熱水對超低滲儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)的影響

孫 琳 ，王 兵，蒲萬芬，斯 榮，辛 軍

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都610500

2.中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院采油采氣所，河南 鄭州450006

3.中國石油川慶鉆探公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都610051

引 言

滲透率小于1.0 mD 的超低滲儲集層在鄂爾多斯盆地廣泛分布[1-3]，與已規(guī)模開發(fā)的低滲、特低滲油藏相比，它具有巖性更致密、物性更差、天然裂縫發(fā)育[4-8]等特征，開發(fā)難度更為突出。

熱水驅(qū)是一種重要的提高采收率技術(shù)，由于其攜帶的熱量能夠有效降低原油黏度，因此常在稠油油藏使用[9-11]。超低滲儲集層油品性質(zhì)較好，熱水驅(qū)在降低原油黏度上的空間不大，但其仍能通過產(chǎn)生熱膨脹、降低界面張力、改善微觀孔喉結(jié)構(gòu)以及相對滲透率等作用發(fā)揮明顯的驅(qū)油優(yōu)勢[12-15]。介于超低滲儲集層孔喉細小，其結(jié)構(gòu)的微小變化均會對儲集層的滲流能力產(chǎn)生顯著影響[16-17]，因此本文將毛管壓力法與掃描電鏡法相結(jié)合，對超低滲儲集層經(jīng)40～180°C熱水作用后的微觀孔喉結(jié)構(gòu)變化展開研究，以進一步深化熱水驅(qū)機理，并為超低滲儲集層的經(jīng)濟、有效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 熱水對超低滲儲集層孔喉特征的影響

1.1 實驗流程

考慮到需對同一巖芯在經(jīng)不同溫度熱水作用后的毛管力曲線進行測定，且目的巖芯滲透率超低，因此參照石油行業(yè)標準SY/T-5346—2005“巖石毛管壓力曲線的測定”，采用離心機法進行實驗。

（1）將洗油后天然巖芯（氣測滲透率0.834 mD，孔隙度9.8%，巖礦組成見表1）抽真空、飽和地層水（礦化度11.3×104mg/L），并放入盛有地層水的鋼瓶，置于40°C烘箱中；

表1 天然巖芯巖礦組成表Tab.1 Composition of natural core

（2）在熱水中作用3 d 后取出巖芯，擦凈表面水分，并將其裝入L5-50P 高速離心機（美國貝克曼儀器公司生產(chǎn)）準備進行氣驅(qū)水實驗；

（3）令離心機由低速向高速運轉(zhuǎn)，在各恒定轉(zhuǎn)速下記錄氣驅(qū)水體積，當離心機達到最高轉(zhuǎn)速后，即完成一次測試；

（4）從離心機中取出巖芯，再次抽真空、飽和地層水，并放入盛水鋼瓶置于60～180°C烘箱中（烘箱溫度由低到高），重復（2）、（3）。

1.2 實驗結(jié)果及分析

圖1 為同一巖芯經(jīng)40～180°C熱水作用后的毛管力曲線。由于巖芯滲透率超低，氣相在離心力作用下進入巖芯的阻力明顯，因此曲線中間段斜率較大，且最小濕相飽和度較高。然而，隨著熱水溫度提高，曲線中間段逐漸平緩，并向左下方偏移，最小濕相飽和度不斷減小，同一濕相飽和度對應(yīng)的毛管力不斷降低。但當熱水溫度達到120°C以后，各溫度下的曲線幾乎重合，繼續(xù)升溫對毛管力影響不大。由于毛管力測試均在常溫于相同條件下進行，因此根據(jù)毛管力公式（pc= 2σcos/r）[18]可知，其改變皆因熱水對孔喉半徑的影響引起。結(jié)合圖1 可計算得到巖芯經(jīng)不同溫度熱水作用后的孔喉大小及分布特征（圖2）。

圖1 不同溫度熱水對毛管力曲線的影響Fig.1 The effect of hot water at different temperature on capillary curve

