鎮(zhèn)北油田長8段儲(chǔ)集層孔隙類型與水驅(qū)油滲流特征

惠 威，劉一倉 ，王聯(lián)國，侯長冰 ，任大忠

（1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，西安 710049；2.中國石油 長慶油田分公司 第十一采油廠，西安 710018；3.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069）

在油田開發(fā)過程中，水驅(qū)油滲流規(guī)律是各大油田關(guān)注的核心問題之一，超低滲儲(chǔ)集層開發(fā)存在注入水沿高滲帶、微裂縫竄流，導(dǎo)致采油井產(chǎn)能快速遞減等問題，分析儲(chǔ)集層微觀孔隙類型對水驅(qū)油滲流特征的影響對于提高油田采收率有重要意義[1-4]。本文應(yīng)用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞及真實(shí)砂巖微觀水驅(qū)油等多項(xiàng)測試方法，對鎮(zhèn)北油田鎮(zhèn)287區(qū)長8油藏儲(chǔ)集層砂體的巖石學(xué)特征和孔隙特征進(jìn)行分析，通過真實(shí)砂巖微觀水驅(qū)油模型實(shí)驗(yàn)對油水滲流規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了大量室內(nèi)分析，探討水驅(qū)油效率影響因素，以期為油田開發(fā)提高采收率提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鎮(zhèn)北油田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部（圖1），長8段沉積期具有氣候干旱、盆地基底平緩和水體微咸特征，物源主要為研究區(qū)西南方向的秦嶺—賀蘭山—六盤山造山帶，具有近物源快速堆積和水體能量較高的三角洲沉積特征，沉積微相主要為分流河道、水下分流河道及沙壩等，根據(jù)沉積旋回可進(jìn)一步劃分為長81層和長82層，分別為次一級湖進(jìn)—湖退旋回[5]。研究區(qū)長8油藏2011年規(guī)模建產(chǎn)，主要開發(fā)層系為長81層，油藏含油面積12.75 km2，動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量618.77×104t，平均砂層厚度15.91 m，平均滲透率為1.29 mD，平均孔隙度為11.22%，屬于中孔超低滲儲(chǔ)集層[6]。

圖1 鎮(zhèn)北油田構(gòu)造位置

2 儲(chǔ)集層巖石學(xué)特征及孔隙特征

2.1 巖石學(xué)特征

通過大量的物性分析、薄片鑒定、掃描電鏡等測試，研究區(qū)長8段儲(chǔ)集層巖石類型主要為灰黑色、灰褐色及灰綠色砂巖，以中、細(xì)粒長石石英砂巖為主，石英平均含量為38.6%，以單晶石英為主，少見燧石；長石平均含量為27.5%，主要為堿性長石和斜長石；巖屑平均含量為21.5%，主要以噴發(fā)巖和變質(zhì)巖為主，凝灰?guī)r和云母含量較少，碎屑總量平均為87.2%，總體上反映出長8段碎屑巖成分成熟度較低的特點(diǎn)。

研究區(qū)儲(chǔ)集層填隙物平均含量為12.42%，主要由碳酸鹽膠結(jié)物、黏土礦物及硅質(zhì)組成。受早期強(qiáng)烈的碳酸鹽膠結(jié)作用影響，儲(chǔ)集層中碳酸鹽礦物含量較高，其中鐵方解石平均含量為7.6%，這是造成該區(qū)孔滲低的原因之一；高嶺石和綠泥石平均含量為3.7%，在酸性介質(zhì)條件下，鋁硅酸鹽溶蝕產(chǎn)生次生礦物高嶺石，使孔隙空間有所增加；垂直于孔隙邊緣及顆粒表面的環(huán)邊綠泥石能增加顆粒壓力強(qiáng)度、抑制碳酸鹽礦物膠結(jié)作用，對儲(chǔ)集層滲透率具建設(shè)性作用，但同時(shí)具有堵塞微細(xì)喉道、降低儲(chǔ)集層滲透率的破壞性作用；硅質(zhì)主要是以自生石英和石英次生加大為主，主要充填孔隙，致使孔隙度進(jìn)一步降低。

