巖石顆粒非均質(zhì)性對水驅(qū)開發(fā)效果的影響

董利飛，何建華，金 崯

(中國石化江漢油田分公司，湖北 武漢 430223)

0 引 言

儲層微觀非均質(zhì)性是儲層內(nèi)微觀孔喉大小、分布以及連通情況等的綜合表現(xiàn)，是影響儲層油、水滲流特征以及微觀驅(qū)替效率的重要因素，對水驅(qū)后控制微觀殘余油的形成及分布有著決定性的作用[1-3]，是挖潛殘余油的主要研究方向[4]，也是影響油氣藏開發(fā)特征與最終采收率的關(guān)鍵因素之一[5-11]。因此，實際開發(fā)過程中對儲層微觀非均質(zhì)性的研究十分重要。目前，研究儲層微觀非均質(zhì)性主要通過壓汞、鑄體薄片等分析化驗手段，以分選系數(shù)、微觀均質(zhì)系數(shù)以及孔喉比等參數(shù)來統(tǒng)計分析和定量描述[12-15]，也有基于分形幾何理論以分形維數(shù)來評價[16-21]。這些研究均直接與孔喉本身關(guān)聯(lián)，很少從巖石骨架顆粒的角度分析。而實際上，巖石顆粒的大小及分布(顆粒非均質(zhì)性)直接影響著儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，對其研究十分必要。另外，前人研究儲層微觀非均質(zhì)性對開發(fā)效果的影響大多基于壓汞實驗本身來討論，以計算得到微觀非均質(zhì)性參數(shù)(分選系數(shù)等)和表征開發(fā)效果參數(shù)(如退汞效率)的相關(guān)關(guān)系來分析，實驗方法單一，且缺乏與現(xiàn)場實際生產(chǎn)的結(jié)合。

以老新油田新溝嘴組低滲油藏儲層為例，從巖石骨架顆粒的角度描述儲層非均質(zhì)性，基于薄片資料提出巖石顆粒非均質(zhì)性的表征參數(shù)，并與壓汞資料對比分析，明確巖石顆粒非均質(zhì)性與儲層孔喉非均質(zhì)性的對應(yīng)關(guān)系。再根據(jù)可視化顆粒非均質(zhì)模型水驅(qū)油實驗，直觀地分析巖石顆粒非均質(zhì)性對驅(qū)油效率的影響。最后，結(jié)合壓汞特征參數(shù)和實際生產(chǎn)，評價不同巖石顆粒非均質(zhì)性與水驅(qū)開發(fā)效果的關(guān)系，為油田開發(fā)調(diào)整提供參考和方向。

1 油田概況

老新油田位于潛江凹陷南部老新鼻狀隆起構(gòu)造帶上，主要含油氣層系為古近系新溝嘴組下段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ油層組，平均埋深為2 550 m。發(fā)育三角洲前緣和濱淺湖沉積體系，巖性以灰色、灰紫色泥巖夾泥膏巖、細砂質(zhì)粉砂巖為主，粒度中值為0.010～0.140 mm，平均為0.064 mm，分選性中等[21]。儲層巖石類型主要為長石質(zhì)石英砂巖，其內(nèi)膠結(jié)作用強，膠結(jié)物含量為14.1%～19.1%，平均為15.5%(表1)，常見碳酸鹽巖以及斑塊狀分布的硬石膏。雜基含量平均為5.0%，主要為泥質(zhì)雜基，其次為長石石英質(zhì)雜基。

表1 老新油田新溝嘴組膠結(jié)物百分含量

老新油田新溝嘴組平均孔隙度為12.3%，平均滲透率為19.9×10-3μm2，是典型的低孔、低滲油藏。油田主力生產(chǎn)區(qū)為老一區(qū)和老二區(qū)，目前油藏整體采出程度為18.15%，平均含水率高達83.8%，總體開發(fā)效果較差。

2 儲層巖石顆粒非均質(zhì)性

2.1 巖石顆粒非均質(zhì)系數(shù)

儲層巖石顆粒大小及排列方式的差異形成不同的孔喉結(jié)構(gòu)，導致了儲層的微觀非均質(zhì)性。沉積過程中，較大粒度的顆粒先沉積，顆粒骨架內(nèi)形成較大的孔隙空間，而后較小粒度的顆粒沉積時，會充填于原有較大孔隙內(nèi)，形成大顆粒包裹小顆粒的形式。受沉積環(huán)境差異的影響，沉積過程中小顆粒不可能完全均勻地充填，容易形成局部大孔隙被充填而部分未被充填的情況，即產(chǎn)生非均質(zhì)性。因此，儲層微觀的非均質(zhì)性是普遍存在的，且主要受控于顆粒的非均勻填充。

