戴儀心, 郭和坤, 李海波, 曾慶橋, 孟立新, 王睿思, 孟 煥, 高鐵寧

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院， 北京 100049； 2.中國(guó)科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所， 廊坊 065007； 3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院， 廊坊 065007； 4.華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院， 任丘 062552； 5.大港油田勘探開(kāi)發(fā)研究院， 大港 300280)

氣水交替注入方案由兩項(xiàng)傳統(tǒng)的水驅(qū)和氣驅(qū)采油技術(shù)組成，是二次采油和三次采油中頗具潛力的一種方法[1]。文獻(xiàn)[2]記載該技術(shù)最早應(yīng)用于1957年加拿大阿爾伯塔省(Alberta)的北帕木宓納(North Pembina)油田，1962年Seelington第一個(gè)將氣水同時(shí)注入應(yīng)用于礦場(chǎng)實(shí)踐[3]，到21世紀(jì)氣水交替注入在外國(guó)已經(jīng)成為一種成熟的技術(shù)，特別是在低滲透油藏開(kāi)發(fā)中應(yīng)用更為廣泛[2]。

華北潛山油藏滲透率分布范圍跨度大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性很強(qiáng)，氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律及氣水交替提高采出程度的定量研究對(duì)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)潛力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

氣水交替注入技術(shù)的應(yīng)用主要集中在美國(guó)、加拿大以及蘇聯(lián)[4]，中國(guó)注氣開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚，大部分屬于先導(dǎo)試驗(yàn)，但也取得了一些進(jìn)展[4-8]?，F(xiàn)有中外研究表明，氣水交替驅(qū)可明顯提高注水波及效率，減緩氣竄的影響，提高油田的采收率。在氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律方面，前人的研究包括氣驅(qū)時(shí)孔喉間的原油動(dòng)用情況[9-10]，孔喉間的氣體流動(dòng)規(guī)律[11]等機(jī)理研究，以及不同開(kāi)采方式提高致密巖心[12-14]及含裂縫巖心[15-16]采收率的方法研究。現(xiàn)有孔喉微觀(guān)表征技術(shù)種類(lèi)很多[17]，而從微觀(guān)角度對(duì)含裂縫致密巖心進(jìn)行定量分析的研究較少。在氣水交替方面，現(xiàn)有研究多側(cè)重于某一油田的開(kāi)發(fā)方式優(yōu)選、氣水交替驅(qū)提高采收率可行性研究、注入?yún)?shù)優(yōu)化及注入能力變化規(guī)律等[18-27]方面的研究，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采油田，對(duì)于氣水交替提高采收率機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和理論研究較少[15-16]。張本艷等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量分析了低滲儲(chǔ)層巖心，在氣水交替時(shí)大、中、小孔隙的原油動(dòng)用率，未對(duì)致密巖心進(jìn)行研究；胡偉等[11]用(computed tomography, CT)技術(shù)研究后發(fā)現(xiàn)氣水交替注入能在一定程度上抑制氣竄，不能實(shí)現(xiàn)大小孔隙定量分析；秦正山等通過(guò)對(duì)模擬巖心進(jìn)行氣水交替后，發(fā)現(xiàn)水在孔隙中的束縛狀態(tài)是一個(gè)不斷打破不斷重建的動(dòng)態(tài)過(guò)程[18]，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)孔隙內(nèi)的定量分析。這些研究均未從微觀(guān)孔隙的角度對(duì)含裂縫致密巖心的氣水交替進(jìn)行定量分析。因此本研究針對(duì)華北潛山油藏巖心，對(duì)不同孔隙結(jié)構(gòu)巖心進(jìn)行不同壓力的常規(guī)氣驅(qū)及氣水交替實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)階段的巖心T2譜和驅(qū)出油百分?jǐn)?shù)，概述不同滲透率儲(chǔ)層巖心氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律，定量分析氣水交替采油機(jī)理，以期為含裂縫致密油藏利用氣水交替技術(shù)提高采收率提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)巖心資料

