牛東裂縫型火山巖致密油藏滲吸采油機理

王夢雨， 楊勝來*， 曹庾杰， 王君如， 于家義， 劉文銳

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，石油工程教育部重點實驗室，北京 102249；2.中國石油吐哈油田分公司勘探開發研究院，北京 100083)

裂縫型火山巖油藏開發初期利用天然能量及裂縫系統的高滲透能力，能獲得較高的油井日產量。彈性開發后，常規注水方法注入水沿裂縫串流，基質由于滲透率低，無法實現水驅油，導致油藏采收率低。為進一步提高油藏采收率，需要探索試驗新的生產方式。裂縫型火山巖油藏注水吞吐采油是一種可行的選擇，但致密油藏注水吞吐采油的可行性、注水吞吐采油機理及參數優化需要開展研究。

裂縫型油藏注水吞吐期間，注入水與巖石孔隙內的原油進行置換實現滲吸采油。關于滲吸機理前人已有大量研究，表明低滲油藏中毛管力是滲吸采油的動力[1-3]，儲層潤濕性一定時，毛管力與孔隙半徑成反比，孔隙半徑越小，毛管力越大，滲吸效果越明顯[4-7]。但以往滲吸機理多采用低滲透率或致密砂巖進行研究[8-14]，針對火山巖縫洞型油藏的巖心滲吸實驗研究很少，缺乏火山巖縫洞型油藏注水吞吐的研究。

為此，針對位于三塘湖盆地馬朗凹陷中部的牛東火山巖油藏，開展室內滲吸實驗。首先利用電子計算機斷層掃描(CT)與掃描電鏡(SEM)等手段對火山巖油藏巖心孔隙結構及礦物特征進行描述，通過常溫常壓滲吸實驗研究火山巖滲吸機理，分析滲吸作用在火山巖縫洞油藏采油過程中的貢獻，同時利用核磁共振技術(NMR)監測火山巖油藏巖心的滲吸作用，深入分析致密油火山巖巖心滲吸微觀采油機制。

1 實驗介紹

1.1 實驗樣品

三塘湖盆地馬朗凹陷中部的牛東火山巖油藏地理位置如圖1所示。

圖1 牛東火山巖油藏地理位置

本實驗用巖心、原油和地層水均取自目標區塊(牛東)致密儲集層。巖心樣品為致密火山巖巖心，選取9塊火山巖巖心進行實驗，為模擬火山巖油藏縫洞型的性質，研究裂縫對火山巖油藏驅油的影響，對三塊巖心壓縫處理，裂縫為貫穿縫的定義為裂縫型巖心，如圖2所示，巖心用金屬線固定；沒有裂縫的巖心定為孔隙型巖心，測量裂縫型巖心在不同壓力條件下的水測滲透率與裂縫寬度。巖心各參數數據見表1。

圖2 造縫巖心示意圖

實驗用水為牛東火山巖地層水，礦化度為3 654 mg/L，為CaCl2水型。實驗用油為牛東火山巖原油，黏度為5 mPa·s(45 ℃)，與地層水的界面張力為26.24 mN/m，密度為0.823 6 g/cm3。

1.2 實驗方案

1.2.1 常溫常壓滲吸實驗

(1)目標區塊柱塞巖心洗凈、烘干，測量孔滲。

(2)巖心抽真空，飽和地層水，并計算水測滲透率。

(3)巖心飽和原油，計算含油飽和度，放入45 ℃恒溫箱中老化15 d。

注：水測滲透率為 20 mPa下測得。

(4)老化后的巖心豎直放入浮力法靜態滲吸測量裝置中，圖3為實驗裝置圖，向燒杯中緩慢加入地層水至刻度線，之后分別隔4、6、12、24、24和24 h測量巖心質量，利用質量法計算滲吸采出程度和滲吸速率，圖4為常溫常壓滲吸實驗示意圖。

1.2.2 核磁共振滲吸實驗

核磁共振T2譜檢測原理是通過對飽和水后的樣品采集得到的回波衰減信號，使用聯合迭代重建技術(SIRT)反演算法進行數學反演計算得到樣品的T2譜圖。T2弛豫時間反映了樣品內部氫質子所處的化學環境，與氫質子所受的束縛力及其自由度有關，而氫質子的束縛程度又與樣品的內部結構有密不可分的關系。在多孔介質中，孔徑越大，存在于孔中的水弛豫時間越長；孔徑越小，存在于孔中的水受到的束縛程度越大，弛豫時間越短，即峰的位置與孔徑大小有關，峰的面積大小與對應孔徑的多少有關。實驗儀器為MesoMR23-60H-I中尺寸核磁共振分析儀,如圖5所示。