巖石顆粒大小和分布的非均勻程度一般可通過薄片觀察分析得到，通常以分選定性描述，沒有相關(guān)定量參數(shù)來表征，對后續(xù)的統(tǒng)計分析造成一定的不便。為更充分地利用薄片資料的信息，定量化地提出“顆粒非均質(zhì)系數(shù)”這一參數(shù)，表達式如下：

(1)

式中：α為顆粒非均質(zhì)系數(shù)；Dmax、Dmin分別為薄片粒度中的最大、最小粒度值。

由式(1)可知，顆粒非均質(zhì)系數(shù)值越小，粒度最大值和最小值之間差異也越小，顆粒越均勻，儲層非均質(zhì)程度越低；反之，顆粒非均質(zhì)系數(shù)值越接近1，儲層非均質(zhì)性越強。

2.2 顆粒非均質(zhì)系數(shù)和孔喉微觀非均質(zhì)性關(guān)系

通常，以壓汞實驗計算得到的特征參數(shù)(如孔喉分選系數(shù)、相對分選系數(shù)等)來表征儲層微觀孔喉非均質(zhì)性。其中，相對分選系數(shù)反映了孔喉分布的均勻程度或者孔喉變異系數(shù)，其值越小，孔喉分布越均勻，孔喉的微觀非均質(zhì)程度越低。因此，結(jié)合薄片和壓汞資料分析顆粒非均質(zhì)系數(shù)和孔喉非均質(zhì)性的關(guān)系。

選擇老新油田新溝嘴組一口生產(chǎn)井的新下Ⅲ油組的6組樣品進行薄片分析和壓汞測試，求取相應(yīng)的顆粒非均質(zhì)系數(shù)和相對分選系數(shù)(表2)，分析顆粒非均質(zhì)系數(shù)與其孔喉相對分選系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

表2 老新油田新溝嘴組薄片和壓汞測試結(jié)果

由表2可知，顆粒非均質(zhì)系數(shù)和孔喉相對分選系數(shù)具有很好的一致性，顆粒非均質(zhì)系數(shù)高，對應(yīng)的孔喉相對分選系數(shù)也高，說明薄片分析得到的顆粒非均質(zhì)性可以較好地反映儲層微觀孔喉非均質(zhì)性。

3 儲層巖石顆粒非均質(zhì)性對水驅(qū)開發(fā)效果的影響

3.1 可視化巖石顆粒非均質(zhì)模型水驅(qū)室內(nèi)實驗

為直觀反映儲層巖石顆粒非均質(zhì)性對水驅(qū)開發(fā)效果的影響，研制具有一定顆粒非均質(zhì)系數(shù)的可視化物理模型。模型長和寬分別為30 cm和8 cm(圖1)，頂面選用可觀察的石英透明玻璃板，底面為不銹鋼鋼板，兩者以螺栓固定，內(nèi)部為0.5 cm厚度的砂粒充填空間。根據(jù)微觀非均質(zhì)性儲層顆粒分布特點，在孔隙空間內(nèi)填充2種不同目數(shù)的玻璃微珠。先以30目大粒徑微珠均勻鋪展形成基質(zhì)骨架，再將100目小玻璃微珠隨機填充其中，形成大顆粒包圍成群小顆粒(低滲部位)的可視化顆粒非均質(zhì)模型[6]。計算可得該模型的顆粒非均質(zhì)系數(shù)為0.750。

圖1 可視化顆粒非均質(zhì)填砂模型

將研制好的可視化非均質(zhì)填砂模型試壓、試漏后，按照行業(yè)標準開展水驅(qū)油實驗，從模型左側(cè)注入、右側(cè)采出。實驗過程中，通過固定在模型上方的高精度攝像機實時錄像視窗內(nèi)油水變化情況，待含水率達到98%以后結(jié)束實驗，選取不同時刻的錄像結(jié)果進行圖像處理分析。

實驗?zāi)M注水開發(fā)及殘余油的形成過程，驅(qū)替速度為5.0 m/d，注入水礦化度為6 400 mg/L，實驗用油為模擬油，地面黏度7.14 mPa·s，實驗溫度為30 ℃，實驗結(jié)果見圖2。

