利用CT技術(shù)研究礫巖驅(qū)油機理

鄧世冠，呂偉峰，劉慶杰，冷振鵬，李彤，劉紅現(xiàn)，顧鴻君，許長福，張旭輝，魯曉兵

（1.提高石油采收率國家重點實驗室；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所；4.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院）

利用CT技術(shù)研究礫巖驅(qū)油機理

鄧世冠1,2,3，呂偉峰1,2，劉慶杰1,2，冷振鵬1,2，李彤1,2，劉紅現(xiàn)4，顧鴻君4，許長福4，張旭輝3，魯曉兵3

（1.提高石油采收率國家重點實驗室；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所；4.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院）

以新疆油田天然礫巖巖心為研究對象，應(yīng)用CT掃描技術(shù)分析礫巖孔隙度分布特征；通過對礫巖水驅(qū)及聚合物驅(qū)過程的在線CT掃描監(jiān)測，得到驅(qū)替過程中巖心含油飽和度沿程分布信息和CT重構(gòu)切面圖像，根據(jù)驅(qū)替過程新表征參數(shù)“含油飽和度頻率分布”分析礫巖驅(qū)油機理。研究表明：礫巖具有強非均質(zhì)性，在水驅(qū)過程中形成“優(yōu)勢通道”，引起無效水循環(huán)，降低水驅(qū)采收率，且水驅(qū)過程中首先動用高含油飽和度區(qū)域的油；聚合物驅(qū)時高—中飽和度區(qū)間的油都能夠動用，而低飽和度區(qū)間的油仍然難以動用；后續(xù)水驅(qū)時仍然主要動用高飽和度區(qū)間的油。針對礫巖油藏，前期水驅(qū)應(yīng)該盡量達到最高含水率，以加強聚合物的段塞效果；同時應(yīng)減少聚合物的注入量，利用后續(xù)水驅(qū)推動聚合物段塞達到驅(qū)油的目的。圖13表2參14

礫巖；CT掃描；水驅(qū)；聚合物驅(qū)；含油飽和度；沿程分布；頻率分布

0 引言

礫巖具有非均質(zhì)性極強、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，水驅(qū)后往往存在大量剩余油，主要表現(xiàn)為含水率高、產(chǎn)油少，采用聚合物驅(qū)能有效提高采收率[1-2]。但由于缺乏先進的技術(shù)手段，水驅(qū)產(chǎn)量低及聚合物驅(qū)提高采收率的機理尚不明確。以往研究中多采用巖心驅(qū)替實驗，采集驅(qū)替巖心兩端的數(shù)據(jù)，并計算宏觀參數(shù)來描述驅(qū)油過程，難以完整、深入地揭示真實的巖心驅(qū)油機理。

CT掃描技術(shù)可彌補傳統(tǒng)方法的缺點。它通過對巖石物性進行定量和圖像分析，直觀表征巖石孔隙結(jié)構(gòu)；同時可得到驅(qū)油過程中巖心內(nèi)部流體飽和度的分布信息，對驅(qū)替過程進行可視化研究，進而深入解釋驅(qū)油機理[3-5]。CT掃描技術(shù)在國外已成為巖心分析的常規(guī)測試技術(shù)[6-8]，該技術(shù)在國內(nèi)石油工業(yè)中也得到了應(yīng)用[9-11]。

本研究以新疆油田天然礫巖巖心為實驗對象，利用CT技術(shù)研究礫巖巖心的雙重孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及驅(qū)油機理；提出了基于CT掃描的驅(qū)油特征表征參數(shù)，利用此參數(shù)比較不同驅(qū)替方式（水驅(qū)、聚合物驅(qū)）的驅(qū)替特征，進而提出針對礫巖油藏的合理注采方法。

1 巖心CT掃描實驗

1.1 實驗裝置

本實驗采用中國石油勘探開發(fā)研究院石油采收率研究所研制的CT掃描巖心驅(qū)替系統(tǒng)。其中掃描系統(tǒng)采用美國GE公司的LIGHTSPEED 8層螺旋CT掃描儀，掃描電壓120 kV，電流為130 mA，最小掃描層厚1.25 mm，分辨尺度0.18 mm。2組QUIZIX 5200泵作為注入系統(tǒng)，1組ISCO泵作為圍壓控制系統(tǒng)。自主研制的特殊巖心夾持器保證X射線能順利穿過并減小射線硬化。該驅(qū)替系統(tǒng)可以對巖心驅(qū)替過程進行在線CT掃描，同時采集驅(qū)替過程中的進出口流量、壓力。最后利用自主研發(fā)的CT掃描巖石圖像分析軟件（CCTAS 1.0）處理數(shù)據(jù)。

