中低滲儲層物性特征對水驅油效率的定量影響

張陽，蘆鳳明，李際，郭志橋，聶敢為，衡亮

（1.中國石油大港油田分公司，天津 300280；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區石油學院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249）

0 引言

我國油田儲層中92%為陸相碎屑巖沉積，注水開發是油田的主要開發方式[1]。水驅采收率為注入水波及系數與水驅油效率的乘積，動用數量可觀的剩余不可動油、提高水驅油效率已成為注水油田開發提高采收率必須考慮的問題[2]。前人關于驅油效率已作過一系列研究，研究方法可分為物理實驗和數值模擬。物理實驗主要包括真實巖心水驅油、微觀仿真模型水驅油等，以及CT掃描、核磁共振等成像技術[3-6]；數值模擬主要包括網格化及無網格化方法等[7]。影響驅油效率的因素分為內因和外因[8-11]，內因主要包括儲層物性、潤濕性[12-13]，外因主要包括注入孔隙體積倍數、注入速度、驅替壓力，以及油水黏度比等[14-15]。 龐振宇等[15]認為，在一定注水壓力范圍內，增大水驅倍數與注水壓力可以改善孔隙連通性，提高驅油效率。紀淑紅等[2]認為，高含水階段儲集層潤濕性及孔隙結構變化將導致臨界毛細管數的降低，使殘余油飽和度減小，進而提高水驅油效率。AL-Shalabi等[16]認為，微觀孔隙不均勻和指進是低滲區域具有更高的最終采收率的主要原因。

對此，本文以黃驊坳陷滄東凹陷東部中低滲砂礫巖油藏儲層為研究對象，通過巖心水驅油實驗、壓汞實驗等，結合掃描電鏡、鑄體薄片、常規物性分析等資料，針對各類表征儲層物性的參數，探討了儲層物性特征對水驅油效率的定量影響，深化了對驅油效率影響因素的認識和對剩余油形成機理的研究。

1 儲層物性特征

實驗樣品取自黃驊坳陷滄東凹陷小集油田的孔一段地層。小集油田位于滄東凹陷東部陡坡帶，所處位置斷裂破碎，是一個由多斷塊組成的復雜鼻狀構造。孔一段沉積時期為亞熱帶半干旱、干旱氣候。徐西斷層開始強烈活動，湖盆整體處于萎縮充填階段，受控于古構造及古氣候的影響，沉積環境由下伏孔二段地層的辮狀河三角洲沉積突變為孔一下亞段的沖積扇沉積[17-18]。根據壓汞實驗及常規物性測試數據，可將小集油田沖積扇儲層分為4類（見表1）。

表1 滄東凹陷孔南地區沖積扇儲層不同類型儲層參數

Ⅰ類為中孔高滲中喉型儲層，Ⅱ類為中孔中滲細喉型儲層，這2類儲層進汞曲線平緩段較長（見圖1a，1b），巖石孔喉半徑集中，分選較好，主要孔喉半徑較大；Ⅲ類為中孔低滲細喉型儲層，進汞曲線平緩段較短（見圖1c），孔喉半徑不集中，分選中等，主要孔喉半徑小到中等；Ⅳ類為中孔特低滲微細喉型儲層，進汞曲線平緩段不明顯（見圖1d），巖石孔喉半徑不集中，分選差，主要孔喉半徑小。4類儲層中，Ⅰ類和Ⅳ類儲層非常少，多為Ⅱ類和Ⅲ類儲層。

圖1 不同類型儲層壓汞曲線

2 實驗設計

2.1 材料及條件

實驗巖樣取自研究區的2口密閉取心井官78-28-2井和小新14-19井。基于儲層分類結果，定位16個樣品點，集中于本次研究所關注的中低滲儲層，其中，Ⅱ類樣品點10個，Ⅲ類樣品點5個，Ⅳ類樣品點1個，每個樣品點分別取1組2個平行樣，一個用來做水驅油實驗，一個做壓汞實驗。水驅油實驗主檢儀器為油水相滲測定系統（980314，990089），模擬油黏度為9.565 mPa·s，模擬地層水礦化度為26 376 mg/L，實驗溫度為83℃，檢測依據GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》；高壓壓汞實驗主檢儀器為AutoporeIV9500 S/N1324，檢測環境溫度為18℃，檢測依據GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測定》。

