李中超，陳洪德，余成林，杜利，喬勇，劉偉偉，孫利

（1. 成都理工大學(xué)；2. 中國石化中原油田分公司）

0 引言

在長期注水開發(fā)過程中，儲集層各項微觀特征持續(xù)發(fā)生變化，包括儲集層巖石顆粒和膠結(jié)物的成分及含量、粒度等指標(biāo)[1-6]，其主要原因在于儲集層中的地層水、不同性質(zhì)的注入水及油等流體長期對儲集層浸泡、驅(qū)動和改造[7]。孔隙度、滲透率等宏觀參數(shù)的變化是儲集層微觀內(nèi)在因素改變的綜合反映[8]。本文以胡狀集油田胡12塊嚴(yán)重非均質(zhì)油藏[9]優(yōu)勢滲流通道較發(fā)育的沙三中8儲集層為例，采用室內(nèi)實驗對注水前后實際巖心樣品進(jìn)行對比分析，從儲集層巖石組分、粒度、孔喉分布、孔喉結(jié)構(gòu)和主要物性參數(shù)的變化等方面研究了注水開發(fā)過程中的流體動力地質(zhì)作用[10]。

1 油藏概況

胡狀集油田胡 12塊位于東濮凹陷[11]西部斜坡帶中段，為一受石家集斷層、胡7-7斷層和胡12斷層共同夾持且西高東低的鼻狀構(gòu)造。沙三中8為該塊主力含油層段之一，屬扇三角洲[12]前緣沉積，主力油層分布在水下分流河道砂體中。儲集層孔隙度4.9%～30.7%，平均 21.6%，滲透率（0.1～3 092.0）×10-3μm2，平均301.3×10-3μm2，總體具中孔中滲特征[13]，但非均質(zhì)性非常強(qiáng)。胡狀集油田于1986年投產(chǎn)，含油面積4.5 km2，地質(zhì)儲量1 430.73×104t，可采儲量 315.55×104t，歷經(jīng)近30 a的開發(fā)，綜合含水已達(dá)94.66%，處于特高含水開采階段[11]，采出程度僅為18.18%，優(yōu)勢滲流通道已成為影響水驅(qū)效率的突出問題。

H12-20井和HJ1井分別鉆于1986年和2000年，兩者井距40 m，連通關(guān)系好，均對沙三中8進(jìn)行了連續(xù)取心，取全了不同成因、不同厚度和不同物性儲集層，其巖心分別反映了原始狀態(tài)和注水開發(fā)后的特征，具有典型性、代表性和可對比性強(qiáng)的特點。

2 流體動力地質(zhì)作用的物質(zhì)基礎(chǔ)

胡12塊沙三中8儲集層的巖石類型多為長石砂巖、巖屑砂巖之間的過渡類型，巖石成分主要特征為：①碎屑中巖屑和長石含量較高，其平均含量分別為15.6%和10.7%，兩者之和已超過26%，石英含量與巖屑和長石含量之和的比值為1.7～4.3，平均值為3.0；②巖屑中含量最高的是泥巖巖屑和碳酸鹽巖巖屑，其平均含量分別為8.5%和3.9%，兩者之和已超過12%，占巖屑總量的約 80%。以上特征說明巖石的成分成熟度極低，是快速風(fēng)化、快速與短距離搬運、快速堆積與埋藏條件下的產(chǎn)物[14]。

砂巖組成縱向上表現(xiàn)為 2個特點：①不論層間還是層內(nèi)，各種成分含量變化范圍較大，如碳酸鹽總量為1.5%～14.5%，泥質(zhì)總量為5.61%～32.46%；②顆粒較細(xì)的巖石具更高的長石含量，而顆粒較粗的巖石具更高的碳酸鹽巖巖屑含量。

3 流體動力地質(zhì)作用對儲集層巖石組分的影響

3.1 碎屑組分的變化特征

以原狀（H12-20井）和注水開發(fā)后（HJ1井）沙三中8儲集層薄片鑒定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析長石類礦物、碳酸鹽類礦物、泥質(zhì)礦物和其他礦物在注水前后的差異（見表1）。

表1 沙三中8儲集層碎屑組分含量對比表

對長石類礦物而言，注水開發(fā)過程中，鉀長石含量略有降低但并不顯著，而斜長石則被溶蝕殆盡（見表 1）。注入水的酸性（pH值為 5～6）條件加速了斜長石的溶解。

