注粘穩(wěn)劑水淹層巖石物理實驗研究

盧艷，楊青山

（大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶163712）

0 引 言

海拉爾盆地呼和諾仁油田儲層中蒙脫石含量高，黏土礦物的水化膨脹降低了地層巖石強度且堵塞巖石內(nèi)部孔隙、喉道，需要在油氣鉆探、開發(fā)中使用防膨劑。呼和諾仁油田儲層的水敏指數(shù)平均為0．79，具有強水敏特性。為實現(xiàn)油田正常注水開發(fā)，2002年以來在注水開發(fā)過程中加入了一定濃度的黏土防膨劑。黏土防膨劑也稱粘穩(wěn)劑，是導電性非常強的溶液。與加入蒸餾水相比，加入粘穩(wěn)劑的黏土粒徑明顯變小，說明黏土顆粒的水化膨脹受到有效抑制［1］。

呼和諾仁油田巖性以砂巖、砂礫巖為主，為研究不同巖性儲層在注入粘穩(wěn)劑條件下電阻率、核磁共振響應及油水相對滲透率的變化規(guī)律，對呼和諾仁油田不同巖性儲層巖心開展了注粘穩(wěn)劑后巖石物理實驗。呼和諾仁油田原始地層水為NaHCO3型，礦化度為2230～4853mg／L，平均3541mg／L。油田注粘穩(wěn)劑開發(fā)采用的粘穩(wěn)劑溶液主要有2種：一種為清水配制的粘穩(wěn)劑溶液，其中清水礦化度為3500mg／L，按1．2%配比加入粘穩(wěn)劑；第2種為污水配制的粘穩(wěn)劑溶液，其中污水礦化度為5500mg／L，按0．8%配比加入粘穩(wěn)劑。模擬油藏條件進行的相滲巖電實驗，根據(jù)研究區(qū)注水分析資料，分別配制了礦化度為3500mg／L的NaHCO3型水溶液代表原始地層水，礦化度為3500mg／L的NaHCO3型水溶液加入1．2%的粘穩(wěn)劑作為清水配制的粘穩(wěn)劑溶液，礦化度為5500mg／L的NaHCO3型水溶液加入0．8%的粘穩(wěn)劑作為污水配制的粘穩(wěn)劑溶液。通過本文實驗，為后續(xù)建立剩余油飽和度測井解釋模型提供理論依據(jù)及其相關參數(shù)。

1 注粘穩(wěn)劑溶液巖石電性參數(shù)變化規(guī)律

1．1 注入粘穩(wěn)劑溶液巖石的混合液電阻率變化規(guī)律

水淹層導電機理實驗研究和測井解釋地層水混合液電阻率數(shù)據(jù)的準確與否將直接影響水淹層測井解釋［2］。在注入水過程中，原始地層水與注入水不斷混合，并且逐漸被注入水驅替，達到注入水的礦化度（或電阻率）［3］。考慮注粘穩(wěn)劑溶液過程中油水變化實際情況，即當含水率為0時，混合水電阻率為地層水電阻率；隨注入水的逐漸增加，混合水電阻率逐漸表現(xiàn)為注入水電阻率［4］；當含水率為100%時，混合水電阻率表現(xiàn)為注入水電阻率。根據(jù)注入水與原始水之間的離子交換作用，求取混合水電阻率為

由產(chǎn)水率公式，有

式中，Rwz為混合水電阻率；Rwi為原始水電阻率；Rwp為注入水電阻率；Sw為含水飽和度；Swi為束縛水飽和度；Sor為殘余油飽和度；c1、c2、c3為系數(shù)。

選取呼和諾仁油田貝50－56井30號樣（砂礫巖）、32號樣（砂巖）和貝62－60井116號樣（砂礫巖）在模擬注入粘穩(wěn)劑溶液情況下，利用式（4）計算了Rwz隨含水飽和度變化的理論關系（見圖1）。

從理論模擬可以看出，砂巖和砂礫巖巖樣混合液電阻率的變化出現(xiàn)相似的特征，均可分為3個階段。第1個階段，注入初期混合液電阻率隨含水飽和度的變化不太明顯，接近原始地層水電阻率；第2階段，注入中期混合液電阻率隨含水飽和度的增加變化較大，呈單調(diào)下降趨勢；第3階段，注入末期，當原始水溶液被注入粘穩(wěn)劑溶液完全置換后，混合液電阻率不再隨含水飽和度的增大而變化，幾乎表現(xiàn)為注入粘穩(wěn)劑溶液的電阻率。

