楊其彬，孫 衛(wèi)，任大忠，王海彤，2

(1.西北大學 地質(zhì)學系 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.中國石油吉林油田公司，吉林 松原 138000)

在油田開采注水過程中存在以下問題［1－4］:注入水和特低滲透儲層巖石在油藏條件下的作用形式、作用結(jié)果如何?儲層巖石的巖性、物性將發(fā)生怎樣改變?對流體流動條件和流動能量損耗影響怎樣?為了弄清其變化規(guī)律，本文以十屋油田營城組特低滲儲層巖石及其注入水為研究對象，通過開展巖性分析、膨脹應力及其孔喉結(jié)構(gòu)的變化的探討，初步明確了特低滲透儲層巖石與注入水的作用規(guī)律，為區(qū)塊注水方案的制定提供了理論依據(jù)。

1 注水對巖石相的影響

根據(jù)巖石中骨架礦物和粘土礦物的具體組合情況進行分類［4－5］，選擇了營城組具有代表性的高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙脫石進行高溫高壓狀態(tài)下的液—固反應。具體做法:把選擇的4種樣品粉末各取少許包裝在棉布中，互不混合，但可以相互提供反應離子，分別裝入4個高溫高壓反應器(分別裝入蒸餾水、1%KCL、地面清水和營城組地層水)中進行反應，分析反應前后巖石的巖性變化。

結(jié)果分析表明:巖石樣品反應前后礦物種類未出現(xiàn)明顯的變化，只是部分礦物某些面網(wǎng)的衍射峰出現(xiàn)了強化或弱化現(xiàn)象。

此外，粘土礦物樣品變化較微弱:

Ⅰ、高嶺石反應系列:峰變強，表明該峰代表的面網(wǎng)有序度和結(jié)晶度變好。

Ⅱ、蒙脫石反應系列:原來的 15.306埃峰消失，出現(xiàn)13.475埃，12.024埃峰，礦物相由原來單一的鈣蒙脫石(面網(wǎng)間距15.306埃)向鈣－鈉復合的過渡蒙脫石(13.475埃)以及單一的鈉蒙脫石(12.024埃)轉(zhuǎn)化。

Ⅲ、綠泥石反應系列:出現(xiàn)了一些新峰，原有的峰有些強化，有些弱化，可能有新礦物出現(xiàn)。

總體而言，在實驗進行的高溫、高壓及長時間反應條件下，礦物相的變化較為微弱，沒有很特別的新礦物產(chǎn)生，在地下環(huán)境可能會因為復雜的離子環(huán)境出現(xiàn)一些溶解度較小的沉淀物質(zhì)。

2 注水作用規(guī)律分析

2.1 巖心膨脹應力

根據(jù)高溫、高壓條件下標準單一礦物、天然實際儲層砂樣和多種注入水的長期反應結(jié)果可知，礦物在種類方面沒有太大的變化，看來在地下實際情況中，注入水注入地層后再引起新礦物產(chǎn)生方面最多可能會因為地下液體中的離子組分復雜而生成一些溶解度很小的沉淀物質(zhì)如碳酸鈣等。對于砂泥巖剖面注入水后，在中高泥質(zhì)填隙物的低滲透儲層中，原始地層條件下巖石最主要的作用形式是處于含水欠飽和的巖石遇到外來注入水后，大量吸水，水以束縛水膜和層狀硅酸鹽層間水的形式進入到泥質(zhì)填隙物中和礦物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，導致巖石的結(jié)構(gòu)力學特征弱化、膨脹、分散和擠壓、重整、壓縮，破壞巖石的支撐抵抗能力和介質(zhì)的孔滲特性。

2.2 研究方法與過程

選擇具有代表性的巖心，在80℃條件下的烘箱中充分干燥，測定其初始重量后置入測試膨脹應力的裝置中。該裝置是在借鑒毛細管最小啟動壓力梯度測試儀的基礎(chǔ)上稍做改造而成，既可以完成最小啟動壓力梯度的測試，同時又可觀察巖心在吸液、排液過程中其膨脹贏利的變化。該裝置與一般的動態(tài)驅(qū)替裝置一致，分為三大部分:進液端口、排液端口分別和一根豎直放置的玻璃管連接，并保證密封不漏;中間段最為關(guān)鍵，為一個巖心夾持器，與一液壓泵和壓力顯示裝置連接，實現(xiàn)圍壓施加和檢測控制。在保證圍壓系統(tǒng)密封性、圍壓系統(tǒng)與驅(qū)替系統(tǒng)獨立的基礎(chǔ)上，給巖心加一定的初始圍壓后關(guān)閉圍壓系統(tǒng)，觀察進液端玻璃管中液柱高度的變化情況和圍壓變化，從而可以得到巖心進液情況和膨脹應力的變化情況。值得注意的是，該圍壓顯示的是巖心在一定的圍限條件下，吸水發(fā)生內(nèi)部變化、進行內(nèi)部重整后的綜合響應值。