雁翎油田位于冀中饒陽(yáng)坳陷中部，屬于以白云巖為主的碳酸鹽巖古潛山油藏[28]。該油田于1977年10月發(fā)現(xiàn)，同年11月投入開(kāi)發(fā)，1978年2月起即開(kāi)始以在油水界面以下邊部注水的方式水驅(qū)開(kāi)采[29]。其中雁翎潛山霧迷山地層具有非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，儲(chǔ)集巖種類(lèi)繁多，承壓能力低等特點(diǎn)[28-30]。本研究選取華北油田雁翎潛山油藏某井霧迷山地層6塊巖心，如圖1所示，開(kāi)展不同滲透率儲(chǔ)層巖心的氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律以及氣水交替采油機(jī)理定量研究，6塊巖心的物性參數(shù)如表1所示。氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律研究實(shí)驗(yàn)共6塊巖心，氣測(cè)孔隙度范圍為0.209%～4.775%，平均為1.94%，氣測(cè)滲透率為0.000 067×10-3μm2，波浪線(xiàn)109.94×10-3μm2，平均為20.559×10-3μm2。氣水交替采油機(jī)理定量研究實(shí)驗(yàn)共5塊巖心，氣測(cè)滲透率范圍為0.209%～4.775%，平均為1.82%，氣測(cè)滲透率為0.000 067×10-3～6.71×10-3μm2，平均為2.68×10-3μm2。實(shí)驗(yàn)用油為航空煤油，溫度25 ℃時(shí)黏度為2.65 mPa·s，實(shí)驗(yàn)用水礦化度為20 000×10-6的重水。

圖1 華北雁翎潛山采樣圖Fig.1 Sampling map of Yanling buried hill in North China

表1 華北潛山6塊致密油儲(chǔ)層巖心物性參數(shù)

2 核磁共振實(shí)驗(yàn)原理

核磁共振光譜是用頻率為兆赫數(shù)量級(jí)的、波長(zhǎng)很長(zhǎng)、能量很低的電磁波照射分子，這種電磁波能與暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁性核相互作用，引起磁性核在外磁場(chǎng)中發(fā)生磁能級(jí)的共振躍遷而產(chǎn)生吸收信號(hào)。這種核對(duì)射頻區(qū)電磁波的吸收稱(chēng)為核磁共振光譜。

本研究中的核磁共振設(shè)備(圖2)能通過(guò)檢測(cè)巖心內(nèi)部流體H(氕)元素的核磁共振T2譜，分析核磁弛豫時(shí)間的長(zhǎng)短及核磁信號(hào)量的大小，得到不同實(shí)驗(yàn)條件下的巖心中的含油(水)量。小孔隙內(nèi)的流體(或大孔隙中與固體表面緊密接觸的流體)的核磁橫向弛豫時(shí)間較小，反之大孔隙內(nèi)的流體(與固體表面接觸不緊密的流體)的核磁橫向弛豫時(shí)間較大；核磁信號(hào)量越大說(shuō)明這種類(lèi)型的流體越多，反之信號(hào)量越小說(shuō)明對(duì)應(yīng)的這種流體越少[31]。

圖2 核磁共振設(shè)備Fig.2 Nuclear magnetic resonance equipment

巖心中只有油和水(氕)的信號(hào)量能被檢測(cè)到，重水(氘)的信號(hào)量無(wú)法被檢測(cè)到。因此實(shí)驗(yàn)中的核磁共振T2譜僅反映巖心中油的分布情況。

3 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

(1)巖心標(biāo)號(hào)、洗油、烘干、稱(chēng)重。

(2)對(duì)每塊巖心進(jìn)行氣測(cè)孔隙度、氣測(cè)滲透率測(cè)量。

(3)將6塊巖心放入抽真空加壓飽和裝置，加壓飽和煤油，使巖心處于飽和油狀態(tài)。

(4)稱(chēng)重，對(duì)每塊巖心進(jìn)行核磁共振T2譜測(cè)量，記錄6塊巖心飽和油狀態(tài)下的重量及在不同孔隙的油相分布情況。

(5)將巖心放入驅(qū)替設(shè)備(圖3)，在不同壓力下對(duì)6塊巖心進(jìn)行氮?dú)怛?qū)油實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替壓力分別為0.056、0.1、0.54、1.05、3.6 MPa，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持凈圍壓為2 MPa。在不同驅(qū)替壓力實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)巖心驅(qū)替至沒(méi)有油產(chǎn)出時(shí)，對(duì)每塊巖心進(jìn)行稱(chēng)重、核磁共振T2譜測(cè)量，記錄當(dāng)下巖心的質(zhì)量及這種驅(qū)替壓力下油相在巖心孔隙中的分布情況。

圖3 巖心驅(qū)替設(shè)備Fig.3 Core displacement equipment

(6)選取氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)的6塊巖心中的1-5號(hào)巖心進(jìn)行氣水交替實(shí)驗(yàn)。

