基于二維譜技術(shù)的低礦化度水驅(qū)孔隙動用規(guī)律*

陳文濱 姜漢橋 李俊鍵 常元昊 喬 巖 蔣 珊

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程國家重點實驗室 北京 102249； 2.中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗研究中心 北京 100083)

低礦化度水驅(qū)作為三次采油技術(shù)，與聚合物驅(qū)、二元復(fù)合驅(qū)等相比具有分子量小、注入壓力低、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)勢[1]，國外大量礦場試驗也證實低礦化度水驅(qū)能夠提高砂巖油藏采收率[2]。Tang等[3]系統(tǒng)闡述了低礦化度水提高采收率的基本原理，之后Lager等[4]和Yousef等[5]進(jìn)一步揭示了低礦化度水與黏土礦物之間的離子反應(yīng)、改變巖石潤濕性等方面的提高采收率機(jī)理。目前，國內(nèi)大多數(shù)油田已進(jìn)入挖潛階段，針對不同分布狀態(tài)的剩余油進(jìn)行有效挖潛是需要廣泛探索的重要課題[6-9]。從油藏和地質(zhì)角度來講，剩余油分布狀態(tài)常從微觀孔隙尺度進(jìn)行研究和描述[10-12]，但目前低礦化度水驅(qū)研究主要集中在油田化學(xué)領(lǐng)域，而在孔隙尺度上研究較少，技術(shù)缺乏是重要原因之一。本文引入最新的核磁共振二維譜(D-T2)技術(shù)，以鄂爾多斯盆地太原組砂巖巖心樣品為例，定量研究了針對含黏土礦物砂巖儲層進(jìn)行低礦化度水驅(qū)的提高采收率效果和孔隙動用規(guī)律，為此類油藏應(yīng)用低礦化度水驅(qū)技術(shù)提供借鑒。

1 核磁共振表征孔隙結(jié)構(gòu)基本原理

H原子核磁矩由章動狀態(tài)恢復(fù)至熱平衡狀態(tài)的時間為弛豫時間(T2)，H原子的弛豫時間是核磁共振譜研究的主要參數(shù)。在低場均勻磁場中測量時，流體橫向弛豫時間表達(dá)式為

(1)

根據(jù)上述原理，國內(nèi)外學(xué)者針對如何從核磁共振T2譜出發(fā)表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的統(tǒng)計研究，主要有兩種方法：偽毛管力方法和三孔隙度組分含量法。偽毛管力方法即通過建立弛豫時間與孔喉半徑的轉(zhuǎn)換關(guān)系式進(jìn)行點對點轉(zhuǎn)化，求取偽毛管力曲線，常用的關(guān)系式有Yakov等推導(dǎo)的線性關(guān)系式[14]以及王學(xué)武 等、李艷 等改進(jìn)的冪函數(shù)關(guān)系式[15-16]；三孔隙度組分含量法即計算不同孔隙范圍內(nèi)的孔隙度組分含量，利用區(qū)間積分值評價孔隙系統(tǒng)[17-18]，通常取橫向弛豫時間1～10 ms(小孔隙)、10～100 ms(中孔隙)、100～1 000 ms(大孔隙)將T2譜劃分為3種孔隙類型。在此基礎(chǔ)上，王振華 等通過實驗證實三孔隙度組分含量法與常規(guī)壓汞及鑄體薄片分析數(shù)據(jù)具有較好的一致性[19]，說明了劃分區(qū)間的科學(xué)性。

2 核磁共振二維譜測試技術(shù)

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，使用一維核磁共振(T2譜)表征孔隙分布時，只能通過單相流體的弛豫時間分析孔隙結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)油水兩相共存時，必須屏蔽其中一相的核磁信號[20]。常用方法有添加MnCl2屏蔽水相信號或使用氟油(氟氯碳油，不含氫)屏蔽油相信號，由于前者會對巖心造成污染，后者缺乏原油的必要物質(zhì)，二者均無法應(yīng)用于低礦化度水驅(qū)的研究。

最新的核磁共振二維譜技術(shù)為實現(xiàn)低礦化度水驅(qū)的研究提供了可能，該技術(shù)能同時得到包含流體弛豫時間T2和擴(kuò)散系數(shù)D的二維圖譜(D-T2譜，圖1)[21]。在常溫下，自由水理想擴(kuò)散系數(shù)約為2.5×10-5cm2/s，而油的成分復(fù)雜，其擴(kuò)散系數(shù)分布范圍在10-7～10-5cm2/s之間，因此油水兩相可以根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)的差異進(jìn)行分離[22]，進(jìn)而積分得到單相流體的T2譜。同時，將核磁共振D-T2譜信號值進(jìn)行面積分計算(式2)，可以定量描述油水在不同大小孔隙中的分布。

圖1 D -T2二維譜解釋圖[21]Fig.1 Interpretation map of D -T2 two-dimensional spectrum[21]

(2)

