石　爻， 秦海麗， 鄭　焱， 謝曉慶， 曾　楊

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室， 北京　100028； 2.中海油研究總院有限責任公司， 北京　100028)

0　引言

低滲透油田天然能量不足，僅依靠天然能量開采導致地層壓力下降過快，對儲層物性損害較為嚴重，且通過后期注水提高地層壓力也無法使儲層物性恢復到初始水平.超前注水開發(fā)方式在提高地層壓力的同時降低了對儲層物性的損害，是低滲透油田提高采收率的有效開發(fā)方式[1-6].為研究超前注水孔隙內流體壓力變化對低滲透儲層滲透率及微觀孔隙結構變化的影響，本文開展了低滲透巖心壓敏室內實驗.

1　滲透率變化

1.1　實驗準備

按照實際地層滲透率級別將巖心滲透率按不同范圍分成以下4個區(qū)間[7-10]：區(qū)間Ⅰ滲透率范圍K≥10×10-3μm2；區(qū)間Ⅱ滲透率范圍是5×10-3μm2≤K<10×10-3μm2；區(qū)間Ⅲ滲透率范圍2.5×10-3μm2≤K<5×10-3μm2；區(qū)間Ⅳ的滲透率范圍K<2.5×10-3μm2.

實驗設備：恒溫箱、驅油泵、中間容器、micro-CT、其他輔助設備.

實驗條件：實驗溫度為50 ℃，圍壓19 MPa.

天然巖心：外形直徑為2.5 cm的天然巖心.本實驗采用大慶朝陽溝油田天然巖心，取心井共計5口，測試巖心樣品36塊.

1.2實驗步驟

巖心實驗步驟：①天然巖心制備、抽提洗油.②氮氣測定巖心滲透率.③將巖心放置在50 ℃恒溫箱內保持12 h.④在恒定圍壓下，逐步增加(降低)巖心流體(氮氣)孔隙流動壓力，測量不同孔隙流體壓力穩(wěn)定條件下的滲透率.

1.3　實驗結果

在圍壓不變條件下，改變孔隙流體壓力，研究超前注水對滲透率的影響，結果見表1所示.從巖心1實驗數(shù)據(jù)可以看出，當巖心滲透率較低(K=0.46×10-3μm2)時，隨著地層孔隙流體壓力的上升，巖心滲透率由0.46×10-3μm2增加為0.49×10-3μm2，增加比例為7.12%；從巖心4實驗數(shù)據(jù)可以看出，當巖心滲透率相對較高(K=14.56×10-3μm2)時，隨著凈應力的降低，巖心滲透率由14.56×10-3μm2增加為15.04×10-3μm2，增加比例為3.26%，說明隨著凈應力的降低，巖石滲透率只有小幅度增加，并且滲透率隨壓力上升增加的幅度逐漸減小.這是由于圍壓一定的條件下，孔隙流體壓力增加只減少了巖石骨架自身承受的凈應力，而巖石骨架可壓縮的空間很小，所以孔隙滲透率變化不大[8,9].

表1　滲透率應力敏感性實驗分析

在圍壓不變條件下，改變孔隙流體壓力，研究常規(guī)開采對滲透率的影響，結果見表2所示.從巖心5實驗數(shù)據(jù)可以看出，當滲透率較低(K=0.48×10-3μm2)時，隨著凈應力的增加，巖心滲透率由0.48×10-3μm2降低為0.37×10-3μm2，降低比例高達22.38%；從巖心8實驗數(shù)據(jù)可以看出，當滲透率相對較高(K=15.3×10-3μm2)時，隨著凈應力的增加，巖心滲透率由15.30×10-3μm2降低為13.00×10-3μm2，降低比例為15.05%，說明巖石滲透率隨著凈應力的增加而降低，并且低滲透的巖心滲透率降低的百分數(shù)較高，說明巖心滲透率越低，隨著凈應力的增加受到的損害會越嚴重.當流體壓力下降到一定程度后，滲透率下降幅度隨著滲透率的降低逐漸減小，這是因為滲透率較低的巖心可壓縮空間較小，滲透率隨孔隙流體壓力下降而降低的絕對值較小，但由于低滲透巖心原始滲透率很小，所以滲透率損害百分數(shù)仍然較高[9].

表2　滲透率應力敏感性實驗分析

對巖心6和巖心8進行了壓力恢復實驗，實驗結果如圖1和圖2所示，巖心6的滲透率從1.97×10-3μm2恢復到2.08×10-3μm2，巖心8的滲透率從13×10-3μm2恢復到13.2×10-3μm2，遠小于由于孔隙流體壓力下降帶來的滲透率損失.結果表明，低滲透油藏由于地層壓力下降而導致滲透率大幅降低后，很難通過注水增大地層壓力的方式將巖心滲透率恢復到初始水平.而超前注水可以使低滲透油田在開發(fā)過程中保持較高的地層壓力，減小了由地層壓力下降造成的滲透率損害.

