礫巖儲集層聚合物驅油機理與控制因素實驗研究

王志遠，張烈輝，譚 龍，張朝良，唐洪明

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室西南石油大學，四川成都610500；2.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

礫巖油藏是最難開發(fā)的油藏之一，具有相變快、巖性變化快、孔隙結構復雜、非均質(zhì)性嚴重等特點[1]。新疆克拉瑪依油藏經(jīng)過50多年的注水開發(fā)，現(xiàn)已進入高含水階段，水驅開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)的難度越來越大，實施以聚合物為先導試驗的三次采油技術成為必然的趨勢。聚合物驅主要是通過提高驅替液的黏度、并通過滯留在孔隙中的聚合物來降低水相滲透率，從而改善油水流度比，進而擴大波及體積，達到提高采收率的目的[2-3]。聚合物驅油技術在中國已經(jīng)發(fā)展了近30年，但主要應用在砂巖油藏，在礫巖油藏的應用較少，尤其是新疆地區(qū)礫巖屬于山麓洪積扇，填隙物含量高，顆粒分選差，呈現(xiàn)出非均質(zhì)性嚴重、孔喉結構復雜、喉道半徑均質(zhì)小及孔喉比大等特點[4-5]。砂巖油藏的聚合驅油成果不能直接運用到礫巖油藏中，還需要進行專門的研究。

目前新疆七東1區(qū)礫巖油藏聚合物驅試驗取得了階段性成果，但是對礫巖油藏聚合物驅微觀驅油機理與控制因素還不清楚。針對礫巖油藏聚合物驅微觀驅油機理的研究，劉衛(wèi)東[6]利用壓汞法測量了不同滲透率巖心的孔喉直徑，建立了不同相對分子量聚合物與礫巖油藏孔隙結構的匹配關系；胡小東[7]利用核磁共振技術研究了礫巖油藏不同孔隙結構對聚合物驅后剩余油的影響，并且確定了剩余油的分布規(guī)律；馮慧潔等[8]利用微觀透明實驗技術模擬聚合物的驅油過程，揭示了聚合物驅后剩余油的分布特征；譚鋒奇等[9]采用CT掃描技術研究了聚合物驅微觀驅油機理，建立了礫巖油藏聚合物驅最終采收率計算模型。以上研究雖然取得了一定的進展，但對影響礫巖油藏聚合驅驅油效果的主要控制因素沒有進行系統(tǒng)研究。該文結合核磁共振等手段，全面分析了礫巖油藏孔隙原油的動用規(guī)律與控制因素，在此基礎上研究了孔隙度、滲透率、巖性、可動油飽和度與聚合物驅提高采收率幅度的關系。

1 儲集層特征

克拉瑪依七東1區(qū)克下組位于克拉瑪依油田第七斷塊區(qū)的東端，是典型的礫巖儲集層。儲集層是以正旋回沉積為主的粗碎屑巖，屬山麓洪積相和辮狀河流相沉積，儲集層巖性復雜，主要巖石類型為砂礫巖、含礫粗砂巖、不等粒小礫巖、細粒小礫巖等，其中細粒小礫巖占16%，含礫粗砂巖占40%，砂礫巖占24%，不等粒小礫巖占8%，礫質(zhì)砂巖等其它巖性占12%。礫巖儲集層沉積環(huán)境特殊，表現(xiàn)出多模態(tài)的孔隙結構特征，七東1區(qū)克下組儲集層單模態(tài)占13%、雙模態(tài)48%、復模態(tài)占39%。單模態(tài)巖心孔隙發(fā)育好，孔喉粗大，孔喉網(wǎng)絡狀連通，膠結物含量少，巖心孔喉分布均勻，孔喉以中粗喉道為主。雙模態(tài)巖心一級顆粒形成的孔隙半充填，孔喉發(fā)育好—中等，呈網(wǎng)絡狀分布或星點狀分布；復模態(tài)巖心孔喉發(fā)育較差，一般為零星散亂狀分布，滲流系統(tǒng)以“稀網(wǎng)狀”和“非網(wǎng)狀”形態(tài)為主[10-16]。儲層巖石膠結疏松，成分成熟度和結構成熟度均較差，平均孔隙度19.6%，有效滲透率395.1×10-3μm2，屬于中孔—中高滲儲集層。