式(2)中：k為液體從信號值到體積的換算系數(shù)，根據(jù)油、水的體積標(biāo)定得出，mL/單位信號值。

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗材料

1) 地層水。

根據(jù)現(xiàn)場地層水取樣，對其進(jìn)行離子分析，地層水中包括Mg2+和Ca2+等離子，礦化度達(dá)到23 420 mg/L，具體離子組成見表1。

表1 地層水離子組成Table 1 Ion constituent of formation water

2) 低礦化度水。

通過梯度濃度的低礦化度水驅(qū)發(fā)現(xiàn)，其礦化度存在最優(yōu)值，即礦化度為1 462 mg/L時預(yù)實驗巖心提高采收率達(dá)到最大值，實驗用低礦化度水離子組成見表2。

表2 實驗用低礦化度水離子組成Table 2 Ion constituent of low salinity water for the experimet

3) 油樣。

實驗原油呈酸性，密度0.836 g/cm3，油藏溫度77 ℃時黏度約23 mPa·s，對實驗原油進(jìn)行四組分分離測試，其結(jié)果為：飽和組分含量71.51%，芳香組分含量21.35%，膠質(zhì)含量6.25%，瀝青質(zhì)含量0.89%。

4) 巖心。

對鄂爾多斯盆地太原組26塊樣品進(jìn)行了X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)其黏土礦物總量在2.2%～5.7%，且以伊利石和高嶺石為主，其中伊利石含量為75.3%(包括雜基成因和自生成因)，高嶺石平均含量為22.4%，除此之外存在極少量的伊/蒙混層，其中蒙脫石含量平均僅為12.0%。對3塊巖心進(jìn)行了低礦化度水驅(qū)提高采收率對比實驗，其中I、II號巖心為礦物組成相近的現(xiàn)場巖心，為弱水濕；III號巖心為根據(jù)前者礦物組成剔除黏土礦物后的人工配比巖心，用作對比實驗(表3)。

表3 鄂爾多斯盆地太原組樣品礦物成分含量Table 3 The mineral composition of the cores from Taiyuan Formation in the Ordos basin %

3.2 實驗步驟

采取以下步驟進(jìn)行實驗:①油水二維譜標(biāo)定；②巖心飽和地層水；③飽和原油，老化1周；④恒溫箱模擬油藏溫度77 ℃，以0.02 mL/min的速度進(jìn)行驅(qū)替，第1階段地層水驅(qū)替1 PV，第2階段低礦化度水驅(qū)替至2.25 PV；⑤在飽和油、1 PV、2.25 PV時掃描巖心二維譜,并進(jìn)行巖心潤濕角測量。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 提高采收率效果分析

如圖2所示，對比分析3組實驗的采收率曲線。第1階段經(jīng)地層水驅(qū)后，不含黏土礦物的III號巖心采出程度最高(為42.0%)，黏土礦物含量最高的I號巖心采出程度最低(僅為32.1%)，說明黏土礦物的存在使得巖心物性變差，原油采收率相對較低。同時，不含黏土礦物的III號巖心采收率上升最快，其油相采出主要集中在前期(0～0.5 PV)，水相突破后采油量急劇減少；而含黏土礦物的巖心在中后期(0.5～1 PV)仍有一定比例的油相被驅(qū)出，這說明黏土礦物在一定程度上會延緩水驅(qū)巖心的出油速度，同時也使儲層具有更高的提高采收率潛力。

轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)后，黏土礦物含量最高的I號巖心采收率提高最多(達(dá)6.9個百分點)，II號巖心采收率提高4.4個百分點，而III號巖心采收率提高僅為1.5個百分點。由此可見，對于含有黏土礦物的儲層，低礦化度水驅(qū)技術(shù)效果更加明顯。

圖2 巖心采收率對比Fig.2 Comparison of cores’oil recovery

4.2 D-T2二維譜分析

圖3為各階段巖心油、水分布的D-T2譜，可以看出，含有黏土礦物的巖心(巖心I和巖心II)流體信號在弛豫時間軸上分布范圍更大，而不含黏土礦物的巖心(巖心III)孔隙中油水分布相對集中，說明前者孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，油水分布的孔隙直徑差異更大。

分析巖心I和巖心II的二維譜可以看出，I號巖心小孔隙水相主要集中在擴(kuò)散譜(縱軸D譜)下部，II號巖心集中于D譜上部，這是由于I號巖心含有更多的黏土礦物，使得小孔隙孔滲性變差[23]，限制水相信號擴(kuò)散的程度更強(qiáng)所致；在巖心I和巖心II轉(zhuǎn)注低礦化度水后，自由水信號擴(kuò)散系數(shù)變小，說明其擴(kuò)散性有減弱的趨勢，這是水相潤濕性增強(qiáng)的表現(xiàn)[24]。

對巖心I三個狀態(tài)的潤濕角進(jìn)行測量(圖4)，飽和油時巖心I表現(xiàn)為弱水濕，潤濕角為83.303°，經(jīng)地層水驅(qū)替沖刷后水濕性略有增加，潤濕角減小了2.154°；而低礦化度水使得巖心I水濕性出現(xiàn)較大增強(qiáng)，潤濕角減小7.681°，增幅是地層水驅(qū)增幅的3.6倍，由此可見，低礦化度水使巖心I水濕性增強(qiáng)的速度高于地層水。

