杏子川超低滲儲層孔喉特征對水驅油影響規律與機制研究

黨海龍 ，姜漢橋，王小鋒 ，趙習森 ，崔鵬興 ，侯玢池

1 中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249

2 陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710075

3 陜西省特低滲透油氣勘探開發工程技術研究中心，西安 710075

*通信作者, jhqlf@163.com

0 引言

杏子川油區地處鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部，主力油層長6是典型的超低滲儲層，其孔隙喉道尺寸細小且小孔喉所占孔隙體積比例大，呈現出微觀非均質性強的特點，極大地影響了該區域的注水開發效果，因此開展孔喉特征對水驅規律及機制的研究十分必要。

王香增[1]等人針對延長油田的裂縫性特低滲儲層進行了動態滲吸實驗，發現裂縫性特低滲油藏存在滲吸作用，特低滲油藏開發時不可忽略滲吸作用的影響，周俊杰[2]針對延長油田長8儲層進行了水驅油實驗發現水驅油特征受孔隙結構的影響，驅油效率與儲層物性、孔喉半徑有較好的正相關關系，韓進[3]、李俊健[4]、黎盼[5]進行的砂巖模型微觀水驅油實驗研究發現剩余油分布形態主要受微觀儲層物性、潤濕性、油水黏度比及其非均質性的影響。趙丁丁[6]發現喉道半徑大小與分布對水驅效果及滲流通道有決定性作用。核磁共振技術可以通過T2譜直接定量獲取孔喉中的流體分布，已經在油氣田開發研究中有所應用[7,8]，也是研究儲層孔喉特征重要技術手段之一。但是目前利用核磁共振與恒速壓汞開展孔喉特征對水驅規律的研究較少，基于此，本研究開展了恒速壓汞及核磁共振水驅油實驗，深入分析了孔喉特征對特低滲儲層水驅油效率的影響。

1 核磁共振水驅油實驗

1.1 樣品準備及實驗設計

根據杏子川地區長6儲層和長4+5儲層30塊巖芯的物性測試結果，氣測滲透率分布區間為0.052～0.805 mD,平均氣測滲透率為0.28 mD；孔隙度分布區間為9.8%～17.7%，平均孔隙度為13.65%。

本研究按不同滲透率大小選取代表性實驗樣品三塊，這三塊樣品每塊再制作2個樣品分別用于開展核磁共振驅替實驗和恒速壓汞實驗，其中核磁共振驅替實驗樣品編號分別為#1、#2、#3，對應用于恒速壓汞實驗樣品編號分別為#1′、#2′、#3′。本研究設計核磁共振條件下的水驅油模擬實驗采用驅替速度均為0.01 mL/min，累計驅替倍數為4.0 PV，所采用飽和潤濕相為蒸餾水，但在核磁驅替時采用質量濃度為6.0%、礦化度為2.5×105mg/L的氯化錳(MnCl2)的水溶液，所采用非潤濕相為白油(常溫下黏度為45.20 mPa·s)。核磁共振驅替實驗樣品基礎物性及驅替速度和注入倍數如表1所示。

1.2 實驗原理及裝置

低場核磁共振的原理是利用油、水中的氫原子在外加磁場的作用下獲得能量激發而產生信號，在撤去外加磁場后，信號便開始衰減，這種現象被稱作弛豫現象，它包括橫向弛豫現象和縱向弛豫現象，一般只記錄橫向弛豫，并且其信號強度的大小與樣品內含氫原子的流體所處的孔隙空間大小成正比。利用這一特性，就可以分析在驅替過程中不同大小孔隙中的微觀驅替現象。將弛豫信號反演就可以得到T2譜，它反映了不同弛豫時間流體所占的比例，T2譜上弛豫時間較長的部分對應于樣品中相對較大孔隙中的流體，T2譜上弛豫時間較短的部分對應于樣品中相對較小孔隙中的流體[9-12]。

恒速壓汞實驗技術是分析儲層巖石微觀孔喉結構特征的常用技術之一。通過恒速壓汞實驗可以得到準確的孔隙、喉道大小及分布、孔喉比大小，它可以提供孔隙和喉道的毛細管壓力曲線，非常適用于孔隙和喉道性質差別較大的特低、超低滲透儲層，能較好地反映儲層流體滲流過程中的動態孔喉特征[13-18]。

