水敏感性對(duì)低滲油藏油水兩相滲流影響實(shí)驗(yàn)研究

高 斌，許詩(shī)婧，2，胡心玲，趙 旭，王長(zhǎng)權(quán)，2

（1．長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2．油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)江大學(xué)），湖北 武漢 430100；3．中國(guó)石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北 武漢 433124）

引 言

一直以來，人們對(duì)儲(chǔ)層水敏的產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)生水敏后油藏產(chǎn)量變化的研究從未停止，傳統(tǒng)方法為分析黏土礦物結(jié)合巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)來分析儲(chǔ)層敏感性［1-5］，該方法也是最直接和有效的方法。但隨著儲(chǔ)層開發(fā)難度的加大，利用傳統(tǒng)的方法也漸漸難以解決所產(chǎn)生的問題。近年來出現(xiàn)了很多用以研究水敏對(duì)產(chǎn)量影響的新方法，從油藏?cái)?shù)值模擬［6］到利用數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)［7］，為水敏性儲(chǔ)層后續(xù)開發(fā)提供了更好的對(duì)策。水敏機(jī)理的研究方法也是多種多樣，例如利用微納米CT和核磁共振研究水敏對(duì)孔隙半徑、孔喉配位數(shù)以及孔隙形狀因子的影響［8-11］。通過各種方法研究后發(fā)現(xiàn)，注入水中的離子含量和離子種類才是導(dǎo)致儲(chǔ)層水敏發(fā)生的根本原因，這種水敏傷害可以通過降低pH值、注入高礦化度和高含量K＋和Mg2＋的水從而抑制黏土礦物的膨脹和運(yùn)移來減輕［12］。但低礦化度水造成的水敏并不全是負(fù)面影響，從潤(rùn)濕性方面來看，注入低礦化度水可將巖石的潤(rùn)濕性從油濕或混合潤(rùn)濕轉(zhuǎn)為水濕，從而增加洗油效率；從顆粒運(yùn)移方面來看，顆粒運(yùn)移可以堵住優(yōu)勢(shì)通道，迫使水流向更小的孔隙中去，增加波及系數(shù)［13-20］。

很多學(xué)者僅對(duì)水敏的傷害機(jī)理研究有了較深刻的認(rèn)識(shí)，但少有報(bào)道水敏對(duì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)及兩相滲流規(guī)律的影響。XG組油藏是江漢盆地主要含油層系之一，儲(chǔ)層黏土礦物以綠泥石為主，其次為伊／蒙混層、伊利石，層內(nèi)和層間非均質(zhì)性嚴(yán)重，儲(chǔ)層易發(fā)生水敏和酸敏。因此，有必要開展儲(chǔ)層的微觀孔隙特征和敏感性研究，進(jìn)一步明確儲(chǔ)層的滲流特征及驅(qū)油機(jī)理，以此為基礎(chǔ)，為形成適應(yīng)儲(chǔ)層的增產(chǎn)措施及配套的工藝技術(shù)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法及流程

1．1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）巖心準(zhǔn)備：將現(xiàn)場(chǎng)獲取的天然巖心經(jīng)洗油、烘干后測(cè)定長(zhǎng)度、直徑、孔滲基本物性參數(shù)（表1）。挑選不同滲透率級(jí)別的巖心，對(duì)其截取一部分進(jìn)行小巖心鉆取，獲取的小巖心同步進(jìn)行水敏實(shí)驗(yàn)前后微納米CT掃描，剩余部分巖心柱進(jìn)行室內(nèi)滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)Tab．1 Basic data of experimental cores

（2）流體準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)用油樣采用白油與航空煤油按一定比例配制成模擬油，配制的模擬油達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件的油水黏度比（油水黏度比為6．19）；實(shí)驗(yàn)用水樣是將按照地層水離子含量分析結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室復(fù)配的地層水樣用0．45μm的濾膜經(jīng)砂心漏斗過濾所得（表 2）。

表2 地層水離子成分Tab．2 Ion composition of formation water

1．2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖

實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程Fig．1 Experiment equipment and process