2.2 孔隙特征

研究區(qū)長8段儲(chǔ)集層平均面孔率為4.4%，主要孔隙類型為粒間孔（2.8%），碎屑顆粒之間的孔隙被填隙物充填，殘留部分粒間孔，對儲(chǔ)集層孔隙度貢獻(xiàn)最大；其次為骨架顆粒溶孔，主要包括長石溶孔（1.1%）和巖屑溶孔（0.2%）；同時(shí)含有少量微裂縫（0.3%），微裂縫主要是受應(yīng)力作用的結(jié)果，在低滲儲(chǔ)集層中對儲(chǔ)集層的滲流能力有顯著貢獻(xiàn)[7-8]。

（1）殘余粒間孔 為研究區(qū)最發(fā)育孔隙類型，經(jīng)過壓溶、壓實(shí)的破壞性作用，碎屑顆粒緊密排列，顆粒的接觸形式由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)-線接觸及線接觸，顆粒在壓力作用下部分呈定向排列，壓溶作用使石英次生加大邊發(fā)育，部分顆粒呈縫合線狀接觸，原生儲(chǔ)集空間減少（圖2a，圖2b）。掃描電鏡結(jié)果顯示高嶺石及綠泥石呈薄膜狀包裹碎屑顆粒，同時(shí)具有建設(shè)性及破壞性雙重作用。

圖2 鎮(zhèn)北油田鎮(zhèn)287區(qū)長8段儲(chǔ)集層孔隙特征

（2）溶蝕孔 強(qiáng)烈的成巖作用使碎屑巖中易溶組分被酸性液體溶蝕形成大量次生孔隙，包括長石溶孔及巖屑溶孔，填隙物以綠泥石為主，呈薄膜狀包裹，多為早成巖時(shí)期淺埋藏條件下大氣淡水淋濾的結(jié)果（圖2c，圖2d）。研究區(qū)部分顆粒溶蝕作用較強(qiáng)，部分則少見溶蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致儲(chǔ)集層非均質(zhì)性增強(qiáng)。

（3）微孔+裂縫 研究區(qū)長8段儲(chǔ)集層在部分井中發(fā)育高角度裂縫，面孔率為0.1%～0.5%（圖2e，圖2f）。裂縫的發(fā)育增強(qiáng)了儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性。

3 滲流實(shí)驗(yàn)簡介

砂巖微觀水驅(qū)油模型是利用微觀砂巖薄片模型進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，模擬礦場注水開發(fā)過程。該實(shí)驗(yàn)巖樣可反映研究區(qū)儲(chǔ)集層物性、含油性和巖石學(xué)特征，包括礦物成分和填隙物組成，及儲(chǔ)集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)和滲流特征，使得模擬過程及結(jié)果更加趨近于真實(shí)；同時(shí)通過室內(nèi)顯微鏡及圖像采集系統(tǒng)完整記錄流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)及賦存特征，為多相滲流理論研究提供實(shí)驗(yàn)支撐[9-10]。

此次實(shí)驗(yàn)共制作10塊巖心樣品，實(shí)驗(yàn)巖心制作過程應(yīng)用切片、洗油、烘干、磨片、膠結(jié)等工藝先后處理，成為薄片后再添加有機(jī)玻璃膠合，樣品安全承載壓力小于0.35 MPa，實(shí)驗(yàn)最高溫度為75℃.實(shí)驗(yàn)用油是根據(jù)鎮(zhèn)北地區(qū)原油性質(zhì)匹配的模擬油，加入油溶紅使其呈紅色，黏度約為2.24 mPa·s.實(shí)驗(yàn)首先配置與研究區(qū)地層水及注入水性質(zhì)和成分相近的模擬水，同時(shí)加入甲基藍(lán)使其呈藍(lán)色；對樣品飽和水后，進(jìn)行油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)至束縛水飽和度，此過程是模擬油相進(jìn)入儲(chǔ)集層的過程，觀察驅(qū)替特征、統(tǒng)計(jì)原始含油飽和度；第二步為模擬注水開發(fā)過程，對樣品進(jìn)行水驅(qū)油，至殘余油飽和度，觀察巖樣驅(qū)替過程中油水兩相滲流特征及其相互影響，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并為礦場注水開發(fā)提供可靠依據(jù)。

