基于二維譜技術的低礦化度水驅孔隙動用規律*

陳文濱 姜漢橋 李俊鍵 常元昊 喬 巖 蔣 珊

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與工程國家重點實驗室 北京 102249； 2.中國石油勘探開發研究院石油地質實驗研究中心 北京 100083)

低礦化度水驅作為三次采油技術，與聚合物驅、二元復合驅等相比具有分子量小、注入壓力低、經濟方便等優勢[1]，國外大量礦場試驗也證實低礦化度水驅能夠提高砂巖油藏采收率[2]。Tang等[3]系統闡述了低礦化度水提高采收率的基本原理，之后Lager等[4]和Yousef等[5]進一步揭示了低礦化度水與黏土礦物之間的離子反應、改變巖石潤濕性等方面的提高采收率機理。目前，國內大多數油田已進入挖潛階段，針對不同分布狀態的剩余油進行有效挖潛是需要廣泛探索的重要課題[6-9]。從油藏和地質角度來講，剩余油分布狀態常從微觀孔隙尺度進行研究和描述[10-12]，但目前低礦化度水驅研究主要集中在油田化學領域，而在孔隙尺度上研究較少，技術缺乏是重要原因之一。本文引入最新的核磁共振二維譜(D-T2)技術，以鄂爾多斯盆地太原組砂巖巖心樣品為例，定量研究了針對含黏土礦物砂巖儲層進行低礦化度水驅的提高采收率效果和孔隙動用規律，為此類油藏應用低礦化度水驅技術提供借鑒。

1 核磁共振表征孔隙結構基本原理

H原子核磁矩由章動狀態恢復至熱平衡狀態的時間為弛豫時間(T2)，H原子的弛豫時間是核磁共振譜研究的主要參數。在低場均勻磁場中測量時，流體橫向弛豫時間表達式為

(1)

根據上述原理，國內外學者針對如何從核磁共振T2譜出發表征儲層孔隙結構進行了大量的統計研究，主要有兩種方法：偽毛管力方法和三孔隙度組分含量法。偽毛管力方法即通過建立弛豫時間與孔喉半徑的轉換關系式進行點對點轉化，求取偽毛管力曲線，常用的關系式有Yakov等推導的線性關系式[14]以及王學武 等、李艷 等改進的冪函數關系式[15-16]；三孔隙度組分含量法即計算不同孔隙范圍內的孔隙度組分含量，利用區間積分值評價孔隙系統[17-18]，通常取橫向弛豫時間1～10 ms(小孔隙)、10～100 ms(中孔隙)、100～1 000 ms(大孔隙)將T2譜劃分為3種孔隙類型。在此基礎上，王振華 等通過實驗證實三孔隙度組分含量法與常規壓汞及鑄體薄片分析數據具有較好的一致性[19]，說明了劃分區間的科學性。

2 核磁共振二維譜測試技術

通過以上分析不難發現，使用一維核磁共振(T2譜)表征孔隙分布時，只能通過單相流體的弛豫時間分析孔隙結構，因此，當油水兩相共存時，必須屏蔽其中一相的核磁信號[20]。常用方法有添加MnCl2屏蔽水相信號或使用氟油(氟氯碳油，不含氫)屏蔽油相信號，由于前者會對巖心造成污染，后者缺乏原油的必要物質，二者均無法應用于低礦化度水驅的研究。

最新的核磁共振二維譜技術為實現低礦化度水驅的研究提供了可能，該技術能同時得到包含流體弛豫時間T2和擴散系數D的二維圖譜(D-T2譜，圖1)[21]。在常溫下，自由水理想擴散系數約為2.5×10-5cm2/s，而油的成分復雜，其擴散系數分布范圍在10-7～10-5cm2/s之間，因此油水兩相可以根據擴散系數的差異進行分離[22]，進而積分得到單相流體的T2譜。同時，將核磁共振D-T2譜信號值進行面積分計算(式2)，可以定量描述油水在不同大小孔隙中的分布。

圖1 D -T2二維譜解釋圖[21]Fig.1 Interpretation map of D -T2 two-dimensional spectrum[21]

(2)

