黃 興, 高 輝, 竇亮彬

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西西安 710065; 2.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室,陜西西安 710065)

致密砂巖儲層具有孔喉細(xì)小、微小原生孔隙及次生孔隙比重高、微裂縫發(fā)育、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征[1-3],導(dǎo)致其注水開發(fā)難度較大,水驅(qū)采收率較低。在開發(fā)過程中,許多宏觀生產(chǎn)規(guī)律及儲層的滲流特征均是儲層微觀結(jié)構(gòu)和孔隙尺度下各相流體運移的綜合反映,即儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及流體性質(zhì)是根本,而宏觀特征只是表象[4-7]。近幾年,隨著電子顯微鏡在石油行業(yè)中的不斷應(yīng)用[8-9],越來越多的學(xué)者逐漸認(rèn)識到微觀孔隙結(jié)構(gòu)與水驅(qū)油特征的關(guān)系,認(rèn)為儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對水驅(qū)油特征有重大影響[10-11],孔喉半徑更能反映致密儲層的驅(qū)油效率與滲流特征,用微觀孔隙結(jié)構(gòu)劃分出的儲層類型與驅(qū)油效率之間的關(guān)系會更加準(zhǔn)確。鄂爾多斯盆地延長組自上而下劃分為10個油層組,其中長8油層是姬塬油田勘探開發(fā)的主力油層組。由于儲層在沉積過程中受到壓實、成巖等作用,導(dǎo)致目標(biāo)儲層巖石致密,并發(fā)育有大量的微、納米級孔喉,孔隙度為1.35%～11.54%,滲透率為(0.1～2.5)×10-3μm2,屬于致密砂巖儲層。復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征又進(jìn)一步導(dǎo)致流體在孔喉內(nèi)的滲流及分布變得復(fù)雜,直接制約了長8油層組的勘探開發(fā)。為了精細(xì)描述不同孔隙結(jié)構(gòu)類型下的水驅(qū)油特征,筆者在鑄體薄片分析、高壓壓汞測試、掃描電鏡和核磁共振測試等試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,篩選出11個特征參數(shù),建立目標(biāo)儲層的孔隙結(jié)構(gòu)分類評價標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合真實砂巖微觀模型水驅(qū)油試驗對不同類型儲層的水驅(qū)油滲流特征進(jìn)行研究,并對微觀水驅(qū)油效率的主要影響因素進(jìn)行分析。

1 儲層巖石學(xué)特征

研究區(qū)長8儲層主要為細(xì)—中粒巖屑質(zhì)長石砂巖、長石砂巖,其次為長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑砂巖,主要碎屑組分由石英、長石、巖屑構(gòu)成,其中石英體積分?jǐn)?shù)為19.3%～45.5%,長石體積分?jǐn)?shù)為22.5%～47%,巖屑體積分?jǐn)?shù)為6%～58%。長8儲層以細(xì)砂為主,碎屑顆粒呈次棱—次圓狀,分選中等—好,顆粒支撐以點接觸為主,其次為線接觸,砂巖均粒徑在0.1～0.4 mm,成分成熟度低,結(jié)構(gòu)成熟度偏高,成巖作用較為強烈。填隙物含量較少,但類型多樣,主要包括高嶺石(3.2%)、綠泥石(3.4%)、水云母(2.8%)、方解石(2.3%)、鐵方解石(3.7%)和白云石(2.5%)等。

2 儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及分類

2.1 儲集空間類型

根據(jù)鑄體薄片分析和掃描電鏡圖像可知,研究區(qū)長8儲層孔隙包括原生孔隙和次生孔隙,其中原生孔隙是主要的孔隙類型。原生孔隙主要為殘余粒間原始孔隙(圖1(c),面孔率平均值為4.54%),即綠泥石黏土環(huán)邊生長增強了顆粒的抗壓實能力,使原生孔隙得以較好地保存而形成的,形狀多為不規(guī)則狀、三角狀或多邊狀,孔徑為10～250 μm。次生孔隙包括粒間溶孔(圖1(a)、(b))、粒內(nèi)溶孔、巖屑溶孔及少量微裂縫,面孔率為0～17%(平均為3.4%),平均孔徑為46 μm,其中粒間孔、長石溶孔構(gòu)成了主要的儲集空間。儲層孔隙內(nèi)會被膠結(jié)礦物和雜基物充填,常見高嶺石呈鱗片狀充填顆粒之間(圖1(d))、綠泥石呈薄膜狀充填孔隙中,孔隙配位程度較差,連通程度一般。