4 不同孔隙類型水驅(qū)油滲流特征

4.1 殘余粒間孔水驅(qū)油滲流特征

該類孔隙在水驅(qū)油過程中主要以均勻、網(wǎng)狀驅(qū)替為主（圖3a，圖3b）。由于殘余粒間孔儲(chǔ)集層相對較均質(zhì)，孔隙多為相互連通的有效孔隙，儲(chǔ)集層分選系數(shù)小、物性較好，平均孔隙度11.9%，平均滲透率1.13 mD.在水驅(qū)油無水期驅(qū)替過程中，流體克服較小毛細(xì)管壓力就可進(jìn)入側(cè)向孔隙，在巖樣中并排形成多條滲流通道，相互交織呈網(wǎng)狀分布，密集覆蓋整個(gè)樣品寬度范圍。水驅(qū)前緣以均勻速度近平行向前推進(jìn)，驅(qū)替范圍內(nèi)殘余油飽和度較低，以薄膜狀殘余油膜或盲孔中殘余油為主。末端見水后注入水仍可進(jìn)入周圍孔隙進(jìn)行驅(qū)替，驅(qū)替網(wǎng)格面積逐步擴(kuò)大，反映在巖樣中為視域內(nèi)紅色油相逐步減少、藍(lán)色水相占據(jù)全部視野。此類孔隙類型樣品均質(zhì)性較強(qiáng)，驅(qū)替過程中少見竄流、繞流現(xiàn)象，水驅(qū)油效率為3類孔隙類型中最高，平均驅(qū)油效率36.6%（表1）。

圖3 鎮(zhèn)北油田鎮(zhèn)287區(qū)長8段儲(chǔ)集層水驅(qū)油鏡下顯微特征

表1 鎮(zhèn)北油田鎮(zhèn)287區(qū)長8段儲(chǔ)集層殘余粒間孔樣品水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 溶蝕孔水驅(qū)油滲流特征

以溶蝕孔為主要滲流通道的樣品，平均孔隙度10.9%，平均滲透率0.93 mD，在水驅(qū)油過程中主要以指狀驅(qū)替為主（圖3c，圖3d）。巖樣在水驅(qū)油的過程中，低壓無水期就形成明顯主流通道，側(cè)向擴(kuò)展較為有限，注入水在單一通道中進(jìn)行驅(qū)替，這是由于在水驅(qū)油過程中，巖心樣品的親水性使得毛細(xì)管壓力與注入驅(qū)動(dòng)力形成共同作用，注入水沿著阻力比較小的水淹孔隙進(jìn)行流動(dòng)，驅(qū)油效率的提高主要依靠水洗作用；隨著注入速度的成倍增加，在未被水淹的孔隙中，由于油相黏度較高，驅(qū)替黏滯阻力較大，反映在驅(qū)替過程中的表現(xiàn)為，驅(qū)替面積雖然有所增加，加壓后水相主要還是沿著原驅(qū)替通道前進(jìn)，向周圍擴(kuò)散范圍很小，形成大片殘余油區(qū)域，由于繞流現(xiàn)象的存在，殘余油多成簇狀。以溶蝕孔為主要滲流通道的樣品驅(qū)油面積中等，平均驅(qū)油效率34.1%（表2）。