沙三中8儲集層中的碳酸鹽礦物包括碳酸鹽巖巖屑和填隙物中的方解石、白云石和菱鐵礦。實驗分析表明，注水開發(fā)使碳酸鹽總量略有降低（見表1），這主要是由菱鐵礦引起的。菱鐵礦晶體有 2種賦存方式：①作為碎屑的包膜而成為早期膠結(jié)物（見圖1a、1b），②作為分散的晶簇或者單個晶體（見圖1c），以這兩種方式存在的菱鐵礦都可能被流體搬運而成為速敏礦物，因速敏效應(yīng)而堵塞于喉道中。菱鐵礦為酸敏礦物，在注水開發(fā)中菱鐵礦因部分溶蝕而減少。

圖1 沙三中8儲集層H12-20井顆粒表面菱鐵礦晶體賦存特征

從泥質(zhì)總含量來看，由注水開發(fā)前的 22.7%下降到16.4%，出現(xiàn)了一定程度的降低。石英含量則由注水開發(fā)前的59.9%下降到57.7%，該組分小幅降低的主要原因則與粉砂—極細(xì)砂級石英碎屑的部分缺失有關(guān)。

3.2 黏土礦物的變化特征

基于X衍射鑒定結(jié)果，從綠泥石、伊利石、高嶺石和伊/蒙混層的含量分析了儲集層黏土礦物組成的變化特征（見表2）。

表2 沙三中8儲集層黏土礦物含量對比表

分析結(jié)果表明，與其他黏土礦物相比，注水開發(fā)過程中，綠泥石含量降低幅度高達(dá)29.1%，其主要原因是注入水pH值較低（5～6）、地層溫度較高（約85 ℃）。

伊利石主要賦存于泥巖巖屑和黏土雜基中，其含量降低幅度為 14.1%。由于伊利石在酸性及高溫條件下十分穩(wěn)定，因而其減少的主要原因是速敏效應(yīng)使其部分搬運至井筒。

對高嶺石而言，其相對含量由 25.44%增加到26.50%，變化量很小。研究表明，造成高嶺石略有增加的原因在于：①部分高嶺石粒徑很小且分布于狹窄的喉道中（見圖2），難于被注入水波及搬運；②注水開發(fā)過程中部分長石被溶蝕，因而儲集層中可能有一定數(shù)量高嶺石沉淀。

圖2 沙三中8儲集層H12-20井高嶺石晶體賦存特征

黏土礦物中的伊/蒙混層難于搬運，具體表現(xiàn)在：①伊/蒙混層膨脹可能堵塞喉道或孔隙；②在各種黏土礦物中，伊/蒙混層礦物粒徑相對較小，所以其在小孔喉中難于被注入水波及。由于綠泥石和伊利石等黏土礦物的含量隨著注水開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)而大幅降低，所以伊/蒙混層的相對含量平均值由 28.56%上升到36.07%，變化幅度為26.3%。

4 流體動力地質(zhì)作用對儲集層沉積物粒度的影響

4.1 H12-20井和HJ1井沙三中8砂巖粒度分布特征對比

H12-20井沙三中8儲集層砂巖粒度十分豐富，含量大于 1%的粒級有 14個之多（見圖 3）。對比 H12-20井和HJ1井沙三中8儲集層砂巖粒度分布可見，注水開發(fā)后，粒度為-1.0～4.5的砂級沉積物在最細(xì)段出現(xiàn)了明顯的粒級缺損，缺損的粒級組粒度中值分別為3.725和 4.265，平均含量分別由注水開發(fā)前的 3.780%和5.616%降至1.061%和1.393%，降低幅度分別為71.9%和75.2%。

圖3 儲集層沉積物粒度分布曲線

4.2 生產(chǎn)井采出砂特征分析

胡12塊油井采出砂的粒度中值為0.208～4.351，含量最高的粒級粒度為3.474～3.737，其中值為3.606，這一粒級砂粒的含量占 24.4%。該粒級與 HJ1井所缺失的粒級相對應(yīng)，出現(xiàn)粒級缺損的位置主要位于物性較好的層段且與大孔道的形成相關(guān)，這證實了流體動力地質(zhì)作用是儲集層沉積物粒度發(fā)生變化的原因。