(7)將氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)后的1～5號(hào)巖心置于礦化度為20 000×10-6的重水中浸泡24 h滲吸，對(duì)浸泡后的5塊巖心進(jìn)行稱(chēng)重，同時(shí)測(cè)試其核磁共振T2譜，記錄5塊巖心滲吸后的重量及油相在不同孔隙中的分布情況。

(8)將滲吸后的5塊巖心再次分別裝入驅(qū)替設(shè)備，以2.6 MPa的壓力對(duì)每塊巖心進(jìn)行氮?dú)怛?qū)替實(shí)驗(yàn)。

(9)驅(qū)替后將設(shè)備中的5塊巖心取出，稱(chēng)重，并測(cè)試巖心滲吸后氣驅(qū)的核磁共振T2譜，記錄5塊巖心最終的重量及氣水交替后油相在不同孔隙中的分布情況。

(10)對(duì)比巖心在不同實(shí)驗(yàn)階段的T2譜弛豫圖，觀(guān)察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油相在孔隙中的分布變化，最終進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及總結(jié)。

4 不同滲透率儲(chǔ)層巖心氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律

以6塊巖心中的4號(hào)巖心與6號(hào)巖心為例，分析不同滲透率儲(chǔ)層氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律。依表1可知，4號(hào)是不含裂縫巖心，巖心孔隙度為1.2%，滲透率為0.47×10-3μm2，物性較好；6號(hào)巖心是含裂縫巖心，孔隙度為2.53%，滲透率為109.94×10-3μm2。圖4為4號(hào)與6號(hào)巖心在不同驅(qū)替壓力下進(jìn)行氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)后的核磁共振T2譜，圖5為4號(hào)與6號(hào)巖心不同驅(qū)替壓力下氣驅(qū)采出程度對(duì)比。表2為6塊巖心在不同驅(qū)替壓力下氣驅(qū)及氣水交替的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從圖4(a)及圖5可以看出，相比飽和煤油，4號(hào)巖心在驅(qū)替壓力為0.056 MPa時(shí)，T2譜的右峰減小幅度較大，對(duì)應(yīng)采出程度為27.54%，采出油量較多。驅(qū)替壓力增加至0.1、0.54、1.05 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的T2譜幅度均有一定程度的降低，采出程度分別升為29.76%、35.64%、39.46%。當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到2.6 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的T2譜信號(hào)量最低，此時(shí)巖心的采出程度變?yōu)?9.05%。4號(hào)巖心最大驅(qū)替壓力與最小驅(qū)替壓力下的采出程度相差21.51%，說(shuō)明對(duì)于不含裂縫巖心，驅(qū)替壓力增加，巖心中的孔隙受到更大的驅(qū)替作用，能有效驅(qū)替出小孔隙中的可動(dòng)油，增加驅(qū)油量，所以增加驅(qū)替壓力對(duì)驅(qū)油效率的提高有一定的作用。

從圖4(b)及圖5可以看出，相比飽和煤油，6號(hào)巖心在驅(qū)替壓力為0.056 MPa時(shí)，T2譜的右峰減小幅度較大，對(duì)應(yīng)采出程度為24.61%，采出油量較多。驅(qū)替壓力增加至0.1、0.54、1.05 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的T2譜幅度降低程度較小，采出程度分別升為26.31%、30.63%、34.47%。當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到 2.6 MPa 時(shí)，對(duì)應(yīng)的T2譜信號(hào)量最低，此時(shí)巖心的采出程度變?yōu)?7.03%。6號(hào)巖心最大驅(qū)替壓力與最小驅(qū)替壓力下的采出程度相差12.48%，說(shuō)明對(duì)于裂縫巖心，高壓驅(qū)替更容易產(chǎn)生氣竄現(xiàn)象，對(duì)巖心中的基質(zhì)及小孔隙中的油很難發(fā)揮高壓驅(qū)替作用，所以增加驅(qū)替壓力對(duì)驅(qū)油效率的提高作用不明顯。

圖4 巖心在不同驅(qū)替壓力下的核磁共振T2譜Fig.4 T2 NMR spectra of core under different displacement pressures

圖5 4號(hào)與6號(hào)巖心不同驅(qū)替壓力下采出程度對(duì)比Fig.5 Comparison of recovery degree of No.4 and No.6 cores under different displacement pressures

