渤海海域Z油田水驅(qū)后儲層變化規(guī)律實驗研究

朱文森，陳丹磬，李金宜，信召玲，柳永軍

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459；2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

渤海海域Z油田水驅(qū)后儲層變化規(guī)律實驗研究

朱文森1，2，陳丹磬1，李金宜1，信召玲1，柳永軍1

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459；2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

以渤海海域Z油田東營組油藏為目標(biāo)，對水淹前后巖心儲層樣品按不同流動單元進行了系統(tǒng)的巖性、物性、電性和滲流特征室內(nèi)實驗，分析總結(jié)水驅(qū)前后儲層參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明，水驅(qū)后儲層粒度中值增大，黏土礦物含量下降，孔隙度和滲透率增大，儲層非均質(zhì)性增強；實驗中，隨著驅(qū)替倍數(shù)增加，巖心電阻率下降，飽和度指數(shù)下降，不同流動單元樣品的變化幅度具有差異性。

渤海Z油田；水驅(qū)；巖性參數(shù)；孔隙結(jié)構(gòu)；物性參數(shù)；電性參數(shù)

渤海海域Z油田長期注水開發(fā)，存在層間矛盾突出、注水突進明顯、部分區(qū)塊或井組含水較高的實際問題。為了提高油田采收率，需要對油田進行綜合調(diào)整研究，準(zhǔn)確掌握水驅(qū)前后儲層結(jié)構(gòu)和物性變化特征是油田綜合調(diào)整的基礎(chǔ)。根據(jù)Z19井密閉取心樣品開展的地質(zhì)實驗所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，是反映水驅(qū)前后儲層結(jié)構(gòu)及物性變化最直接、最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，通過開展水驅(qū)前后儲層參數(shù)變化規(guī)律研究，可以有效地指導(dǎo)類似水驅(qū)油氣田開發(fā)方案調(diào)整。

1 水驅(qū)前后儲層巖性參數(shù)變化規(guī)律

對Z19井東營組1 338 m～1 589 m巖層進行了密閉取心，取心長超過150 m。根據(jù)巖心滴水、沉降實驗以及鏡下觀察，結(jié)合測井曲線與井的產(chǎn)吸剖面等數(shù)據(jù)，對巖心水淹層類別進行綜合判斷，將巖心劃分為水淹前和水淹后巖心。結(jié)合流動帶指標(biāo)（FZI），綜合利用孔隙度、滲透率及R35對各類流動單元在大范圍進行約束，將Z19井巖心樣品分為Ⅰ、 Ⅱ 、Ⅲ類流動單元（表1）。根據(jù)流動單元的劃分，進行水驅(qū)前后儲層變化規(guī)律研究。

表1 Z油田流動單元分類標(biāo)準(zhǔn)

Z19井密閉取心樣品共完成354組激光粒度測試， 28組X–衍射實驗。Z19井東營組儲層巖性主要為細砂巖，粒度中值為0.05～0.35 mm，泥質(zhì)含量為0.1%～5.0%。

對比未水淹儲層樣品與水淹段儲層樣品的巖性參數(shù)（圖1）可知，Z19井東營組儲層在水驅(qū)開發(fā)過程中，粒度中值上升，泥質(zhì)含量下降。Ⅰ類流動單元樣品水淹后，粒度中值由0.22 mm增大至0.29 mm，增幅24%，泥質(zhì)含量由0.99%降低至0.5%，降幅49%，巖性參數(shù)變化最為顯著；Ⅱ類流動單元樣品水淹后，粒度中值由0.14 mm增大至0.15 mm，增幅6%，泥質(zhì)含量由1.8%降低至1.4%，降幅22%；巖性參數(shù)變化幅度較小的Ⅲ類流動單元，其樣品水淹后粒度中值基本不變，泥質(zhì)含量由 4.8%降低至 4.3%，降幅10%，巖性參數(shù)變化幅度較小。尤其是Ⅰ類流動單元的樣品，變化趨勢最為顯著。粒度分布由細粒向中粗粒變化。粒度非均質(zhì)性有所增強。

