不同覆壓條件下儲層物性變化特征及水驅油實驗研究

李百川，周巨標，丁玉盛，李祥珠，劉一丹，王夢琪

( 1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.中國石化江蘇油田分公司 第三采油廠，安徽 天長 239300)

不同覆壓條件下儲層物性變化特征及水驅油實驗研究

李百川1，周巨標2，丁玉盛2，李祥珠2，劉一丹1，王夢琪1

( 1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.中國石化江蘇油田分公司 第三采油廠，安徽 天長 239300)

摘要：在油田注水開發過程中，地層中流體靜態平衡被打破，巖石儲層在上覆地層壓力作用下發生形變，從而改變巖石的物性特征，進而影響水驅采收率。以王龍莊油田、綏中油田取心井巖心為實驗樣品，開展了不同圍壓下的巖石物性測定及水驅油實驗，結果表明：巖石孔隙度、滲透率與圍壓呈冪函數關系，且隨著圍壓的增加，巖石孔隙度、滲透率逐漸減小；水驅油效率與圍壓呈指數函數關系，并確定了不同指數的分布范圍。

關鍵詞：水驅油實驗；圍壓孔隙度；圍壓滲透率；驅油效率

油田注水開發是國內外普遍采用的有效保持地層能量的一種開發方式，可以提高油田的采油速度和采收率。但是，長期注水會對儲層物性產生一定影響，特別是油田進入高含水期時，儲層物性變化對油田開發效果的影響尤為明顯[1-3]。地層壓力是儲層物性的一個重要影響因素，直接影響儲層的孔隙度、滲透率及孔隙體積壓縮系數等[4]。在油田投入開發后，隨著地層內部壓力不斷變化，地層中有效壓力也會隨之變化，可能引起儲層巖石發生形變，從而改變巖石孔隙結構及骨架結構特征，導致儲層物性參數發生變化[5]。因此，只有正確認識上覆地層壓力對儲層物性的影響規律，才能更有利于油田注水開發調整措施的制定。通過室內模擬實驗，評價不同巖樣在不同圍壓作用下的物性變化特征及不同圍壓下的水驅油效果，可指導油田的高效開發。

1實驗設備與條件

1.1儀器設備

實驗主要采用高溫高壓覆壓孔滲測量儀，測量在不同覆壓下的孔隙度和滲透率。實驗以氮氣為介質測試，按照石油行業標準[6]“覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法(SY/T6385—1999)”進行，并對實驗結果進行校正(圖1)。

圖1　孔隙度、滲透率測量設備流程圖

驅替實驗采用油水相對滲透率測量儀進行，設備主要包括驅替泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和恒溫系統等。除驅替泵和手搖泵外，其他部分置于恒溫箱內(圖2)。

圖2　水驅油實驗流程圖

1.2實驗用油

實驗用油為王龍莊油田油樣與煤油混合樣，按照地層溫度條件配制成粘度為23.5 mPa·s的模擬油。

1.3實驗巖心

實驗所用巖心為王龍莊油田、綏中油田取心井巖心與人造巖心。根據實驗目的，選取滲透率級別為3 000,1 000,500,100 mD的巖心各三塊(表1)。

表1　實驗樣品參數

2實驗方法與結果

2.1實驗方法

在相對滲透率的室內測量過程中，由于實驗設計的理論基礎不同，測量手段可分為兩種，即“穩態法和非穩態法”[7]。

穩態法是直接根據達西定律，在實驗過程中，設定一定比例的油和水通過標準巖樣，達到流量穩定狀態，記錄壓差和流量，就得到一個實驗點。改變油水的注入比例，重復上述過程，可以得到一系列實驗點，然后根據單相流的達西定律計算不同含水飽和度下的相對滲透率。