2 實驗器材與方法

2.1 實驗器材

實驗裝置：主要包括恒速恒壓泵、壓力容器、巖心夾持器、核磁共振系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計量裝置等。核磁共振儀器為紐曼生產(chǎn)的MacroMR12，核磁共振主要參數(shù)如下：磁體類型，永磁體；磁場強度，0.3±0.05 T；儀器主頻率，12.8 MHz；探頭線圈直徑，150 mm；有效樣品檢測范圍，150 mm×100 mm。

實驗材料：重水、聚合物、模擬地層水等。巖心直徑約為3.8 cm，長度在5～7 cm；原油為七東1區(qū)克下組脫氣脫水原油，26 ℃下黏度為77 mPa·s，實驗時加煤油配制成模擬油，室溫下黏度為15.4 mPa·s。聚合物為北京恒聚油田化學試劑有限公司產(chǎn)品，平均相對分子質(zhì)量2.5×107的聚丙烯酰胺，用注入水或者重水配液，質(zhì)量濃度2 000 mg/L，室溫下黏度95 mPa·s。模擬水為重水配制的地層水，礦化度334.46 mg/L，水型為CaCl2型。微觀刻蝕模型（尺寸45 mm×15 mm，平面有效尺寸為25 mm×13 mm）；微觀刻蝕用模擬油（硅油與油溶黃染色劑，室溫下黏度10 mPa·s）。

實驗用巖心均為新疆油田七東1區(qū)天然巖心，長度在3.99～8.106 cm，巖心平均孔隙度17.07%，平均滲透率992.93×10-3μm2，平均含油飽和度64.66 %。巖心基本參數(shù)見表1。

實驗用微觀刻蝕模型借助光刻法復制礫巖巖心鑄體薄片的孔隙網(wǎng)絡，再經(jīng)制版、涂膠、光成像、化學刻蝕和燒結成型。

表1 實驗用巖心基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of experimental cores

2.2 天然巖心驅油實驗步驟及原理

2.2.1 實驗原理

核磁共振測試可以直接檢測巖石孔隙中的油水信號（氫原子信號），用重水來代替普通水，可以使水信號消失，而油的馳豫時間（T2時間）不變，進而區(qū)分出油水信號。圖1 為重水配制的驅替液（聚合物、地層水、注入水）與原油核磁信號對比，圖1 表明，重水配制的驅替液基本沒有信號，只有原油具有核磁共振信號，因此，本次實驗能有效區(qū)分原油與驅替液、地層水、注入水。

圖1 不同體系T2時間信號幅度對比Fig.1 Comparison of T2 time signal amplitude of different system

2.2.2 實驗步驟

1）巖心洗油、洗鹽處理，烘干巖心，測試巖心基礎物性參數(shù)。

2）抽空飽和模擬地層水，第1次測試T2譜；表征巖石初始孔喉分布特征。

3）再次洗鹽，并烘干巖心，抽空飽和重水；用核磁第2 次測試T2譜，確保巖心無任何信號，開始開展驅替實驗。

4）用模擬原油驅替重水，建立束縛水飽和度，第3次測試T2譜。

5）用重水配制的模擬地層水恒速（0.1 mL/min）驅替模型中的原油，直至含水率達98%，第4次測試T2譜。

6）再注入重水配制的聚合物段塞0.7PV，繼續(xù)重水驅至含水率達98%，第5次測試T2譜。

7）將巖心放入離心機中離心（離心力0.69 MPa），甩出其中的可動油，第6 次測試T2譜，與第3 次測量的T2譜進行對比，計算可動油飽和度。

2.3 微觀驅油實驗步驟

實驗步驟：①將微觀刻蝕模型抽真空12 h、飽和地層水48 h；②模擬油驅替地層水并穩(wěn)定48 h；③以固定壓差（0.015 MPa）水驅油至含水率達到100%為止，形成水驅殘余油；④以固定壓差注入聚合物溶液驅替剩余油，記錄驅替過程；⑤實驗結束，用石油醚清洗微觀模型。

3 實驗結果與討論

3.1 微觀驅替實驗結果討論

根據(jù)微觀模型驅油實驗，研究礫巖油藏聚合物驅微觀驅油機理。模型驅油效率66.52%，其中水驅油效率43.0%，聚合物驅提高驅油效率23.5%。模型水驅后形成大量孤島狀剩余油（圖2a中A區(qū)）和簇狀剩余油（圖2a中B區(qū)）；還有一部分以柱狀（圖2a中C區(qū)）和膜狀剩余油（圖2a 中D 區(qū)）存在于孔隙及喉道中。此外，還有較少部分存在死孔隙中，形成盲端剩余油（圖2a中E區(qū)）。同砂巖油藏相比，5類剩余油在模型中均存在，只是由于礫巖油藏小喉道包圍大孔的現(xiàn)象，簇狀剩余油和孤島狀剩余油所占的比例更大（圖2a）。