圖1 注粘穩(wěn)劑條件下混合液電阻率隨含水飽和度變化曲線

1．2 注入粘穩(wěn)劑溶液巖石的m和n值變化規(guī)律

巖心電性實驗通過實驗室方法測量巖石電阻率，或進行儲層溫度、壓力模擬，使測試結果更接近儲層環(huán)境的巖石電性參數(shù)［5－9］。

實驗溫度為60℃，實驗壓力（有效圍壓）為14MPa，孔隙壓力（正?？紫秹毫Γ?．69MPa。實驗用礦化度分別為3500、5500mg／L的粘穩(wěn)劑溶液模擬注入水進行水驅油實驗。根據(jù)測量結果，在雙對數(shù)坐標系中繪制所有樣品的地層因素和孔隙度關系，經(jīng)多元回歸可以得到孔隙度指數(shù)m（斜率）和系數(shù)a（截距）。在雙對數(shù)坐標系中繪制單塊樣品的電阻增大率I和含水飽和度Sw關系，經(jīng)回歸可以得到飽和度指數(shù)n（斜率）和系數(shù)b（截距）。從圖2、圖3可以看出膠結指數(shù)m受巖性影響大，砂礫巖m值大于砂巖m值，而飽和度指數(shù)n則受巖性影響小。對比礦化度為5500mg／L的粘穩(wěn)劑溶液m、n值發(fā)現(xiàn)，隨著地層水電阻率的增大m、n值減小。

圖2 不同巖性Archie參數(shù)m、n值的確定（礦化度3500mg／L）

圖3 不同巖性Archie參數(shù)m、n值的確定（礦化度5500mg／L）

1．3 注入粘穩(wěn)劑溶液巖石電阻率變化規(guī)律

為了分析不同巖性注粘穩(wěn)劑溶液電阻率隨含水飽和度的變化規(guī)律及分析粘穩(wěn)劑本身的導電特性，開展了2個方面的實驗。①測量注入水礦化度分別為3500、5500mg／L（均含粘穩(wěn)劑）溶液巖石電阻率隨含水飽和度的變化情況；②測量了注入水礦化度為3500mg／L（一種含粘穩(wěn)劑，一種不含粘穩(wěn)劑）溶液不同含水飽和度時的電阻率。根據(jù)實驗結果，選擇了2塊巖性不同、物性接近的巖樣說明。貝50－56井21號樣為砂礫巖樣品，孔隙度為22．8%，滲透率為23．3mD＊非法定計量單位，1mD＝9．87×10－4μm2，下同；貝301井55號樣為砂巖樣品，孔隙度為22．7%，滲透率為19．7mD。

圖4給出了不同巖性不同注入溶液礦化度情況下電阻率隨含水飽和度變化關系曲線。分析實驗結果認為，①隨含水飽和度的增加，砂巖、砂礫巖巖石電阻率均呈單調(diào)下降趨勢，這主要是因為加入粘穩(wěn)劑后溶液電阻率下降，使得注入溶液的電阻率Rwp小于原始地層水電阻率，相當于注入咸水；②對于孔隙度、滲透率相近的砂巖與砂礫巖巖樣，原始狀態(tài)（水驅開始）或殘余油狀態(tài)（水驅結束）時，砂礫巖巖樣電阻率比砂巖巖樣電阻率高，這主要是由于砂礫巖顆粒較大、巖石致密，在物性條件相同時，其導電網(wǎng)絡較少，使得砂礫巖電阻率高于砂巖電阻率；③對于礦化度相同的粘穩(wěn)劑和水溶液，巖石電阻率具有相同的變化規(guī)律，這是由于粘穩(wěn)劑在稀釋以后具有和離子一樣的導電特性。

圖4 巖石電阻率隨含水飽和度變化關系曲線

2 注粘穩(wěn)劑溶液巖石擴散吸附電位變化規(guī)律

實驗測量了礦化度分別為3500、5500mg／L含粘穩(wěn)劑溶液在弱水淹、中水淹、高水淹等3種條件下的擴散吸附電位值（實驗室內(nèi)模擬井中的自然電位不能直接測量得到，只能通過測量電動勢定性轉換分析）。

由于泥漿濾液濃度與地層水的濃度不同，在砂巖井壁附近產(chǎn)生了擴散吸附電位（或電動勢），其大小為

式中，Kda為擴散吸附電位系數(shù)；Rmf為泥漿濾液電阻率；Rw為地層水電阻率；Eda為砂巖的擴散吸附電位（或電動勢）。

從式（5）可以看出，當泥漿濾液礦化度一定時，擴散吸附電位隨地層水礦化度增大而增大。

圖5 擴散吸附電動勢與含水飽和度關系圖

圖5給出了物性接近的砂巖、砂礫巖巖樣擴散吸附電位與含水飽和度的關系。根據(jù)實驗結果可以得出，①擴散吸附電位隨著粘穩(wěn)劑溶液礦化度的增大而增大，這與式（5）描述的擴散吸附電位與地層水礦化度和泥漿濾液礦化度之間的規(guī)律相符；②粘穩(wěn)劑具有較強的導電性，導致巖石電阻減小，使擴散吸附電位隨著含水飽和度的增大而減小。