1.2 實驗巖心及流體

實驗巖心取自新疆油田天然礫巖，基本物性見表1。2塊樣品均具很強的非均質(zhì)性，為典型的雙重孔隙介質(zhì)巖心。

表1 巖心樣品的基本物性參數(shù)

1.3 實驗過程

實驗條件為室溫（22 °C），圍壓5 MPa，無回壓。具體過程如下：巖心烘干后置于夾持器中掃描，然后將巖心抽真空并飽和地層水，進行飽和水巖心掃描，計算巖心的孔隙度并統(tǒng)計其分布[12]，同時重建三維孔隙度分布；將巖心用模擬油造束縛水完畢后，用添加了5%碘代己烷（CT值增強劑）的脫氣原油替換巖心中的模擬油；然后進行水驅(qū)油實驗，LY-1、LY-2的注水速度均為0.05 mL/min，水驅(qū)至含水率分別為98%和90%左右，定時間間隔對每塊實驗巖心樣品進行CT掃描（單次掃描需17 s），以獲取油水飽和度的分布信息[13-14]；換用聚合物溶液驅(qū)替，LY-1和LY-2均驅(qū)替0.7 PV后轉(zhuǎn)水驅(qū)至含水98%以上，同樣用CT掃描系統(tǒng)獲取油水飽和度的分布信息，并比較不同注水、注聚合物方式對采出程度的影響。

2 雙重孔隙介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)分析

巖心LY-1和LY-2每個切片的CT值均呈雙峰分布（見圖1，以LY-1的2個切片為例），對應(yīng)的巖心切片CT值分布重構(gòu)圖也表現(xiàn)出強非均質(zhì)性（見圖2）。

圖1 巖心LY-1的2個切片CT值分布

圖2 巖心LY-1的2個切片CT值分布重構(gòu)圖

經(jīng)計算可得巖心LY-1和LY-2的孔隙度頻率分布（見圖3）?？梢钥吹?個巖心的孔隙度頻率分布均呈雙峰分布。用CCTAS軟件對孔隙度數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)，得到2塊巖心的三維孔隙度分布示意圖（見圖4），由圖可見很強的非均質(zhì)性特征。

圖3 巖心LY-1、LY-2孔隙度頻率分布圖

圖4 巖心LY-1重構(gòu)三維孔隙度示意圖

礫巖主要由碎屑顆粒和填隙物構(gòu)成，碎屑顆粒和填隙物在密度、孔隙結(jié)構(gòu)上有很大差別，碎屑顆粒致密而填隙物疏松，加上碎屑顆粒和填隙物的膠結(jié)程度不同，構(gòu)成了礫巖多模態(tài)、強非均質(zhì)性的雙重孔隙結(jié)構(gòu)，使礫巖的CT值分布、孔隙度分布呈雙峰特性。

3 巖心驅(qū)替實驗及驅(qū)油機理

巖心LY-2的前期水驅(qū)、聚合物驅(qū)過程與LY-1類似，本研究以巖心LY-1為例加以說明。

3.1 驅(qū)替過程表征參數(shù)（含油飽和度頻率分布）

利用CT掃描巖石圖像分析軟件（CCTAS1.0）可以得到驅(qū)替過程中某時刻的巖心含油飽和度頻率分布圖（見圖5）。該曲線能夠清楚描述驅(qū)替過程中巖心內(nèi)部含油飽和度分布情況，從而反映出驅(qū)替過程中巖心內(nèi)部原油的動用情況。

圖5 含油飽和度頻率分布曲線

3.2 水驅(qū)過程

巖心LY-1水驅(qū)過程含油飽和度減少量（初始含油飽和度減去驅(qū)替過程中某時刻含油飽和度）沿程分布見圖6。水驅(qū)過程水相突破很快，注水約0.125 PV（40 min）時突破。水相突破后含油飽和度減少量沿程分布呈現(xiàn)整體上升的趨勢。由LY-1水驅(qū)過程的巖心重構(gòu)切面（見圖7）可知：含油飽和度減少量沿程分布曲線出現(xiàn)整體上升是由于巖心非均質(zhì)性極強，水驅(qū)突破后即形成了極強的“優(yōu)勢通道”，引起無效水循環(huán)；突破之后水驅(qū)僅驅(qū)出該“優(yōu)勢通道”的剩余油，而巖心其余區(qū)域的原油動用程度極低甚至并未被動用。

圖7 巖心LY-1水驅(qū)過程巖心重構(gòu)切面

LY-1水驅(qū)過程含油飽和度的頻率分布變化見圖5、圖8。水驅(qū)時，50%～100%區(qū)間的含油飽和度所占頻率下降很快（見圖8），表明水驅(qū)時該區(qū)間的油首先被動用。0～25%區(qū)間的含油飽和度所占頻率上升很快，一方面是因為該含油飽和度區(qū)間的油在水驅(qū)時難以動用，另一方面是因為巖心其他區(qū)域的水驅(qū)剩余油飽和度位于該區(qū)間。