Z19井東營組儲層屬于三角洲前緣沉積，以水下分流河道和河口壩沉積微相為主。與分流河道間、遠砂壩和席狀砂沉積微相相比，水下分流河道和河口壩沉積微相粒度較粗，儲層物性明顯優(yōu)于其他微相。在注水開發(fā)過程中，水下分流河道微相儲層段容易形成底部水淹，河口壩微相儲層段容易形成頂部水淹或均勻水淹，導(dǎo)致這些層段的相對吸水量通常高于鄰層其他微相層段，更容易受到長期注水的改造，粒度中值增大，粒度非均質(zhì)性增強。儲層處于早成巖B期，由于巖石作用及碳酸鹽類礦物的膠結(jié)作用，巖石為半固結(jié)–固結(jié)，孔隙類型以原生孔隙為主，可見少量溶蝕孔。礦物顆粒以點接觸為主，容易受到注入水的機械搬運作用，導(dǎo)致水驅(qū)后粒度中值增加。通過鑄體薄片鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)Z19井水淹段均形成了較為明顯的竄流通道（圖2a）。

根據(jù)Z19井X–衍射分析可知，黏土礦物以水化能力強的伊蒙混層為主，平均含量為65%。對比不同層段的樣品分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，強水淹段儲層樣品中伊蒙混層的含量明顯下降，說明水化作用使黏土礦物膨脹破壞，黏土礦物含量下降。破壞后的黏土礦物顆粒隨注入水流遷移，或在孔隙的其他部位堆積或從油井采出。這種作用使大孔道更加通暢，小孔道更加細小，甚至可能被顆粒架橋堵塞，使大、小孔隙的差異加劇[1]。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Z19井水淹段儲層孔隙喉道中出現(xiàn)了黏土礦物堆積的現(xiàn)象（圖2b）。

圖1 Z19井粒度中值–泥質(zhì)含量關(guān)系

圖2 Z19井水淹段儲層樣品鏡下照片

在注水開發(fā)過程中，砂巖微粒遷移作用和黏土水化作用對儲層的巖性參數(shù)產(chǎn)生了直接影響，粒度中值增大，泥質(zhì)含量降低。而沉積微相與成巖作用對粒度分布起到了控制作用，也對水驅(qū)后巖性參數(shù)的變化與粒度非均質(zhì)性增強產(chǎn)生了影響，同時也對儲層物性變化產(chǎn)生了影響。

2 水驅(qū)前后儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化

Z19井密閉取心樣品共完成鑄體薄片鏡下觀察28組，壓汞法毛管壓力實驗23組。Z19井樣品鑄體薄片鏡下觀察表明，巖石孔隙發(fā)育較好，分布較均勻，主要為粒間孔，連通性較好。通過壓汞曲線和鑄體薄片圖像分析，研究不同水淹程度儲層樣品孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

對比未水淹儲層樣品與水淹段儲層樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)（圖3）可知，Z19井儲層在水驅(qū)開發(fā)過程中，孔喉半徑平均值上升，排驅(qū)壓力下降。Ⅰ類流動單元樣品水淹后，孔喉半徑平均值由15.7 μm增大至18.4 μm，增幅15%，排驅(qū)壓力由0.017 MPa降低至0.01 MPa，降幅41%，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化較小；Ⅱ類流動單元樣品水淹后，孔喉半徑平均值由7 μ m增大至9.8 μm，增幅29%，排驅(qū)壓力由0.041 MPa降低至0.021 MPa，降幅48%，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化最為顯著；Ⅲ類流動單元樣品水淹后，孔喉半徑平均值由2.69 μm增大至3.63 μm，增幅26%，排驅(qū)壓力由0.11 MPa降低至0.08 MPa，降幅27%，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化較小。

對比未水淹前儲層樣品與水淹后儲層樣品的壓汞法毛管壓力曲線（圖4），Z19井水淹后毛管壓力曲線平緩段長，凸向左下方，說明喉道分布相對集中，分選性好，歪度相對較粗，孔喉平均半徑上升，儲集物性好，排驅(qū)壓力下降，并且Ⅰ、Ⅱ類流動單元的樣品變化趨勢均較為顯著。

圖3 Z19井孔喉半徑平均值–排驅(qū)壓力關(guān)系

圖4 Z19井代表性壓汞法毛管壓力曲線

3 水驅(qū)前后儲層物性參數(shù)變化規(guī)律

關(guān)于注水開發(fā)對砂巖儲層物性的影響，前人曾做過大量的工作[2–13]。目前，大部分的研究認為，高孔高滲的儲層經(jīng)過長期注水沖刷后，滲透率升高[6–13]；而低孔低滲的儲層隨著注水量的增加，孔隙度變化不大，滲透率明顯降低[14]。由于儲層在驅(qū)替過程中大孔道內(nèi)的充填物被沖刷到小孔道，小孔隙內(nèi)被堵塞，因此，大孔道變得更大，小孔道變得更小，儲層物性非均質(zhì)性可能增強。本文主要通過密閉取心井巖心常規(guī)分析，比較不同水淹程度儲層樣品孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