同時，對比低礦化度水驅(qū)前后3塊巖心油相的變化不難發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)注低礦化度水后，巖心I和巖心II被驅(qū)出的油相主要來自于較小的含油孔隙當(dāng)中，說明低礦化度水較地層水更易進(jìn)入小孔隙，這是其挖潛含黏土礦物儲層的重要原因，而水相潤濕性的增強(qiáng)是造成這一現(xiàn)象的主要機(jī)理[25]。而III號巖心在低礦化度水驅(qū)后的油相信號向左偏移，說明低礦化度水進(jìn)入了較大的含油孔隙中進(jìn)一步驅(qū)替原油。 據(jù)此分析，III號巖心的主流通道為較小的含油孔隙，輔助滲流孔道為較大含油孔隙，由于主流孔道經(jīng)過長時間沖刷，提高采收率潛力有限，而注入的低礦化度水進(jìn)一步剝離了較大含油孔隙中的原油。

圖3 各階段巖心D -T2二維譜Fig.3 D -T2 two-dimensional spectrum at different stages of three cores

圖4 巖心I潤濕角測量圖Fig.4 Wetting angle at different stages of core I

4.3 孔隙動用規(guī)律分析

根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)分離油水相信號后，進(jìn)而可以提取水相T2譜，研究孔隙動用規(guī)律[26-27]，發(fā)現(xiàn)含黏土礦物與不含黏土礦物的巖心孔隙分布具有明顯差異(圖5)。其中，含黏土礦物的巖心孔隙更加復(fù)雜，大孔隙(弛豫時間為100～1 000 ms)、中孔隙(弛豫時間為10～100 ms)以及小孔隙(弛豫時間為1～10 ms)均有發(fā)育，而不含黏土礦物巖心主要發(fā)育大孔隙(弛豫時間為100～1 000 ms)和中孔隙(弛豫時間為10～100 ms)，即黏土礦物的存在會使儲層的孔隙系統(tǒng)非均質(zhì)性增強(qiáng)。

圖5 3塊巖心的核磁共振T2譜Fig.5 NMR T2 spectrum at different stages of three cores

在第1階段地層水驅(qū)后，3塊巖心不同孔隙含水量均有明顯增加，但比較含黏土礦物的巖心I和巖心II的小孔隙可以發(fā)現(xiàn)，II號巖心中進(jìn)入的地層水較I號巖心更多，說明II號巖心小孔隙的基礎(chǔ)孔滲性好于I號巖心，這與D-T2二維譜中表現(xiàn)出的II號巖心小孔隙水相具有更大的擴(kuò)散系數(shù)相吻合。

第2階段轉(zhuǎn)注低礦化度水驅(qū)后，I、II號巖心小孔隙中剩余油動用量占總增油量的比值分別為64.1%、47.6%。圖6為巖心I、 II各階段小孔隙進(jìn)水量統(tǒng)計情況，可以看出：I號巖心的小孔隙進(jìn)水量增加0.98個百分點孔隙度分量；II號巖心大、中、小孔隙的貢獻(xiàn)較為均勻，其小孔隙剩余油驅(qū)出體量較I號巖心少，II號巖心的小孔隙進(jìn)水量增加0.55個百分點孔隙度分量。而III號巖心增油主要來自于大孔隙剩余油，這是由于主流通道為中孔道并形成了優(yōu)勢通道，所以中孔道剩余油貢獻(xiàn)較少。

圖6 巖心I和巖心II各階段小孔隙進(jìn)水量統(tǒng)計分析Fig.6 Water volume in small pores at different stages of core I and core II

以上分析可以看出，含黏土礦物儲層經(jīng)地層水驅(qū)后，小孔隙中含有較多的剩余油，而使用低礦化度水驅(qū)時，低礦化度水能夠進(jìn)入這些小孔隙中進(jìn)一步驅(qū)替或置換原油，這是其提高含黏土礦物儲層采收率的重要原因，所以低礦化度水驅(qū)技術(shù)適用于小孔隙中剩余油較多的含黏土礦物儲層，能夠進(jìn)一步提高其原油采收率。

5 結(jié)論

1) 核磁共振二維譜技術(shù)能夠在擴(kuò)散系數(shù)維度上識別多相流體，適合于低礦化度水驅(qū)的相關(guān)研究，能夠獲得更多的流體分布信息。

2) 低礦化度水驅(qū)技術(shù)對含黏土礦物的砂巖巖心具有較好的提高采收率效果，黏土礦物含量越高，效果越明顯，因此黏土礦物的存在是低礦化度水驅(qū)提高砂巖儲層采收率的重要前提。

3) 低礦化度水驅(qū)后，含黏土礦物巖心小孔隙中的含水量出現(xiàn)了較大增幅。對于小孔隙中分布較多剩余油的含黏土礦物砂巖儲層，應(yīng)用低礦化度水驅(qū)技術(shù)能夠取得較好的提高采收率效果。

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