表2 鎮(zhèn)北油田鎮(zhèn)287區(qū)長8段儲(chǔ)集層溶蝕孔樣品水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.3 微孔+裂縫水驅(qū)油滲流特征

根據(jù)礦場動(dòng)態(tài)驗(yàn)證及監(jiān)測手段驗(yàn)證，研究區(qū)長8段儲(chǔ)集層裂縫發(fā)育。

儲(chǔ)集層中裂縫的發(fā)育程度對流體滲流能力有重要作用，一方面由于裂縫滲透率遠(yuǎn)大于周圍基質(zhì)孔隙滲透率，在油田注水開發(fā)過程中儲(chǔ)集層非均質(zhì)性增強(qiáng)，形成優(yōu)勢滲流通道，加快水驅(qū)前緣在某一方向的突進(jìn)，造成采油井水淹；另一方面微裂縫的存在可以增強(qiáng)儲(chǔ)集層吸水能力，提高水驅(qū)油效率。

該類孔隙類型樣品平均孔隙度8.8%，平均滲透率0.75 mD，在水驅(qū)油過程中主要以指狀驅(qū)替為主，無水期時(shí)注入水即在裂縫中驅(qū)替，出口見水后注入水可小范圍進(jìn)入周圍孔隙，但僅少量油被驅(qū)替出來，對提高驅(qū)油效率貢獻(xiàn)程度較小，殘余油類型以簇狀殘余油為主。裂縫型儲(chǔ)集層注入水驅(qū)替范圍的大小取決于裂縫滲透率與孔隙滲透率的相對大小，當(dāng)裂縫形態(tài)較寬且延伸較長、裂縫周圍基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)致密，此時(shí)裂縫滲透率遠(yuǎn)大于孔隙滲透率，水驅(qū)油僅發(fā)生在裂縫中，注入水基本不進(jìn)入裂縫周邊孔隙，大量殘余油在孔隙介質(zhì)中（圖3e）；當(dāng)裂縫周圍基質(zhì)物性較好，此時(shí)裂縫滲透率略大于孔隙滲透率，注入水首先突破裂縫的毛細(xì)管壓力在裂縫中滲流，在加大注入水壓力后，注入水沿著垂直裂縫的方向進(jìn)入周圍孔隙，但驅(qū)替范圍也僅限于裂縫周圍孔隙介質(zhì)，水驅(qū)油效率略有提高（圖3f）。

5 水驅(qū)油效率影響因素

水驅(qū)油效率受注入水的性質(zhì)、注入水壓力及原油性質(zhì)、儲(chǔ)集巖特征等多方面因素影響[11-12]。本文主要探討研究區(qū)儲(chǔ)集層物性及相同孔隙類型下儲(chǔ)集層非均質(zhì)性對水驅(qū)油效率的影響。

5.1 儲(chǔ)集層物性對水驅(qū)油效率的影響

孔隙度與滲透率是表征儲(chǔ)集層儲(chǔ)集及滲流能力的重要參數(shù)，也是影響水驅(qū)油效率的關(guān)鍵參數(shù)[13-14]。研究區(qū)長8段儲(chǔ)集層孔喉整體過于細(xì)小，物性較差，水驅(qū)油過程中指進(jìn)繞流頻發(fā)，由此造成水驅(qū)油效率較低[15-16]。

實(shí)驗(yàn)樣品孔隙度為8.8%～13.8%，平均為11.1%，滲透率為0.75～1.41 mD，平均為0.97 mD，從儲(chǔ)集層物性與水驅(qū)油效率相關(guān)性關(guān)系圖看出：孔隙度、滲透率均與水驅(qū)油效率呈正相關(guān)關(guān)系，但滲透率與水驅(qū)油效率相關(guān)系數(shù)為0.84，孔隙度與水驅(qū)油效率相關(guān)系數(shù)僅為0.51；不同孔隙類型與水驅(qū)油效率相關(guān)性具有明顯的分帶特征，孔隙類型與水驅(qū)油效率相關(guān)性大小依次為殘余粒間孔、溶蝕孔和微裂縫（圖4）。這表明儲(chǔ)集層孔隙類型及其對應(yīng)物性，特別是滲透率與水驅(qū)油效率關(guān)系密切，滲透率比孔隙度更能直觀地反映儲(chǔ)集層特征。在油田開發(fā)過程中，對物性較差區(qū)域?qū)嵤毫训却胧┮蕴岣邇?chǔ)集層滲透性，以提高油藏采出程度。

