特低滲透砂巖油藏注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)方法

齊亞?wèn)|，賈愛(ài)林，楊正明，王軍磊，戰(zhàn)劍飛

(1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 鄂爾多斯分院，北京，100083；2. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊，065007；3. 中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊，065007；4. 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶，163712)

從當(dāng)前形勢(shì)看，低、特低滲透油氣藏已經(jīng)成為中國(guó)能源保障的重要組成部分。截至2009 年底，中石油累計(jì)探明的低、特低滲透儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的40.60%，此類(lèi)未動(dòng)用儲(chǔ)量占總未動(dòng)用儲(chǔ)量的66.29%；此外，該類(lèi)原油產(chǎn)量份額也逐年上升，由2000 年的18.60%增至2009 年的36.91%，預(yù)計(jì)2015 年將達(dá)47.36%。由此可見(jiàn)，動(dòng)用好低、特低滲透油氣儲(chǔ)量對(duì)中國(guó)未來(lái)油氣發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。自1924 年“五點(diǎn)注水井網(wǎng)”方案在美國(guó)Bradford 油田實(shí)施以來(lái)，注水開(kāi)發(fā)已逐漸發(fā)展成為一種主要的油田開(kāi)發(fā)方式[1]，即使是低、特低滲透油田，注水采油也是一項(xiàng)重要的主體開(kāi)發(fā)技術(shù)[2]。但隨著滲透率的降低，特低滲透儲(chǔ)層的孔喉越來(lái)越細(xì)小[3]，流固耦合作用越來(lái)越強(qiáng)[4]，束縛水飽和度越來(lái)越高[5]，啟動(dòng)壓力梯度越來(lái)越大[6]，因而多孔介質(zhì)允許液相流體通過(guò)的能力越來(lái)越差，以此推斷，當(dāng)滲透率降低到一定程度時(shí)，水驅(qū)開(kāi)發(fā)特低滲透油田將很難見(jiàn)效，換言之，對(duì)于該滲透率級(jí)別的特低滲透儲(chǔ)層而言，注水驅(qū)油的方式是不可行的。對(duì)于一個(gè)特定的油田，若能確定上述臨界滲透率，則可以為油田開(kāi)發(fā)方式的選擇提供更為科學(xué)的指導(dǎo)，特別是對(duì)于滲透率小于該臨界值的儲(chǔ)層，可以避免因采用常規(guī)水驅(qū)開(kāi)發(fā)方式注水采油所增加的不必要的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。目前，有關(guān)注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)方法方面的研究報(bào)道較少，為此，本文作者以大慶外圍的長(zhǎng)垣、龍西、齊家南、古龍南、葡西、古龍北這6 個(gè)典型特低滲透區(qū)塊(3 個(gè)典型油層)為研究對(duì)象，在恒速壓汞、核磁共振、低滲透物理模擬等多種實(shí)驗(yàn)手段的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)、核磁共振圖譜等豐富的數(shù)據(jù)資料，提出特低滲透砂巖油藏注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)方法，并應(yīng)用該方法為各區(qū)塊確定水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限，以便為大慶外圍油田開(kāi)發(fā)方式的選擇提供參考。

1 從儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征角度探討注水開(kāi)發(fā)可行性

儲(chǔ)層巖石中相互連通的孔隙和喉道是油、氣、水賴以賦存和流動(dòng)的重要空間，而大量研究表明[7]，喉道分布是制約儲(chǔ)層流體滲流能力的關(guān)鍵因素，它也直接影響油氣藏的動(dòng)用難度及開(kāi)發(fā)效果。而喉道特征研究的一項(xiàng)重要手段就是恒速壓汞技術(shù)，它以恒定低速的進(jìn)汞方式，在準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，根據(jù)進(jìn)汞端彎月面在經(jīng)過(guò)不同形狀的微觀孔隙時(shí)發(fā)生的自然壓力漲落來(lái)確定孔隙的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將巖樣的喉道和孔隙區(qū)分開(kāi)[8]。