圖2 各類剩余油分布及含量變化情況Fig.2 Distribution and content change of various remaining oil

聚合物增加了驅替相流體在孔隙介質(zhì)的流動阻力，引起水相滲透率下降，提高微觀波及系數(shù)，使水驅后的簇狀剩余油、柱狀剩余油驅替出來。在聚合物驅油壓差不大于水驅油壓差的條件下，由于聚合物分子體相黏度大于注入水的黏度，并且聚合物在經(jīng)過彎曲孔隙和小喉道時，聚合物鏈會出現(xiàn)拉伸，大幅度提高驅替液的黏度[9]。當聚合物流經(jīng)孤島狀、膜狀殘余油表面時，聚合物作用在油相上的剪切應力遠大于注入水作用在油相上的剪切力，將孤島狀、膜狀殘余油拉扯成小油珠。由于礫巖孔隙結構更復雜，剪切作用更強，孤島狀殘余油更容易被拉扯成更小的油珠，更容易通過小喉道，被攜帶運移。

圖2b是聚合物驅后剩余油的分布情況。從圖中明顯可以看出簇狀殘余油大量減少，并有部分轉化為孤島狀剩余油。聚合物驅后，孤島狀剩余油占總剩余油的比例最大，占初始含油飽和度比例為20.83%（圖2c），要將這部分油采出，還需要注入二元體系（三元體系）進一步降低原油分子之間的內(nèi)聚力，進一步提高采收率。

3.2 巖心驅替實驗結果討論

3.2.1 驅油效率

對25 塊具有代表性巖心進行聚合物驅替實驗，水驅平均采收率47.94 %，最高為54.90 %，最低23.89 %。聚合物驅平均提高采收率13.10 %，最高19.07%，最低7.65%。最終采收率平均61.03%，最高72.93 %，最低46.00 %。無論是水驅還是聚合物驅，不同巖心采收率差別大，即使孔隙度和滲透率相近的兩塊巖心，由于孔隙結構的差別，聚合物驅提高采收率的幅度差別也很大。

3.2.2 剩余油微觀分布研究

應用核磁共振技術測試了25個巖樣不同驅替階段的T2譜，平均含油飽和度64.66%，水驅后平均含油飽和度32.20%。T2分布可以反映待測液體的大小特征[17]，當巖心中飽和普通地層水時，地層水充滿孔隙，此時的T2分布可以反映巖心的孔喉分布特征。圖3為其中1塊巖心的實驗結果，巖心烘干后飽和重水及原油后，飽和原油的T2分布與飽和水的T2分布在第2 個峰上基本重合，原油主要分布在大孔隙中。注入重水后，原油的信號幅度逐漸下降，峰值逐漸下降，并逐漸向左偏移，這表明大孔中的原油逐漸被采出。注入聚合物后，峰值繼續(xù)下降并向左偏移，并且7～43 ms 馳豫時間內(nèi)的信號幅度小幅度增加，由于聚合物溶液與原油的剪切應力大于油水的剪切應力，聚合物溶液作用于簇狀殘余油，將油滴“撕裂”為多個小油滴，并將部分油滴夾帶運移走，這與微觀驅替實驗展現(xiàn)的結果基本一致。實驗在不同驅替階段時，采出程度增加，剩余油減少，隨著1PV水驅、水驅結束、聚驅、后續(xù)水驅進行，核磁測量的總剩余油量在圖中是明顯減少。

圖3 巖心核磁共振測試不同驅替階段T2分布Fig.3 T2 distribution of core nuclear magnetic resonance at different displacement stages

3.3 聚合物驅油效率影響因素

3.3.1 物性對聚合物驅提高采出程度影響評價

圖4 物性參數(shù)與聚合物驅提高采收率幅度關系Fig.4 Relation between physical property parameters and EOR amplitude of polymer flooding