5.2 儲(chǔ)集層非均質(zhì)性對水驅(qū)油效率的影響

儲(chǔ)集層非均質(zhì)性在一定程度上影響最終水驅(qū)油效率，注水井與采油井之間的儲(chǔ)集層非均質(zhì)性，使注入水在平面上難以勻速驅(qū)替，在高滲帶、水驅(qū)優(yōu)勢通道上存在竄流現(xiàn)象，導(dǎo)致主應(yīng)力方向采油井含水率快速上升、遞減加大，影響油田采收率[17-18]。為分析研究區(qū)儲(chǔ)集層非均質(zhì)性對水驅(qū)油效率的影響，選擇鎮(zhèn)254井與鎮(zhèn)255井進(jìn)行對比分析，2口井孔隙度、滲透率基本接近，但鎮(zhèn)254井最終水驅(qū)油效率為36.1%，鎮(zhèn)255井僅為30.8%.

分析認(rèn)為儲(chǔ)集層非均質(zhì)性差異導(dǎo)致最終水驅(qū)油效率不同，鎮(zhèn)254井儲(chǔ)集層孔喉分選系數(shù)為1.68，鏡下觀察該井顆粒呈均勻分布狀，以細(xì)—中粒為主，滲流驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中在壓力恒定時(shí)，注入水網(wǎng)格擴(kuò)大范圍較大，加大壓力后，注入水進(jìn)入更小孔隙進(jìn)行驅(qū)替，最終提高水驅(qū)油效率（圖5a）；鎮(zhèn)255井儲(chǔ)集層孔喉分選系數(shù)為2.51，鏡下觀察該井巖石顆粒大小混雜，磨圓程度較低，儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，注入水沿著大孔喉快速滲流，無水期即形成穩(wěn)定的優(yōu)勢滲流通道，增加壓力后，注入水網(wǎng)格面積基本不變，繞流現(xiàn)象明顯，最終降低水驅(qū)油效率（圖5b）。

圖4 鎮(zhèn)北油田長8段儲(chǔ)集層物性參數(shù)與水驅(qū)油效率的關(guān)系

圖5 鎮(zhèn)北油田鎮(zhèn)287區(qū)長8段儲(chǔ)集層不同分選系數(shù)下水驅(qū)油顯微照片

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)儲(chǔ)集層以中、細(xì)粒長石石英砂巖為主，填隙物由黏土礦物、碳酸鹽膠結(jié)物及硅質(zhì)組成；儲(chǔ)集空間以殘余粒間孔、溶蝕孔和微裂縫為主，平均面孔率為4.4%.

（2）研究區(qū)3種孔隙類型對應(yīng)的不同的微觀滲流特征，殘余粒間孔以均勻-網(wǎng)狀驅(qū)替為主，溶蝕孔及微裂縫以指狀驅(qū)替為主，均勻驅(qū)替驅(qū)油效率最高，指狀驅(qū)替驅(qū)油效率最低。

（3）滲透率是影響研究區(qū)長8段儲(chǔ)集層水驅(qū)油效率的主要因素，相關(guān)系數(shù)為0.84，孔隙度次之，相關(guān)系數(shù)為0.51；在同類孔隙類型中儲(chǔ)集層非均質(zhì)性與水驅(qū)油效率成反比，是影響水驅(qū)油效率的又一重要因素。