對(duì)大慶的長(zhǎng)垣、龍西、齊家南、古龍南、葡西、古龍北這6 個(gè)典型特低滲透區(qū)塊的巖樣進(jìn)行恒速壓汞測(cè)試，獲得了喉道半徑分布曲線、主流喉道半徑、孔喉比等多種喉道信息；用恒速壓汞巖樣的平行樣進(jìn)行低滲透物理模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了氣測(cè)滲透率、水測(cè)滲透率、束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)等多種數(shù)據(jù)。通過(guò)分析這2 種實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)角度探討儲(chǔ)層注水開(kāi)發(fā)的可行性。

固液之間的相互作用較強(qiáng)，而固氣之間的相互作用微弱，由此導(dǎo)致水測(cè)滲透率與氣測(cè)滲透率之間會(huì)有很大差異，水測(cè)滲透率比氣測(cè)滲透率更能反映儲(chǔ)層在飽和流體的情況下允許流體滲流的能力。儲(chǔ)層喉道半徑越細(xì)小，固液作用越強(qiáng)，因而流體被束縛的比例越高，水測(cè)滲透率越低，氣、水滲透率之間的差異也就越大。圖1 所示為氣-水滲透率的比與主流喉道半徑之間的關(guān)系曲線。由圖1 可知，隨著主流喉道半徑的減小，氣-水滲透率比呈冪律性增長(zhǎng)，當(dāng)主流喉道半徑大于1 μm 時(shí)，隨著主流喉道半徑的增大，氣-水滲透率比略呈降低趨勢(shì)，但總體上看，該比值很低，保持在2 左右；而當(dāng)主流喉道半徑小于1 μm 時(shí)，隨主流喉道半徑的減小，氣-水滲透率比從2 急劇增大至50 甚至更高，這表明儲(chǔ)層允許液相滲流的能力急劇降低。由此可以推斷，主流喉道半徑小于1 μm 的儲(chǔ)層，水驅(qū)時(shí)的實(shí)際滲透率會(huì)成倍降低，因而，水驅(qū)開(kāi)發(fā)難度也會(huì)成倍增大。

圖1 氣水滲透率比與主流喉道半徑的關(guān)系Fig.1 Relationship between gas-water permeability ratio and main throat radius

注水采油時(shí)，注入水要不斷克服阻力，從孔隙中驅(qū)出原油，與此同時(shí)，油水的分布形式也不斷變化，油水在孔隙中的分布直接影響到水驅(qū)油的效果。在水濕性儲(chǔ)層中，束縛水以水膜形式吸附在孔道壁面，注水驅(qū)油時(shí)，除了水對(duì)油的驅(qū)替作用外，注入水會(huì)與束縛水融合并沿著孔道壁面向前推進(jìn)，進(jìn)而將原油剝離巖石表面。隨著原油連續(xù)不斷地被剝離和驅(qū)替，水驅(qū)前緣位置的油量不斷減少而形成油絲，連續(xù)的油絲在穿過(guò)多孔介質(zhì)窄口時(shí)，很容易被潤(rùn)濕相所卡斷而形成孤立的油滴。多孔介質(zhì)孔喉比越大，水驅(qū)油時(shí)連續(xù)油相被卡斷的概率越大[9-11]。

圖2 所示為平均孔喉比與主流喉道半徑之間的關(guān)系。由圖2 可知：隨著主流喉道半徑的減小，平均孔喉比呈冪律性增長(zhǎng)，特別是當(dāng)主流喉道半徑小于1 μm時(shí)，平均孔喉比急劇增大。由此可以推斷：當(dāng)儲(chǔ)層的主流喉道半徑小于1 μm 時(shí)，水驅(qū)采油時(shí)油相被卡斷成孤立油滴的概率會(huì)急劇增大。

圖2 平均孔喉比與主流喉道半徑之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between average pore-throat radius ratio and main throat radius