圖1　巖心6滲透率與凈應力關系圖

2　孔隙度、孔喉半徑和配位數(shù)變化

2.1CT結構掃描方法研究孔隙結構變化

對進行壓力敏感實驗的巖心進行CT結構掃描[11,12]，研究隨著孔隙內流體壓力上升時，巖心結構參數(shù)的變化規(guī)律，孔隙結構分析結果見表3所示.從巖心1結果可以看出，隨著地層孔隙流體壓力的增加，巖心孔隙度變化不大，當孔隙流體壓力從8.04 MPa增加到16.05 MPa，壓力上升了8.01 MPa，但是孔隙度只增加了0.02個百分點，巖心的喉道半徑變化同樣不大，只是增加了0.002μm，平均配位數(shù)增加了0.06.同樣對于滲透率大于2.5×10-3μm2的巖心，升壓過程中，孔隙度、平均喉道半徑、平均配位數(shù)均變化不大.

孔隙流體壓力/MPa巖心1(K=0．46×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)巖心2(K=4．46×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)巖心3(K=8．02×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)巖心4(K=14．56×10-3μm2)孔隙度/%平均喉道半徑/μm平均配位數(shù)8．0415．21．642．1316．41．622．6115．251．792．6316．51．792．7310．0915．211．642．1616．411．632．6315．251．792．6416．511．792．7511．9415．211．642．1716．431．642．6715．251．792．6516．511．792．7614．0815．221．6412．1816．451．642．6815．261．7622．6716．511．7622．7716．0515．221．6422．1916．451．642．6915．261．7622．6716．511．7622．78

對上述進行降低孔隙流體壓力的巖心進行CT結構掃描，研究隨著孔隙內流體壓力下降時，巖心結構參數(shù)的變化規(guī)律，結果見表4所示.從巖心5的掃描結果可以看出，巖心孔隙度隨著地層孔隙流體壓力從8.04 MPa降低到2.09 MPa，壓力下降了5.95 MPa，孔隙度降低了0.31個百分點；巖心的平均喉道半徑降低了0.33μm,平均配位數(shù)降低了0.25，降壓過程各項參數(shù)變化明顯高于升壓過程.對滲透率大于2.5×10-3μm2的巖心，巖心孔隙結構變化與之類似.

表4　巖心孔喉參數(shù)和孔隙流體壓力關系(降壓)

隨著孔隙流體壓力增加，巖心孔隙結構參數(shù)變化不大，隨著孔隙流體壓力下降，巖心孔隙結構參數(shù)降低幅度較為明顯，即壓力下降對巖心孔隙參數(shù)影響高于壓力上升對巖心孔隙結構參數(shù)的影響.

2.2　壓汞法研究孔隙結構變化

為研究超前注水條件下孔隙結構的變化，對進行模擬地層孔隙壓力變化實驗的巖心在達到最終壓力后進行了壓汞實驗[13-15].

實驗設備：Autopore IV9510全自動壓汞儀.

實驗步驟：①把已清洗烘干的巖樣放入巖樣室的空腔內，上緊壓蓋；②控制水銀面在下部窗口比下標線稍低的位置上，將系統(tǒng)抽真空；③進泵，使水銀面恰至下標線，此時刻度尺上的讀值為零；④進泵，使水銀面升至上窗口的上標線，若此時刻度尺的讀值為V，已知巖心室體積VE，則巖樣外部體積Vf=VE-V；⑤關閉真空系統(tǒng)，引入高壓氣源.設與某一壓力平衡的毛管力為pc，在平衡pc的壓力下水銀被壓入巖樣的孔隙內，水銀面將降至上標線以下.進泵使水銀面復原至上標線，從刻度尺上便可讀出壓入巖樣中的水銀體積VHg；⑥根據(jù)巖樣的孔隙度Φ和巖樣的外表體積Vf，算出以下巖樣中的水銀飽和度SHg=VHg/ΦVf；⑦根據(jù)不斷進泵得到的pc和SHg，繪出壓汞毛管力曲線.

對滲透率級別為2.5×10-3μm2的天然巖心進行壓汞實驗，模擬超前注水地層孔隙流體壓力上升高于地層原始壓力、等于地層壓力、低于地層原始壓力三個條件下的孔隙分布.對比巖心9和巖心10的壓汞實驗數(shù)據(jù)，如圖3和圖4所示，在孔隙流體壓力高于地層壓力條件下，孔隙半徑分布變化不大，對于喉道半徑為0.015μm的比例從4.6%增加到5.0%，增加了0.4個百分點，說明有這個喉道半徑級別的喉道被打開了，其他較小的喉道半徑的比例也略有上升，相應連通的孔隙通道增加了，同CT掃描實驗隨孔隙流體壓力上升，孔隙度略有增加的規(guī)律一致.

圖3　巖心9喉道半徑分布圖(0.1 MPa)

圖4　巖心10喉道半徑分布圖(16.05 MPa)

巖心6是在低于地層原始壓力條件下進行實驗，最低孔隙流體壓力為2.09 MPa，從圖5可以看出，由于圍壓的作用，當孔隙流體壓力低于地層原始壓力時，喉道半徑較小的喉道被關閉，與其連通的孔隙變?yōu)樗荔w積，這與CT掃描結果顯示的隨著孔隙流體壓力下降，孔隙度下降的規(guī)律一致，同時隨著孔隙的連通性變差，也減小了水驅的波及效率，進而影響最終采收率.

