注水倍數(shù)對(duì)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)影響實(shí)驗(yàn)研究

敬 豪，張廣東，孫大龍，李斌會(huì)，王鳳蘭

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500；2.大慶油田 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163000)

目前，許多注水開發(fā)油田都對(duì)長期注水后儲(chǔ)層巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化做了部分研究，但取得的結(jié)論不一，無法對(duì)某一特定注水開發(fā)砂巖油田的開發(fā)提供技術(shù)參考[1-10]。巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征目前用的比較多的是毛管壓力曲線法、壓汞法和恒速壓汞法[11]。近年來，核磁共振法也被廣泛應(yīng)用，該方法的優(yōu)點(diǎn)是不破壞巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)巖心可以反復(fù)使用，但核磁共振T2譜與巖石孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)很難確定。關(guān)于核磁共振T2譜與巖石孔徑相關(guān)性的研究，PRAMMER等[12]發(fā)現(xiàn)NMR測井在海相沉積地層中可以提供詳細(xì)的地層孔隙度信息；VOLOKITIN等[13]提出T2譜和毛管壓力之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并提出轉(zhuǎn)換公式，但是VOLOKITIN提出的公式均涉及了巖心特性的相關(guān)參數(shù)，在實(shí)際操作中測量這些參數(shù)較為困難。闕洪培等[14]用迭代方法得到離心巖樣NMR含水飽和度和壓汞飽和度之差與換算系數(shù)的關(guān)系；劉堂宴等[15]通過引入相關(guān)系數(shù)R找到T2譜與毛管力Pc之間的數(shù)值與序號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。巖心在長期水驅(qū)過程中除了孔徑會(huì)發(fā)生變化外，巖心的礦物成分也會(huì)發(fā)生一定的改變。李紅南等[16]通過實(shí)驗(yàn)得到不同注入孔隙體積倍數(shù)下巖心孔隙半徑均值的變化情況。李海波等[17]利用T2譜和已知的壓汞數(shù)據(jù)來確定T2-r之間的換算系數(shù)C，從而定量獲得巖石的孔徑分布，但是這種確定方法導(dǎo)致任何巖性、任何物性的巖心C值均相同，使得換算的孔徑值失真。徐云林等[18]通過實(shí)驗(yàn)得到不同注水倍數(shù)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層巖心內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，組成的黏土礦物發(fā)生運(yùn)移，微觀物性變差。文鑫等[19]發(fā)現(xiàn)不同類型儲(chǔ)層在不同注水倍數(shù)后物性變化的主要原因是黏土礦物成分發(fā)生變化；劉明濤等[20]發(fā)現(xiàn)水洗后巖心溶蝕孔隙更發(fā)育，出現(xiàn)了特大孔隙和裂縫性孔隙，并見到了基質(zhì)內(nèi)孔，注水后泥質(zhì)含量減少，孔隙度和滲透率普遍增大。通過國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于注水倍數(shù)對(duì)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律認(rèn)識(shí)并不統(tǒng)一，每個(gè)油田區(qū)塊需要根據(jù)當(dāng)?shù)貎?chǔ)層的實(shí)際情況進(jìn)行分析。在水驅(qū)微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)研究過程中，壓汞法巖心不能重復(fù)利用，且實(shí)驗(yàn)樣品位置不同，易帶來誤差。雖然核磁法不破壞巖心，但核磁法不能準(zhǔn)確確定孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)C值，每一種方法都有其固有的弊端。

本文利用核磁共振和壓汞法相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，建立了一種利用核磁共振和壓汞法結(jié)合確定轉(zhuǎn)換系數(shù)C值的方法，分析了大慶油田某區(qū)塊在不同注水倍數(shù)下儲(chǔ)層巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)和礦物含量的變化規(guī)律，可為該類型油藏的注水開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 注水對(duì)巖心微觀結(jié)構(gòu)及物性的影響

利用大慶油田某區(qū)6塊不同滲透率的真實(shí)巖心，進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)并測定不同水驅(qū)倍數(shù)下的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)前先利用核磁共振測定巖心的物性和孔徑分布特征，然后利用地層水采用恒定流速(低于臨界流速)驅(qū)替到200 PV和500 PV(PV為注水倍數(shù))，分別利用核磁共振儀測定驅(qū)替200 PV和500 PV后的巖心物性及孔徑分布，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不同注水倍數(shù)對(duì)巖心孔隙結(jié)構(gòu)分布特征及物性的影響。

1.1 巖石物性隨注水倍數(shù)變化規(guī)律

為了研究不同注水倍數(shù)下不同物性巖心孔隙度和滲透率變化特征，測試了巖樣原始以及水驅(qū)200 PV和500 PV的孔隙度和滲透率，分析其不同水驅(qū)倍數(shù)下滲透率、孔隙度的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1和圖1。