Z19井密閉取心樣品共完成巖心常規(guī)分析 495組。對比未水淹儲層樣品與水淹段儲層樣品的物性參數(shù)（圖5）可知，Z19井東營組儲層在水驅(qū)開發(fā)過程中，孔隙度和滲透率均上升。其中，Ⅰ類流動單元樣品水淹后，孔隙度基本不變，滲透率由2 752.3×10–3μm2增大至 5 631.5×10–3μm2，增幅 51%，物性參數(shù)變化最為顯著；Ⅱ類流動單元樣品水淹后，孔隙度由35.4%增大至35.7%，增幅0.6%，滲透率由 1 232.7×10–3μm2增大至 1 419.7×10–3μm2，增幅13%，物性參數(shù)變化幅度較小；Ⅲ類流動單元樣品水淹后，孔隙度由31.1%增大至33.1%，增幅6%，滲透率由 155.8×10–3μm2增大至 282.2×10–3μm2，增幅45%，物性參數(shù)變化幅度較小。

圖5 Z19井孔隙度與滲透率關(guān)系

對比油田儲層物性非均質(zhì)性參數(shù)可知，隨著水淹程度的增加，滲透率級差、突進系數(shù)、變異系數(shù)均有所上升。說明在水驅(qū)開發(fā)過程中，儲層物性改善，但儲層非均質(zhì)性也有所增強。

Z19井泥質(zhì)含量與滲透率之間呈反比關(guān)系（圖6），水驅(qū)后，泥質(zhì)含量降低，滲透率上升。

圖6 Z19井泥質(zhì)含量與滲透率關(guān)系

4 水驅(qū)前后儲層電性參數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)巖電–相驅(qū)實驗結(jié)果，分析Z19井水驅(qū)過程中巖心電阻率的變化規(guī)律。實驗過程中，記錄并計算各測試點的含水飽和度、巖心電阻率、產(chǎn)水率和驅(qū)替倍數(shù)之間的關(guān)系，繪制關(guān)系圖，并通過產(chǎn)水率劃分水淹級別（產(chǎn)水率＜10%，未水淹；10%＜產(chǎn)水率＜40%，弱水淹；40%＜產(chǎn)水率＜80%，中水淹；產(chǎn)水率＞80%，強水淹）。對比 Z19井不同流動單元樣品巖電–相驅(qū)實驗結(jié)果（圖7），Ⅱ類流動單元電阻率中等，弱～中水淹對應(yīng)含水飽和度為 40%～60%，巖心電阻率在下降過程中存在明顯的拐點，拐點兩側(cè)巖心電阻率隨含水飽和度的增加而下降的幅度明顯不同；Ⅲ類流動單元電阻率最小，水驅(qū)過程中降幅最小，弱～中水淹對應(yīng)含水飽和度為 35%～55%，巖心電阻率隨含水飽和度的增加而下降的趨勢較為一致。

通過實驗數(shù)據(jù)可知，巖心樣品在驅(qū)替倍數(shù)很低的情況下（一般小于1倍），含水飽和度已經(jīng)接近最大含水飽和度（即100%減去殘余油飽和度），而且，雙包封處理的巖心樣品在實驗過程中不存在出砂的現(xiàn)象，故認為實驗過程對巖心孔隙度的改變可以忽略不計。同時，參考Z19室內(nèi)模擬水驅(qū)前后儲層巖電參數(shù)變化實驗結(jié)果，水驅(qū)前后地層因素F（即Ro/Rw）的改變量很小（小于3%）。

圖7 Z19井不同流動單元樣品巖電–相驅(qū)實驗結(jié)果

根據(jù)巖電–相驅(qū)實驗結(jié)果，以電阻率拐點（即儲層開始水淹），兩端飽和度指數(shù)!值明顯變化的測試點對應(yīng)的含水飽和度為界線，分段得出"值，計算!值。

根據(jù)阿爾奇公式，在電阻率放大率I與含水飽和度Sw雙對數(shù)坐標(biāo)下計算飽和度指數(shù)!（圖8）。結(jié)合巖電–相驅(qū)實驗計算得到的含水飽和度與驅(qū)替倍數(shù)之間的關(guān)系，得到樣品水淹前"值、!值，拐點對應(yīng)飽和度，拐點對應(yīng)驅(qū)替倍數(shù)，水淹后"值、!值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，!值隨驅(qū)替倍數(shù)變化也呈明顯的兩段式。當(dāng)驅(qū)替倍數(shù)很小、含水飽和度較低時，"值較小，!值較大；當(dāng)驅(qū)替倍數(shù)增大、含水飽和度較高時，"值增大，!值減小。