1．3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）水敏前油水相對(duì)滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GBT 28912—2012《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》進(jìn)行。對(duì)選取的巖心進(jìn)行抽真空加壓飽和地層水后測(cè)定初始水相滲透率；用模擬油驅(qū)直至不出水為止，計(jì)算束縛水飽和度，測(cè)定束縛水飽和度下的油相滲透率；選擇合適的驅(qū)替速度進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確記錄見水時(shí)間、見水時(shí)的累積產(chǎn)油量、累積產(chǎn)液量、驅(qū)替速度和驅(qū)替壓差。見水初期，加密記錄，根據(jù)出油量的多少選擇時(shí)間間隔，隨出油量的不斷下降，逐漸加長(zhǎng)記錄的時(shí)間間隔，驅(qū)至含水率達(dá)99．95%后測(cè)定殘余油下的水相滲透率。

（2）水敏實(shí)驗(yàn)：測(cè)定完水敏前油水相對(duì)滲透率曲線后，3塊巖心的束縛水飽和度、等滲點(diǎn)等相滲曲線特征均符合潤(rùn)濕性為水濕巖心判斷標(biāo)準(zhǔn)，因此依照油層物理學(xué)溶劑抽提法清洗親水巖心，即將酒精-苯按照1∶3的比例配置為溶劑以清洗親水巖心，以保證巖心潤(rùn)濕性不變［21］。巖心進(jìn)行洗油烘干后重新抽真空加壓飽和地層水，裝入巖心夾持器，進(jìn)行水敏實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT 5358—2010《儲(chǔ)層敏感性流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行。用地層水以一定流速驅(qū)替，待流量壓差穩(wěn)定后測(cè)定巖心初始滲透率；隨后用1／2初始礦化度的鹽水驅(qū)替，保持驅(qū)替速度一致，驅(qū)替10～15倍孔隙體積后停止驅(qū)替，關(guān)閉出入口閥門，使流體與巖石礦物發(fā)生反應(yīng)12 h后繼續(xù)驅(qū)替，測(cè)定巖心滲透率；同樣的方法進(jìn)行蒸餾水驅(qū)替，測(cè)定蒸餾水下的巖心滲透率。

（3）水敏后油水相對(duì)滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)：用模擬油繼續(xù)驅(qū)，直至不出水為止，計(jì)算束縛水飽和度，測(cè)定束縛水下油相滲透率；隨后重復(fù)步驟（1），用蒸餾水驅(qū)，測(cè)定水敏后油水相對(duì)滲透率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 水敏感性傷害機(jī)理分析

2．1．1 水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

水敏實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3塊巖心滲透率和水敏傷害率之間存在乘冪關(guān)系，滲透率最低的巖心水敏傷害率為63．91%，滲透率最高的巖心水敏傷害率僅為15．24%，即滲透率越低，水敏傷害率越高。

表3 水敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab．3 Experimental results of water sensitivity of cores

結(jié)合水敏后掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，水敏后的巖心黏土礦物發(fā)生了膨脹，少量顆粒表面突出物（伊利石）變小或消失，原因是顆粒邊部黏土水化后脫落在孔隙中。低礦化度水進(jìn)入儲(chǔ)層，引起儲(chǔ)層中的敏感性礦物發(fā)生黏土膨脹、分散運(yùn)移。