從孔隙度、滲透率變化(圖1)可以看出，隨著注水倍數(shù)的不斷增加，不同物性巖心的孔隙度和滲透率均出現(xiàn)了不同程度的增大。巖心原始孔隙度和滲透率越大，其孔隙度和滲透率增加的幅度越大。水驅(qū)200 PV后孔隙度增加幅度在0.22%～1.05%之間，平均增加了0.53%；水驅(qū)500 PV后，孔隙度增加幅度在1.11%～3.13%之間，平均增加了1.78%，滲透率平均增加7.75%。整體來講，巖心的孔滲性能變好，儲(chǔ)集空間和滲流空間增大。

表1 大慶油田某區(qū)塊巖心原始孔隙度和滲透率以及隨注水倍數(shù)的變化Table 1 Changes of core porosity and permeability with water injection multiples in a block of Daqing Oilfield

圖1 大慶油田某區(qū)塊巖心孔隙度和滲透率隨注水倍數(shù)變化Fig.1 Changes of core porosity and permeability with water injection multiples in a block of Daqing Oilfield

1.2 巖心孔徑隨注水倍數(shù)變化規(guī)律研究

為了研究不同物性儲(chǔ)層巖心微觀孔隙隨注水倍數(shù)的變化特征，將核磁共振技術(shù)與壓汞技術(shù)相結(jié)合，利用高壓壓汞法確定的孔徑來標(biāo)定核磁共振的孔徑，這樣可以充分克服壓汞法不能重復(fù)利用而造成的樣品位置帶來的誤差，也可以克服核磁法不能準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)換系數(shù)C值的弊端。

傳統(tǒng)的核磁共振確定孔徑方法中認(rèn)為轉(zhuǎn)換系數(shù)C為一個(gè)固定值，與物性本身無關(guān)，導(dǎo)致任何巖性、任何物性的巖心C值均相同，使計(jì)算得到的孔徑失真。實(shí)際上，C值應(yīng)該是一個(gè)與巖心物性有關(guān)的變量，不同物性巖心的C值應(yīng)該不同。為此，在分析研究區(qū)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了核磁共振確定孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)C的新方法。

1.2.1 轉(zhuǎn)換系數(shù)C值的確定方法

同一巖心核磁共振T2譜圖換算孔隙半徑(r)的公式：

r=CT2

(1)

平均孔隙半徑的計(jì)算公式：

(2)

(3)

1.2.2 不同注水倍數(shù)下巖石孔徑變化

采用上述方法分析了不同物性巖心在不同注水倍數(shù)下的孔徑變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 大慶油田某區(qū)塊巖心平均孔隙半徑與物性變化Fig.2 Average pore radius change with physical propertyin a block of Daqing Oilfield

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析可知：6塊實(shí)驗(yàn)巖心中除D-6外，隨注水倍數(shù)增加，巖心的大孔隙所占的比例會(huì)出現(xiàn)增大，說明注水倍數(shù)的增加會(huì)使巖石孔徑增加。物性好的巖心D-1和D-5孔隙半徑增大的部分主要體現(xiàn)在10～16 μm大孔隙部分(圖3a,e)；物性稍好的巖心D-4和D-3孔隙半徑增大的部分主要體現(xiàn)在5～10 μm孔隙部分(圖3c,d)。巖心D-2(K=241.1×10-3μm2)孔隙半徑增大的主要部分為1～5 μm的孔隙(圖3b)。但氣測滲透率相對(duì)較低的巖心D-6(K=131.4×10-3μm2) 隨注水倍數(shù)增加，大孔隙所占的比例先減小后增大，但整體是減小的(圖3f)。這是由于該巖心孔隙度、滲透率較小，物性較差，黏土含量高，注水后巖心中黏土礦物會(huì)發(fā)生膨脹和運(yùn)移，同時(shí)巖心物性差黏土不易被帶出，多因素相互作用導(dǎo)致孔隙先變小再變大，但整體孔徑變小。

總體來講，本次實(shí)驗(yàn)滲透率在200×10-3μm2以上的巖心隨注水倍數(shù)增加，孔徑增大，物性越好，水驅(qū)后孔隙增大的主要部分對(duì)應(yīng)的半徑越大。滲透率小的巖心整體孔徑減小。因此，物性相對(duì)較好的儲(chǔ)層更易形成注水優(yōu)勢通道。