由圖2可知，水驅(qū)過程中存在指進現(xiàn)象，注入水易沿模型邊緣的高滲區(qū)域(大粒徑巖石顆粒骨架形成的孔喉空間)突進，形成相應(yīng)的水竄通道；隨著注水量的增加，模型中高滲區(qū)域內(nèi)的原油絕大部分被驅(qū)替，而在局部低滲部位(小粒徑巖石顆粒骨架形成的孔喉空間)以及低滲部位之間存留大量的殘余油。研究結(jié)果說明，局部小粒徑巖石顆粒骨架形成的低滲部位驅(qū)油效率較低，這種顆粒非均質(zhì)性降低了整體水驅(qū)開發(fā)效果。同時，顆粒非均質(zhì)性也決定著殘余油的分布，小粒徑巖石顆粒骨架內(nèi)的空間是殘余油的主要富集區(qū)域。另外，在小顆粒群及其中間區(qū)域也會殘存部分原油，后期改善開發(fā)效果可以針對這些部位進行重點挖潛。

3.2 儲層巖石顆粒非均質(zhì)性與壓汞實驗參數(shù)的關(guān)系

退汞效率反映了非潤濕相毛細管效應(yīng)采收率，相當于潤濕相對非潤濕相的排驅(qū)效率，水濕油層中可以表征水驅(qū)油的驅(qū)油效率。根據(jù)前述薄片和壓汞資料，顆粒非均質(zhì)系數(shù)與退汞效率的對應(yīng)關(guān)系見表3。

圖2 水驅(qū)后殘余油的形成及分布特征

表3 顆粒非均質(zhì)系數(shù)、退汞效率及平均孔喉半徑的關(guān)系

由表3可知，顆粒非均質(zhì)系數(shù)與退汞效率有很好的負相關(guān)性，顆粒非均質(zhì)系數(shù)大，其對應(yīng)的退汞效率低，即儲層巖石顆粒的非均質(zhì)程度越高，水驅(qū)油效果越差。這主要是因為顆粒非均質(zhì)程度越高，顆粒大小差異越大，小顆粒充填于大顆?？紫犊臻g越密實，形成的孔喉越小，越不利于注水開發(fā)，驅(qū)替效果越差。

3.3 儲層巖石顆粒非均質(zhì)性對油井初期產(chǎn)能的影響

影響油井產(chǎn)能的因素很多，包括地質(zhì)、開發(fā)、工藝等方面，而顆粒的非均質(zhì)性是影響產(chǎn)能的地質(zhì)因素之一。為盡量排除開發(fā)、工藝等對產(chǎn)能的影響，以油井未投入開發(fā)時初期(或試油)日產(chǎn)油表征其初期產(chǎn)能，以投產(chǎn)前工藝措施相近的油井為統(tǒng)計分析對象，選擇老新油田新溝嘴組符合條件的6口井，分析投產(chǎn)初期(試油)日產(chǎn)油量，并統(tǒng)計對應(yīng)投產(chǎn)井段的22塊樣品薄片資料，計算其顆粒非均質(zhì)系數(shù)，研究顆粒非均質(zhì)性對油井初期產(chǎn)能的影響(表4)。

從表4可知：顆粒非均質(zhì)系數(shù)影響油井初期日產(chǎn)油量，顆粒非均質(zhì)性越強，油井初期產(chǎn)能越低；當顆粒非均質(zhì)系數(shù)高于一定數(shù)值后，油井初期日產(chǎn)油明顯降低。在所選的統(tǒng)計樣本中，顆粒非均質(zhì)系數(shù)超過0.600，對應(yīng)油井初期產(chǎn)能較低。

表4 老新油田新溝嘴組顆粒非均質(zhì)性及初期產(chǎn)能

4 結(jié) 論

(1) 巖石顆粒非均質(zhì)系數(shù)通過薄片分析得到，用來定量表征巖石骨架顆粒的非均質(zhì)性。其與微觀孔喉非均質(zhì)程度具有很好的正相關(guān)性，可以反映儲層微觀孔喉非均質(zhì)性。

(2) 巖石顆粒非均質(zhì)系數(shù)與平均孔喉半徑、退汞效率呈負相關(guān)性。巖石顆粒非均質(zhì)性越強，顆粒粒徑差異越大，平均孔喉半徑越小，退汞效率越低。水驅(qū)油過程中，原油易在小粒徑巖石顆粒骨架形成的孔隙空間內(nèi)殘留，降低整體的驅(qū)油效率。后期改善開發(fā)效果主要方向是挖潛小粒徑顆粒骨架內(nèi)(低滲部位)的殘余油。

(3) 影響油井產(chǎn)能因素眾多，顆粒非均質(zhì)性是其中之一。以投產(chǎn)初期措施相近的油井初期日產(chǎn)油(或試油)來分析，可以減小開發(fā)、工藝等因素干擾。在所選樣本中，當顆粒非均質(zhì)系數(shù)高于0.600時，油井初期產(chǎn)能較低。

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