5 定量研究氣水交替采油機(jī)理

氣水交替實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)對(duì)氣驅(qū)后的巖心進(jìn)行滲吸和再次驅(qū)替，分析巖心的T2譜信號(hào)量變化，對(duì)比實(shí)驗(yàn)各個(gè)階段采出程度的變化，定量分析氣水交替實(shí)驗(yàn)中，提高采收率的主要因素是滲吸作用還是水的“封堵”作用。滲吸作用是利用巖石的親水性，用重水置換孔隙中的油，能將小孔隙的油滲吸到大孔隙，從而更好地被驅(qū)替開(kāi)采，滲吸作用主要在“氣驅(qū)后滲吸”階段的小孔隙中發(fā)揮主要作用；而水的“封堵”作用是通過(guò)水的體積堵住大孔隙，讓高壓氣體進(jìn)入小孔隙，從而能有效地采出小孔隙中的油，主要作用于“滲吸后再氣驅(qū)”階段的小孔隙；因此可依據(jù)“氣驅(qū)后滲吸”及“滲吸后再氣驅(qū)”兩個(gè)階段的小孔隙采出程度變化，定量計(jì)算滲吸作用及水的“封堵”作用對(duì)提高采收率的影響。表2中氣水交替作用的采出程度為“泡重水2.6 MPa驅(qū)”與“2.6 MPa 驅(qū)”采出程度的變化量。從表2可以得到1～5號(hào)巖心在氣水交替不同階段的采出程度變化，5塊巖心氣水交替作用的采油效果百分?jǐn)?shù)界于5.04%～8.15%，平均為6.58%。

以3號(hào)巖心與5號(hào)巖心為例，表3為3號(hào)與5號(hào)巖心不同孔隙在氣水交替過(guò)程中采出程度變化對(duì)比，圖6為兩塊含裂縫巖心(3號(hào)及5號(hào))照片，圖7給出了3號(hào)與5號(hào)巖心在氣水交替實(shí)驗(yàn)不同階段的核磁共振T2譜。從表1可知，兩塊巖心的孔隙度分別為4.78%與2.01%，滲透率為6.71×10-3μm2與2.45×10-3μm2。從圖6可知，3號(hào)(29號(hào)樣)及5號(hào)(34號(hào)樣)均為含裂縫巖心，裂縫巖心由于存在裂縫，水的體積無(wú)法對(duì)裂縫造成封堵，氣水交替中水的“封堵”作用可能會(huì)有所下降。參閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，致密油巖心對(duì)大孔隙、中小孔隙分界線(xiàn)為T(mén)2=100 ms[31]，因此本文將以100 ms作為大小孔隙分界線(xiàn)進(jìn)行分析。

表2 6塊巖心不同驅(qū)替壓力下氣驅(qū)及氣水交替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 兩塊巖心氣水交替不同孔隙采出程度對(duì)比

圖6 兩塊含裂縫巖心Fig.6 Two fractured cores

圖7 巖心在氣水交替不同階段的核磁共振T2譜Fig.7 T2 NMR spectra of cores at different stages of gas water alternation

如圖7(a)所示，對(duì)比“2.6 MPa驅(qū)”與“泡重水滲吸后”的T2譜，3號(hào)巖心的核磁共振信號(hào)整體向右有所移動(dòng)，根據(jù)核磁共振實(shí)驗(yàn)原理，弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，孔隙越大，說(shuō)明3號(hào)巖心滲吸過(guò)程將孔隙中的油向更大的孔隙中遷移；對(duì)比“泡重水滲吸后”與“滲吸后再2.6 MPa氣驅(qū)”的T2譜，3號(hào)巖心的核磁共振信號(hào)右側(cè)稍有下降，左側(cè)基本沒(méi)變化，說(shuō)明小孔隙中的油基本沒(méi)有變動(dòng)，水的“封堵”作用基本沒(méi)有發(fā)揮作用。如圖7(a)所示，3號(hào)巖心以弛豫時(shí)間100 ms為大小孔隙的分界線(xiàn)進(jìn)行定量研究。依表3可知，3號(hào)巖心泡重水滲吸時(shí)小孔隙的采出程度由5.57%變?yōu)?2.49%，增加了6.92%，大孔隙由33.7%變?yōu)?0.53%，降低了3.17%，說(shuō)明小孔隙中6.92%的油被滲吸到大孔隙中，而大孔隙中3.75%的油被滲吸出巖心，以小孔隙為標(biāo)準(zhǔn)，滲吸作用采油效果為6.92%。3號(hào)巖心滲吸后再次氣驅(qū)時(shí)小孔隙的采出程度由12.49%變?yōu)?2.68%，增加了0.19%，大孔隙由30.53%變?yōu)?3.77%，增加了3.24%，說(shuō)明小孔隙中的油基本上沒(méi)有被波及，而大孔隙中的油被驅(qū)替至重水中，以小孔隙為標(biāo)準(zhǔn)，水的“封堵”作用采油效果為0.19%。

