一種新型的非接觸式光學測量方法，已被成功地應用到巖石樣品變形等應變計算中［12-13］，基于CT 掃描圖像的數字圖像相關方法是研究砂礫巖遇水介質動態(tài)變化趨勢的更有意義的技術手段。

本文將從砂礫巖儲層的不同沉積成因入手，選擇具有代表性的樣品進行核磁共振檢測下的在線水驅實驗，研究不同巖相樣品在不同驅替壓力下的孔隙動用特征和可動孔隙界限，并進行水驅和CO2驅可動孔隙界限的對比實驗。對于水敏現象明顯的樣品，將進一步進行μ—CT 掃描實驗，同時利用數字圖像相關方法計算其遇水前后介質變化規(guī)律，并分析其對可動孔隙界限的影響機理。這一研究將為明確致密砂礫巖儲層可動孔隙界限，合理制定開發(fā)方案提供理論支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

瑪湖凹陷全直徑巖心中鉆取天然巖心作為實驗樣品，核磁驅替實驗的樣品為直徑2.5 cm、長度不等的標準巖心，測試孔隙度、滲透率、礦物含量等物性參數后備用，樣品物性參數見表1。根據瑪湖地層條件下原油配置黏度為3.3 mPa·s 的模擬油作為飽和用油，采用質量濃度為72 g/L 的氯化錳溶液和純度為99.9%的CO2作為核磁驅替實驗的驅替介質。

表1 核磁共振驅替實驗樣品物性參數Table 1 Physical parameters of NMR displacement experiment samples

核磁驅替實驗的樣品可以分為牽引流砂礫巖、含礫砂巖和重力流砂礫巖3 種巖相。

牽引流砂礫巖（1 號樣品）發(fā)育于扇三角洲平原亞相的扇面河道微相、扇三角洲前緣亞相的水下分流河道微相的底部，由災變期正常牽引流形成，水流淘洗作用充分，物性較好。

含礫砂巖多在牽引流作用下形成，主要發(fā)育在扇面河道微相、水下分流河道微相的頂部，可細分為含礫粗砂巖（2 號樣品）和含礫細砂巖（3號樣品）。

重力流砂礫巖（4 號樣品）發(fā)育在扇三角洲平原亞相的泥石流微相、扇三角洲前緣亞相的碎屑流微相中，由災變事件形成，物性較差。

研究樣品均取自瑪湖1 井區(qū)塊，該區(qū)塊位于克拉瑪依市以東，區(qū)域構造位于準噶爾盆地中央坳陷瑪湖凹陷瑪南斜坡，巖性主要為砂礫巖、含礫砂巖，屬于瑪湖凹陷典型砂礫巖儲集層?，敽? 井區(qū)百口泉組、烏爾禾組油藏發(fā)現時間為2013年，2016年開始進行注水試驗，2019年開始進行注CO2提高采收率試驗。對典型井取心觀察發(fā)現，牽引流砂礫巖儲集層所占比例為42%，含礫砂巖儲集層所占比例為38%，重力流砂礫巖儲集層所占比例為20%，因此，研究不同巖相砂礫巖儲層注水和CO2的動用特征具有一定現實意義。

CT 掃描實驗的樣品制作為直徑0.7 cm、長度1 cm 的圓柱形，配置活性水濃度為100 mol/L 的氯化鈣溶液，作為CT 掃描實驗的浸泡介質。

1.2 實驗裝置

核磁驅替實驗裝置主要包括斯派克核磁共振儀、無磁巖心夾持器、流壓泵、回壓泵、圍壓泵、高壓容器和燒杯等，實驗設備見圖1。CT 掃描實驗在X射線掃描儀（型號為ZEISS Xradia 520 Versa）中進行。

圖1 核磁驅替實驗設備及流程示意Fig.1 Schemetic diagram of equipment and process for NMR displacement experiment

1.3 實驗步驟

（1）按照核磁驅替實驗流程圖所示安裝實驗設備。

（2）巖心烘干抽真空飽和油，并在20 MPa 壓力下加壓飽和油，加壓飽和完成后測定T2譜圖（獲取初始含油孔隙分布）。

（3）在核磁共振在線監(jiān)測下，利用錳水驅替巖心，對于不同長度巖心保證壓力梯度相同，同時參照現場實際生產壓差范圍設置實驗的驅替壓差（表2）。待巖心兩端壓力穩(wěn)定、產液量恒定且T2譜圖穩(wěn)定時，記錄相關參數后，進行下一個壓力梯度的測試［14］，水驅結束后選擇水驅可動孔隙界限對應的壓差進行CO2驅實驗。實驗過程中始終保持圍壓高于入口端壓力2 MPa。實驗過程巖心不取出，以充分模擬實際條件，避免誤差影響。