式(2)中：k為液體從信號值到體積的換算系數，根據油、水的體積標定得出，mL/單位信號值。

3 實驗設計

3.1 實驗材料

1) 地層水。

根據現場地層水取樣，對其進行離子分析，地層水中包括Mg2+和Ca2+等離子，礦化度達到23 420 mg/L，具體離子組成見表1。

表1 地層水離子組成Table 1 Ion constituent of formation water

2) 低礦化度水。

通過梯度濃度的低礦化度水驅發現，其礦化度存在最優值，即礦化度為1 462 mg/L時預實驗巖心提高采收率達到最大值，實驗用低礦化度水離子組成見表2。

表2 實驗用低礦化度水離子組成Table 2 Ion constituent of low salinity water for the experimet

3) 油樣。

實驗原油呈酸性，密度0.836 g/cm3，油藏溫度77 ℃時黏度約23 mPa·s，對實驗原油進行四組分分離測試，其結果為：飽和組分含量71.51%，芳香組分含量21.35%，膠質含量6.25%，瀝青質含量0.89%。

4) 巖心。

對鄂爾多斯盆地太原組26塊樣品進行了X射線衍射分析，發現其黏土礦物總量在2.2%～5.7%，且以伊利石和高嶺石為主，其中伊利石含量為75.3%(包括雜基成因和自生成因)，高嶺石平均含量為22.4%，除此之外存在極少量的伊/蒙混層，其中蒙脫石含量平均僅為12.0%。對3塊巖心進行了低礦化度水驅提高采收率對比實驗，其中I、II號巖心為礦物組成相近的現場巖心，為弱水濕；III號巖心為根據前者礦物組成剔除黏土礦物后的人工配比巖心，用作對比實驗(表3)。

表3 鄂爾多斯盆地太原組樣品礦物成分含量Table 3 The mineral composition of the cores from Taiyuan Formation in the Ordos basin %

3.2 實驗步驟

采取以下步驟進行實驗:①油水二維譜標定；②巖心飽和地層水；③飽和原油，老化1周；④恒溫箱模擬油藏溫度77 ℃，以0.02 mL/min的速度進行驅替，第1階段地層水驅替1 PV，第2階段低礦化度水驅替至2.25 PV；⑤在飽和油、1 PV、2.25 PV時掃描巖心二維譜,并進行巖心潤濕角測量。

4 實驗結果及分析

4.1 提高采收率效果分析

如圖2所示，對比分析3組實驗的采收率曲線。第1階段經地層水驅后，不含黏土礦物的III號巖心采出程度最高(為42.0%)，黏土礦物含量最高的I號巖心采出程度最低(僅為32.1%)，說明黏土礦物的存在使得巖心物性變差，原油采收率相對較低。同時，不含黏土礦物的III號巖心采收率上升最快，其油相采出主要集中在前期(0～0.5 PV)，水相突破后采油量急劇減少；而含黏土礦物的巖心在中后期(0.5～1 PV)仍有一定比例的油相被驅出，這說明黏土礦物在一定程度上會延緩水驅巖心的出油速度，同時也使儲層具有更高的提高采收率潛力。

轉注低礦化度水驅后，黏土礦物含量最高的I號巖心采收率提高最多(達6.9個百分點)，II號巖心采收率提高4.4個百分點，而III號巖心采收率提高僅為1.5個百分點。由此可見，對于含有黏土礦物的儲層，低礦化度水驅技術效果更加明顯。

圖2 巖心采收率對比Fig.2 Comparison of cores’oil recovery

4.2 D-T2二維譜分析

圖3為各階段巖心油、水分布的D-T2譜，可以看出，含有黏土礦物的巖心(巖心I和巖心II)流體信號在弛豫時間軸上分布范圍更大，而不含黏土礦物的巖心(巖心III)孔隙中油水分布相對集中，說明前者孔隙結構更加復雜，油水分布的孔隙直徑差異更大。

分析巖心I和巖心II的二維譜可以看出，I號巖心小孔隙水相主要集中在擴散譜(縱軸D譜)下部，II號巖心集中于D譜上部，這是由于I號巖心含有更多的黏土礦物，使得小孔隙孔滲性變差[23]，限制水相信號擴散的程度更強所致；在巖心I和巖心II轉注低礦化度水后，自由水信號擴散系數變小，說明其擴散性有減弱的趨勢，這是水相潤濕性增強的表現[24]。