3 注粘穩(wěn)劑溶液巖石核磁共振響應變化規(guī)律

實驗測量了14塊巖樣在飽和礦化度分別為3500、5500mg／L粘穩(wěn)劑溶液條件下巖樣的束縛水飽和度、T2截止值及T2譜分布圖等參數(shù)。圖6給出了巖樣在2種礦化度飽含水狀態(tài)下核磁共振T2譜的分布，圖7給出了不同注入水條件下束縛水飽和度變化圖。從實驗結果可以看出，①注入水礦化度變化對核磁共振T2譜分布影響不大。根據(jù)以往的實驗結果，在礦化度變化范圍很大時，礦化度的變化對T2譜的幅度和分布面積影響較大［10］，而實驗注入粘穩(wěn)劑溶液礦化度分別為3500、5500mg／L，與原始地層水礦化度3500mg／L差別較小，因此很難在核磁共振T2譜分布形態(tài)上區(qū)分出來；②當溶液含粘穩(wěn)劑時，束縛水飽和度相對減小。這是因為注入鹽水溶液時，地層中黏土遇水膨脹，堵塞了部分孔隙，黏土顆粒表面積增大，束縛水增加，加入粘穩(wěn)劑后，有效防止了黏土膨脹，黏土顆粒表面積減小，黏土表面吸附的束縛水減少。

圖6 飽含水巖樣核磁共振T2譜的分布

圖7 不同注入水條件下束縛水飽和度變化圖

4 注粘穩(wěn)劑溶液巖石油水相對滲透率變化規(guī)律

為探索注粘穩(wěn)劑溶液和不注粘穩(wěn)劑溶液油水相對滲透率變化情況，在高溫60℃條件下，測量了10塊束縛水飽和度的巖樣在注入礦化度分別為3500（一種不含粘穩(wěn)劑，一種含粘穩(wěn)劑）、5500mg／L（含粘穩(wěn)劑）溶液條件下不同含水飽和度的電阻率和油水相對滲透率。圖8對比了2塊注入水礦化度5500mg／L含粘穩(wěn)劑溶液孔隙度滲透率接近的砂巖和砂礫巖巖樣油水相對滲透率隨含水飽和度的變化，圖9對比了同一塊巖樣，一種注入溶液礦化度3500mg／L（含粘穩(wěn)劑），另一種注入地層水礦化度3500mg／L（不含粘穩(wěn)劑）時油水相對滲透率隨含水飽和度的變化。

圖8 注粘穩(wěn)劑條件下不同巖性油水相對滲透率曲線

圖9 注入液不同條件下油水相對滲透率曲線

根據(jù)實驗可以得出結論，①對于巖性不同孔隙度滲透率接近的砂巖、砂礫巖，隨著含水飽和度的增加，均具有油相相對滲透率下降較快，在低含水時水相相對滲透率上升稍快，含水飽和度達到一定程度后，水相相對滲透率上升緩慢的特點。但是砂礫巖巖樣水相相對滲透率上升速度比砂巖巖樣快，在同樣條件下，砂礫巖表現(xiàn)出比砂巖更容易水淹的特點。②注入地層水巖樣與注入粘穩(wěn)劑溶液巖樣比較，注入粘穩(wěn)劑后油水兩相跨度增大，無水期和最終采收率明顯增大，最終驅油效率比注入地層水高。這主要是由于加入粘穩(wěn)劑后改善了黏土顆粒遇水膨脹堵塞孔隙的狀況，從而改變了注入地層水使孔隙結構變差造成油水共滲范圍減小的情況。

5 結 論

（1）注粘穩(wěn)劑過程中儲層電性參數(shù)的變化規(guī)律：①粘穩(wěn)劑具有和離子一樣的導電特性；②在注入粘穩(wěn)劑條件下，隨著含水飽和度的增加，砂巖與砂礫巖巖石電阻率均呈單調(diào)下降趨勢，對于孔隙度、滲透率相近的砂巖與砂礫巖巖樣，原始狀態(tài)（水驅開始）或殘余油狀態(tài)（水驅結束）時，砂礫巖巖樣電阻率比砂巖巖樣電阻率高；③當注入水電阻率小于原始地層水電阻率時，儲層的混合液電阻率隨著含水飽和度的增加而減小，但在不同階段表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律；④Archie參數(shù)m、n均隨著地層水電阻率的增大而減小，膠結指數(shù)m受巖性影響大，砂礫巖m值大于砂巖m值，而飽和度指數(shù)n則受巖性影響小。

（2）粘穩(wěn)劑導致巖石電阻率減小，使擴散吸附電位隨著含水飽和度的增大而減小。

（3）注入水礦化度的變化對核磁共振T2譜分布影響不大；當溶液含粘穩(wěn)劑時，由于粘穩(wěn)劑有效防止了黏土膨脹，使黏土顆粒表面積減小，黏土表面吸附的束縛水減少。

（4）當溶液含粘穩(wěn)劑時，不同巖性、孔隙度滲透率相近的情況下，砂礫巖水相相對滲透率上升速度比砂巖快，砂礫巖表現(xiàn)出比砂巖更容易水淹的特點；注入地層水巖樣與注入粘穩(wěn)劑溶液巖樣比較，注入粘穩(wěn)劑后能提高最終驅油效率。

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