圖2 水敏前后巖心掃描電鏡Fig．2 Scanning electron m icroscope images of water-sensitive core

2．1．2 水敏前后巖心微納米CT掃描結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析水敏對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)5-4號(hào)實(shí)驗(yàn)巖心上鉆取的小巖心同步進(jìn)行了水敏前后在線驅(qū)替CT掃描。通過對(duì)CT掃描結(jié)果進(jìn)行孔隙網(wǎng)絡(luò)模型提取，進(jìn)行孔隙分布和差異化模擬計(jì)算，得到孔隙大小變化分布圖和配位數(shù)變化分布圖（圖3—圖6）。CT實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，受水敏影響，水敏感礦物膨脹，巖心孔隙體積收縮，水敏前巖心的孔隙度為9．82%，水敏后為 8．94%，減小了 8．96%；孔喉分布情況表現(xiàn)出受水敏影響，主要孔喉分布向左偏移，水敏前孔喉主要分布區(qū)間為5．9～23．4μm，水敏后主要分布區(qū)間變5．4～18．7μm，水敏后比水敏前的較高孔隙配位數(shù)（＞2）的分布頻率均有變小趨勢(shì)，而較低孔隙配位數(shù)（≤2）的分布頻率均有變大趨勢(shì)。說明水敏會(huì)造成黏土礦物膨脹分散、運(yùn)移，使大孔隙堵塞，或被分割成小孔隙，造成部分連通孔隙的連通性變差。

圖3 巖心CT掃描孔隙分布Fig．3 Pore distribution of core by CT scanning

圖5 巖心喉道半徑分布規(guī)律Fig．5 Distribution of core throat radius

圖6 巖心孔隙配位數(shù)分布規(guī)律Fig．6 Coordination number distribution of core pore

2．2 水敏前后油水兩相相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．2．1 水敏前后油水相對(duì)滲透率曲線分析

圖4 巖心孔隙半徑分布規(guī)律Fig．4 Distribution of core pore radius

對(duì)巖心水敏前后油水相對(duì)滲透率曲線進(jìn)行歸一化處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。歸一化后水敏前后相滲曲線結(jié)果如圖8虛線所示。結(jié)果表明，水敏后的相滲曲線整體向右平移，束縛水飽和度較水敏前有所增大，從歸一化后水敏前后相滲曲線來看，束縛水飽和度從27．15%增加到46．41%，殘余油飽和度從水敏前的26．38%減小到水敏后的14．23%。這是由于巖石礦物表面的Ca2＋被低礦化度水中的H＋置換，導(dǎo)致孔隙壁面的水膜增厚，親水性增強(qiáng)，使得束縛水飽和度增加，巖石壁面水潤(rùn)濕性增強(qiáng)，在水驅(qū)油時(shí)，滲吸作用增強(qiáng)，使得殘余油飽和度降低。

圖7 巖心水敏前后相對(duì)滲透率曲線Fig．7 Relative permeability curves of cores before and after water sensitivity

圖8 水敏前和水敏后相滲歸一化實(shí)驗(yàn)曲線Fig．8 Normalized relative permeability curves of three cores before and after water sensitivity

對(duì)歸一化后水敏前后相滲曲線再次歸一化，以水敏前的束縛水飽和度和油相相對(duì)滲透率作為歸一化曲線的束縛水飽和度和油相相對(duì)滲透率端點(diǎn)值，以水敏后的殘余油飽和度和水相相對(duì)滲透率作為歸一化曲線的殘余油飽和度和水相相對(duì)滲透率端點(diǎn)值，結(jié)果如圖8實(shí)線部分，以此來分析巖心在發(fā)生水敏過程中的兩相滲流規(guī)律。與巖心不發(fā)生水敏相比，發(fā)生水敏的巖心兩相滲流區(qū)更寬，殘余油飽和度更小，原油的采收率更高。從低礦化度水注入儲(chǔ)層發(fā)生水敏的整個(gè)過程來看，低礦化度水驅(qū)過程使得儲(chǔ)層的水潤(rùn)濕性增強(qiáng)，儲(chǔ)層中的含水飽和度增加，占據(jù)了一部分原油的孔隙，使得原油排出，另外，進(jìn)入的水與巖石礦物反應(yīng)，導(dǎo)致孔隙變小，使得原本的大孔隙變成小孔隙，致使一部分原油被擠出，使得驅(qū)油效率增加。說明水敏在不影響注水的條件下有助于驅(qū)油效率的提高，可有效提高采收率。