對不同物性的巖心與聚合物提高采出程度進行分析發(fā)現(xiàn)（圖4），聚合物驅提高采出程度與巖心物性（孔隙度、滲透率）存在明顯的非相關關系，這與傳統(tǒng)的砂巖油藏聚合物驅驅油規(guī)律相左。對砂巖油藏而言，孔隙度和滲透率是儲集層儲集能力與滲流能力的反映，在一定程度上能反映出油藏原油的采出能力。但礫巖油藏與砂巖油藏在微觀孔隙結構上相比，孔隙結構更為復雜，孔隙連通性差，喉道半徑小且少，且填隙物含量高，大量泥質(zhì)顆粒充填于粒間粒表，這更增加聚合物滲流的復雜程度，導致巖石的物性與聚合物提高采出率程度關系不明顯的現(xiàn)象。

3.3.2 巖性對聚合物驅提高采出程度影響評價

對不同巖性、不同驅替階段采出程度進行分析時，發(fā)現(xiàn)不等粒小礫巖水驅采收率最低，平均為48.52 %，而細粒小礫巖水驅采收率最高，平均為54.17%。含礫粗砂巖聚合物驅提高采出程度幅度最高，平均為14.52%。細粒小礫巖聚驅提高采收率幅度最低，平均為9.20%，但其最終采收率最高，平均為63.36%。含礫粗砂巖、砂礫巖聚合物驅提高采收率幅度由大到小次序為：含礫粗砂巖＞砂礫巖＞不等粒小礫巖＞細粒小礫巖（圖5）。水驅后，含礫粗砂巖和不等粒小礫巖剩余油含油飽和度較高，但不等粒小礫巖聚合物驅采收效率較低，這說明含礫粗砂巖儲層是聚合物驅潛力儲層。

圖5 巖性與采收率關系Fig.5 Relation between lithology and oil recovery

3.3.3 孔隙結構對聚合物驅提高采出程度影響

孔隙度、滲透率是籠統(tǒng)表征巖石物性的參數(shù)，關鍵的還是孔隙結構。圖6為11號巖心和13號巖心的鑄體薄片及核磁共振T2分布，11號巖心與13號巖心儲層礦物類型基本一致，粒間孔均發(fā)育，但11號巖心孔隙發(fā)育較差且泥質(zhì)含量高。11號巖心水驅油效率38.4%，13 號巖心水驅油效率38.8%，2 塊巖心水驅油效率基本一致。11 號巖心滲透率遠大于13 號巖心的滲透率，但13號巖孔隙分布跟均勻，孔隙發(fā)育更好，聚合物驅采收率比11號高出4.5%，這表明，孔隙結構是聚合物驅提高采收率的主控因素。

圖6 巖心鑄體薄片及飽和水后T2分布Fig.6 Core casting Slices and T2 distribution after saturated with water

可動油飽和度是指孔隙可以被動用的原油與孔隙體積的比值，它受到孔隙結構及連通性的影響，能反映出巖石孔隙結構的好壞。水驅后原油主要以孤島狀和簇狀剩余油為主，優(yōu)勢通道中已經(jīng)沒有剩余油存在，而聚合物溶液由于剪切稀釋性，在不同孔喉中表現(xiàn)出不同的黏度特性。在大喉道表現(xiàn)出高黏特性，在小喉道表現(xiàn)出低黏特性，從而將被小喉道控制的孤島及簇狀剩余油驅替出來。但對于孔喉結構特別差的巖石，由于毛管壓力極大，聚合物溶液無法波及到。因此，聚合物提高采收率程度與可動油飽和度表現(xiàn)出拋物線相關關系（圖7），可動油飽和度較低時，聚合物提高采收率程度較低，隨著可動油飽和度增加，聚合物提高采收率程度增加，可動油飽和度繼續(xù)增加，孔隙結構越來越好，水驅采收率越來越高，當殘留在孔隙中的原油大量減少，聚合物提高采收率的幅度表現(xiàn)出下降的趨勢。

圖7 可動油飽和度與聚合物驅提高采收率程度關系Fig.7 Relation between mobile oil saturation and oil recovery of polymer flooding

4 結論

1）礫巖油藏孔隙結構復雜，聚合物驅后孤島狀剩余油占比最大，后續(xù)可以通過降低油相與驅替液之間的界面張力來進一步提高采收率。

2）核磁共振實驗表明，對于礫巖儲集層，水驅主要驅替大孔中的原油。由于聚合物溶液作用于油滴上的剪切應力較大，促使大油滴被剪切為小油滴，并部分被聚合物溶液拖拽出孔隙。

3）聚合物提高礫巖油藏的采收率與巖心的孔隙度、滲透率的相關性不明顯，與巖性、可動油飽和度關系密切，通過核磁共振測試巖心的可動油飽和度，聚合物提高采收率程度與其呈現(xiàn)出拋物線的關系。