表2 在線核磁共振驅替實驗的驅替壓差設置Table 2 Displacement differential pressures setting for online NMR displacement experiment

（4）分析不同壓力梯度下驅替的剩余油分布規(guī)律，結合壓汞-核磁轉換模型，評價不同壓力梯度下的可動孔隙半徑，對比不同驅替介質的可動孔隙界限情況。CT 掃描實驗巖相選擇在水驅實驗中介質變化最明顯的類型，樣品在干燥狀態(tài)下進行第1 次掃描，在配置的活性水中浸泡2 h 后進行第2 次掃描，2 次掃描的巖心擺放位置和方位不變，以便進行2D-DIC 計算。

1.4 數據處理方法

1.4.1T2與孔隙半徑的轉換

本文采用李愛芬等［15］的標度方法利用每塊實驗巖心的平行樣的高壓壓汞孔徑分布對T2進行標度。主要步驟包括：

（1）得到均勻磁場中球柱體飽和油孔道中橫向弛豫時間和孔喉半徑的冪指數關系，公式為

式中：r——孔喉半徑，mm；T2——弛豫時間，s；C、n——擬合系數。

（2）分別繪制r和T2的累計分布頻率，通過差值得到相同累計頻率的r和T2，并根據最小二乘法擬合得到冪指數函數，從而得到轉換系數C和n，由C和n值可求得某一T2對應的孔隙半徑。

1.4.2 可動孔隙界限的確定

本文參照可動流體T2截止值的計算方法［7］確定不同驅替壓差下的可動孔隙半徑，并以最小的可動孔隙半徑作為可動孔隙界限。

具體計算步驟為：首先分別繪制巖心飽和狀態(tài)和驅替后的累計T2分布曲線；然后從驅替后累計曲線的最高點做平行線，與飽和狀態(tài)累計曲線相交于一點；最后由交點做橫坐標垂線交于一點，該點讀數的T2經轉換得到對應驅替壓力的可動孔隙半徑。

1.4.3 數字圖像相關計算

數字圖像相關法是指從數字圖像中計算位移，主要是基于灰度守恒原理，兩幅圖像中相應像素的灰度級隨時間保持不變，即

式中：I——位移函數；x、y——某像素點的坐標；u、v——參考坐標為x、y的像素的位移矢量；t、t+1——分別代表參考狀態(tài)、變形狀態(tài)。

式（2）可由一階泰勒公式近似展開，計算的是參考狀態(tài)到變形狀態(tài)的位置變化情況，并引入光流算法解決未知數的數量多于方程數量的問題，具體算法說明可見文獻［16］。

2 實驗結果與討論

2.1 驅替過程的T2表征

通過實驗可以得到不同實驗階段的T2譜，分析T2譜可以得到不同驅替階段的原油動用規(guī)律及介質變化規(guī)律，根據T2譜面積差，可以得到不同驅替階段的采出程度。

牽引流砂礫巖（1 號樣品）顆粒分選較好，T2譜分布呈明顯雙峰，孔隙分布較均質，連通性好，隨著水驅壓力升高，T2譜雙峰同時下降（圖2（a）），說明大小孔隙中的原油同時被動用，雙峰峰值右移，主要和孔隙內原油的運移有關，在左側生成了新的譜峰，主要與大孔道中殘余的油膜有關，該類巖相樣品的伊蒙混層等膨脹性黏土礦物含量少，介質變化不明顯，水驅采收率達41.0%，CO2驅進一步提高11.5%的采收率，最終采收率為52.5%。

含礫粗砂巖（2 號樣品）顆粒分選較好，T2譜分布為粗歪度的雙峰（圖2（b）），大孔含量較多。低壓力梯度驅替時大孔含油明顯下降，小孔含油反常上升，主要與遇水產生的黏土膨脹有關，蒙脫石/伊利石等膨脹性黏土礦物在大孔隙中分割充填，生成了大量微小的黏土孔，驅替壓差繼續(xù)增大時小孔含油開始下降，說明增大壓差可以提高小孔的動用程度，該樣品水驅采收率為28.3%，CO2驅提高11.4% 的采收率，最終采收率為39.7%。