非穩態方法是在滿足相似準則條件下，設定一定注入速度或注入壓力，直接進行水驅，并間隔一定時間測量階段產油、累積產液以及巖心兩端壓差，但是非穩態法需要建立足夠大的驅替速度或驅替壓差，以消除或減低巖心出口段因毛管力引起的飽和度梯度—末端效應。

非穩態法與穩態法相比，其優點是測量時間短，實驗強度低，但其數據分析中需要求解隱式方程，還需要用到不同數學擬合回歸方法，目前最常用的方法是JBN(Johnson-Bossler-Naumann)方法。

本次實驗采用《中華人民共和國天然氣行業標準》中的非穩態法測定水驅油效率實驗[8]，采用JBN方法計算實驗數據，并繪制關系曲線。

2.2實驗步驟

1)將巖心放在孔隙度夾持器中，在環壓約850 kPa時測量樣品巖心的常溫常壓孔隙度；

2)以恒定速率用實驗氮氣流經巖心夾持器中的樣品巖心，直到流經巖心內部的氮氣流速穩定，測得氣體流速，計算巖心的氣測滲透率；

3)用3～5個標準塊，檢查儀器的可靠性，測得標準塊值與標準塊的標定值相比較，相對誤差在5%以內，則認為所用儀器合格；

4)將巖心放在巖心夾持器中，用手搖桿加不同環壓值，多次試驗測得巖心不同圍壓下的孔隙度值；

5)在不同環壓值下重復測得滲透率值，得到不同圍壓下的滲透率值；

6)啟動抽真空系統，將巖心抽成真空。在50 ℃條件下，采用恒速法(0.2 mL/min)向巖心夾持器中注入實驗用水，直到飽和為止，根據濕重與干重計算水的質量；

7)在50 ℃條件下，采用穩定流(0.2 mL/min)的驅替方法飽和模擬油，在巖樣出口端計量出水量，計算出飽和油質量與束縛水飽和度；

8)在50 ℃條件下，采用穩定流(0.2 mL/min)的驅替方法進行恒速水驅油，在巖樣出口端以一定時間間隔，記錄見水前的無水期產油量、見水時間、見水時的累計產油量、累計產液量和巖樣兩端壓力差隨時間的變化關系，待出口端不再出油且壓差穩定時結束實驗；

9)計算含水率、采收率與水驅油效率；

10)重復步驟1)～8)，分別對9塊實驗樣品進行實驗，記錄每一塊樣品的實驗數據。

2.3覆壓孔滲的測量

利用實驗樣品進行覆壓孔滲測量，分別選取圍壓值為5，10，15，20，25，30，35，40 MPa，測試結果見表2、表3。

表2　孔隙度覆壓測試結果

2.4水驅實驗

利用實驗樣品分別在加圍壓5,10,20 MPa的情況下，以模擬地層水與模擬油完成的水驅油實驗，結果見表4～6。

表4　5 MPa水驅油實驗結果

表5　10 MPa水驅油實驗結果

表6　20 MPa水驅油實驗結果

3實驗結果分析

3.1不同圍壓下孔隙度和滲透率測量結果分析

對12塊樣品在不同圍壓下的孔隙度與滲透率進行測量，從圖3、圖4可以看出，隨著圍壓增大，巖心的孔隙度、滲透率逐漸減小，并呈冪函數規律變化。總的趨勢是，在圍壓增大初期，變化幅度較大，圍壓進一步增大后，變化幅度相對減小。

根據實驗結果，對孔隙度與滲透率隨圍壓的變化曲線進行回歸，得到了回歸方程與相關系數。

樣品號SKD-500B的孔隙度與圍壓力的關系式為：

∮= 16.468P-0.052，R2=0.963 5。

(1)

其中：∮為圍壓下的孔隙度測定值，%；P為圍壓值，MPa；R為相關系數。

樣品號SKD-100A的滲透率與圍壓的關系式為：

K= 114.03P-0.061，R2=0.980 1。

(2)