5 流體動力地質(zhì)作用對儲集層巖石孔喉的影響

5.1 孔徑分布的變化特征

據(jù)鑄體圖像分析結(jié)果，H12-20井沙三中8儲集層以小孔隙為主，孔徑小于67 μm的孔隙盡管只占據(jù)了 4個級別，但其累計數(shù)量占全部孔隙數(shù)量的67.7%，累計面積約占 54.6%（見圖 4），總體呈類型少但含量高的特點。孔徑大于等于67 μm的大孔隙占據(jù)了16個孔徑級別，盡管涵蓋的孔徑范圍很大，但其累計數(shù)量只占全部孔隙數(shù)量的32.3%，累計面積也只占全部孔隙面積的 45.4%，總體呈類型多卻含量少的特點。對 HJ1井而言，孔徑小于67 μm的孔隙的累計面積含量已降至25%，累計數(shù)量也降至43.8%。同時，各種孔徑級別的大孔隙占總孔隙面積的比例有不同程度增加，孔徑大于等于67 μm的大孔隙占據(jù)了全部孔隙面積的75%，數(shù)量百分比則上升至56.2%。不難看出，隨著注水開發(fā)的進(jìn)行，一部分小孔隙存在向大孔隙轉(zhuǎn)化的趨勢。

圖4 鑄體圖像分析孔徑組成累計面積含量圖

5.2 喉道大小的變化特征

基于壓汞測量結(jié)果，從 H12-20井到 HJ1井，沙三中8儲集層砂巖的平均喉道直徑由 3.8 μm 變?yōu)?4.7 μm；中值由4.6 μm變?yōu)?.1 μm。從喉道分布的標(biāo)準(zhǔn)差、偏態(tài)和峰態(tài)來看，除標(biāo)準(zhǔn)差從3.34降低至3.16外，偏態(tài)和峰態(tài)均有不同程度增加，表明注水開發(fā)后，砂巖喉道大小分選程度降低，喉道大小的分散程度增加，非均質(zhì)性增強(qiáng)。

如果進(jìn)行分段處理，大喉道直徑（大于3 μm）段和小喉道直徑（小于等于3 μm）段平均汞飽和度與喉道直徑的關(guān)系區(qū)別明顯，擬合方程分別如下。

①喉道直徑大于3 μm段

式中 SHg——平均汞飽和度，%；d——喉道直徑，μm；R2——復(fù)相關(guān)系數(shù)。

對比（1）式和（2）式，HJ1井?dāng)M合方程的斜率大于H12-20井，說明在喉道直徑大于3 μm時，同一喉道直徑級別的分布頻率更高；由（3）式和（4）式可見，當(dāng)喉道直徑小于等于3 μm時，HJ1井?dāng)M合方程的斜率小于H12-20井，說明HJ1井同一喉道直徑級別的分布頻率小，注水后小喉道的分布頻率降低，非均質(zhì)性增強(qiáng)。

5.3 退出效率的變化特征

退出效率是研究孔喉非均質(zhì)性的重要參數(shù)，退出效率越高，驅(qū)油效率越高；退出效率越低，油層孔喉非均質(zhì)性越嚴(yán)重，水驅(qū)油效果越差[15]。統(tǒng)計結(jié)果表明，沙三中8儲集層的退出效率由H12-20井的 24.77%下降為HJ1井的20.54%，降低幅度為17.08%。儲集層樣品退出效率的高低與樣品孔隙、喉道直徑比值密切相關(guān)，比值越大，即孔喉直徑的差值越大，退出效率就越低[15]。注水前H12-20井孔隙與喉道直徑比值為14.62；注水后的HJ1井為16.39，表明注水開發(fā)過程中，盡管孔隙和喉道的平均直徑均在增大，但由于前者孔隙的增加幅度大于后者，從而造成孔隙與喉道比值的增大及退出效率的降低。

5.4 可流動孔喉直徑的變化特征

注水開發(fā)前H12-20井沙三中8儲集層的可流動孔喉直徑下限為 0.027 μm，對應(yīng)的汞飽和度平均值為71.22%；注水開發(fā)后的HJ1井的可流動孔喉直徑下限為0.418 μm，汞飽和度平均值為76.07%?？梢娮⑺箮r石可流動孔喉直徑下限提高，即注水后巖石中流體流動的主孔喉向大孔喉方向變化，而且流動主孔喉控制的孔隙體積略有增加，其結(jié)果必然導(dǎo)致巖石滲透率的進(jìn)一步提高。H12-20井和HJ1井沙三中8儲集層的滲透率和最小可流動孔喉直徑具良好的相關(guān)性，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.943 4（見圖5），說明可流動孔喉直徑變大是造成滲透率增大的主要原因。

