應(yīng)用激光共聚焦研究特低滲透儲(chǔ)層微觀剩余油分布
——以榆樹(shù)林油田扶楊油層為例

王文明，衣曉東，殷代印

（1.大慶榆樹(shù)林油田開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163000；2.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

特低滲透油藏具有滲透率低、孔隙度低、喉道細(xì)小、孔喉比大、啟動(dòng)壓力梯度大[1]等特點(diǎn)，這使得對(duì)于特低滲透儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)更加困難。榆樹(shù)林油田以扶楊油層為主要開(kāi)發(fā)層位，探明地質(zhì)儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的88%[2]。扶楊儲(chǔ)層平均滲透率2.00×10-3μm2，平均喉道半徑1.3 μm。由于滲透率低、孔喉分布復(fù)雜，油田綜合含水率逐年上升[3-4]，儲(chǔ)層微觀剩余油分布位置及分布形態(tài)更加復(fù)雜。因此，有必要對(duì)特低滲透儲(chǔ)層中高含水階段微觀剩余油分布類(lèi)型及分布特征展開(kāi)研究，為進(jìn)一步挖潛特低滲透儲(chǔ)層微觀剩余油提供理論依據(jù)。目前微觀剩余油研究方法主要有含油薄片分析[5]、核磁共振技術(shù)[6]、冷凍制片熒光顯微鏡技術(shù)[7]、光刻玻璃模型微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)[8]和激光共聚焦掃描顯微鏡技術(shù)等[9]。含油薄片分析、核磁共振技術(shù)、冷凍制片熒光顯微鏡技術(shù)成本較高，不能研究不同含水階段微觀剩余油分布情況；光刻玻璃模型微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯佑^測(cè)微觀孔隙中流體的動(dòng)態(tài)滲流特征[10-12]，監(jiān)測(cè)不同含水階段水驅(qū)后剩余油所在孔道的特點(diǎn)，確定剩余油存在類(lèi)型，但光刻玻璃模型為二維模型。激光共聚焦技術(shù)可以對(duì)儲(chǔ)層巖石和巖石孔隙中烴組分進(jìn)行三維掃描，獲得巖石孔隙中微觀剩余油信息[13]；同時(shí)，激光共聚焦技術(shù)還可以將得到的巖石孔隙及微觀剩余油圖像定量分析和計(jì)算，最終得到巖石孔隙中微觀剩余油分布的三維量化指標(biāo)[14]。

目前，對(duì)于特低滲透儲(chǔ)層微觀剩余油的研究，多數(shù)是采用核磁共振方法研究剩余油飽和度變化，對(duì)于微觀剩余油分布類(lèi)型的研究，多數(shù)采用熒光薄片分析方法研究某一開(kāi)發(fā)階段微觀剩余油分布，不能定量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特低滲透儲(chǔ)層微觀剩余油變化情況。為此，本文綜合應(yīng)用光刻玻璃模型微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和激光共聚焦掃描顯微鏡技術(shù)研究榆樹(shù)林油田扶楊儲(chǔ)層微觀剩余油分布，通過(guò)光刻玻璃模型微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究扶楊油層剩余油分布類(lèi)型及成因，通過(guò)激光共聚焦方法研究扶楊油層天然巖心不同開(kāi)發(fā)階段各類(lèi)剩余油分布數(shù)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

實(shí)驗(yàn)所需的儀器包括HW-4A 型恒溫箱（工作溫度0～120 ℃）、巖心夾持器、布氏黏度儀、HDK-4A 型氣體滲透率測(cè)定儀、平流泵、真空泵、ISCO 驅(qū)替泵（最小流速可達(dá)10 nL/min）、ZJ-WG 微觀可視驅(qū)替分析系統(tǒng)和Leica TCS SP8 激光共聚焦顯微鏡（精度0.1 μm）等（圖1）。

實(shí)驗(yàn)所用的模擬油是由脫水脫氣的原油和煤油混合而成[15]，黏度為4.5 mPa·s（45℃）；模擬的地層水礦化度為508 mg/L；實(shí)驗(yàn)所用巖心為榆樹(shù)林油田扶楊油層天然巖心，滲透率約為3.00×10-3μm2和8.00×10-3μm2。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用主要設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

1.2.1 微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

選取榆樹(shù)林油田扶楊儲(chǔ)層特低滲透天然巖心（滲透率分別為3.00×10-3，8.00×10-3μm2）進(jìn)行微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?0 mm×40 mm，模型的潤(rùn)濕性表現(xiàn)為弱親水性，與現(xiàn)場(chǎng)相符。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①對(duì)光刻玻璃模型進(jìn)行抽真空后飽和模擬油；②以0.20 mL/h 的注入速度向光刻玻璃模型中注水，記錄水驅(qū)油過(guò)程[16]，觀察水驅(qū)過(guò)程中，各類(lèi)微觀剩余油存在位置及形態(tài)變化；③利用圖像處理軟件分析特低滲透儲(chǔ)層剩余油分布類(lèi)型及不同挖潛方式下各類(lèi)剩余油的變化。