其中：K為圍壓下的滲透率測定值，mD；P為圍壓值，MPa；R為相關系數。

根據實驗結果，冪函數關系能較好地描述孔隙度、滲透率與圍壓的關系，其相關系數達到0.98。其相應關系式為

Y=Y0P-β。

(3)

其中：Y—圍壓下的孔隙度與滲透率測定值，%，mD；P—圍壓值，MPa；Y0，β—回歸系數。

圖3　不同巖樣的圍壓孔隙度測量結果對比圖

圖4　不同滲透率級別下的巖樣圍壓滲透率測量結果對比圖

根據試驗室測試結果研究表明，隨著圍壓增大，孔隙度和滲透率值變小；地面孔隙度和滲透率小的砂巖β值較大，即凈覆壓對低孔滲砂巖的影響較大；地面孔隙度和滲透率大的砂巖β值較小，即凈覆壓對高孔高滲砂巖的影響較小[9]。

3.2不同圍壓下水驅油實驗結果分析

將12個不同滲透率級別的樣品巖心，在飽和油粘度為23.5 MPa·s，溫度為50 ℃，圍壓值分別為5，10，20 MPa的情況下進行油水兩相驅替，記錄不同時刻采出水量與采出油量以及累產水量與累產油量，當含水率達99%時結束驅替實驗，計算此時的驅油效率為最終驅油效率(圖5)。

圖5　不同覆壓下不同滲透率級別的巖心驅替效率對比圖

根據4組不同圍壓下的驅替效率，回歸出四條圍壓值與驅油效率方程。

1 000 mD左右的巖心驅油效率與圍壓的關系式為：

E= 80.391e-0.13P，R2=0.999 6。

(4)

其中：E為驅油效率，%；P—圍壓值，MPa；R為相關系數。

根據實驗結果，指數函數能較好地描述驅油效率與圍壓的關系，其相關系數達0.99。其相應關系式為

E=E0e-λp。

(5)

其中：E—驅替效率，%；P—圍壓值，MPa；E0,λ—回歸系數。

4結論

1)通過室內試驗，建立巖心孔隙度、滲透率隨圍壓變化的關系模型，隨著圍壓的增大，巖石孔隙度、滲透率逐漸減小，變化規律呈冪函數關系。

2)通過室內水驅油實驗，建立巖心的驅油效率隨圍壓變化的關系模型，驅油效率與圍壓呈指數函數關系，圍壓越大，驅油效率越低，且圍壓的變化對低滲透油田的驅油效率影響較大。

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(責任編輯：高麗華)

Experimental Study of Reservoir Physical Property Change and Water Flooding under Different Overburden Pressures

LI Baichuan1,ZHOU Jubiao2,DING Yusheng2,LI Xiangzhu2,LIU Yidan1,WANG Mengqi1

(1.College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shangdong 266590,China；2.Anhui Oil Production Plant of Jiangsu Oilfield Company,SINOPEC,Tianchang,Anhui 239300,China)

Abstract:In oilfield water flooding,due to the breaking of formation hydrostatic balance,reservoir rock deforms under the overburden pressure,changing its physical properties and thereby affecting its water flooding recovery.An experiment,with the core of coring wells in Wanglongzhuang oilfield and Suizhong oilfield as samples,was carried out to measure the petrophysical property and water flooding under different confining pressures.The results show that rock porosity and permeability are of power function relationship to confining pressure,decreasing with the increase of confining pressure,while oil displacement efficiency of water flooding is of exponential function relationship to confining pressure,determining the distribution range of different exponents.

Key words:water flooding experiment;confining pressure porosity;confining pressure permeability;oil displacement efficiency

收稿日期：2015-09-29

基金項目：國家自然科學基金項目(41172109，51504143)；山東省自然科學基金項目(ZR2014DP012)

作者簡介：李百川(1990—)，男，山東青島人，碩士研究生，主要從事油氣田開發方面的研究.E-mail：libaichuan0313@163.com

中圖分類號：TE348

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)02-0022-07