圖1 研究區(qū)長8儲層孔隙類型Fig.1 Pore types of Chang 8 reservoir in study area

2.2 喉道類型

喉道是連通兩個孔隙之間的橋梁,每個孔隙可以有多個喉道與之相連。巖石顆粒的接觸關(guān)系、膠結(jié)類型以及顆粒本身的形狀和大小決定了喉道的大小和形態(tài)[12-13]。研究區(qū)長8儲層的喉道類型主要包括孔隙縮小型喉道(圖2(a))、縮頸型喉道(圖2(b))、彎片狀喉道(圖2(c))和管束狀喉道(圖2(d)),其中以彎片狀喉道為主。彎片狀喉道和管束狀喉道的儲層物性差、孔隙儲集空間小,主要呈狹長彎曲的狀態(tài)分布于顆粒之間,有時喉道甚至為堵塞狀態(tài)。孔隙縮小型喉道具有孔隙大、喉道粗的特點,此類喉道連通性和滲流能力較強,但在研究區(qū)出現(xiàn)較少。縮頸型喉道是巖石顆粒經(jīng)歷壓實以后,具有孔隙大、喉道窄的特點,常見于顆粒支持和點接觸方式。

圖2 研究區(qū)長8段典型巖樣鑄體薄片圖像Fig.2 Compact cast images of typical core samples of Chang 8 reservoir in study area

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)類型及特征

根據(jù)高壓壓汞和核磁共振測試結(jié)果,輔以鑄體薄片分析和掃描電鏡方法,對研究區(qū)長8儲層的43塊巖心樣品進(jìn)行分析,選取孔隙度、滲透率、可動流體飽和度、可動流體孔隙度、排驅(qū)壓力、中值壓力、分選系數(shù)、孔喉半徑、最大進(jìn)汞飽和度、孔喉組合以及孔隙類型11個參數(shù)作為儲層評價的特征參數(shù)[14-15],建立姬塬油田長8儲層孔隙結(jié)構(gòu)的分類評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)。根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn),姬塬油田長8儲層孔隙結(jié)構(gòu)可以劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3類。

(1)Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)。這類儲層是3種類型中物性最好的儲層,此類儲層的T2譜形態(tài)主要為雙峰,兩峰清晰分開,且基本對稱,可動流體飽和度飽和度超過62.5%。Ⅰ類儲層對研究區(qū)長8儲層的儲集空間和滲流能力有很大貢獻(xiàn),主要分布于水下分流河道的中心部位,但此類儲層占比較低(43塊樣品中有8塊屬于這一類型,占比18.6%)。Ⅰ類儲層中最有代表性的為20號樣品,如圖3(a)、(b)所示。

(2)Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)。此類儲層物性相比Ⅰ類偏差,T2譜形態(tài)主要為雙峰,但束縛流體峰明顯高于可動流體峰,有較為明顯的斜坡段,可動流體飽和度為41.4%～62.5%。此類儲層一般分布于與水下分流河道中心相連的河道邊部,占比較大(46.5%),是下一步勘探開發(fā)的主要類型。Ⅱ類儲層中最有代表性的為1號樣品,如圖3(a)、(c)所示。

(3)Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)。此類儲層物性最差,T2譜形態(tài)主要為束縛流體峰明顯的單峰形態(tài),表明此類儲層小孔喉含量多,連通性差,束縛流體含量大。此類儲層一般分布于水下分流河道與分流間灣的過渡帶或分流間灣處,占比相對較大(35%)。Ⅲ類儲層中最有代表性的為36號樣品,如圖3(a)、(d)所示。

表1 研究區(qū)長8儲層孔隙結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)

注:表中數(shù)據(jù)分子表示取值范圍,分母為平均值。

圖3 不同類型儲層典型樣品的壓汞曲線和核磁共振T2譜分布Fig.3 Mercury injection curves and NMR T2 spectra of typical samples under different reservoir types