圖2 不同溫度熱水對孔喉分布頻率的影響Fig.2 The effect of hot water at different temperature on pore distribution frequency

如圖2 所示，巖芯孔隙喉道細小，大部分孔喉半徑都小于0.03μm。隨熱水溫度升高，巖芯孔喉分布發(fā)生顯著變化：半徑小于0.03μm 的孔喉數(shù)量明顯減小，半徑在0.03～0.81μm 的孔喉數(shù)量呈增大趨勢，半徑在1.16～1.81μm 的孔喉數(shù)量稍有下降，且三者均在溫度達到120°C后趨于穩(wěn)定；而半徑大于3.22μm 的孔喉數(shù)量在溫度達到80°C后不斷增加。由于低滲巖芯的滲透率基本由大孔徑的孔喉貢獻，因此半徑大于3.22 μm 孔喉數(shù)量的增加必然有利于增強超低滲儲集層的滲流能力。熱水對巖芯孔喉尺寸存在兩方面的影響：（1）巖石顆粒在熱水的高溫作用下不斷發(fā)生膨脹，令孔喉尺寸逐漸減?。唬?）黏土礦物在熱水的高溫作用下不斷失水，令孔喉尺寸逐漸增大。兩種相反的作用均隨溫度的升高而加強，但巖石的線膨脹系數(shù)較?。ㄒ话銥?0-5°C-1）[19]，而礦物中各種水分子的體積與巖芯孔隙體積相比不可忽略[20]，因此，后者的作用主導巖芯孔喉尺寸的改變。

對半徑在0.03～3.22 μm 的孔喉分布情況單獨進行分析，得到圖3。從圖3 可以看到，當熱水溫度在40～80°C時，孔喉分布頻率曲線呈現(xiàn)明顯的雙峰特點，峰值半徑分別為0.29μm 和1.16μm。當熱水溫度升高到90°C以后，由于更多原始半徑小于0.03μm 的孔喉發(fā)生尺寸增長，因此0.20μm 處的峰值頻率不斷增大，直到120°C時達到穩(wěn)定；而更多原始半徑在0.03～0.81μm 孔喉的尺寸增長，又使得0.81μm 處的頻率增大，1.16μm 處的頻率相應(yīng)減小，因此孔喉分布頻率曲線轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)單峰特點?？梢?，熱水溫度升高可令巖芯孔喉的分選性變好。

將毛管力曲線的中間段延長至含水100%，可計算得到氣相開始進入巖芯的閥壓，并進而獲得巖芯的最大連通孔喉半徑。經(jīng)不同溫度熱水作用后的巖芯最大連通孔喉半徑如圖4 所示。由該圖可知，隨熱水溫度升高，巖芯的最大連通孔喉半徑不斷增大：當溫度從40°C增大到180°C時，最大連通孔喉半徑從3.31μm 增加到3.97μm；同時，在60～120°C，最大連通孔喉半徑的增大趨勢最為明顯，平均每升溫10°C，最大連通孔喉半徑增大2.7%。這一結(jié)果再次證明，熱水驅(qū)溫度的提高有利于微觀孔隙結(jié)構(gòu)的改善。

圖3 不同溫度熱水對孔喉分布頻率曲線特征的影響Fig.3 The effect of hot water at different temperature on characteristic of pore distribution frequency

圖4 不同溫度熱水對最大連通喉道半徑的影響Fig.4 The effect of hot water at different temperature on the maximum connected pore throat radius

2 熱水對超低滲儲集層微觀孔喉形貌的影響

2.1 實驗準備

（1）從洗油后天然巖芯上敲取長約1 cm，表面平整的巖芯塊；（2）將巖芯塊黏到載物鐵片上，并用導電膠帶標記每次進行電鏡掃描的定位點；（3）利用掃描電子顯微鏡在巖芯塊定位點附近進行初始狀態(tài)掃描，獲得初始狀態(tài)下的巖芯微觀孔喉形貌；（4）掃描結(jié)束后，將載有巖芯塊的載物片放入盛有自來水的鋼瓶中，并置于一定溫度烘箱內(nèi)；（5）在熱水中作用3 d 后取出載物片，并在相同溫度下對巖芯塊進行烘干處理；（6）利用掃描電子顯微鏡對烘干的巖芯塊再次進行定點掃描，即獲得該溫度下的巖芯微觀孔喉形貌；（7）重復步驟（4）～（6），對更高溫度熱水處理后的巖芯進行電鏡掃描。