如圖7(b)所示，對(duì)比“2.6 MPa驅(qū)”與“泡重水滲吸后”的T2譜，小孔隙的峰值有所降低，大孔隙的T2譜有些許上升，說(shuō)明小孔隙的油被滲吸到大孔隙；對(duì)比“泡重水滲吸后”與“滲吸后再2.6 MPa氣驅(qū)”的T2譜，更小孔隙的信號(hào)量有所增加，中間孔隙的信號(hào)量有所減少，大孔隙信號(hào)量有所下降，說(shuō)明小孔隙中的油基本上沒(méi)有被驅(qū)替到大孔隙中。如圖7(b)所示，3號(hào)巖心以馳豫時(shí)間100 ms為大小孔隙的分界線(xiàn)進(jìn)行定量研究。依表3可知，5號(hào)巖心泡重水滲吸時(shí)小孔隙的采出程度由3.44%變?yōu)?.34%，增加了4.9%，大孔隙由17.52%變?yōu)?5.23%，降低了2.29%，說(shuō)明小孔隙中4.9%的油被滲吸到大孔隙中，而大孔隙中2.61%的油被滲吸出巖心，以小孔隙為標(biāo)準(zhǔn)，滲吸作用采油效果為4.9%。5號(hào)巖心滲吸后再次氣驅(qū)時(shí)小孔隙的采出程度由8.34%變?yōu)?.74%，升高了1.4%，大孔隙由15.23%變?yōu)?8.6%，增加了2.37%，說(shuō)明小孔隙中的油動(dòng)用很少，而大孔隙中的油被驅(qū)替至重水中，以小孔隙為標(biāo)準(zhǔn)，水的“封堵”作用采油效果為1.4%。

定量分析氣水交替中不同孔隙采出程度的變化，可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)和5號(hào)巖心滲吸作用的采油效果分別為6.92%與4.9%，水的“封堵”作用采油效果分別為0.19%與1.4%。從而得到的結(jié)論是，由于裂縫發(fā)育巖心中存在裂縫，進(jìn)行氣水交替實(shí)驗(yàn)時(shí)，水的體積很難對(duì)巖心中的裂縫形成“封堵”作用，因此含裂縫巖心大孔隙中不存在水的“封堵”，或水的“封堵”作用不明顯，氣水交替實(shí)驗(yàn)提高采出程度主要是小孔隙中的滲吸作用。

6 結(jié)論

利用核磁共振技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖心孔隙中油相變化的定量分析，能直觀(guān)準(zhǔn)確地得到常規(guī)氣驅(qū)及氣水交替實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的采油機(jī)理。驅(qū)替實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同物性巖心開(kāi)展不同壓力常規(guī)氣驅(qū)，總結(jié)不同儲(chǔ)層巖心氣驅(qū)動(dòng)用規(guī)律；氣水交替實(shí)驗(yàn)對(duì)氣驅(qū)后巖心進(jìn)行滲吸和再驅(qū)替，對(duì)比巖心T2譜變化，建立定量評(píng)價(jià)氣水交替采油機(jī)理的方法。裂縫系統(tǒng)巖心低驅(qū)替壓力下，T2譜右峰減小幅度較大，采出油量較多，增加驅(qū)替壓力后，易產(chǎn)生氣竄現(xiàn)象，T2譜減小幅度很小，巖心中的基質(zhì)及小孔隙中的油被高壓氣體驅(qū)替出來(lái)；不含裂縫的均質(zhì)巖心低驅(qū)替壓力下，主要驅(qū)除大孔隙中的油，增加驅(qū)替壓力后，大小孔隙采油量均有所提高，增加驅(qū)替壓力能有效擴(kuò)大波及面積，對(duì)驅(qū)油效率的提高有一定作用；氣水交替實(shí)驗(yàn)中，5塊巖心氣水交替的采出油百分?jǐn)?shù)介于5.04%～8.15%，平均為6.58%。對(duì)于裂縫發(fā)育巖心，氣水交替采油機(jī)理主要為水的滲吸作用將小孔喉內(nèi)的油采出，水的“封堵”作用不明顯。