中低滲儲層物性特征對水驅(qū)油效率的定量影響

張陽，蘆鳳明，李際，郭志橋，聶敢為，衡亮

（1.中國石油大港油田分公司，天津 300280；2.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區(qū)石油學院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249）

0 引言

我國油田儲層中92%為陸相碎屑巖沉積，注水開發(fā)是油田的主要開發(fā)方式[1]。水驅(qū)采收率為注入水波及系數(shù)與水驅(qū)油效率的乘積，動用數(shù)量可觀的剩余不可動油、提高水驅(qū)油效率已成為注水油田開發(fā)提高采收率必須考慮的問題[2]。前人關于驅(qū)油效率已作過一系列研究，研究方法可分為物理實驗和數(shù)值模擬。物理實驗主要包括真實巖心水驅(qū)油、微觀仿真模型水驅(qū)油等，以及CT掃描、核磁共振等成像技術[3-6]；數(shù)值模擬主要包括網(wǎng)格化及無網(wǎng)格化方法等[7]。影響驅(qū)油效率的因素分為內(nèi)因和外因[8-11]，內(nèi)因主要包括儲層物性、潤濕性[12-13]，外因主要包括注入孔隙體積倍數(shù)、注入速度、驅(qū)替壓力，以及油水黏度比等[14-15]。 龐振宇等[15]認為，在一定注水壓力范圍內(nèi)，增大水驅(qū)倍數(shù)與注水壓力可以改善孔隙連通性，提高驅(qū)油效率。紀淑紅等[2]認為，高含水階段儲集層潤濕性及孔隙結(jié)構(gòu)變化將導致臨界毛細管數(shù)的降低，使殘余油飽和度減小，進而提高水驅(qū)油效率。AL-Shalabi等[16]認為，微觀孔隙不均勻和指進是低滲區(qū)域具有更高的最終采收率的主要原因。

對此，本文以黃驊坳陷滄東凹陷東部中低滲砂礫巖油藏儲層為研究對象，通過巖心水驅(qū)油實驗、壓汞實驗等，結(jié)合掃描電鏡、鑄體薄片、常規(guī)物性分析等資料，針對各類表征儲層物性的參數(shù)，探討了儲層物性特征對水驅(qū)油效率的定量影響，深化了對驅(qū)油效率影響因素的認識和對剩余油形成機理的研究。

1 儲層物性特征

實驗樣品取自黃驊坳陷滄東凹陷小集油田的孔一段地層。小集油田位于滄東凹陷東部陡坡帶，所處位置斷裂破碎，是一個由多斷塊組成的復雜鼻狀構(gòu)造?？滓欢纬练e時期為亞熱帶半干旱、干旱氣候。徐西斷層開始強烈活動，湖盆整體處于萎縮充填階段，受控于古構(gòu)造及古氣候的影響，沉積環(huán)境由下伏孔二段地層的辮狀河三角洲沉積突變?yōu)榭滓幌聛喍蔚臎_積扇沉積[17-18]。根據(jù)壓汞實驗及常規(guī)物性測試數(shù)據(jù)，可將小集油田沖積扇儲層分為4類（見表1）。

表1 滄東凹陷孔南地區(qū)沖積扇儲層不同類型儲層參數(shù)

Ⅰ類為中孔高滲中喉型儲層，Ⅱ類為中孔中滲細喉型儲層，這2類儲層進汞曲線平緩段較長（見圖1a，1b），巖石孔喉半徑集中，分選較好，主要孔喉半徑較大；Ⅲ類為中孔低滲細喉型儲層，進汞曲線平緩段較短（見圖1c），孔喉半徑不集中，分選中等，主要孔喉半徑小到中等；Ⅳ類為中孔特低滲微細喉型儲層，進汞曲線平緩段不明顯（見圖1d），巖石孔喉半徑不集中，分選差，主要孔喉半徑小。4類儲層中，Ⅰ類和Ⅳ類儲層非常少，多為Ⅱ類和Ⅲ類儲層。

圖1 不同類型儲層壓汞曲線

2 實驗設計

2.1 材料及條件

實驗巖樣取自研究區(qū)的2口密閉取心井官78-28-2井和小新14-19井?；趦臃诸惤Y(jié)果，定位16個樣品點，集中于本次研究所關注的中低滲儲層，其中，Ⅱ類樣品點10個，Ⅲ類樣品點5個，Ⅳ類樣品點1個，每個樣品點分別取1組2個平行樣，一個用來做水驅(qū)油實驗，一個做壓汞實驗。水驅(qū)油實驗主檢儀器為油水相滲測定系統(tǒng)（980314，990089），模擬油黏度為9.565 mPa·s，模擬地層水礦化度為26 376 mg/L，實驗溫度為83℃，檢測依據(jù)GB/T 28912—2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》；高壓壓汞實驗主檢儀器為AutoporeIV9500 S/N1324，檢測環(huán)境溫度為18℃，檢測依據(jù)GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測定》。