該實驗與常溫常壓滲吸實驗步驟一致，只是將地層水換成重水以屏蔽氫信號，進行常溫常壓滲吸，并在滲吸過程中分別隔1、4、6、12、24和24 h共測6次核磁T2譜圖。并選一塊巖心在滲吸過程中成像三次，直觀觀測滲吸變化過程。

圖3 常溫常壓滲吸實驗測量裝置簡圖

圖4 常溫常壓滲吸實驗

圖5 核磁共振分析儀

圖6 巖心掃描電鏡與CT掃描的孔隙結構圖

圖7 核磁T2譜弛豫時間與孔徑分布的轉換

2 火山巖巖心孔隙結構分布

利用掃描電鏡及CT掃描手段獲得了火山巖油藏巖心孔隙結構圖像，牛東區塊火山巖儲層風化淋濾作用強，黏土礦物含量高，平均黏土礦物含量14.7%，根據掃描電鏡結果[圖6(a)和圖6(b)]分析，黏土礦物主要為高嶺石(微粒遷移)、蒙脫石(水敏性)等成分，因此具有很強的潛在水敏性[15-19]。CT掃描實驗結果[圖6(c)和圖6(d)]表明，火山巖儲集空間具有多樣性和復雜性，孔、洞、縫交織在一起，孔隙結構復雜，形態各異。發育程度不同的孔、洞、縫，按不同的方式組合在一起，形成復雜的空間網絡，使儲層孔隙結構表現出強烈的非均質性。

3 火山巖油藏基質中原油分布

對于牛東區塊油藏，由于儲層具有復雜的孔隙結構，其儲層物性的好壞取決于裂縫的發育程度，若裂縫溝通了氣孔溶孔，則形成良好的儲集空間和滲流通道。為研究火山巖基質滲吸微觀機制：滲吸路徑以及滲吸采油的孔隙分布，利用核磁共振手段測量不同滲吸時間的巖心中油水分布。

對于本核磁共振實驗，通過變換不同的孔隙轉化系數(C)，核磁累計孔徑分布與壓汞法的累計進汞量曲線進行對比[20]，得到最佳的轉換系數為0.03，進而將核磁T2反演數據轉化為孔徑分布數據(圖7)。從孔徑分布圖中可以看出火山巖三塊巖心含油孔徑主要在1 nm～10 μm，滲透率較高的H8號、H9號巖心，含有的原油主要集中在0.1 μm孔徑附近的孔隙當中，滲透率極低的H7號巖心中的原油主要分布在0.01 μm孔徑附近的孔隙當中。通過核磁檢測到的巖心不同孔徑中的油信號可以發現，檢測到的可動油下限孔徑為10-3μm。如此低的孔徑很難用常規注水方法注水驅替，通過核磁譜圖可以看出，滲吸作用可以置換出一部分基質中的原油，具有一定的采油效率，因此注水吞吐采油方法是可行的。

4 常溫常壓滲吸采油機理分析

常溫常壓滲吸結果見表2，裂縫型巖心滲透率高于孔隙型巖心，常溫常壓條件下滲吸采出程度隨滲透率的增加而增加，裂縫型巖心滲吸采出程度平均比孔隙型巖心高43%，巖心的基質平均滲透率數量級為10-2，屬于致密油藏，依靠天然能量衰竭采油困難，利用注水吞吐，致密油滲吸油水置換可以提高基質和孔洞中的原油采收率。