3 水驅(qū)油特征及影響因素

3.1 真實砂巖微觀模型制備

選取姬塬油田長8儲層不同類型孔隙結(jié)構(gòu)的儲層進(jìn)行取樣,取樣的巖心多選自于水下分流河道,部分選自水下天然堤微相。將巖心模型樣品進(jìn)行洗油、烘干、切片、磨片等工序后粘結(jié)在兩塊有機(jī)玻璃板之間,制作成微觀模型。模型尺寸為25.5 mm×25.5 mm×0.7 mm,最大承壓為0.5 MPa,最高試驗溫度為80 ℃。本次試驗共制作長8儲層微觀巖心模型11塊,通過引入模糊綜合評判法(原理及方法參見文獻(xiàn)[16]～[18]),對11塊模型的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價并分類,孔隙度為4.59%～9.23%,滲透率為(0.06～0.51)×10-3μm2,可動流體飽和度為9.7%～75.7%,可動流體孔隙度為1.2%～8.5%,具體參數(shù)及分類如表2所示。

表2 真實砂巖微觀模型水驅(qū)油試驗結(jié)果

3.2 試驗樣品及步驟

試驗中所用模擬油為地面脫氣原油與煤油按1∶1比例配制而成,黏度為2.5 mPa·s。所用注入水為根據(jù)實際地層水分析資料配制的等礦化度的模擬地層水,礦化度為2 700 mg/L,黏度為0.98 mPa·s。為了便于觀測,在模擬油中加入少量油溶紅,在模擬地層水中加入少量甲基藍(lán)。

試驗步驟:①模型抽真空后飽和模擬地層水,計算每塊模型的孔隙體積;②測量飽和水狀態(tài)下模型的滲透率,每塊模型測量3次取平均值;③全視域和局部視域掃描飽和水后的模型,確定模型的原始含水飽和度;④油驅(qū)水(即飽和油過程)至每塊模型采出端不出水為止,對每塊模型進(jìn)行全視域和局部視域掃描、拍照,統(tǒng)計原始含油飽和度;⑤水驅(qū)油試驗,先逐漸加壓確定模型水驅(qū)油時的啟動壓力,然后開始注水驅(qū)替,統(tǒng)計模型在不同注入倍數(shù)和不同壓力下的殘余油飽和度,驅(qū)替過程中對每塊模型進(jìn)行全視域和局部視域掃描、拍照。

3.3 試驗結(jié)果分析

通過對3種不同類型的儲層分別開展真實巖心微觀水驅(qū)試驗,可以獲得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲層所對應(yīng)的驅(qū)油效率(表2),11塊微觀模型最終平均驅(qū)油效率為34.99%,且隨著儲層孔隙結(jié)構(gòu)的變差,驅(qū)油效率逐漸降低。通過觀察注水過程中水驅(qū)油的驅(qū)替類型,可以分為均勻驅(qū)替(圖4(a))、網(wǎng)狀驅(qū)替(圖4(b))、樹枝狀驅(qū)替(圖4(c))和蛇狀驅(qū)替(圖4(d))4類[18-19],4種驅(qū)替類型對應(yīng)的驅(qū)油效果依次變差。

3.3.1 Ⅰ類儲層水驅(qū)油特征

Ⅰ類儲層水驅(qū)油試驗中包含2塊砂巖模型。此類儲層在無水期的平均驅(qū)油效率為22.54%,驅(qū)替類型以均勻驅(qū)替和網(wǎng)狀驅(qū)替為主;最終期的平均驅(qū)油效率為49.28%,驅(qū)替類型以均勻驅(qū)替為主。在水注入過程中水相會在較小壓力下均勻進(jìn)入各個孔隙和喉道中驅(qū)替原油,驅(qū)替前緣幾乎平行推進(jìn),無明顯高滲通道,注水波及面積逐漸增大,驅(qū)替效率高。由于此類儲層物性較好,孔喉半徑大,水相會從孔隙中部進(jìn)入,進(jìn)而向四周擠壓、排走原油,殘余油主要以油膜的形式附著在孔喉表面(圖4(a))。

