低滲透油藏超前注水壓敏效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

石　爻， 秦海麗， 鄭　焱， 謝曉慶， 曾　楊

(1.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100028； 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京　100028)

0　引言

低滲透油田天然能量不足，僅依靠天然能量開(kāi)采導(dǎo)致地層壓力下降過(guò)快，對(duì)儲(chǔ)層物性損害較為嚴(yán)重，且通過(guò)后期注水提高地層壓力也無(wú)法使儲(chǔ)層物性恢復(fù)到初始水平.超前注水開(kāi)發(fā)方式在提高地層壓力的同時(shí)降低了對(duì)儲(chǔ)層物性的損害，是低滲透油田提高采收率的有效開(kāi)發(fā)方式[1-6].為研究超前注水孔隙內(nèi)流體壓力變化對(duì)低滲透儲(chǔ)層滲透率及微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化的影響，本文開(kāi)展了低滲透巖心壓敏室內(nèi)實(shí)驗(yàn).

1　滲透率變化

1.1　實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

按照實(shí)際地層滲透率級(jí)別將巖心滲透率按不同范圍分成以下4個(gè)區(qū)間[7-10]：區(qū)間Ⅰ滲透率范圍K≥10×10-3μm2；區(qū)間Ⅱ滲透率范圍是5×10-3μm2≤K<10×10-3μm2；區(qū)間Ⅲ滲透率范圍2.5×10-3μm2≤K<5×10-3μm2；區(qū)間Ⅳ的滲透率范圍K<2.5×10-3μm2.

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：恒溫箱、驅(qū)油泵、中間容器、micro-CT、其他輔助設(shè)備.

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃，圍壓19 MPa.

天然巖心：外形直徑為2.5 cm的天然巖心.本實(shí)驗(yàn)采用大慶朝陽(yáng)溝油田天然巖心，取心井共計(jì)5口，測(cè)試巖心樣品36塊.

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

巖心實(shí)驗(yàn)步驟：①天然巖心制備、抽提洗油.②氮?dú)鉁y(cè)定巖心滲透率.③將巖心放置在50 ℃恒溫箱內(nèi)保持12 h.④在恒定圍壓下，逐步增加(降低)巖心流體(氮?dú)?孔隙流動(dòng)壓力，測(cè)量不同孔隙流體壓力穩(wěn)定條件下的滲透率.

1.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圍壓不變條件下，改變孔隙流體壓力，研究超前注水對(duì)滲透率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1所示.從巖心1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)巖心滲透率較低(K=0.46×10-3μm2)時(shí)，隨著地層孔隙流體壓力的上升，巖心滲透率由0.46×10-3μm2增加為0.49×10-3μm2，增加比例為7.12%；從巖心4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)巖心滲透率相對(duì)較高(K=14.56×10-3μm2)時(shí)，隨著凈應(yīng)力的降低，巖心滲透率由14.56×10-3μm2增加為15.04×10-3μm2，增加比例為3.26%，說(shuō)明隨著凈應(yīng)力的降低，巖石滲透率只有小幅度增加，并且滲透率隨壓力上升增加的幅度逐漸減小.這是由于圍壓一定的條件下，孔隙流體壓力增加只減少了巖石骨架自身承受的凈應(yīng)力，而巖石骨架可壓縮的空間很小，所以孔隙滲透率變化不大[8,9].

表1　滲透率應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)分析

在圍壓不變條件下，改變孔隙流體壓力，研究常規(guī)開(kāi)采對(duì)滲透率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2所示.從巖心5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)滲透率較低(K=0.48×10-3μm2)時(shí)，隨著凈應(yīng)力的增加，巖心滲透率由0.48×10-3μm2降低為0.37×10-3μm2，降低比例高達(dá)22.38%；從巖心8實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)滲透率相對(duì)較高(K=15.3×10-3μm2)時(shí)，隨著凈應(yīng)力的增加，巖心滲透率由15.30×10-3μm2降低為13.00×10-3μm2，降低比例為15.05%，說(shuō)明巖石滲透率隨著凈應(yīng)力的增加而降低，并且低滲透的巖心滲透率降低的百分?jǐn)?shù)較高，說(shuō)明巖心滲透率越低，隨著凈應(yīng)力的增加受到的損害會(huì)越嚴(yán)重.當(dāng)流體壓力下降到一定程度后，滲透率下降幅度隨著滲透率的降低逐漸減小，這是因?yàn)闈B透率較低的巖心可壓縮空間較小，滲透率隨孔隙流體壓力下降而降低的絕對(duì)值較小，但由于低滲透巖心原始滲透率很小，所以滲透率損害百分?jǐn)?shù)仍然較高[9].

