J區塊注水開發儲層物性變化規律研究

姚振杰,趙 洋,李 劍,羅婷婷,楊 紅

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,西安710065)

0 引言

目前,國內提高原油產量的主要方法是注水開發,注水開發油田的產量在總產量中占比較大[1]。注水開發過程中,油藏滲流特征表明儲層物性會發生變化[2-4]。注入水不僅可以驅替油,而且對儲層孔隙、滲透率及潤濕性等物性有較大的影響[5-7]。因此,有必要研究注水開發儲層物性變化規律。目前,研究注水開發階段儲層物性變化的方法主要有測井解釋法、數值模擬法及室內實驗驅替巖心法等[8-19]。該文采用巖心驅替法,結合CT 掃描從微觀角度研究J區塊儲層物性變化規律,為優化J區塊注水開發方案奠定理論基礎。

1 實驗條件

實驗采用Sky Scan 1172高分辨率CT 掃描機、Br uke advance-8 X 射線 衍射儀、FY 型恒溫箱以及TQ 型臺式切片機等。實驗用水為實驗區塊回注水,其礦化度為20 000 mg/L。實驗巖心為J區塊天然巖心,巖心物性參數如表1 所示。將注入孔隙體積倍數分別為0,10,20,30,40,50 倍所制得的天然巖心薄片進行CT 掃描、潤濕性測定及掃描電子顯微鏡鑒定,研究不同注入階段巖心的孔隙結構變化規律。

表1 巖心物性參數Table 1 Core physical property parameters

2 結果與討論

2.1 不同注水開發階段孔隙變化

用J區塊地層水驅替處理好的天然巖心,巖心氣測滲透率為100×10-3μm2,地層水礦化度為20 000 mg/L。注入孔隙體積倍數分別為0,10,20,30,40,50倍時,取出巖心切片,所制得的巖心薄片進行CT 掃描。

不同注水開發階段儲層物性參數如表2所示。

表2 不同開發階段儲層物性參數Table 2 Reservoir physical parameters at different develop ment stages

由表2可知,隨著驅替過程的不斷進行,注入孔隙體積倍數的不斷增加,孔隙度及孔隙直徑的分布范圍是動態變化的,孔隙度和孔隙直徑平均值是升高的。當注入孔隙體積倍數為0 倍時,孔隙度為15.33%～17.35%,孔隙直徑為0.5～144.93μm;當注入孔隙體積倍數為10倍時,孔隙度分布范圍升高,變為16.27%～18.13%,孔道直徑的分布范圍變小,由0.50～144.93μm 變為0.51～113.64μm。由于注入流體攜帶著微粒發生運移,微粒釋放了原來占據的孔隙空間,但是微粒運移后占據了大的孔隙空間,使得巖心的平均孔道直徑和平均孔隙度增大。隨著流體不斷注入,驅替倍數繼續增加至20和30倍時,注入流體不斷地沖刷巖心,微粒不斷運移,部分體積較小的微粒隨著地層水流出巖心,部分體積較大的微粒卡堵在巖心孔隙吼道處,孔隙度及孔隙直徑升高。當驅替倍數增加至40和50倍時,巖心中的部分微粒繼續被驅出巖心,滯留的微粒有所減少,部分滯留的微粒繼續運移堵塞孔隙吼道,孔隙度由驅替倍數30倍時的15.31%～20.56%變為50倍時的16.37%～20.26%,孔隙直徑由驅替倍數30倍時的0.63～134.21μm 變為50倍時的0.74～119.11μm,孔隙度平均值及孔隙直徑平均值緩慢升高。但是,注入孔隙體積倍數由0倍升高到50倍時,喉道配位數變化不大,這表明巖心注入流體只是引起了孔隙中微粒發生運移,雖然孔隙直徑及孔隙度發生了動態變化,但并未引起孔隙結構發生大的變化。總體而言,隨著驅替孔隙體積倍數的增大,孔隙直徑和孔隙度是緩慢升高的。

圖1是不同驅替倍數時巖心切片的孔隙狀況掃描圖片,圖中藍色部分代表骨架,黑色代表孔隙,黃色粒狀分布為巖石孔隙中的松散微粒。

圖1 不同注水開發階段CT 掃描結果(×400)Fig.1 CT scan results of different water flooding stages(×400)