2．2．2 水敏前后含水率曲線分析

根據(jù)油水黏度比和油水相滲比計(jì)算出含水率和含水變化率曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，水敏后含水率曲線向右偏移，這是由于水敏后束縛水飽和度較水敏前增大所致。水敏前的含水率曲線較水敏后的含水率曲線斜率小，從含水變化率曲線可以看出，水敏后的含水變化率峰值為0．034 74，比水敏前的0．032 09大，表明在水驅(qū)開發(fā)過程中，儲(chǔ)層在發(fā)生水敏后，油井一旦見水，含水率將大幅增加。產(chǎn)生這些結(jié)果的原因主要是水敏使得孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，非均質(zhì)性更強(qiáng)，使得其見水后含水率升高速度更快。

圖9 水敏前后含水率及含水變化率曲線Fig．9 Water cut and water-cut change rate curves of cores before and after water sensitivity

2．2．3 水敏前后無(wú)因次指數(shù)變化曲線分析

水敏前后無(wú)因次采液、采油和吸水指數(shù)變化曲線如圖10所示，由圖中可以看出，水敏前后的無(wú)因次采液指數(shù)和采油指數(shù)隨含水率變化趨勢(shì)基本相同，無(wú)因次采液指數(shù)隨含水率的增大而增大，采油指數(shù)隨含水率的增大而減小。通過擬合計(jì)算得出，水敏前無(wú)因次采液指數(shù)與無(wú)因次采油指數(shù)所圍成的面積為 154．457，水敏后的為 146．727，水敏后的小于水敏前。無(wú)因次采油指數(shù)與無(wú)因次采液指數(shù)所圍成面積越小，提液越有效果，說明水敏后增加注入量提液效果較水敏前更好。無(wú)因次吸水指數(shù)在中低含水階段比較平穩(wěn)，到高含水后期及特高含水期，由于巖石孔喉細(xì)小，毛細(xì)管滯留原油現(xiàn)象嚴(yán)重，注入水利用率很低，原油只有靠大量的水洗才能采出，因此，隨著注入水的不斷注入，無(wú)因次吸水指數(shù)急劇上升。

圖10 水敏前后無(wú)因次指數(shù)變化曲線Fig．10 Change curves of dimensionless indexes before and after water sensitivity

根據(jù)多孔介質(zhì)平面徑向流穩(wěn)定流產(chǎn)量公式，得到無(wú)水期產(chǎn)油量

任意含水時(shí)平面徑向穩(wěn)定流生產(chǎn)井產(chǎn)液量

假定生產(chǎn)壓差和驅(qū)動(dòng)半徑不變，由上式得無(wú)因次產(chǎn)液指數(shù)和產(chǎn)油指數(shù)分別為

無(wú)因次吸水指數(shù)的定義為單位壓差下的注水量，可得無(wú)因次吸水指數(shù)為

式中：JLD為任意含水飽和度下的無(wú)因次采液指數(shù)；JOD為任意含水飽和度下的無(wú)因次采油指數(shù)；Krw、Kro分別為油藏條件下水和原油的相對(duì)滲透率；μw、μo分別為油藏條件下水和原油的黏度，mPa·s；I為任意含水飽和度下的無(wú)因次吸水指數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）巖心滲透率越小，水敏傷害率越大，水敏傷害率和滲透率有乘冪關(guān)系。巖心在水敏后孔喉分布不同程度向左偏移。對(duì)比水敏前后的孔隙配位數(shù)，孔隙配位數(shù)較大的分布頻率均變小，而低孔隙配位數(shù)的分布頻率均有變大趨勢(shì)。水敏會(huì)造成黏土礦物膨脹分散、運(yùn)移，使大孔隙堵塞，或被分割成小孔隙，造成部分連通孔隙的連通性變差。

（2）水敏后相滲曲線整體右移，水潤(rùn)濕性增強(qiáng)和黏土膨脹造成孔隙半徑減小，增強(qiáng)了注入水的洗油效率和滲吸能力，從而使得水敏后較水敏前束縛水飽和度升高，殘余油飽和度減小，提高了采收率；水敏后含水變化率峰值更高，無(wú)因次采油指數(shù)和無(wú)因次采液指數(shù)所夾面積更小，說明水敏后的提液效果更好。