對(duì)6組巖心在不同注水倍數(shù)前后平均孔隙半徑、均值系數(shù)、分選系數(shù)(圖4)進(jìn)行對(duì)比可知，氣測滲透率大于200×10-3μm2的巖心(D-1～D-5)的平均孔隙半徑隨著注水倍數(shù)的增大而增大，滲透率越大的巖心增大的幅度越大，5塊巖心的平均孔隙半徑平均增加了13.2%。水驅(qū)會(huì)導(dǎo)致部分小孔隙孔徑變大，轉(zhuǎn)化為大孔隙。氣測滲透率相對(duì)較低的泥質(zhì)砂巖巖心D-6，隨注水倍數(shù)增加平均孔隙半徑先減小再增大，與微觀孔徑變化十分吻合。同一個(gè)巖心注水不同倍數(shù)后，巖心分選系數(shù)以增大為主；巖心的均值系數(shù)整體以減小為主，說明水驅(qū)后儲(chǔ)層的非均質(zhì)性增加，易形成水流優(yōu)勢通道。

圖3 大慶油田某區(qū)塊不同物性巖心孔徑的孔隙占比隨注水倍數(shù)的變化Fig.3 Percentage of pores in cores with different physical propertiesvaries with water injection multiples in a block of Daqing Oilfield

圖4 大慶某區(qū)塊實(shí)驗(yàn)巖心平均孔隙半徑、均值系數(shù)和分選系數(shù)隨注水倍數(shù)的變化Fig.4 Average pore radius, mean value coefficient and sorting coefficient changes of experimental coreswith water injection multiples in a block of Daqing Oilfield

表2 大慶油田某區(qū)塊實(shí)驗(yàn)巖心的基礎(chǔ)物性參數(shù)和礦物含量Table 2 Basic physical parameters and mineral contents of experimental cores in a block of Daqing Oilfield

2 注水對(duì)巖心礦物成分的影響

本文同時(shí)選取了大慶油田同一區(qū)塊物性相近的另一批砂巖巖心，進(jìn)行水驅(qū)后礦物含量變化實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)6塊砂巖巖心(表2)進(jìn)行500 PV水驅(qū)，對(duì)同一塊巖心分成2段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前后的全巖和黏土含量測試，對(duì)比分析注水前后礦物成分的變化(圖5)，揭示水驅(qū)礦物變化機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1)水驅(qū)500 PV后，實(shí)驗(yàn)巖心礦物中黏土含量整體呈現(xiàn)降低趨勢，其中有2塊巖心沒有發(fā)生變化。黏土含量較高的泥質(zhì)砂巖巖心(X-1和X-6)在500 PV水驅(qū)后黏土含量減小幅度較大；黏土含量較低的砂巖巖心黏土含量變化規(guī)律不明顯。實(shí)驗(yàn)巖石物性越好，由于注入水的反復(fù)沖刷作用，部分黏土礦物更易被水溶解帶出，其含量減小幅度越大；黏土含量低于7%的巖心，由于黏土礦物類型、結(jié)構(gòu)與顆粒大小不一，長期水驅(qū)過程中黏土含量變化規(guī)律性不強(qiáng)。(2)巖心黏土礦物在注水后高嶺石的相對(duì)含量降低幅度最大，其次是伊利石，伊蒙混層的相對(duì)含量增加較多，巖心的整體孔滲性能變好。這是因?yàn)殚L期水驅(qū)會(huì)導(dǎo)致高嶺石結(jié)晶格架破壞，容易被水沖刷遷移而導(dǎo)致含量降低。伊利石在多倍注水過程中易形成降解伊利石，因此將出現(xiàn)小幅度降低。伊蒙間層則向著間層比不斷升高的方向變化，使其膨脹性增強(qiáng)，增大幅度達(dá)到20.40%。

圖5 大慶油田某區(qū)塊實(shí)驗(yàn)巖心水驅(qū)前后黏土礦物含量對(duì)比Fig.5 Clay content comparison of experimental coresbefore and after water flooding in a block of Daqing Oilfield

黏土礦物變化和微粒運(yùn)移是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)巖石物性和孔徑變化的主要原因。

3 結(jié)論

(1)建立了隨巖石物性變化而變化的核磁共振轉(zhuǎn)換系數(shù)C值的確定辦法，克服傳統(tǒng)C值為定值的缺陷。

(2)隨注水倍數(shù)的增加，不同物性砂巖巖心的孔隙度和滲透率均出現(xiàn)了不同程度的增大。巖心原始孔隙度和滲透率越大，水驅(qū)后孔隙度和滲透率增加的幅度越大。6塊實(shí)驗(yàn)巖心孔隙度平均增加了1.78%，滲透率平均增加了7.75%。

(3)隨注水倍數(shù)增加，滲透率大于200×10-3μm2的巖心孔徑不斷增加，物性較好的巖心孔徑增加的幅度越大；滲透率小于200×10-3μm2的泥質(zhì)砂巖孔徑先增大再減小，整體呈現(xiàn)減小趨勢。

(4)長期水驅(qū)后，實(shí)驗(yàn)巖心黏土含量降低。高嶺石的相對(duì)含量降低幅度最大，其次是伊利石。黏土礦物變化和微粒運(yùn)移是導(dǎo)致巖石物性和孔徑變化的主要原因。