2.2 步驟

首先，選取平行樣中的1塊樣品做高壓壓汞實驗：1）樣品預處理，105℃烘干1 h；2）樣品稱重后放入選擇好的膨脹劑中密封，測其總質量，求出膨脹劑的質量；3）選擇適當的壓力進行低壓分析；4）低壓分析后拿出膨脹計，測其總質量，進行高壓分析；5）實驗結束，清洗膨脹劑。其次，選取其平行樣做水驅油實驗：1）巖心抽真空飽和地層水；2）用模擬油驅替巖心，流速由0.1 mL/min開始呈階梯型變化，當沒有水從巖心中流出時停止實驗；3）用1.0 mL/min流速進行水驅油實驗，準確記錄見水時累計產油量、累計產液量；4）含水率達到99.95%時停止實驗。分別對16組平行樣做相同實驗。

3 實驗結果

本文將高壓壓汞實驗得到的儲層物性參數劃分為4類，即宏觀儲層參數、孔喉大小參數、滲流能力參數以及分選特征參數，同時還引入儲層品質指數IRQ=（K/φ）0.5[19]，將其歸入宏觀儲層參數。本文水驅油效率是指在認為儲層微觀孔隙結構不變的情況下，通過注水所驅替出的極限原油體積與波及范圍內的總含油體積之比，是一個常數。將在驅替過程中某一注入倍數或含水率所對應的驅替出的原油體積與波及范圍內的總含油體積之比，稱為驅替程度。實驗結果見表2。

表2 高壓壓汞與水驅油實驗數據

4 實驗結果分析

4.1 儲層物性參數優選

儲層物性參數種類眾多，為了明確儲層物性參數對驅油效率的影響，首先應選取合適的評價參數，本次研究應用主成分分析法，分別將各類儲層參數與驅油效率作相關性分析，結果見表3。相關系數值在-1和1之間，當相關系數的絕對值越接近于1時，該參數與驅油效率的相關性越好；越接近于0時，相關性越差[20]。據此，選取相關性較好的滲透率、儲層品質指數、平均孔隙半徑、飽和度中值壓力、退汞效率5個參數作為評價參數。為了研究分選特征參數對驅油效率的影響，在表征分選特征的參數中選取均質系數作為第6個評價參數。

表3 各類儲層物性參數與驅油效率的相關性

4.2 驅油效率隨各評價參數的變化趨勢

將優選的6個儲層物性參數與驅油效率作散點圖（見圖2，樣品點橘紅色為官78-28-2井，藍色為小新14-19井）。由圖可以看出：宏觀儲層參數中的滲透率、儲層品質指數，孔喉大小參數中的平均孔隙半徑以及分選特征參數中的均質系數與驅油效率呈正相關，而滲流能力參數中的飽和度中值壓力、退汞效率與驅油效率呈負相關。同時，滲透率及儲層品質指數的相關性較好，而均質系數的相關性明顯較差，這也與前文中主成分分析法得到的相關系數規律一致。另外，16個樣品的儲層物性參數與驅油效率的相關性相比單口井各自樣品儲層物性參數與驅油效率的相關性較差，這說明，雖然所選樣品2口井具有相同的地質背景，但沖積扇儲層的非均質性使得每口井具有各自的驅油特征。

圖2 驅油效率與各類儲層物性參數的散點圖

4.3 儲層物性對驅油效率的定量影響

層次分析法可以對定性指標進行量化計算，將經驗判斷轉化為定量描述，從而求取各層指標或因素的權重，具有方便簡捷、系統性強及適用性廣泛等諸多特點[21]。為了研究6個儲層物性參數對驅油效率的定量影響，應用層次分析法中確定權重系數的方法來計算各參數對驅油效率影響的權重。