含礫細砂巖（3 號樣品）顆粒分選中—差，T2譜分布為細歪度的雙峰（圖2（c）），小孔含量較多，黏土礦物含量特別是伊蒙混層的含量較高?？梢钥闯?，低壓差水驅時同樣發(fā)生了明顯的介質變化現象，即小孔含量反常升高，當壓差增大到1.5 MPa 以上時，T2譜右端出現擴張，即形成了更大的孔道和裂縫，同時小孔含油明顯降低，可以認為此時水沿裂縫網絡流動起到了孔內滲吸效果，充分動用了小孔含油，同時隨流壓和圍壓進一步增大，右端擴張部分逐漸縮回，即裂縫逐漸受壓閉合。該巖心水驅采收率為24.8%。CO2驅僅提高了3.8%的采收率，最終采收率為28.6%。

重力流砂礫巖（4 號樣品）顆粒分選差，T2譜為由小孔構成的單峰（圖2（d））。隨驅替進行T2譜逐漸變?yōu)榧毻岫鹊碾p峰，水驅采收率僅為15.2%，CO2驅提高了14.0%的采收率，最終采收率為29.2%。

圖2 4塊典型樣品驅替過程中的T2譜Fig.2 T2 spectra of 4 typical samples during displacement

可以看出，水驅采收率最高的為牽引流砂礫巖相，水驅采收率最低的為重力流砂礫巖相。CO2驅提高采收率最多的為儲層較致密的重力流砂礫巖相，說明CO2驅能通過改善流度比及對原油的膨脹作用動用更小孔隙中的原油，CO2驅采收率最低的是含礫細砂巖相，可能是由于介質變化形成的裂縫網絡導致了氣竄，不利于氣驅采油。

2.2 孔隙動用特征與可動孔隙界限

根據黃德利［17］的分類方法對孔隙進行分類，由于黏土礦物在核磁共振測試中主要反映弛豫時間小于4 ms 的弛豫譜，將弛豫時間小于4 ms 的孔隙稱為黏土孔，4～40 ms 的孔隙稱為毛管孔，40 ms 以上的孔隙稱為大孔，牽引流砂礫巖和含礫粗砂巖樣品含有以上3 種孔隙，而含礫細砂巖和重力流砂礫巖樣品不含大孔，只有黏土孔與毛管孔。

由表3可以看出，在水驅過程中，黏土孔和大孔貢獻了較多的原油采收率，而在CO2驅過程中，黏土孔貢獻的采收率均最多，說明水驅通過驅替和滲吸作用同時動用了大孔和小孔中的油，而CO2驅進一步提高了小孔的動用程度。在2 種驅替方式中，毛管孔貢獻的采收率均較低，有一個重要原因是孔內原油的運移作用。如圖3所示，2 號樣品在實驗結束后用保鮮膜包裹后封存靜置，在1、3、6 d 后分別進行核磁共振掃描，發(fā)現黏土孔和大孔含油量不斷減少，毛管孔含油量不斷增多，即由于毛細管力的作用，巖心內部不斷發(fā)生著原油從其他孔隙向毛管孔隙運移的過程，此時毛管孔主要起到驛站的作用，說明巖心內部流體運移對驅替動用有著重要的影響。

圖3 2號樣品驅替后靜置不同時間的T2譜Fig.3 T2 spectra of No.2 sample at different standing time after displaced

表3 不同孔隙對水驅和CO2驅采收率的貢獻率Table 3 Contributions of different pores to water flooding and CO2 flooding recoveries

根據式（2）計算了不同驅替階段的可動孔隙界限。如圖4所示，隨著驅替壓差增大，可動孔隙半徑初期下降較快，后期下降較慢，變化的臨界壓差為2.3 MPa，說明當水驅壓差大于2.3 MPa 時，增產效果不再明顯。另外可以看到含礫細砂巖樣品在低壓差驅替時期，由于介質變化導致可動孔隙半徑反常升高。

圖4 水驅壓差與可動孔隙半徑的關系Fig.4 Relations between the water-drive pressure difference and movable pore radius

4 塊樣品均采用最高驅替壓差時的動用孔隙界限，用同樣的計算方法計算得到CO2驅后的可動孔隙界限，牽引流砂礫巖、含礫粗砂巖、含礫細砂巖和重力流砂礫巖的水驅可動孔隙半徑分別為0.43、0.40、0.22、0.14 μm，CO2驅可動孔隙半徑分別為0.29、0.30、0.21、0.08 μm?？蓜涌紫栋霃脚c滲透率的關系如圖5所示，可以看出，驅替的可動孔隙界限與滲透率呈線性正相關，可動孔隙半徑隨滲透率的降低而降低，這主要與巖心的微觀非均質性有關，滲透率越高越容易形成優(yōu)勢通道，不利于驅動小孔隙。