1.3 實驗步驟

對上述三塊巖樣進行水驅油模擬實驗，在進行實驗前使用6%的MnCl2溶液飽和樣品，因為MnCl2溶于水后會電離出Mn2+離子，并與水分子直接作用減弱水分子中的氫原子弛豫時間，從而屏蔽樣品中水對核磁共振實驗的影響[19]。同時為了盡可能減少樣品存放時間對弛豫時間的影響[8]，樣品在飽和原油后立即進行驅替實驗。具體實驗步驟如下：

(1)將標準油樣放入磁體腔內，調整核磁共振儀器參數，進行中心頻率矯正，確定脈寬、中心頻率等參數；

(2)巖芯抽真空后加壓飽和蒸餾水，放置儀器中進行核磁共振T2測試，并反演出T2弛豫時間譜；

(3)用礦化度為2.5×105mg/L的MnCl2溶液驅替巖芯中的蒸餾水并進行核磁共振T2測試，觀察是否能檢測到信號；

(4)注入原油以0.01 mL/min流速驅替巖樣孔隙中的MnCl2溶液，建立束縛水飽和度條件，然后再進行核磁共振T2測試，記錄T2譜；

(5)再注入礦化度為2.5×105mg/L的MnCl2溶液以0.01 mL/min速度進行水驅油實驗。累積注入倍數為4.0 PV，同時進行不同注入倍數條件下剩余油飽和度及分布狀態的核磁共振T2譜測試。

1.4 不同注入倍數水驅油T2譜

利用核磁共振測得樣品#1、#2和#3在不同驅替倍數(0.4～4.0 PV)條件下的T2譜的變化幅度，見圖1。由圖1(a)、(b)和(c)可以看出，#1和#2號樣品T2值呈雙峰分布，#3號樣品T2值單峰正態分布，孔滲大小和單峰雙峰分布沒有直接關系；水驅油過程中，三塊樣品的T2值隨著注入PV數的增大，均表現出早期T2值的信號頻率下降幅度大，隨著驅替倍數的增加，T2值的下降幅度呈現出逐漸減少的趨勢；#3號樣品與#2號樣品物性接近，與#1號樣品相比孔滲性差，但是#3號樣品的T2值整體下降幅度最大。

1.5 水驅油驅替效率分析

根據國內學者提出的弛豫時間分布與孔隙半徑分布的轉化關系[14-15],可以將核磁共振實驗測得的T2譜轉化為孔隙半徑分布。

表1 核磁共振驅替實驗樣品基礎物性及實驗信息表Table 1 Basic physical properties and experimental information of NMR displacement test samples

圖1 三塊巖芯在不同驅替倍數條件下的水驅油T2譜Fig. 1 T2 spectrum of water drive oil under different displacement volumes

根據孔隙大小的劃分標準進行劃分，可以得到微米孔(＞1 μm)、亞微米孔(0.1～1 μm)、納米孔(＜0.1 μm)三個大類，還可進行細分成21個亞類；再結合T2譜的峰面積，使用積分的方法，可以獲得孔隙中所含注入流體體積，得到不同注入PV數條件下的不同孔隙中的剩余油體積占總孔隙體積的百分比。經轉換，#1、#2和#3樣品在不同驅替PV倍數條件下的剩余油孔徑分布直方圖如圖2(a)、(b)和(c)所示。從剩余油分布直方圖中可以看出，各樣品中的剩余油在孔隙中呈近似正態分布，并且峰值主要分布在半徑為1～2.5 μm孔隙中。這一部分孔隙中的油在驅替過程被采出的最快，相對采收率也最高，說明這一級別的孔隙是樣品中的主要連通孔隙。水驅油過程中，首先沿主要連通孔隙流動，其中的油被驅替出來。通過T2譜及直方圖可以看出，1～4 μm的孔隙中的油含量減小的最快，而樣品中部分較大孔隙則含油量下降緩慢，說明這部分孔隙沒有被有效波及到，并且在水持續流動形成水鎖后很大一部分油便殘留在這部分孔隙中，采收率變低，與中高滲儲層的水驅油特征有所不同[16]。

圖3分別繪制了三個樣品在不同驅替倍數條件下的含油飽和度和驅替效率曲線。由圖3可知，在注入體積達4 PV時，#1、#2和#3號樣品的含油飽和度分別為：50.83%、33.83%和20.94%。定義驅替效率為當前含油飽和度和初始含油飽和度的差值占初始含油飽和度的比例，#1、#2和#3號樣品在4.0PV時的驅替效率分別為62.09%、57.41%和72.85%， 其中#3號樣品的物性參數明顯不如#1號樣品，但是#3號樣品的驅油效率卻最高，剩余油飽和度最低。因此對于超低滲儲層，并不是孔隙度、滲透率越高，驅替效率越高，巖石的孔隙度、滲透率和驅油效率不存在正相關關系。