由于賈敏效應(yīng)的存在，孤立的油滴一旦形成，則會(huì)被卡在喉道處而難以流動(dòng)，顯著增大了流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流阻力。賈敏效應(yīng)如圖3 所示。假設(shè)油滴沿著水流方向軸對(duì)稱，則油滴通過(guò)喉道所需要的壓差為

圖3 賈敏效應(yīng)示意圖Fig.3 Sketch of Jamin action

式中：p1和p2分別為油滴兩端的壓力，kPa；σ為油水界面張力，10-2N/m；R1和R2分別為油滴兩端的曲率半徑，μm；θ為三相接觸角。

應(yīng)用式(1)計(jì)算算例。取孔道半徑150 μm，油水界面張力20 mN/m，接觸角65°，油滴長(zhǎng)度1 mm，克服不同尺寸的喉道半徑處的賈敏效應(yīng)以使油滴通過(guò)所需的壓力梯度如圖4 所示。從圖4 可以看出，隨著喉道半徑的減小，油滴通過(guò)喉道所需的壓力梯度不斷增大，特別是當(dāng)喉道半徑小于1 μm 時(shí)，隨著喉道半徑的減小，克服賈敏效應(yīng)的難度急劇增強(qiáng)。因而，隨著儲(chǔ)層中小于1 μm 的喉道比例的增大，水驅(qū)油開(kāi)發(fā)的難度會(huì)急劇增加，甚至無(wú)法注水。

圖4 克服賈敏效應(yīng)所需的壓力梯度Fig.4 Pressure gradient desired to overcome Jamin action

通過(guò)上述分析可以看出，1 μm 級(jí)別的喉道在油層物理特征方面具有顯著的特點(diǎn)，“1 μm”可以作為水驅(qū)易動(dòng)用喉道與水驅(qū)難動(dòng)用喉道的半徑界限值，儲(chǔ)層中該級(jí)別喉道比例直接關(guān)系到注水的難易。

對(duì)采自大慶外圍典型特低滲透區(qū)塊的11 塊樣品進(jìn)行水驅(qū)油物理模擬實(shí)驗(yàn)，得到了束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)。從物質(zhì)平衡角度來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)所得的束縛水狀態(tài)下采油指數(shù)可以間接地反映樣品所代表的儲(chǔ)層注水驅(qū)油的難易程度。此外，還統(tǒng)計(jì)了這11 塊樣品中半徑小于1 μm 的喉道所占的比例。圖5 所示為束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)與半徑小于1 μm 的喉道所占比例之間的關(guān)系。由圖5 可知：束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)隨半徑小于1 μm 的喉道所占比例的降低而增大；當(dāng)半徑小于1 μm 的喉道所占比例小于20%時(shí)，束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)急劇增大，表明注水難度明顯降低；當(dāng)半徑小于1 μm 的喉道所占比例大于60%時(shí)，束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)非常低，幾乎趨向于0，表明注水難度非常大，甚至無(wú)法注水。

圖5 特低滲透砂巖樣品束縛水狀態(tài)下的采油指數(shù)與喉道分布特征之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between productivity index and throat radius distribution of ultra-low permeability sandstone samples

綜上所述，可以將“半徑小于1 μm 的喉道所占比例為60%”作為衡量注水開(kāi)發(fā)可行性的一個(gè)指標(biāo)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，半徑小于1 μm 的喉道所占比例與巖樣的滲透率之間存在良好的冪律關(guān)系，對(duì)大慶外圍6 個(gè)典型特低滲透區(qū)塊不同滲透率樣品的喉道半徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并擬合得到各區(qū)塊的關(guān)系式，如表1 所示。表1 中，f 為喉道比例，%；K 為氣測(cè)滲透率，10-3μm2。

利用表1 公式計(jì)算可得，當(dāng)半徑小于1 μm 的喉道所占有的比例為60%時(shí)，各個(gè)區(qū)塊所對(duì)應(yīng)的滲透率分別為：長(zhǎng)垣1.27×10-3μm2，龍西0.65×10-3μm2，齊家南0.21×10-3μm2，古龍南0.75×10-3μm2，葡西0.50×10-3μm2，古龍北0.50×10-3μm2。