圖5 滲透率與可動孔隙半徑界限的關系Fig.5 Relations between the permeability and movable pore radius limit

實驗結果符合碎屑巖儲層可動孔隙分布的普遍規(guī)律［6，18］，印證了本研究的合理性。CO2驅的可動孔隙界限明顯低于水驅，說明CO2可以進一步動用小孔隙中的原油以提高采收率，這主要是由于CO2可以通過降低油的黏度、膨脹原油體積、改善流度比、提高注入能力和酸化解堵能力等作用，克服毛細管力進入盲端孔，進一步波及小孔隙和角隅處的原油，降低可動孔隙界限。對于致密儲層，CO2還可通過溶劑萃取和分子擴散等作用，進一步動用小孔中的原油［19］。此外還可以看出，4 種巖相中含礫細砂巖的CO2驅較水驅后的可動孔隙界限降低不明顯，這主要與其遇水發(fā)生了介質變化有關。

2.3 介質變化特征

根據驅替實驗結果可知，含礫細砂巖介質變化現象最為明顯，其可動孔隙界限明顯異于其他巖相，因此選用含礫細砂巖樣品進行CT 掃描實驗，研究該樣品的介質變化特征，并分析其對可動孔隙界限影響的微觀機理。

分析浸泡前后的孔隙連通性變化情況，對典型切面進行2D-DIC 計算以分析介質變化趨勢。由圖6可以看出，含礫細砂巖樣品在活性水中浸泡2 h 后，連通孔隙的分布出現了明顯變化，部分連通孔隙消失，同時沿礫石邊緣出現了新的裂縫網絡。定量分析表明，黏土礦物水化導致的介質變化使連通孔隙度從2.07%降低到1.82%，降低了12%，裂縫孔隙度從0.31%升高到0.92%，增加了近2 倍。2D-DIC 計算結果進一步印證了觀察結果，圖7為圖6中切片所示的巖石介質在xy方向的應變計算結果（xx、yy方向與xy方向應變計算結果相似），紅色為正應變，藍色為負應變，正應變即為拉伸或張開，負應變即為收縮或閉合?？梢钥闯?，紅色主要出現在下部和右下方的礫石邊緣處，藍色主要出現在中部的基質處。

圖6 活性水浸泡前后的巖心端面、連通孔隙對比Fig.6 Core edge and connected pores before and after active water immersion

圖7 活性水浸泡前后介質變化的應變云圖Fig.7 Strain nephogram of media changes before and after active water immersion

介質變化特征也揭示了含礫細砂巖可動孔隙界限異于其他巖相的微觀機理，說明砂礫巖水化誘導的介質變化主要體現在2 個方面：（1）在水驅壓力增加初期，由于黏土膨脹導致的基質孔收縮堵塞，孔隙連通性降低，導致水驅效率下降，所以圖4中可動孔隙界限反常升高。（2）水化誘導后礫緣縫張開，裂縫孔隙度明顯升高，導致水驅后的CO2驅容易發(fā)生氣竄，CO2驅的提采效率下降，所以圖5中含礫細砂巖的CO2驅較水驅的可動孔隙界限降低不明顯。因此含礫細砂巖層位在水驅開發(fā)時應注意防膨，避免孔隙堵塞，而在氣驅增產時應注意實施封竄措施，防止氣竄。本次研究也說明數字圖像相關技術和應變研究在研究碎屑巖介質變形行為中有應用價值，建議進一步研究砂礫巖儲層在有外加應力條件下的介質變化特征。

3 結 論

（1）不同巖相樣品水驅和CO2驅特征差異顯著，牽引流砂礫巖水驅效率最高，重力流砂礫巖水驅效率最低，含礫細砂巖CO2驅提采效率最高，介質變化現象也最明顯。

（2）牽引流砂礫巖、含礫粗砂巖、含礫細砂巖和重力流砂礫巖的水驅可動孔隙半徑分別為0.43、0.40、0.22、0.14 μm，CO2驅可動孔隙半徑分別為0.29、0.30、0.21、0.08 μm，滲透率和可動孔隙界限呈線性正相關，CO2驅可進一步動用更小的孔隙，有利于提高采收率。

（3）砂礫巖水化誘導的介質變化對可動孔隙界限有重要影響，一方面孔隙堵塞使可動孔隙半徑升高，另一方面礫緣縫生成可以充分發(fā)揮孔內滲吸作用，提高水驅采收率，但容易造成氣竄，導致氣驅增產效率變低，但可動孔隙半徑降低不明顯，建議合理利用氣驅手段，避免介質變化的負面影響，提高采油效率。