0倍孔隙體積倍數為未進行水驅的巖心截面圖,以下分析以其為參考。注入孔隙體積倍數為10倍時,孔隙中黃色游離的微粒有所增多,但游離的微粒更加集中,微粒主要集中于大孔隙吼道處,說明注入流體后,巖心中的微粒隨著注入流體而發生運移;注入孔隙體積倍數為20和30倍時的巖心圖片,黃色游離的微粒減少,這是由于隨著注入流體的進一步沖刷,部分微粒被攜帶出;注入孔隙體積倍數達到40和50倍時,巖心中游離微粒越來越少,說明注入流體對儲層的沖刷作用越來越強,可移動的微粒被大量攜帶出。

圖2是不同注水開發階段儲層孔隙度變化。J區塊儲層黏土礦物含量比較高,巖心樣品分析黏土含量為30%。黏土礦物主要以蒙脫石和高嶺石等為主。注水開發過程中,蒙脫石遇水容易發生膨脹現象,流體的沖刷作用容易引起高嶺石微粒的運移,這導致了巖心在不同的注入階段孔隙結構參數發生動態變化。當注入孔隙體積倍數是0,10,20,30,40 和50 倍時,平均孔隙度分別為16.51%,16.62%,16.43%,16.67%,16.57%和17.06%。隨著注入孔隙體積倍數的增大,孔隙度平均值升高。孔隙度分布范圍變小,但是孔隙度分布范圍的值是增大的;孔隙直徑的分布范圍變小,有大小孔道集中的趨勢。因此,對于J區塊,隨著注入流體對儲層的不斷沖刷,引起巖心中的微粒發生運移,才導致了孔隙度、孔隙直徑的變化。J區塊孔隙度隨著注入孔隙體積倍數的增大有升高的趨勢。

圖2 不同注水開發階段孔隙度變化Fig.2 Variation of porosity in different water flooding stages

2.2 不同注水開發階段滲透率變化

平流泵的流速設定為0.1 mL/min,恒速驅替巖心。當注入孔隙體積倍數達到10,20,30,40 和50倍時,記錄對應的壓力。已知巖心長度、橫截面積、地層水黏度及流速,根據達西公式,計算得到巖心水測滲透率。實驗結果如圖3所示。

圖3 不同注水開發階段滲透率變化Fig.3 Variation of per meability in different water flooding stages

在注水開發過程中,隨著注入孔隙體積倍數的不斷增加,巖心水測滲透率先降低后升高。當注入孔隙體積倍數是10,20,30,40和50倍時,滲透率分別為24.5×10-3μm2,31.4×10-3μm2,28.6×10-3μm2,32.3×10-3μm2和34.2×10-3μm2。注入孔隙體積倍數達到30倍時,滲透率降低。

J區塊蒙脫石(伊/蒙混層)含量為10%,高嶺石含量為32%,伊利石含量為16%,綠泥石含量為42%。注水開發過程中,外來流體對高嶺石和伊利石等黏土礦物微粒的沖刷作用,容易導致微粒發生運移,進而發生速敏現象。J區塊巖心滲透率發生波動變化,是由于注入水的沖刷作用,導致微粒發生運移,卡堵在孔隙吼道處。隨著流體的不斷注入,運移的微?？ǘ铝丝紫逗鸬?流動阻力越來越大,注入壓力越來越高。當注入壓力大于流動阻力后,卡堵在孔隙吼道處的微粒會被沖開,使注入壓力降低,巖心滲透率升高,但變化幅度很小。綜上所述,隨著注水開發過程的進行,巖心的滲透率先降低后升高。因此,對于J區塊,需要控制注水速度,避免引起速敏現象。

2.3 不同注水開發階段膠結類型變化

當注入孔隙體積倍數為0,10,20,30,40,50倍時,對J區塊天然巖心薄片進行CT 掃描,觀察膠結方式變化。不同注水開發階段巖心孔隙膠結類型變化如圖4所示(圖中灰色部分代表骨架,黑色部分代表孔隙)。

圖4 不同注水開發階段巖心孔隙膠結類型變化Fig.4 Change of pore cementation types of core in different water flooding develop ment stages

未注水時,即注入孔隙體積倍數為0倍時,顆粒間的接觸方式以點-線接觸為主,膠結方式是孔隙式膠結;注水后,注入孔隙體積倍數達到10,20,30,40和50倍時,顆粒間的接觸方式還是以點-線接觸為主,膠結方式依然是孔隙式膠結。因此,隨著注入流體的不斷沖涮,儲層膠結方式一直是孔隙式膠結,未發生變化。

2.4 不同注水開發階段潤濕性變化

根據儲層表面水的潤濕接觸角大小,潤濕性分為親水、中性和親油3種。0°≤潤濕接觸角<90°,屬于水濕(親水);潤濕接觸角=90°,屬于中性;90°<潤濕接觸角≤180°,屬于油濕(親油)。親油儲層,油是潤濕相;親水儲層,水是潤濕相。