表1 半徑小于1 μm 的喉道所占比例與滲透率之間的關(guān)系Table 1 Relationship between less-than-1 μm-throat percentage and permeability

2 從儲(chǔ)層可動(dòng)流體特征角度探討注水開(kāi)發(fā)可行性

核磁共振技術(shù)是研究?jī)?chǔ)層可動(dòng)流體特征的重要手段，而T2圖譜是核磁共振測(cè)試所得的最直觀的結(jié)果之一。核磁共振T2圖譜隨滲透率的變化而變化如圖6 所示?？梢?jiàn)：特低滲透砂巖樣品的核磁共振T2圖譜多表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)，而且隨著滲透率的降低，圖譜左峰越來(lái)越高，右峰越來(lái)越低。

圖6 核磁共振T2 圖譜隨滲透率的變化Fig.6 NMR T2 spectrum variation as permeability changes

左右兩峰分別代表了束縛流體的量和可動(dòng)流體的量，可動(dòng)流體比例的精確界定需要應(yīng)用T2截止值。對(duì)取自大慶、吉林、華北、江蘇等典型特低滲透油區(qū)近70 塊砂巖樣品T2截止值的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T2圖譜的雙峰分界非常明顯、有清晰的波谷存在時(shí)，T2截止值位于波谷最低點(diǎn)附近(如圖7 所示)，統(tǒng)計(jì)的樣品對(duì)于此規(guī)律的符合率達(dá)90%，與文獻(xiàn)[9]得到的研究結(jié)論一致。

由此可以推斷，當(dāng)左右兩峰持平時(shí)，用波谷最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的T2截止值標(biāo)定的可動(dòng)流體比例應(yīng)為50%左右，顯然，該值為可動(dòng)流體比例由主體地位轉(zhuǎn)為弱勢(shì)地位的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，找到該轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層滲透率對(duì)判斷油田開(kāi)發(fā)難易程度具有實(shí)際意義。

對(duì)大慶外圍6 個(gè)典型特低滲透區(qū)塊的核磁共振測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，各區(qū)塊T2圖譜兩峰持平時(shí)對(duì)應(yīng)的滲透率分別為：長(zhǎng)垣1.0×10-3μm2，龍西0.5～1.0×10-3μm2，齊家南0.6×10-3μm2，古龍南0.7×10-3μm2，葡西0.5×10-3μm2，古龍北0.5×10-3μm2。

圖7 左右峰分界明顯的T2 圖譜形態(tài)與T2 截止值的關(guān)系(括號(hào)內(nèi)為截止值)Fig.7 Relationship between T2 cutoff values and patterns of NMR spectrums with two cognizable crests(T2 cutoff values in backets)

此外，還擬合得到了各區(qū)塊的“可動(dòng)流體比例-滲透率”關(guān)系式，應(yīng)用各區(qū)塊的關(guān)系式可以計(jì)算上述滲透率對(duì)應(yīng)的可動(dòng)流體比例，分別為：長(zhǎng)垣45.08%，龍西39.89%～44.15%，齊家南32.75%，古龍南40.09%，葡西47.23%，古龍北47.23%，可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果均比前面推斷的50%界限還要低，而可動(dòng)流體比例是儲(chǔ)層中可流動(dòng)液相的上限，這說(shuō)明該滲透率級(jí)別以下的儲(chǔ)層中一半以上的流體是無(wú)法流動(dòng)的，因而注水開(kāi)發(fā)難度很大。

綜上所述，核磁共振T2圖譜左右兩峰持平時(shí)可以作為注水開(kāi)發(fā)可行與否的界線。

3 注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)方法的建立

將上述2 種角度分析得到的注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。由表2 可知：除了齊家南區(qū)塊以外，其余區(qū)塊半徑小于1 μm 的喉道比例達(dá)60%時(shí)所對(duì)應(yīng)的滲透率與核磁共振T2圖譜兩峰持平時(shí)所對(duì)應(yīng)的滲透率非常一致。從氣-水滲透率比看，各區(qū)塊水驅(qū)時(shí)實(shí)際滲透率比氣測(cè)值降低4～6 倍，因而推斷，注水開(kāi)發(fā)該滲透率級(jí)別的儲(chǔ)層難度會(huì)很大，甚至可能注水不見(jiàn)效。