對巖心I三個狀態的潤濕角進行測量(圖4)，飽和油時巖心I表現為弱水濕，潤濕角為83.303°，經地層水驅替沖刷后水濕性略有增加，潤濕角減小了2.154°；而低礦化度水使得巖心I水濕性出現較大增強，潤濕角減小7.681°，增幅是地層水驅增幅的3.6倍，由此可見，低礦化度水使巖心I水濕性增強的速度高于地層水。

同時，對比低礦化度水驅前后3塊巖心油相的變化不難發現，轉注低礦化度水后，巖心I和巖心II被驅出的油相主要來自于較小的含油孔隙當中，說明低礦化度水較地層水更易進入小孔隙，這是其挖潛含黏土礦物儲層的重要原因，而水相潤濕性的增強是造成這一現象的主要機理[25]。而III號巖心在低礦化度水驅后的油相信號向左偏移，說明低礦化度水進入了較大的含油孔隙中進一步驅替原油。 據此分析，III號巖心的主流通道為較小的含油孔隙，輔助滲流孔道為較大含油孔隙，由于主流孔道經過長時間沖刷，提高采收率潛力有限，而注入的低礦化度水進一步剝離了較大含油孔隙中的原油。

圖3 各階段巖心D -T2二維譜Fig.3 D -T2 two-dimensional spectrum at different stages of three cores

圖4 巖心I潤濕角測量圖Fig.4 Wetting angle at different stages of core I

4.3 孔隙動用規律分析

根據擴散系數分離油水相信號后，進而可以提取水相T2譜，研究孔隙動用規律[26-27]，發現含黏土礦物與不含黏土礦物的巖心孔隙分布具有明顯差異(圖5)。其中，含黏土礦物的巖心孔隙更加復雜，大孔隙(弛豫時間為100～1 000 ms)、中孔隙(弛豫時間為10～100 ms)以及小孔隙(弛豫時間為1～10 ms)均有發育，而不含黏土礦物巖心主要發育大孔隙(弛豫時間為100～1 000 ms)和中孔隙(弛豫時間為10～100 ms)，即黏土礦物的存在會使儲層的孔隙系統非均質性增強。

圖5 3塊巖心的核磁共振T2譜Fig.5 NMR T2 spectrum at different stages of three cores

在第1階段地層水驅后，3塊巖心不同孔隙含水量均有明顯增加，但比較含黏土礦物的巖心I和巖心II的小孔隙可以發現，II號巖心中進入的地層水較I號巖心更多，說明II號巖心小孔隙的基礎孔滲性好于I號巖心，這與D-T2二維譜中表現出的II號巖心小孔隙水相具有更大的擴散系數相吻合。

第2階段轉注低礦化度水驅后，I、II號巖心小孔隙中剩余油動用量占總增油量的比值分別為64.1%、47.6%。圖6為巖心I、 II各階段小孔隙進水量統計情況，可以看出：I號巖心的小孔隙進水量增加0.98個百分點孔隙度分量；II號巖心大、中、小孔隙的貢獻較為均勻，其小孔隙剩余油驅出體量較I號巖心少，II號巖心的小孔隙進水量增加0.55個百分點孔隙度分量。而III號巖心增油主要來自于大孔隙剩余油，這是由于主流通道為中孔道并形成了優勢通道，所以中孔道剩余油貢獻較少。

圖6 巖心I和巖心II各階段小孔隙進水量統計分析Fig.6 Water volume in small pores at different stages of core I and core II

以上分析可以看出，含黏土礦物儲層經地層水驅后，小孔隙中含有較多的剩余油，而使用低礦化度水驅時，低礦化度水能夠進入這些小孔隙中進一步驅替或置換原油，這是其提高含黏土礦物儲層采收率的重要原因，所以低礦化度水驅技術適用于小孔隙中剩余油較多的含黏土礦物儲層，能夠進一步提高其原油采收率。

5 結論

1) 核磁共振二維譜技術能夠在擴散系數維度上識別多相流體，適合于低礦化度水驅的相關研究，能夠獲得更多的流體分布信息。

2) 低礦化度水驅技術對含黏土礦物的砂巖巖心具有較好的提高采收率效果，黏土礦物含量越高，效果越明顯，因此黏土礦物的存在是低礦化度水驅提高砂巖儲層采收率的重要前提。

3) 低礦化度水驅后，含黏土礦物巖心小孔隙中的含水量出現了較大增幅。對于小孔隙中分布較多剩余油的含黏土礦物砂巖儲層，應用低礦化度水驅技術能夠取得較好的提高采收率效果。

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