2.2 實驗結(jié)果及分析

通過測定不同溫度熱水作用后的巖芯微觀形貌發(fā)現(xiàn)，熱水對微觀孔喉結(jié)構(gòu)的改變主要表現(xiàn)在孔喉尺寸變化以及微粒運移兩方面。

2.3 孔喉尺寸變化

圖5 展示了巖芯經(jīng)不同溫度熱水作用后，同一孔喉的尺寸變化情況。圖中黃色區(qū)域內(nèi)的孔喉相對較小，經(jīng)不同溫度熱水浸泡后，其尺寸幾乎沒有發(fā)生改變。圖中紅色區(qū)域內(nèi)孔喉相對較大，當熱水升溫到100°C時，其變化不明顯，但當熱水溫度達到180°C時，其明顯變小，形狀也由三角狀變?yōu)閺澠瑺?。巖石顆粒受熱會向孔喉內(nèi)部膨脹，對于較小孔喉，顆粒接觸點間相互擠壓，阻止了膨脹的進行，因此升溫不會對其產(chǎn)生明顯影響；而對于較大孔喉，顆粒間有足夠的膨脹空間，因此升溫會令其尺寸減小。然而如前文所述，熱水溫度升高的同時，巖芯礦物中的吸附水、層間水會不斷脫出，其對孔喉尺寸的影響強于顆粒膨脹的影響，因此在圖中綠色區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)，對于進一步增大的孔喉，當溫度達到180°C時，其尺寸大幅提高。

圖5 熱水引起的孔喉大小改變Fig.5 The change of pore throat size caused by hot water

2.4 微粒運移

圖6 展示了巖芯經(jīng)不同溫度熱水浸泡后，同一孔喉內(nèi)的微粒運移情況。從圖6a～圖6c 的黃色區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，當熱水溫度不超過100°C時，孔喉空間被一微粒分隔成兩部分，但當溫度達到180°C后，該微粒消失，整個孔喉空間形成一整體。而圖6d～圖6f 黃色區(qū)域內(nèi)的情況則恰好相反。巖芯與熱水接觸后，其中一些膠結(jié)疏松的顆粒和黏土礦物會在水的浮力下處于懸浮狀態(tài)；升溫后，水分子熱運動加劇，會帶動懸浮微粒發(fā)生運移，并在烘干后呈現(xiàn)出位置的變化。熱水驅(qū)過程中，熱水的流動會增加微粒運移的幾率，若其運移到狹窄喉道處，則可能產(chǎn)生滯留，令喉道堵塞，增大滲流阻力。超低滲油藏巖石顆粒膠結(jié)程度較高，一般不易脫落，但黏土礦物的膨脹運移不可輕視，因此在熱水驅(qū)過程中需要注意黏土的防膨處理。

圖6 熱水引起的微粒運移Fig.6 The particle migration caused by hot water

3 結(jié) 論

（1）熱水可降低超低滲儲集層的毛管力，熱水溫度升高，毛管力曲線向左下方偏移，同時最小濕相飽和度減小，且熱水達到120°C之前，上述效應(yīng)更為顯著。

（2）熱水可改善超低滲儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)，熱水溫度升高，小孔喉數(shù)量減少，中等孔喉及大孔喉數(shù)量增多，最大連通孔喉半徑增大，同時孔喉分選性增強。

（3）掃描電鏡結(jié)果顯示，熱水通過改變孔喉尺寸以及令微粒運移，使巖石的微觀孔喉形貌產(chǎn)生明顯變化。

致 謝：本文研究受到特色重點學科建設(shè)項目資助青年教師科學基金項目資助，在此表示感謝。

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