圖1 膨脹圍壓隨滲吸飽和時間的變化

2.3 結(jié)果分析

對所研究的3塊巖心(見表1)，設(shè)置一個初始圍壓，然后封閉圍壓系統(tǒng)，觀察巖心吸水飽和和排液整個過程中巖心膨脹圍壓的變化，以反映巖心的吸水、膨脹、壓縮和重整過程(其典型結(jié)果見圖2)。

表1 儲層巖心膨脹應力研究統(tǒng)計表

根據(jù)膨脹圍壓觀測的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)一個大的變化趨勢:膨脹圍壓和滲吸飽和過程中基本上是多階段的波段變化趨勢，上升和下降出現(xiàn)交替變化。這一變化趨勢應該是巖石內(nèi)部的膨脹、壓縮、重整的結(jié)果，一方面主要取決于巖心本身特性:巖石中粘土礦物的種類和含量、微細的泥質(zhì)填隙物的含量、膠結(jié)形式、巖石原來的壓實和致密程度及孔物性等綜合因素，其中，以泥質(zhì)填隙物的多少、產(chǎn)狀、膨脹性粘土多少以及本身致密程度最為重要;另一方面主要取決于滲吸飽和流體的類型、初始圍壓的高低和環(huán)境溫度。

盡管，具體的膨脹圍壓變化情況出現(xiàn)波動變化的趨勢，較為復雜，但是，從其內(nèi)在變化過程和機理分析，仍然可以得出規(guī)律性的認識。實際地層中，巖石必然受到上覆巖體和圍巖的限制，并且受到一定的圍限壓力作用，該圍限壓力有高有低，當外來流體進入后對巖石孔滲特性的影響也會因為圍限條件和巖石內(nèi)部吸水膨脹情況不同而有所區(qū)別，最終的結(jié)果應該是兩者耦合調(diào)整的結(jié)果。

3 孔隙結(jié)構(gòu)對注水的影響

常規(guī)物性不能完全反映巖石的特征，孔隙結(jié)構(gòu)不同的儲層盡管孔隙度相差不大，滲透率卻可能相差很大［6－7］。因此，加強對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的研究極為重要。以往對注入水與儲層巖石作用評價通常采用常規(guī)物性的變化來衡量，極少利用微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征來評價作用效果，因而不能了解注水前后孔隙大小、孔喉的分布特征變化，不能深入了解儲層酸化效果。

儲層巖石內(nèi)部吸水膨脹與儲層巖石的礦物組成有關(guān)，特別是粘土礦物的吸水膨脹，粘土礦物吸水膨脹后儲層巖心的孔喉結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，進而影響儲層巖石的孔隙度和滲透率。為了考察注入水對儲層巖石作用后，其物性變化情況，對注水前后儲層巖石的孔喉特征進行分析。選擇營城組儲層巖心，分別加入模擬地層水和地面清水，在80℃、20 MPa下反應30 d，開展壓汞分析，獲得反應前后儲層巖心物性變化，同時對其微觀孔喉特征進行分析。

反應前后儲層巖心的物性及其微觀孔喉特征見表2、圖2。根據(jù)儲層條件下的儲層巖心與注入水的靜態(tài)反應結(jié)果可以看出，無論地面清水還是模擬地層水，儲層巖石的孔隙度、滲透率均呈現(xiàn)出降低的趨勢，門檻壓力升高，這說明儲層巖石與注入水長期作用后，儲層巖石中的粘土礦物發(fā)生水化膨脹，致使孔喉結(jié)構(gòu)變小，表現(xiàn)為儲層巖石的物性變差。

圖2 儲層巖心與注入水靜態(tài)作用結(jié)果

4 結(jié)語

(1)礦物相分析表明，儲層巖石粉末樣品反應前后礦物種類未出現(xiàn)明顯的變化，只是部分礦物某些面網(wǎng)的衍射峰出現(xiàn)了強化或弱化現(xiàn)象;

(2)巖心膨脹應力、結(jié)構(gòu)力變化及其機理研究結(jié)果說明，儲層巖石受到上覆巖體和圍巖的限制，同時受到一定的圍限壓力作用，當外來流體進入后因為圍限條件和巖石內(nèi)部吸水膨脹對儲層巖石的物性造成一定的影響，最終的結(jié)果應該是這兩者耦合調(diào)整的結(jié)果;

(3)儲層巖石與注入水作用后，由于儲層巖石中的粘土礦物發(fā)生水化膨脹，致使孔喉結(jié)構(gòu)變小，表現(xiàn)為儲層巖石的物性變差。

表2 儲層巖心反應前后孔喉結(jié)構(gòu)對比

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