圖8 LY-1水驅(qū)過程含油飽和度頻率分布曲線

3.3 聚合物驅(qū)過程

油相加入碘代己烷后，由于水相和聚合物的CT值差別很小，故計算含油飽和度時可將其忽略。觀察巖心LY-1聚合物驅(qū)過程含油飽和度減少量沿程分布曲線（見圖9）：初期，含油飽和度減少量沿程分布曲線整體上升的趨勢中斷；后期曲線繼續(xù)呈整體上升的趨勢。結(jié)合聚合物驅(qū)過程巖心LY-1的重構(gòu)切面，觀察到聚合物起到了堵塞“優(yōu)勢通道”的作用，令前期水驅(qū)中基本未動用的油得到了動用（見圖10中黃圈處）。同時，巖心中部仍然有大量孤島狀的剩余油（見圖10中紅圈處）未被動用。

圖9 LY-1聚合物驅(qū)過程含油飽和度減少量沿程分布曲線

巖心LY-1聚合物驅(qū)含油飽和度頻率分布見圖11。與前期水驅(qū)相比，曲線中部（37.5%～50.0%區(qū)間）的值在下降（見圖11a），表明巖心中含油飽和度37.5%～ 50.0%區(qū)間的油較水驅(qū)相比有較大動用。12.5%～37.5%區(qū)間的含油飽和度所占頻率變化趨勢趨于平緩（見圖11b），同時考慮巖心其他區(qū)域的剩余油飽和度位于該區(qū)間造成的該區(qū)間飽和度所占頻率增加，曲線趨于平緩表明該區(qū)間的油在聚合物驅(qū)時被動用。0～12.5%區(qū)間的含油飽和度所占頻率仍保持持續(xù)上升趨勢，一方面說明該含油飽和度區(qū)間的油難以被動用，另一方面說明其他巖心區(qū)域的聚合物驅(qū)剩余油飽和度位于該區(qū)間。

圖10 巖心LY-1聚合物驅(qū)過程重構(gòu)切面

圖11 巖心LY-1聚合物驅(qū)過程含油飽和度頻率分布曲線

3.4 后續(xù)水驅(qū)

巖心LY-1在后續(xù)水驅(qū)階段基本未出油；而LY-2后續(xù)水驅(qū)的含油飽和度減少量沿程分布曲線隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增加仍然呈整體上升的趨勢（見圖12）。推測LY-2后續(xù)水驅(qū)只是在之前水驅(qū)及聚合物驅(qū)形成的通路中進行，沒有開辟新通路。

圖12 LY-2后續(xù)水驅(qū)含油飽和度減少量沿程分布曲線

由LY-2后續(xù)水驅(qū)含油飽和度頻率分布曲線（見圖13）可見：除了90%～100%區(qū)間的含油飽和度所占頻率隨注入孔隙體積倍數(shù)增加下降比較明顯之外，其余區(qū)間的含油飽和度所占頻率變化很小。表明后續(xù)水驅(qū)主要動用的還是含油飽和度位于90%～100%區(qū)間的原油，即比較容易動用的原油，這在一定程度上也驗證了之前“后續(xù)水驅(qū)仍在之前驅(qū)替形成的通道中進行，沒有開辟新通路”的假設(shè)。

圖13 巖心LY-2后續(xù)水驅(qū)含油飽和度頻率分布曲線

4 注入方式對采出程度的影響

巖心LY-1、LY-2水驅(qū)及聚合物驅(qū)采出程度見表2。

表2 不同驅(qū)替方式巖心采出程度

巖心LY-1前期水驅(qū)至含水98%。前期水驅(qū)和聚合物驅(qū)采出程度基本正常，而后續(xù)水驅(qū)基本未出油，這是由于巖心極強的非均質(zhì)性導(dǎo)致后續(xù)水驅(qū)難以推動聚合物驅(qū)段塞，從而不產(chǎn)油?；诖耍煽紤]減小聚合物驅(qū)的注入孔隙體積倍數(shù)，因為聚合物驅(qū)后期的聚合物只是在推動前期的聚合物段塞以驅(qū)油，后續(xù)水驅(qū)也可起到此作用，且更加經(jīng)濟。