表2　滲透率應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)巖心6和巖心8進(jìn)行了壓力恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示，巖心6的滲透率從1.97×10-3μm2恢復(fù)到2.08×10-3μm2，巖心8的滲透率從13×10-3μm2恢復(fù)到13.2×10-3μm2，遠(yuǎn)小于由于孔隙流體壓力下降帶來(lái)的滲透率損失.結(jié)果表明，低滲透油藏由于地層壓力下降而導(dǎo)致滲透率大幅降低后，很難通過(guò)注水增大地層壓力的方式將巖心滲透率恢復(fù)到初始水平.而超前注水可以使低滲透油田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中保持較高的地層壓力，減小了由地層壓力下降造成的滲透率損害.

圖1　巖心6滲透率與凈應(yīng)力關(guān)系圖

2　孔隙度、孔喉半徑和配位數(shù)變化

2.1CT結(jié)構(gòu)掃描方法研究孔隙結(jié)構(gòu)變化

對(duì)進(jìn)行壓力敏感實(shí)驗(yàn)的巖心進(jìn)行CT結(jié)構(gòu)掃描[11,12]，研究隨著孔隙內(nèi)流體壓力上升時(shí)，巖心結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，孔隙結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見(jiàn)表3所示.從巖心1結(jié)果可以看出，隨著地層孔隙流體壓力的增加，巖心孔隙度變化不大，當(dāng)孔隙流體壓力從8.04 MPa增加到16.05 MPa，壓力上升了8.01 MPa，但是孔隙度只增加了0.02個(gè)百分點(diǎn)，巖心的喉道半徑變化同樣不大，只是增加了0.002μm，平均配位數(shù)增加了0.06.同樣對(duì)于滲透率大于2.5×10-3μm2的巖心，升壓過(guò)程中，孔隙度、平均喉道半徑、平均配位數(shù)均變化不大.

孔隙流體壓力/MPa巖心1(K=0．46×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)巖心2(K=4．46×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)巖心3(K=8．02×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)巖心4(K=14．56×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)8．0415．21．642．1316．41．622．6115．251．792．6316．51．792．7310．0915．211．642．1616．411．632．6315．251．792．6416．511．792．7511．9415．211．642．1716．431．642．6715．251．792．6516．511．792．7614．0815．221．6412．1816．451．642．6815．261．7622．6716．511．7622．7716．0515．221．6422．1916．451．642．6915．261．7622．6716．511．7622．78

對(duì)上述進(jìn)行降低孔隙流體壓力的巖心進(jìn)行CT結(jié)構(gòu)掃描，研究隨著孔隙內(nèi)流體壓力下降時(shí)，巖心結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)表4所示.從巖心5的掃描結(jié)果可以看出，巖心孔隙度隨著地層孔隙流體壓力從8.04 MPa降低到2.09 MPa，壓力下降了5.95 MPa，孔隙度降低了0.31個(gè)百分點(diǎn)；巖心的平均喉道半徑降低了0.33μm,平均配位數(shù)降低了0.25，降壓過(guò)程各項(xiàng)參數(shù)變化明顯高于升壓過(guò)程.對(duì)滲透率大于2.5×10-3μm2的巖心，巖心孔隙結(jié)構(gòu)變化與之類(lèi)似.

表4　巖心孔喉參數(shù)和孔隙流體壓力關(guān)系(降壓)

隨著孔隙流體壓力增加，巖心孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化不大，隨著孔隙流體壓力下降，巖心孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)降低幅度較為明顯，即壓力下降對(duì)巖心孔隙參數(shù)影響高于壓力上升對(duì)巖心孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響.

2.2　壓汞法研究孔隙結(jié)構(gòu)變化

為研究超前注水條件下孔隙結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)進(jìn)行模擬地層孔隙壓力變化實(shí)驗(yàn)的巖心在達(dá)到最終壓力后進(jìn)行了壓汞實(shí)驗(yàn)[13-15].

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Autopore IV9510全自動(dòng)壓汞儀.