常溫常壓滲吸采出程度隨時間變化曲線(圖8)，每條曲線斜率分別表示各巖心滲吸速率。滲吸結果表明：所有巖心滲吸速率均是前20 h滲吸快且基本達到滲吸頂點，之后滲吸趨于平穩，可將滲吸過程分為兩個階段，前20 h可為初期快速滲吸階段，之后滲吸為緩慢并趨于平衡的緩慢滲吸階段。H1和H2號巖心滲吸曲線斜率明顯低于其他巖心，表明滲吸速率低于剩余巖心，分析認為H1和H2巖心的滲透率低于其他巖心，含油飽和度低，因此滲吸速率低。雖然H3～H6四塊巖心開始時滲吸速率均較快且差距不明顯，但1 h后，不同巖心滲吸速率與滲吸采出程度出現差異，含油飽和度較高且滲透率大的巖心繼續快速滲吸，達到一定值時，滲吸曲線趨于平穩。用核磁共振T2譜手段監測滲吸實驗的巖心滲透率極低，H7和H8號巖心飽和油量少，滲吸量雖然少，但采出程度可達30%，結合圖9核磁成像圖分析認為滲透率極低的致密巖心滲吸采油主要是表層原油快速滲吸。綜上：裂縫、滲透率和含油飽和度對常溫常壓滲吸速率和采出程度影響很大，裂縫型巖心、較高滲透率巖心和高含油飽和度巖心有利于滲吸采油。

表2 常溫常壓滲吸實驗數據表

通過核磁孔徑分布圖(圖7)可以看出，發生滲吸的孔徑下限為1 nm,為研究各尺度孔隙對滲吸的貢獻大小，按照周德勝等的研究結果表明巖心在滲流過程中0.1 μm是區分提供滲吸動力喉道和主要泄油喉道的界限，故將巖心中的孔隙按孔隙半徑分類，孔隙半徑小于0.1 μm的為微孔，孔隙半徑在0.1～1 μm的是過渡孔，孔隙半徑大于1 μm的為大孔，由核磁共振實驗T2譜圖可以得到不同時間原油經過滲吸減少的量，對應孔徑分布則可以得到以上所分類的三種孔隙分別對應的滲吸采出程度與滲吸速率，經統計可得(圖10)，微孔中原油的滲吸速率高于過渡孔高于大孔，分析認為毛管力是滲吸的主要動力，毛管力與孔徑成反比，孔徑越小，毛管力越大，因此微孔原油滲吸最快，表明滲吸從微孔中先開始，微孔中的油通過毛管力差進入到過渡孔和大孔，原油經由大孔進入裂縫之后被采出，該結果表明了滲吸采油路徑。巖心滲吸成像結果如圖9所示，綠色較深的部位含油飽和度高，由不同時間滲吸成像圖可以看出在自發滲吸期間并未出現明顯的端面富集現象，各方向滲吸均勻，垂向與水平方向沒有明顯差異。說明滲吸過程毛管力起主導作用，重力與浮力作用微弱，且由圖像可以看出巖心表層滲吸較快，滲吸程度較高。

圖8 常溫常壓滲吸采出程度隨時間變化

圖9 核磁共振常溫常壓滲吸成像圖

圖10 核磁檢測不同孔隙滲吸速率變化對比

5 結論

(1)牛東火山巖油藏裂縫和氣孔為主要儲集空間，裂縫溝通孔洞為主要滲流通道；火山巖巖心基質致密，毛管力主導的滲吸作用可將基質中的油置換出來，滲吸初期(前20 h)為快速滲吸階段，后期為低速階段，啟示現場燜井時間可控制在24 h左右。

(2)將巖心中的孔隙按孔隙半徑分類，孔隙半徑小于0.1 μm的為微孔，孔隙半徑在0.1～1 μm的是過渡孔，孔隙半徑大于1 μm的為大孔，滲吸結果表明微孔滲吸速率高于過渡孔高于大孔，但由于微孔原油含量少，其滲吸采出程度占比小。表明了滲吸作用動力主要為毛管力，孔隙半徑越小毛管力越大，滲吸作用越強，并且從核磁共振滲吸成像圖可直觀地看出，滲吸從巖心四周表層開始，滲吸期間并未出現明顯的端面富集現象，各方向滲吸均勻，垂向與水平方向沒有明顯差異。說明滲吸過程毛管力起主導作用，重力與浮力作用微弱。

(3)將核磁共振常溫常壓滲吸實驗所得T2譜圖通過壓汞數據轉換為孔徑分布圖，得到滲吸可動油孔徑下限為納米級。

(4)滲吸實驗中裂縫型巖心滲吸效果均強于基質型巖心，裂縫型巖心滲吸采出程度平均比孔隙型巖心高43%。

牛東火山巖低角度裂縫發育，建議牛東火山巖油藏在轉換開發方式時，應采取體積壓裂造縫以溝通含油孔洞，并充分發揮水驅和滲吸雙重作用，即結合注水驅替與注水吞吐兩種手段，最大限度提高火山巖油藏采收率。