2 微觀孔喉結構特征分析

3塊巖樣的恒速壓汞實驗結果，包括毛管壓力曲線和孔喉半徑分布曲線如圖4(a)、(b)和(c)所示，此外，這3個樣品的主要微觀孔喉結構特征參數，包括孔喉比、中值半徑、平均孔隙半徑、主流喉道半徑、分選系數、歪度等微觀孔喉結構特征參數列于表2。

圖2 不同驅替倍數條件下剩余油分布直方圖Fig. 2 Histogram of remaining oil distribution under different displacement times

圖3 含油飽和度和驅替效率隨驅替倍數關系Fig. 3 Relationship between oil saturation and displacement efficiency of samples under different displacement times

圖4 壓汞毛管壓力曲線和孔喉分布直方圖Fig. 4 Capillary pressure curve and pore throat distribution histogram of mercury injection

結合上文核磁共振實驗水驅油實驗在不同驅替PV數條件下剩余油飽和度和驅油效率的變化趨勢可以看出，#3號(#3′號)樣品的基礎孔、滲透性能較低，但驅油效率最高；平均孔隙半徑不是影響驅油效率的主要微觀參數，驅油效率主要受平均喉道半徑、平均孔喉比這兩個微觀參數綜合影響。因為平均喉道半徑是表征儲層滲流能力的最重要參數，對于親水油藏，平均喉道半徑越小，小喉道所占的比例越大，毛管力更強，滲吸作用越明顯，對驅油效率的貢獻越大；平均孔喉比是表征儲層非均質性的主要微觀參數，平均孔喉比越大，非均質性越強，儲層滲流阻力越大，驅油效率越低。#3號巖芯平均喉道半徑(1.217 μm)最小，平均孔喉比中等，驅替過程中小喉道比例大，滲吸作用強，儲層非均質性較弱，因而在滲吸驅替雙重作用下，剩余油飽和度最低。而#2號(#2′號)樣品雖然平均喉道半徑最大，但是平均孔喉比也最大，非均質性最強，滲流能力最弱，同時由于平均喉道半徑也最小，毛管滲吸作用也最弱，因而#2號的驅油效率最低，剩余油飽和度最大?？梢娫诔蜐B儲層當中，由于平均喉道半徑小，滲吸作用起到了不可忽視的作用。在作者[21]前期關于杏子川長6超低滲儲層的滲吸研究中，滲透率為 0.228×10-3，0.287×10-3和 0.352×10-3μm2的三塊巖芯，在溫度50 ℃當含油飽和度在0.20～0.35之間時，其滲吸驅油效率可達0.50～0.75，進一步佐證了滲吸對提高采收率的貢獻。由此可見，認識儲層孔喉特征參數分布，最大發揮滲吸和驅替協同作用，降低微觀非均質性的影響是提高驅油效率的關鍵。

表2 恒速壓汞實驗主要微觀孔喉結構特征參數Table 2 The characteristic parameters of pore - throat structure in constant - speed mercury injection experiment

3 結論與展望

1)本研究對杏子川油區三塊不同滲透率的超低滲儲層樣品開展了核磁共振條件下的水驅油實驗，結果發現基礎孔滲性能較低的樣品最終驅油效率反而較高，對于超低滲儲層，孔隙度、滲透率和驅油效率不存在正相關關系。

2)結合恒速壓汞實驗結果發現，平均孔隙半徑不是影響驅油效率的主要微觀參數，驅油效率主要受平均喉道半徑、平均孔喉比這兩個微觀參數綜合影響。平均喉道半徑是表征儲層滲流能力的最重要參數，對于親水油藏，毛管力為動力，平均喉道半徑越小，小喉道所占的比例越大，毛管力的動力作用更強，滲吸作用越明顯，對驅油效率的貢獻越大；平均孔喉比是表征儲層非均質性的主要微觀參數，平均孔喉比越大，非均質性越強，儲層滲流阻力越大，驅油效率越低。

3)對于超低滲親水儲層來說，認識清楚儲層孔喉特征，利用和發揮滲吸和驅替協同作用，設計合理的注采速度、注采壓力、注采周期，降低儲層非均質的影響，對于進一步提高注水開發效果具有重要意義。