實(shí)驗(yàn)步驟：①把已清洗烘干的巖樣放入巖樣室的空腔內(nèi)，上緊壓蓋；②控制水銀面在下部窗口比下標(biāo)線(xiàn)稍低的位置上，將系統(tǒng)抽真空；③進(jìn)泵，使水銀面恰至下標(biāo)線(xiàn)，此時(shí)刻度尺上的讀值為零；④進(jìn)泵，使水銀面升至上窗口的上標(biāo)線(xiàn)，若此時(shí)刻度尺的讀值為V，已知巖心室體積VE，則巖樣外部體積Vf=VE-V；⑤關(guān)閉真空系統(tǒng)，引入高壓氣源.設(shè)與某一壓力平衡的毛管力為pc，在平衡pc的壓力下水銀被壓入巖樣的孔隙內(nèi)，水銀面將降至上標(biāo)線(xiàn)以下.進(jìn)泵使水銀面復(fù)原至上標(biāo)線(xiàn)，從刻度尺上便可讀出壓入巖樣中的水銀體積VHg；⑥根據(jù)巖樣的孔隙度Φ和巖樣的外表體積Vf，算出以下巖樣中的水銀飽和度SHg=VHg/ΦVf；⑦根據(jù)不斷進(jìn)泵得到的pc和SHg，繪出壓汞毛管力曲線(xiàn).

對(duì)滲透率級(jí)別為2.5×10-3μm2的天然巖心進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)，模擬超前注水地層孔隙流體壓力上升高于地層原始?jí)毫?、等于地層壓力、低于地層原始?jí)毫θ齻€(gè)條件下的孔隙分布.對(duì)比巖心9和巖心10的壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3和圖4所示，在孔隙流體壓力高于地層壓力條件下，孔隙半徑分布變化不大，對(duì)于喉道半徑為0.015μm的比例從4.6%增加到5.0%，增加了0.4個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明有這個(gè)喉道半徑級(jí)別的喉道被打開(kāi)了，其他較小的喉道半徑的比例也略有上升，相應(yīng)連通的孔隙通道增加了，同CT掃描實(shí)驗(yàn)隨孔隙流體壓力上升，孔隙度略有增加的規(guī)律一致.

圖3　巖心9喉道半徑分布圖(0.1 MPa)

圖4　巖心10喉道半徑分布圖(16.05 MPa)

巖心6是在低于地層原始?jí)毫l件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最低孔隙流體壓力為2.09 MPa，從圖5可以看出，由于圍壓的作用，當(dāng)孔隙流體壓力低于地層原始?jí)毫r(shí)，喉道半徑較小的喉道被關(guān)閉，與其連通的孔隙變?yōu)樗荔w積，這與CT掃描結(jié)果顯示的隨著孔隙流體壓力下降，孔隙度下降的規(guī)律一致，同時(shí)隨著孔隙的連通性變差，也減小了水驅(qū)的波及效率，進(jìn)而影響最終采收率.

圖5　巖心6喉道半徑分布圖(2.09 MPa)

對(duì)滲透率級(jí)別大于2.5×10-3μm2的天然巖心進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明孔隙結(jié)構(gòu)具有相同變化規(guī)律.當(dāng)?shù)貙訅毫Ω哂谠嫉貙訅毫r(shí)，地層孔隙分布在保持原始狀態(tài)基礎(chǔ)上，孔隙中一部分小孔道被打開(kāi)，總體滲透率略有上升，但不明顯.但是當(dāng)?shù)貙訅毫Φ陀谠級(jí)毫r(shí)，地層孔隙中很大一部分小孔喉被關(guān)閉，相應(yīng)受其連通控制的小孔隙不能被水波及到，從而影響最終采出程度，也就是說(shuō)欠壓條件下開(kāi)采對(duì)地層造成的傷害會(huì)明顯影響水驅(qū)最終采收率，而超前注水方式的應(yīng)用將會(huì)使這種傷害降到最低，從而保證較高的水驅(qū)采出程度[16-18].

3　結(jié)論

(1)孔隙內(nèi)流體升壓過(guò)程，各級(jí)別巖心滲透率略有上升，但變化幅度不大，平均滲透率增幅僅為5%左右；孔隙內(nèi)流體降壓過(guò)程，巖心滲透率下降幅度較大，滲透率降幅為15%至20%左右，且隨著巖心滲透率的降低傷害程度加重；恢復(fù)壓力后，滲透率恢復(fù)程度很小.

(2)孔隙度對(duì)應(yīng)力變化不敏感；孔喉半徑和配位數(shù)在升壓過(guò)程增加幅度很小，在降壓過(guò)程中隨著巖心滲透率的降低，下降幅度明顯增大.

(3)低滲透油藏地層壓力大幅度下降后，滲透率及孔隙結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p害，通過(guò)增加孔隙流體壓力，即減小巖石骨架承受的凈應(yīng)力來(lái)試圖恢復(fù)儲(chǔ)層物性的目的不能實(shí)現(xiàn).可通過(guò)超前注水的開(kāi)發(fā)方式保持地層壓力，降低儲(chǔ)層損害.

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