3.3.2 Ⅱ類儲層水驅(qū)油特征

Ⅱ類儲層水驅(qū)油試驗中包含6塊砂巖模型。此類儲層在無水期的平均驅(qū)油效率為17.85%,驅(qū)替類型包含了網(wǎng)狀驅(qū)替和樹枝狀驅(qū)替;由于孔喉結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,大小孔喉交錯分布,水相會優(yōu)先選擇進(jìn)入大孔隙和阻力相對小的喉道中,出現(xiàn)指進(jìn)現(xiàn)象。最終期的平均驅(qū)油效率為35.63%,驅(qū)替類型則包括均勻驅(qū)替、網(wǎng)狀驅(qū)替和樹枝狀驅(qū)替;因為在驅(qū)替后期,隨著注水壓力的不斷升高,水相能夠進(jìn)入原來一些阻力較大的小孔喉,逐漸形成了網(wǎng)狀滲流通道,而孔喉連通性較好的模型到后期則能形成均勻驅(qū)替。由于此類儲層孔喉結(jié)構(gòu)及分布特征較為復(fù)雜,導(dǎo)致大小孔喉中的驅(qū)替速度存在差異,如果大孔喉中的驅(qū)替速度快于小孔喉,則會出現(xiàn)小孔喉中驅(qū)出的油被大孔喉中的水捕捉,形成水鎖現(xiàn)象[19-21]。如果小孔喉中的驅(qū)替速度快于大孔喉,則會出現(xiàn)大孔喉中的油被小孔喉中的水分割包圍,形成油滴。殘余油類型主要為水鎖型(圖4(b))和油滴型(圖4(c))。

3.3.3 Ⅲ類儲層水驅(qū)油特征

Ⅲ類儲層水驅(qū)油試驗中包含3塊砂巖模型。此類儲層在無水期的平均驅(qū)油效率為12.69%,驅(qū)替類型以樹枝狀驅(qū)替和蛇狀驅(qū)替為主,由于儲層物性和連通性差,水在高壓下只能進(jìn)入少數(shù)孔喉,呈現(xiàn)出單向指進(jìn)現(xiàn)象,注水波及面積分散。最終期的平均驅(qū)油效率僅為24.17%,遠(yuǎn)低于I、II類儲層;驅(qū)替類型主要為樹枝狀驅(qū)替。由于此類儲層孔喉半徑小,且孔喉堵塞率較高,導(dǎo)致注水波及面積窄,易于形成連片狀殘余油(圖4(d))。

圖4 姬塬油田長8儲層水驅(qū)油驅(qū)替類型和殘余油分布(紅色為油、藍(lán)色為水)Fig.4 Displacement type and residual oil distribution of Chang 8 reservoir in Jiyuan Oilfield(red for oil, blue for water)

3.4 驅(qū)油效率的影響因素

3.4.1 儲層物性

驅(qū)油效率與孔隙度、滲透率的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知,最終驅(qū)替效率與孔隙度的相關(guān)性較差,而與滲透率的相關(guān)性較好。這因為某些孔隙度大的儲層會出現(xiàn)死孔隙或連通孔隙的微小孔喉被黏土礦物阻擋和堵塞的現(xiàn)象,導(dǎo)致連通性變差,驅(qū)油效率低下,而滲透率則是表征喉道粗細(xì)、連通率的主要參數(shù)。

圖5 驅(qū)油效率與孔隙度、滲透率的關(guān)系Fig.5 Relationship between oil displacement efficiency and porosity, permeability

3.4.2 可動流體參數(shù)

可動流體參數(shù)能反映整個孔隙空間中可動流體量及孔喉的相對大小,尤其是固體表面對流體的束縛作用,也是孔隙結(jié)構(gòu)對流體滲流阻力的一種體現(xiàn)方式[22-24]。驅(qū)油效率與可動流體參數(shù)的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知,驅(qū)油效率與可動流體飽和度和可動流體有效孔隙度的相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)R2超過0.8。說明可動流體參數(shù)越高,孔喉的連通性越好,有效儲集空間越大,可動用原油比例越高。因此相比于孔隙度和滲透率,可動流體參數(shù)更能反映出致密儲層的物性好壞及其滲流特征。

圖6 驅(qū)油效率與可動流體參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between oil displacement efficiency and mobile fluid parameters