2.2 步驟

首先，選取平行樣中的1塊樣品做高壓壓汞實驗：1）樣品預處理，105℃烘干1 h；2）樣品稱重后放入選擇好的膨脹劑中密封，測其總質(zhì)量，求出膨脹劑的質(zhì)量；3）選擇適當?shù)膲毫M行低壓分析；4）低壓分析后拿出膨脹計，測其總質(zhì)量，進行高壓分析；5）實驗結(jié)束，清洗膨脹劑。其次，選取其平行樣做水驅(qū)油實驗：1）巖心抽真空飽和地層水；2）用模擬油驅(qū)替巖心，流速由0.1 mL/min開始呈階梯型變化，當沒有水從巖心中流出時停止實驗；3）用1.0 mL/min流速進行水驅(qū)油實驗，準確記錄見水時累計產(chǎn)油量、累計產(chǎn)液量；4）含水率達到99.95%時停止實驗。分別對16組平行樣做相同實驗。

3 實驗結(jié)果

本文將高壓壓汞實驗得到的儲層物性參數(shù)劃分為4類，即宏觀儲層參數(shù)、孔喉大小參數(shù)、滲流能力參數(shù)以及分選特征參數(shù)，同時還引入儲層品質(zhì)指數(shù)IRQ=（K/φ）0.5[19]，將其歸入宏觀儲層參數(shù)。本文水驅(qū)油效率是指在認為儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過注水所驅(qū)替出的極限原油體積與波及范圍內(nèi)的總含油體積之比，是一個常數(shù)。將在驅(qū)替過程中某一注入倍數(shù)或含水率所對應的驅(qū)替出的原油體積與波及范圍內(nèi)的總含油體積之比，稱為驅(qū)替程度。實驗結(jié)果見表2。

表2 高壓壓汞與水驅(qū)油實驗數(shù)據(jù)

4 實驗結(jié)果分析

4.1 儲層物性參數(shù)優(yōu)選

儲層物性參數(shù)種類眾多，為了明確儲層物性參數(shù)對驅(qū)油效率的影響，首先應選取合適的評價參數(shù)，本次研究應用主成分分析法，分別將各類儲層參數(shù)與驅(qū)油效率作相關性分析，結(jié)果見表3。相關系數(shù)值在-1和1之間，當相關系數(shù)的絕對值越接近于1時，該參數(shù)與驅(qū)油效率的相關性越好；越接近于0時，相關性越差[20]。據(jù)此，選取相關性較好的滲透率、儲層品質(zhì)指數(shù)、平均孔隙半徑、飽和度中值壓力、退汞效率5個參數(shù)作為評價參數(shù)。為了研究分選特征參數(shù)對驅(qū)油效率的影響，在表征分選特征的參數(shù)中選取均質(zhì)系數(shù)作為第6個評價參數(shù)。

表3 各類儲層物性參數(shù)與驅(qū)油效率的相關性

4.2 驅(qū)油效率隨各評價參數(shù)的變化趨勢

將優(yōu)選的6個儲層物性參數(shù)與驅(qū)油效率作散點圖（見圖2，樣品點橘紅色為官78-28-2井，藍色為小新14-19井）。由圖可以看出：宏觀儲層參數(shù)中的滲透率、儲層品質(zhì)指數(shù)，孔喉大小參數(shù)中的平均孔隙半徑以及分選特征參數(shù)中的均質(zhì)系數(shù)與驅(qū)油效率呈正相關，而滲流能力參數(shù)中的飽和度中值壓力、退汞效率與驅(qū)油效率呈負相關。同時，滲透率及儲層品質(zhì)指數(shù)的相關性較好，而均質(zhì)系數(shù)的相關性明顯較差，這也與前文中主成分分析法得到的相關系數(shù)規(guī)律一致。另外，16個樣品的儲層物性參數(shù)與驅(qū)油效率的相關性相比單口井各自樣品儲層物性參數(shù)與驅(qū)油效率的相關性較差，這說明，雖然所選樣品2口井具有相同的地質(zhì)背景，但沖積扇儲層的非均質(zhì)性使得每口井具有各自的驅(qū)油特征。

圖2 驅(qū)油效率與各類儲層物性參數(shù)的散點圖

4.3 儲層物性對驅(qū)油效率的定量影響

層次分析法可以對定性指標進行量化計算，將經(jīng)驗判斷轉(zhuǎn)化為定量描述，從而求取各層指標或因素的權(quán)重，具有方便簡捷、系統(tǒng)性強及適用性廣泛等諸多特點[21]。為了研究6個儲層物性參數(shù)對驅(qū)油效率的定量影響，應用層次分析法中確定權(quán)重系數(shù)的方法來計算各參數(shù)對驅(qū)油效率影響的權(quán)重。