圖5　巖心6喉道半徑分布圖(2.09 MPa)

對滲透率級別大于2.5×10-3μm2的天然巖心進行壓汞實驗，結果表明孔隙結構具有相同變化規(guī)律.當?shù)貙訅毫Ω哂谠嫉貙訅毫r，地層孔隙分布在保持原始狀態(tài)基礎上，孔隙中一部分小孔道被打開，總體滲透率略有上升，但不明顯.但是當?shù)貙訅毫Φ陀谠級毫r，地層孔隙中很大一部分小孔喉被關閉，相應受其連通控制的小孔隙不能被水波及到，從而影響最終采出程度，也就是說欠壓條件下開采對地層造成的傷害會明顯影響水驅最終采收率，而超前注水方式的應用將會使這種傷害降到最低，從而保證較高的水驅采出程度[16-18].

3　結論

(1)孔隙內流體升壓過程，各級別巖心滲透率略有上升，但變化幅度不大，平均滲透率增幅僅為5%左右；孔隙內流體降壓過程，巖心滲透率下降幅度較大，滲透率降幅為15%至20%左右，且隨著巖心滲透率的降低傷害程度加重；恢復壓力后，滲透率恢復程度很小.

(2)孔隙度對應力變化不敏感；孔喉半徑和配位數(shù)在升壓過程增加幅度很小，在降壓過程中隨著巖心滲透率的降低，下降幅度明顯增大.

(3)低滲透油藏地層壓力大幅度下降后，滲透率及孔隙結構受到嚴重損害，通過增加孔隙流體壓力，即減小巖石骨架承受的凈應力來試圖恢復儲層物性的目的不能實現(xiàn).可通過超前注水的開發(fā)方式保持地層壓力，降低儲層損害.

[1] 劉麗,房會春,顧輝亮.地層壓力保持水平對低滲透油藏滲透率的影響[J].石油鉆探技術,2011,39(2)：104-107.

[2] 高濤,郭肖,劉劍寧,等.特低滲透巖心應力敏感實驗[J].大慶石油地質與開發(fā),2014,33(4)：87-90.

[3] 何金鋼,宋考平,楊晶.大慶低滲透油田扶余油層超前注水實驗[J].科學技術與工程,2014,14(11):181-183.

[4] 王道富,李忠興,趙繼勇,等.低滲透油藏超前注水理論及其應用[J].石油學報,2007,28(6)：78-81.

[5] 王瑞飛,宋子齊,何涌,等.利用超前注水技術開發(fā)低滲透油田[J].斷塊油氣田,2003,10(3)：43-48.

[6] 謝曉慶,姜漢橋,王全柱,等.低滲透油藏壓敏效應與注水時機研究[J].石油學報,2009,30(4)：574-577.

[7] 薛永超,程林松.不同級別滲透率巖心應力敏感實驗對比研究[J].石油鉆采工藝,2011,33(3)：38-41.

[8] 姜海梅,王帥,張紹輝.低滲透油藏超前注水滲透率界限研究[J].科學技術與工程,2015,15(23)：32-35.

[9] 張志明.源271區(qū)塊超前注水方案優(yōu)化及配套措施組合研究[D].大慶：東北石油大學,2013.

[10] 趙一飛.超前注水技術在朝陽溝油田的應用及效果分析[D].大慶：東北石油大學,2016.

[11] 李榮強,高瑩,楊永飛,等.基于CT掃描的巖心壓敏效應實驗研究[J].石油鉆探技術,2015,43(5)：37-42.

[12] 馬文國,劉傲雄.CT掃描技術對巖石孔隙結構的研究[J].中外能源,2011,16(7)：54-56.

[13] 喻建,馬捷,路俊剛,等.壓汞-恒速壓汞在致密儲層微觀孔喉結構定量表征中的應用-以鄂爾多斯盆地華池-合水地區(qū)長7儲層為例[J].石油實驗地質,2015,37(6)：789-795.

[14] 李衛(wèi)成,張艷梅,王芳,等.應用恒速壓汞技術研究致密油儲層微觀孔喉特征-以鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組為例[J].巖性油氣藏,2012,24(6)：60-65.

[15] 朱華銀,安來志,焦春艷.恒速與恒壓壓汞差異及其在儲層評價中的應用[J].天然氣地球科學,2015,26(7)：1 316-1 321.

[16] 王銳,岳湘安,譚習群,等.低滲油藏巖石壓敏性及其對滲吸的影響[J].西南石油大學學報(自然科學版),2008,30(6)：173-175.

[17] 車起君,雷均安,冉玉霞,等.超前注水提高特低滲透油田開發(fā)效果[J].大慶石油地質與開發(fā),2003,22(1)：20-22.

[18] 趙冰,顧曉敏,鄧海蓉.超前注水技術改善低滲透油田開發(fā)機理的研究[J].石油化工應用,2009,28(1)：39-40.