3.4.3 黏土礦物

典型巖樣X-射線衍射黏土礦物分析結(jié)果見表3。由表3可知,黏土礦物絕對含量的不斷增大會導(dǎo)致最終驅(qū)油效率明顯降低,這是因為黏土礦物的存在容易增大巖石顆粒的比表面,使孔喉表面變得粗糙,增大孔壁與原油間的作用力,造成注水壓力升高,原油不易從孔壁剝離。此外,由于孔隙、喉道被黏土礦物填充,容易減小孔隙空間或堵塞喉道,進(jìn)一步造成水驅(qū)油效率降低。目標(biāo)儲層中綠泥石的賦存狀態(tài)包括2種類型[25-26],一種以孔隙襯邊方式產(chǎn)出的黏土膜,一種作為填隙物充填于孔隙中間。以Y35-98井13號為例巖樣中黏土礦物絕對含量為13.7%,其中綠泥石相對含量達(dá)到64.6%,根據(jù)掃描電鏡圖像顯示顆粒表面大量賦存有葉片狀綠泥石。Y34-85井28號巖樣中黏土礦物絕對含量為11.2%,伊利石相對含量為28.18%,綠泥石相對含量為39.8%,綠泥石大量填充在顆粒之間,長石表面也賦存有大量的片狀伊利石。此外,由于含鐵礦物溶蝕生成的鐵、鎂離子為高嶺石轉(zhuǎn)化為綠泥石提供了必要的物質(zhì)條件,生成的針葉狀綠泥石會填充、分割孔隙,減小孔隙儲集空間和喉道半徑,降低孔隙間的連通性,甚至?xí)氯缀?形成死孔隙或死喉道,進(jìn)而導(dǎo)致13號和28號巖樣的微觀驅(qū)油效率僅為20.78%和28.18%。

表3 典型巖樣X-射線衍射黏土礦物分析結(jié)果

3.4.4 注水體積倍數(shù)

根據(jù)11塊樣品微觀驅(qū)替結(jié)果可知,所有模型在無水期的平均驅(qū)油效率為17.29%。當(dāng)采出端見水后繼續(xù)注水1Vp(Vp為孔隙體積)后測得所有模型的中期平均驅(qū)油效率為30.47%。然后繼續(xù)注水至采出端不出油為止,所有模型的最終平均驅(qū)油效率為34.99%。由此可知,注水體積倍數(shù)與驅(qū)油效率成正比,但隨著注水體積倍數(shù)的增大,驅(qū)油效率增加幅度卻不斷降低。這說明驅(qū)油效率上升較快的時間為無水采油期和見水初期,而越到驅(qū)替后期,驅(qū)油效率增長速度越慢。這是因為模型采出端見水后,后續(xù)注入的水會沿著原有的滲流通道繼續(xù)流動,不會進(jìn)入滲流阻力較高的孔喉,出現(xiàn)無效水循環(huán)現(xiàn)象,導(dǎo)致驅(qū)替效率不變。

4 結(jié) 論

(1)姬塬油田長8儲層巖石類型主要為細(xì)—中粒巖屑質(zhì)長石砂巖和長石砂巖,主要碎屑組分由石英、長石、巖屑構(gòu)成,填隙物含量較少,砂巖成熟度較低,屬于低能量、近物源環(huán)境的產(chǎn)物;儲集空間以粒間孔和長石溶孔為主,喉道類型以彎片狀喉道為主。

(2)引入模糊綜合評判法建立研究區(qū)長8儲層孔隙結(jié)構(gòu)分類評價標(biāo)準(zhǔn),將目標(biāo)儲層劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3種類型,其對應(yīng)的儲集性能和滲流能力依次降低,其中Ⅱ類儲層是后續(xù)勘探開發(fā)的重點類型。

(3)姬塬油田長8儲層中的I類儲層驅(qū)油效率最高,以均勻和網(wǎng)狀驅(qū)替為主,殘余油以油膜型為主;Ⅱ類儲層驅(qū)油效率次之,以網(wǎng)狀和樹枝狀驅(qū)替為主,殘余油以水鎖型和油滴型為主;Ⅱ類儲層驅(qū)油效率最差,以蛇狀驅(qū)替為主,水驅(qū)后易于形成連片狀殘余油分布。

(4)姬塬油田長8儲層的驅(qū)油效率與滲透率、可動流體參數(shù)的相關(guān)性較好,與孔隙度相關(guān)性較差;可動流體參數(shù)更能反映出致密儲層的物性好壞及其滲流特征。黏土礦物易于充填孔隙、堵塞喉道,造成孔喉連通性變差;注水倍數(shù)對驅(qū)油效率的影響隨著含水率的上升而減弱。