將注入孔隙體積倍數分別為0,10,20,30,40和50倍所制得的巖心薄片進行潤濕性測定,觀察不同注水開發階段巖心潤濕性的變化。

注水開發過程中,隨著注入孔隙體積倍數的增加,潤濕接觸角是降低的。當注入孔隙體積倍數分別是0,10,20,30,40和50倍時,對應的潤濕接觸角分別是97°,56°,50°,42°,40°和40°。注入孔隙體積倍數是0倍時,初始潤濕角是97°,儲層潤濕性屬于油濕;當注入孔隙體積倍數達到10倍后,潤濕接觸角<90°,儲層潤濕性發生改變,由油濕變為水濕。實驗結果如圖5所示。

圖5 不同注水開發階段潤濕接觸角變化Fig.5 Variation of wetting angle in different water flooding stages

未進行水驅時,儲層內油水處于穩定狀態,儲層吼道壁上附著一層油膜。進行水驅時,界面張力和毛細管力為水驅油阻力,驅替壓力需要不斷克服界面張力和毛細管力,將油推向孔隙吼道的中軸方向,注入水穿過油膜,外來注入水與儲層束縛水匯聚到一起,使得儲層含水飽和度升高,儲層的潤濕性由親油性變為親水性。當儲層為親水性時,毛細管力會變為水驅油的動力,同樣的注水壓力下儲層水驅油動力變大,注入水和束縛水結合的更快,含水飽和度不斷升高,親水性越來越強,對于注水開發油藏是有利的。綜上所述,對于J區塊隨著注水開發的不斷進行,儲層的親水性越來越強。

2.5 現場注水開發問題

J區塊黏土礦物含量約為28%,其中蒙脫石(伊/蒙混層)含量為10%,高嶺石含量為32%,伊利石含量為16%,綠泥石含量為42%。當儲層含伊/蒙混層、蒙脫石等膨脹型黏土礦物,注入流體礦化度未達到臨界礦化度時,儲層易發生水化膨脹現象;當注水速度大于臨界流速時,高嶺土、伊利石等微粒發生運移,堵塞喉道,從而使儲層滲透率下降,發生速敏現象,注水壓力升高。根據敏感性評價實驗,J區塊水敏強度為中等偏強,速敏程度為中等強度。

圖6是J區塊J-1井注水壓力曲線,注水壓力隨時間是波動變化的。2013年5月開始注水時,注入井壓力是0 MPa。2013年10月注入井注水壓力是1 MPa,2013年12月壓力上升到4 MPa,結合J區塊儲層物性變化規律研究及敏感性評價實驗,儲層可能出現水敏及速敏,黏土礦物發生膨脹,微粒運移堵塞孔道,使注水壓力急劇升高。繼續注水,壓力升高到一定程度把堵塞的孔道沖開,注水壓力降低,2014年2月注水壓力降低到2 MPa。繼續注入水時,顆粒又產生運移,顆粒繼續堵塞孔道,使得儲層流通性變差,注水井注水壓力升高,2014年12月注水壓力升高到5 MPa。由于敏感性對儲層造成的傷害,導致儲層的滲透率降低,注水井的壓力升高。當注水壓力升高到一定程度時,堵塞儲層的小顆粒被沖開,儲層孔道的流通性變好,注水井的壓力降低?，F場繼續注水時,儲層微粒繼續運移,堵塞孔道,使得儲層的流通性變差,注水井的壓力升高。微粒堵塞、沖開過程往復循環,導致現場的注入壓力不穩定,產生波動。

圖6 J-1井注水壓力變化曲線Fig.6 Change curre of injection pressure in well J-1

3 結論

1)巖心薄片CT 掃描表明,隨著開發階段的進行,孔隙中微粒發生運移,孔隙度、孔隙直徑產生動態變化,隨著驅替倍數的增加,孔隙度及孔道直徑的平均值有增大的趨勢。

2)巖心驅替實驗表明,隨著注入孔隙體積倍數的不斷增加滲透率呈現出先降低后升高的趨勢,這主要是由于注水過程中速敏現象導致巖石滲透率有所下降。

3)注水開發前后,儲層的膠結方式始終為點-線接觸的孔隙式膠結,未發生變化;儲層的潤濕性由親油性變為親水性,且隨著注入孔隙體積倍數的增加,潤濕接觸角逐漸降低。

4)現場注水開發過程中,由于儲層發生水敏、速敏現象,孔隙吼道微粒不斷產生堵塞、沖開的往復循環,儲層物性的動態變化,導致現場注入壓力不穩定而產生波動。室內實驗研究對現場開發方案的調整提供了理論依據。