為論證上述判斷的正確性，統(tǒng)計(jì)了大慶油田扶楊油層部分已開(kāi)發(fā)區(qū)塊的生產(chǎn)情況，如表3 所示。區(qū)塊氣測(cè)滲透率分布在0.4×10-3～1.4×10-3μm2，采用優(yōu)化后的矩形井網(wǎng)注水開(kāi)發(fā)，拉大井距縮小排距，有的區(qū)塊排距最小值已經(jīng)縮到80 m，但單井產(chǎn)量卻均不到0.5 t/d，采油強(qiáng)度均低于0.05 t/(d·m)。可見(jiàn)，該滲透率范圍內(nèi)的儲(chǔ)層注水采油無(wú)效，該滲透率范圍與前面推斷的注水開(kāi)發(fā)不可行的滲透率范圍相吻合。

表2 大慶油田典型特低滲透區(qū)塊注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比Table 2 Waterflooding feasibility evaluation parameters comparison of typical ultra-low permeability reservoirs in Daqing Oilfield

通過(guò)以上的分析和論證，探討性地提出注水開(kāi)發(fā)可行性評(píng)價(jià)方法：當(dāng)半徑小于1 μm 的喉道所占比例達(dá)到60%、核磁共振T2譜左右兩峰持平時(shí)，認(rèn)為儲(chǔ)層水驅(qū)開(kāi)發(fā)難度很大，注水不可行，此時(shí)的滲透率可以認(rèn)為是水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限。

綜合考慮微觀孔喉分布特征和T2圖譜形態(tài)后，給出大慶外圍6 個(gè)典型特低滲透區(qū)塊(3 個(gè)典型油層)的水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限，如表4 所示。需要指出的是，該界限值是針對(duì)于常規(guī)水驅(qū)開(kāi)發(fā)而言的，當(dāng)采取其他改善措施如注活性水等降低界面張力的技術(shù)時(shí)，產(chǎn)能物性下限會(huì)降低。

表3 大慶油田典型特低滲透區(qū)塊扶楊油層注水開(kāi)發(fā)情況Table 3 Waterflooding effect of Fuyang Formation of typical ultra-low permeability reservoirs in Daqing Oilfield

表4 大慶油田典型特低滲透區(qū)塊水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限Table 4 Lower permeability limits of exploitable reservoirs by waterflooding in Daqing Oilfield10-3 μm2

4 結(jié)論與建議

1) 從儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征以及可動(dòng)流體特征出發(fā)，對(duì)特低滲透砂巖油藏注水開(kāi)發(fā)的可行性進(jìn)行了剖析，提出了注水開(kāi)發(fā)可行性的評(píng)價(jià)方法：半徑小于1 μm 的喉道所占比例達(dá)到60%、核磁共振T2譜左右兩峰持平，可以作為特低滲透砂巖油藏注水開(kāi)發(fā)可行性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)的滲透率可以認(rèn)為是水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限。

2) 應(yīng)用新建立的評(píng)價(jià)方法對(duì)大慶外圍6 個(gè)典型特低滲透區(qū)塊(3 個(gè)典型油層)的水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限進(jìn)行了界定。典型區(qū)塊的水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限界定結(jié)果如下：長(zhǎng)垣為1.0×10-3μm2，龍西為0.5～1.0×10-3μm2，齊家南為0.6×10-3μm2，古龍南為0.7×10-3μm2，葡西、古龍北均為0.5×10-3μm2；典型油層的水驅(qū)可動(dòng)用滲透率下限界定結(jié)果如下：扶楊油層為1.0×10-3μm2，高臺(tái)子油層為0.6×10-3μm2，葡萄花油層為0.5×10-3μm2。

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