圖8 Z19井代表性樣品電阻率放大率與地層水飽和度關(guān)系

根據(jù)Z19井巖電–相驅(qū)實驗!值計算結(jié)果，拐點之后"值上升，!值下降。Ⅱ類流動單元的!值普遍高于Ⅲ類流動單元。在水驅(qū)過程中，隨著驅(qū)替倍數(shù)的不斷增加，巖心電阻率與含水飽和度之間的關(guān)系發(fā)生變化，由此計算得到的飽和度指數(shù)!值也呈現(xiàn)明顯的分段性，總體上符合水驅(qū)后儲層巖電參數(shù)降低的規(guī)律。

Z19井水驅(qū)油過程中，巖石電阻率的下降同樣呈兩段式。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于，當(dāng)儲層孔隙中的含水飽和度增大到一定程度后，巖石中由大孔道組成的主力流動網(wǎng)絡(luò)開始形成并保持穩(wěn)定。模擬水驅(qū)開發(fā)過程的微觀驅(qū)油實驗表明，在微觀非均質(zhì)性控制下，作為驅(qū)替相的水總是選擇阻力最小的通道前進。由于大孔道的排驅(qū)壓力低，注入介質(zhì)在其中優(yōu)先突破，當(dāng)從不同孔道突進的注入水匯合并到達出口端以后，會在巖石孔道系統(tǒng)中形成主力流動網(wǎng)絡(luò)，在這個主力流動網(wǎng)絡(luò)中水是連續(xù)相，對電流的傳導(dǎo)起決定作用[15]。

5 水驅(qū)前后儲層滲流特征變化規(guī)律

油田長期注水開發(fā)中，注入水對儲層的改造作用造成了儲層滲流特征的變化，這些變化主要體現(xiàn)在油水相滲、潤濕性與驅(qū)油效率的變化上。水驅(qū)前后相對滲透率曲線呈規(guī)律性變化，油水兩相曲線逐漸右移，水相曲線上升平緩，水相端點由高變低，水驅(qū)后等滲點對應(yīng)的含水飽和度有增大的趨勢，長期注水沖刷使儲層親水性增強[14]。

對Z19井水驅(qū)模擬前后樣品的相滲曲線進行平均處理（圖9），分析水驅(qū)前后儲層的滲流特點，圖中顯示由水淹前到水淹后相滲曲線的變化。水淹后束縛水飽和度高于水淹前束縛水飽和度，水淹后水相滲透率上升速度也較水淹前慢，等滲點對應(yīng)含水飽和度更高，顯示出更強的親水性。

6 結(jié)論

圖9 Z19井油水相對滲透率曲線

（1）水驅(qū)后儲層粒度中值增大，黏土礦物含量下降，變異系數(shù)上升，儲層粒度非均質(zhì)性增強；Ⅰ類流動單元儲層樣品巖性參數(shù)變化最大，Ⅱ類流動單元次之，Ⅲ類流動單元普遍未水淹或水淹程度低，變化較小。

（2） 水驅(qū)后孔喉平均半徑增大，排驅(qū)壓力降低，孔隙連通性變好，但喉道分選性變差，孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性增強；Ⅱ類流動單元儲層樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化最大，Ⅰ類流動單元次之，Ⅲ類流動單元變化最小。

（3）水驅(qū)后孔隙度增加幅度較小，滲透率明顯增大，但滲透率級差、突進系數(shù)和變異系數(shù)增加，物性非均質(zhì)性增強；Ⅰ類流動單元物性參數(shù)變化最大，Ⅱ類、Ⅲ類流動單元物性參數(shù)變化較小。

（4）隨著驅(qū)替倍數(shù)的增加，巖心電阻率下降，依據(jù)產(chǎn)水率劃分水淹級別，未水淹階段巖心電阻率下降最為明顯；利用含水飽和度和巖心電阻率計算飽和度指數(shù)!值，!值隨著驅(qū)替倍數(shù)的增加，呈明顯的兩段式，Ⅱ類流動單元巖心電阻率和飽和度指數(shù)!值普遍大于Ⅲ類流動單元。

（5）水驅(qū)后儲層樣品束縛水飽和度增加，殘余油飽和度降低，顯出更強的親水性，驅(qū)油效率也隨之增加。

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TE 341

A

1673–8217（2017）06–0086–05

2017–06–07

朱文森，工程師，1985年生， 2008年畢業(yè)于長江大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)從事實驗研究。

“十三五”國家科技重大專項“渤海海域勘探新領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)研究”（2016ZX05024–003）。

王金旗