建立儲層物性對驅(qū)油效率影響評價的遞階層次結(jié)構(gòu)模型（見圖3）。

圖3 儲層物性對驅(qū)油效率影響模型的層級結(jié)構(gòu)

為定量化顯示矩陣中各要素的重要程度，引入了矩陣判斷標度（1—9 標度法）（見表 4）[22]。其中，重要性標度aij表示i相對于j的重要性。

表4 層次分析標度尺

結(jié)合專家打分，參考前文中各參數(shù)與驅(qū)油效率的相關性分析，給出判斷矩陣A：

為避免所構(gòu)建的矩陣對各項指標重要性判斷出現(xiàn)相互矛盾，引入一致性比率 CR（Consistency Ratio）[22]：

式中：CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標。

當判斷矩陣具有完全一致性時，CI=0；CI越大，矩陣的一致性越差。RI只與判斷矩陣的階數(shù)有關，一般情況下，矩陣階數(shù)越大，出現(xiàn)一致性隨機偏離的可能性也越大。不同矩陣階數(shù)（n）對應的RI見表5。通常，CR＜0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，或不一致程度是可以接受的。由式（1）計算可以得出，判斷矩陣的CR值為0.01，滿足判斷矩陣一致性要求。

表5 平均隨機一致性指標

在計算各參數(shù)對驅(qū)油效率定量影響的權(quán)重向量W 時，采用了算術平均法（求和法）[23-24]。

首先，對判斷矩陣A按列元素進行歸一化：

其次，將歸一化得到的矩陣各列累計相加：

最后，將相加后的向量除以n即得到權(quán)重向量，各參數(shù)對驅(qū)油效率定量影響的權(quán)重見表6。

表6 各參數(shù)對驅(qū)油效率定量影響的權(quán)重

由表6可以看出：表征儲層宏觀特征的儲層品質(zhì)指數(shù)對驅(qū)油效率影響的權(quán)重系數(shù)最大，達到0.33；其次為表征孔喉大小特征的平均孔隙半徑和表征滲流能力特征的退汞效率，分別為0.20和0.18；飽和度中值壓力及滲透率對驅(qū)油效率影響的權(quán)重系數(shù)較小，分別為0.12和0.11；對于本文中所選取的樣品，表征分選特征的均質(zhì)系數(shù)對驅(qū)油效率的影響最小，僅為0.06。

4.4 結(jié)果驗證

為了檢驗計算出的權(quán)重系數(shù)是否準確，采用參數(shù)標準化并構(gòu)建公式的方式來進行驗證。參數(shù)標準化采用級差標準化的方法，對于與驅(qū)油效率正相關的滲透率、儲層結(jié)構(gòu)指數(shù)、平均孔隙半徑、均質(zhì)系數(shù)4個參數(shù)應用正相關級差歸一化公式（3），對于與驅(qū)油效率負相關的飽和度中值壓力、退汞效率應用負相關級差歸一化公式（4）。

式中：xi為第i個數(shù)據(jù)。

根據(jù)優(yōu)選的儲層物性參數(shù)及其對驅(qū)油效率影響的權(quán)重系數(shù)，建立了均質(zhì)系數(shù)α、滲透率K、飽和度中值壓力p50、退汞效率We、平均孔隙半徑r、儲層品質(zhì)指數(shù)m表征無量綱驅(qū)油效率E的公式：

將式（5）計算出的結(jié)果與水驅(qū)油實驗得到的驅(qū)油效率作散點圖（見圖4），可以看出兩者相關性較好，相關系數(shù)接近0.8，從而也驗證了儲層物性參數(shù)的選取及其對驅(qū)油效率影響權(quán)重系數(shù)的準確性。

圖4 儲層物性參數(shù)計算與水驅(qū)實驗的驅(qū)油效率散點圖

5 結(jié)論

1）表征儲層物性的參數(shù)可以分為宏觀儲層、孔喉大小、滲流能力和分選特征等4類。通過相關性分析，可以選取與驅(qū)油效率相關性較好的滲透率、儲層品質(zhì)指數(shù)、平均孔隙半徑、飽和度中值壓力、退汞效率、均質(zhì)系數(shù)等6個參數(shù)作為評價參數(shù)。

2）對于本次研究的沖積扇中低滲儲層，儲層品質(zhì)指數(shù)對驅(qū)油效率影響的權(quán)重系數(shù)最大，其次為平均孔隙半徑和退汞效率，飽和度中值壓力及滲透率對驅(qū)油效率影響的權(quán)重系數(shù)較小，均質(zhì)系數(shù)對驅(qū)油效率的影響最小。

3）采用無量綱驅(qū)油效率公式計算的結(jié)果與水驅(qū)油實驗的驅(qū)油效率相關性較好，驗證了所選儲層評價參數(shù)及其對驅(qū)油效率影響權(quán)重系數(shù)的準確性。