圖5 H12-20井和HJ1井沙三中8儲集層水平滲透率（Kh）和最小可流動孔喉直徑（dmin）的關(guān)系

喉道直徑中值和最小可流動孔喉直徑具有良好的對數(shù)關(guān)系（見圖 6），隨著樣品喉道直徑中值的增加，可流動孔喉直徑的下限值也隨之提高。注水對巖石孔隙結(jié)構(gòu)的影響是非均勻的，原本孔喉較大的高滲透率巖石受注入水的影響更大，其孔喉變得更大，而原本滲透率低的巖石，其受注入水影響相對較小，孔喉變化小或沒有變化，從而加劇了儲集層內(nèi)部非均質(zhì)性。

圖6 儲集層喉道直徑中值（dmid）和最小可流動孔喉直徑關(guān)系圖

6 主要物性參數(shù)的變化特征

6.1 總體變化特征

H12-20井和HJ1井的孔隙度、滲透率、巖石密度和碳酸鹽含量等分析數(shù)據(jù)（見表3）表明，注水開發(fā)使儲集層有效孔隙度呈總體略下降的趨勢，降幅為4.63%；儲集層滲透率略有增大，增大幅度為8.93%；儲集層巖石密度和碳酸鹽含量降幅分別為 1.85%和5.95%，這說明儲集層總體物性的變好與雜基、黏土礦物顆粒和碳酸鹽顆粒的遷出有關(guān)。

表3 注水前后儲集層主要物性參數(shù)變化統(tǒng)計表

6.2 縱向不同層的物性變化特征及認(rèn)識

對比H12-20與HJ1井，在注水開發(fā)使儲集層有效孔隙度降低，而平均滲透率上升的背景下（見圖7a），儲集層不同部位的物性變化具有一定差異。將大孔道發(fā)育部位與不發(fā)育部位樣品數(shù)據(jù)分開研究發(fā)現(xiàn)，造成以上儲集層物性總體變化特征的原因是大孔道發(fā)育部位的孔滲性大幅度提高而大孔道不發(fā)育部位的孔滲性降低（見圖7b、圖7c）。

圖7 H12-20與HJ1井孔隙度-滲透率相關(guān)關(guān)系圖

從不同小層物性指標(biāo)變化來看，其變化趨勢與原始儲集層物性的相對好壞密切相關(guān)。注水開發(fā)過程中儲集層物性的變化具有3個主要特點：①孔喉直徑大、物性好的原始儲集層表現(xiàn)出孔隙度、滲透率明顯變大和巖石密度明顯變小的特點，單井縱向研究發(fā)現(xiàn)這種變化僅存在于部分層段，這部分層段與優(yōu)勢滲流通道相對應(yīng)，表明優(yōu)勢滲流通道對原始物性較好的儲集層影響明顯，同時也說明優(yōu)勢滲流通道在原始物性較好的儲集層中的發(fā)育具有縱向非均勻局部分布的特點；②孔喉直徑和物性中等的原始儲集層在注水開發(fā)過程中，被傷害和被改良的程度基本相近，致使該類儲集層的主要物性指標(biāo)沒有發(fā)生明顯變化；③孔喉直徑較小、物性較差的原始儲集層在注水開發(fā)過程中，被傷害程度大于被改良的程度，因而其主要物性指標(biāo)均逐漸變小。總體上，注水開發(fā)過程中，儲集層間的這種變化呈現(xiàn)出了明顯的“馬太效應(yīng)”。

7 結(jié)論

在胡狀集油田胡12塊注水開發(fā)過程中，注入水的酸性介質(zhì)條件對碎屑組分中的長石類礦物影響較大，其中以斜長石的溶解較強(qiáng)。注水沖刷作用造成了儲集層泥質(zhì)礦物總量的降低和粉砂—極細(xì)砂級石英顆粒的缺失，進(jìn)一步分析表明，細(xì)顆粒的缺失主要發(fā)生在物性較好且優(yōu)勢滲流通道較發(fā)育的層段。

對黏土礦物而言，注水過程中，相對含量減少的組分為綠泥石和伊利石，以綠泥石減少最為顯著，相對含量增加的組分分別為高嶺石和伊/蒙混層，這與長石溶解過程中有高嶺石析出和這兩類礦物多位于細(xì)小孔喉，難于被注入水波及有關(guān)。

注水開發(fā)一方面造成了相對較大喉道的增多，改善了儲集層的滲濾條件，另一方面，也使喉道分選程度降低，加劇了儲集層微觀非均質(zhì)性。

注水開發(fā)致使儲集層平均有效孔隙度略有下降，但平均有效滲透率呈上升態(tài)勢，原始物性不同的儲集層注水后物性變化呈現(xiàn)出明顯的“馬太效應(yīng)”。

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