建立儲層物性對驅油效率影響評價的遞階層次結構模型（見圖3）。

圖3 儲層物性對驅油效率影響模型的層級結構

為定量化顯示矩陣中各要素的重要程度，引入了矩陣判斷標度（1—9 標度法）（見表 4）[22]。其中，重要性標度aij表示i相對于j的重要性。

表4 層次分析標度尺

結合專家打分，參考前文中各參數與驅油效率的相關性分析，給出判斷矩陣A：

為避免所構建的矩陣對各項指標重要性判斷出現相互矛盾，引入一致性比率 CR（Consistency Ratio）[22]：

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標。

當判斷矩陣具有完全一致性時，CI=0；CI越大，矩陣的一致性越差。RI只與判斷矩陣的階數有關，一般情況下，矩陣階數越大，出現一致性隨機偏離的可能性也越大。不同矩陣階數（n）對應的RI見表5。通常，CR＜0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，或不一致程度是可以接受的。由式（1）計算可以得出，判斷矩陣的CR值為0.01，滿足判斷矩陣一致性要求。

表5 平均隨機一致性指標

在計算各參數對驅油效率定量影響的權重向量W 時，采用了算術平均法（求和法）[23-24]。

首先，對判斷矩陣A按列元素進行歸一化：

其次，將歸一化得到的矩陣各列累計相加：

最后，將相加后的向量除以n即得到權重向量，各參數對驅油效率定量影響的權重見表6。

表6 各參數對驅油效率定量影響的權重

由表6可以看出：表征儲層宏觀特征的儲層品質指數對驅油效率影響的權重系數最大，達到0.33；其次為表征孔喉大小特征的平均孔隙半徑和表征滲流能力特征的退汞效率，分別為0.20和0.18；飽和度中值壓力及滲透率對驅油效率影響的權重系數較小，分別為0.12和0.11；對于本文中所選取的樣品，表征分選特征的均質系數對驅油效率的影響最小，僅為0.06。

4.4 結果驗證

為了檢驗計算出的權重系數是否準確，采用參數標準化并構建公式的方式來進行驗證。參數標準化采用級差標準化的方法，對于與驅油效率正相關的滲透率、儲層結構指數、平均孔隙半徑、均質系數4個參數應用正相關級差歸一化公式（3），對于與驅油效率負相關的飽和度中值壓力、退汞效率應用負相關級差歸一化公式（4）。

式中：xi為第i個數據。

根據優選的儲層物性參數及其對驅油效率影響的權重系數，建立了均質系數α、滲透率K、飽和度中值壓力p50、退汞效率We、平均孔隙半徑r、儲層品質指數m表征無量綱驅油效率E的公式：

將式（5）計算出的結果與水驅油實驗得到的驅油效率作散點圖（見圖4），可以看出兩者相關性較好，相關系數接近0.8，從而也驗證了儲層物性參數的選取及其對驅油效率影響權重系數的準確性。

圖4 儲層物性參數計算與水驅實驗的驅油效率散點圖

5 結論

1）表征儲層物性的參數可以分為宏觀儲層、孔喉大小、滲流能力和分選特征等4類。通過相關性分析，可以選取與驅油效率相關性較好的滲透率、儲層品質指數、平均孔隙半徑、飽和度中值壓力、退汞效率、均質系數等6個參數作為評價參數。

2）對于本次研究的沖積扇中低滲儲層，儲層品質指數對驅油效率影響的權重系數最大，其次為平均孔隙半徑和退汞效率，飽和度中值壓力及滲透率對驅油效率影響的權重系數較小，均質系數對驅油效率的影響最小。

3）采用無量綱驅油效率公式計算的結果與水驅油實驗的驅油效率相關性較好，驗證了所選儲層評價參數及其對驅油效率影響權重系數的準確性。