巖心LY-2前期水驅(qū)至含水90%。其采出情況表現(xiàn)為：前期水驅(qū)和聚合物驅(qū)采出程度低下，而后續(xù)水驅(qū)仍有不少原油被采出。結(jié)合分析含油飽和度減少量分布曲線、重構(gòu)切面、含油飽和度頻率分布曲線，推測由于前期注水程度低導(dǎo)致采出程度低，同時也導(dǎo)致水驅(qū)后“優(yōu)勢通道”中殘留了大量剩余油，使得聚合物難以形成有效的段塞，注聚合物階段開辟的新通路較少、仍主要驅(qū)出“優(yōu)勢通道”中的剩余油。而后續(xù)水驅(qū)驅(qū)出的油也主要是“優(yōu)勢通道”和少量新開辟通路中的剩余油。

綜上所述，針對強非均質(zhì)性高滲礫巖油藏，前期水驅(qū)應(yīng)該盡量達到最高含水率，以加強聚合物的段塞效果；同時，可以適當(dāng)減少聚合物的注入量，后續(xù)水驅(qū)可以推動注聚合物時形成的聚合物段塞來驅(qū)油，使注入方式更高效更經(jīng)濟。

5 結(jié)論

強非均質(zhì)性高滲礫巖水驅(qū)時會產(chǎn)生“優(yōu)勢通道”，水驅(qū)后期不再開辟新的通路，僅驅(qū)出“優(yōu)勢通道”的剩余油；聚合物驅(qū)后仍會有大量孤島狀的剩余油難以動用；后續(xù)水驅(qū)不能開辟新的驅(qū)替通道，只能繼續(xù)驅(qū)出之前已形成通道中的剩余油。

礫巖水驅(qū)時首先動用高飽和度區(qū)間的油，中—低飽和度區(qū)間的油動用少；聚合物驅(qū)時高—中飽和度區(qū)間的油都能夠動用，而低飽和度區(qū)間的油仍然難以動用；后續(xù)水驅(qū)時仍然主要動用高飽和度區(qū)間的油。

針對礫巖油藏，前期水驅(qū)應(yīng)該盡量達到最高含水率，同時應(yīng)減少聚合物的注入量，利用后續(xù)水驅(qū)推動聚合物段塞達到驅(qū)油的目的。

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（編輯 郭海莉 繪圖 劉方方）

Research on displacement mechanism in conglomerate using CT scanning method

Deng Shiguan1,2,3,Lü Weifeng1,2,Liu Qingjie1,2,Leng Zhenpeng1,2,Li Tong1,2,Liu Hongxian4,Gu Hongjun4,Xu Changfu4,Zhang Xuhui3,Lu Xiaobing3
(1.State Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery,Beijing 100083,China;2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration &Development,Beijing 100083,China;3.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences (CAS),Beijing 100190,China;4.Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Xinjiang Oilfield Company,Karamay 834000,China)

Taking the conglomerate from Xinjiang Oilfield as study object,the porosity distribution characteristics of the conglomerate were analyzed with CT scanning;through the online monitoring of the water and polymer flooding process in a conglomerate core using an CT scanning system,the saturation profile along the core and the CT reconstructed images of core section during the displacing process were obtained;oil displacement mechanism was analyzed according to a new characterization parameter,“oil saturation frequency distribution”.The results show that the conglomerate has strong heterogeneity,resulting in “preferential channels”,and in turn ineffective water circulation and low water flooding oil recovery,moreover,the oil in high oil saturation area is produced first.In polymer flooding,the oil in high and medium oil saturation areas can be produced but the oil in low oil saturation areas still cannot be produced.Oil produced in the subsequent water flooding is still mainly from the high oil saturation areas.For conglomerate reservoirs,previous water flooding should reach as high water cut as possible so as to strengthen the slug effect of the polymer.Meanwhile the injection volume of polymer should be reduced,and a subsequent water flooding should be used to push the polymer slug to produce oil.

conglomerate;CT scanning;water flooding;polymer flooding;oil saturation;profile along the core;frequency distribution

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2011CB707302）；中國石油天然氣集團公司科研項目（2011A-1003）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目（2009AA063403）

TE343

：A

1000-0747(2014)03-0330-06

10.11698/PED.2014.03.08

鄧世冠（1988-），男，福建龍巖人，現(xiàn)為提高石油采收率國家重點實驗室和中國科學(xué)院力學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生，主要從事巖土力學(xué)研究工作。地址：北京市海淀區(qū)中關(guān)村東路80號，郵政編碼：100190。E-mail:dengshiguan@foxmail.com

聯(lián)系作者：呂偉峰（1979-），男，遼寧大連人，中國石油勘探開發(fā)研究院工程師，主要從事油層物理與滲流力學(xué)研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號，中國石油勘探開發(fā)研究院石油采收率研究所，郵政編碼：100083。E-mail:lweifeng@petrochina.com.cn

2013-10-31

2014-02-25