1.2.2 激光共聚焦法分析微觀剩余油

首先進(jìn)行巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將取來(lái)的天然巖心洗凈油后烘干；②將烘干后的巖心抽真空,然后飽和模擬地層水，采用模擬原油驅(qū)替地層水直至出口端全是油為止，并在恒溫箱中（45 ℃）放置24 h；③以0.15 mL/min 的速度向天然巖心中注入水，驅(qū)替到不同含水階段[17]。水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)后要將巖心樣品制成薄片，切片之前樣品置入液氮中冷凍保存，再將制成的薄片放在激光共聚焦顯微鏡下進(jìn)行掃描[18]。巖心樣品的切片需要在冷凍條件下進(jìn)行，切片后樣品需放置在5 ℃以下的環(huán)境中進(jìn)行風(fēng)干。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 扶楊儲(chǔ)層剩余油分布類(lèi)型

采用扶楊儲(chǔ)層特低滲透光刻玻璃模型進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，在不同含水階段用顯微鏡觀察扶楊儲(chǔ)層微觀剩余油分布位置及存在狀態(tài)。根據(jù)榆樹(shù)林油田扶楊儲(chǔ)層剩余油在孔喉中的分布類(lèi)型，發(fā)現(xiàn)榆樹(shù)林油田扶楊儲(chǔ)層水驅(qū)后主要存在5 種類(lèi)型微觀剩余油，分別是簇狀、膜狀、油滴狀、柱狀和盲端狀。

對(duì)于膜狀剩余油，主要是由于原油在孔壁表面的附著力大于水的驅(qū)動(dòng)壓力而形成；對(duì)于油滴狀剩余油，主要是由于油滴尺寸較大，賈敏效應(yīng)嚴(yán)重，在喉道口處發(fā)生滯留而形成；對(duì)于柱狀剩余油，主要是由于低滲透儲(chǔ)層孔喉比較大，孔隙和喉道差異大，在較小喉道毛細(xì)管阻力較大[19]，由于毛細(xì)管圈閉而形成柱狀剩余油；對(duì)于盲端狀剩余油，主要存在于盲端孔隙中，由于注入水波及不到而形成；對(duì)于簇狀剩余油，由于注入水的指進(jìn)現(xiàn)象而形成[20]，在較小孔喉或“小喉道包圍的大孔喉”中形成簇狀剩余油。

2.2 扶楊儲(chǔ)層剩余油分布數(shù)量

按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行的天然巖心水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，將巖心樣品制成厚度為0.1 mm 薄片，采用488 nm 激光激發(fā)掃描，用體繪制方法重建的孔隙和原油三維圖像，如圖2、圖3 所示，原油的形貌特征用黃色來(lái)表示，而礦物的形貌特征用灰色。把樣品制成薄片的優(yōu)點(diǎn)是在局部研究孔隙結(jié)構(gòu)的同時(shí)可以觀察孔隙中原油的賦存狀態(tài)。

表1 天然巖心水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 孔隙和原油三維重建圖像（滲透率3.81×10-3μm2）

圖3 孔隙和原油三維重建圖像（滲透率8.24×10-3μm2）

可以看出，采用激光共聚焦掃描顯微鏡技術(shù)進(jìn)行巖石和剩余油的三維重建后，能夠較好地分辨出巖石和原油。激光共聚焦掃描顯微鏡技術(shù)可以用于不同開(kāi)發(fā)階段微觀剩余油的研究。隨著巖心滲透率的增大，水驅(qū)后采收率逐漸升高，微觀剩余油逐漸變少[21]。

采用滲透率2.00×10-3～10.00×10-3μm2的天然巖心，分別注水驅(qū)替到含水率30%左右、含水率60%左右和含水率90%以上。利用激光共聚焦掃描顯微鏡技術(shù)對(duì)剩余油進(jìn)行量化分析，得到不同滲透率、不同含水率階段巖心的微觀剩余油數(shù)據(jù)。不同滲透率巖心在不同含水階段時(shí)，各類(lèi)剩余油飽和度以及剩余油比例分別如圖4、圖5 所示。

可以看出，對(duì)于滲透率為4.02×10-3μm2的巖心，當(dāng)驅(qū)替到含水90%以上時(shí)，采收率為29.28%，對(duì)應(yīng)殘余油飽和度為43.85%。對(duì)于滲透率為8.24×10-3μm2的巖心，當(dāng)驅(qū)替到含水90%以上時(shí)，采收率為40.60%，對(duì)應(yīng)殘余油飽和度為38.61%。從微觀剩余油分布來(lái)看，在低中高含水階段，扶楊儲(chǔ)層微觀剩余油均以簇狀為主。由于扶楊儲(chǔ)層為特低滲透儲(chǔ)層，孔隙分布復(fù)雜，平均喉道半徑僅為1.3 μm，孔喉比大多大于80，配位數(shù)均值為2.63，迂曲度均值在4.43，在較小孔喉或“小喉道包圍的大孔喉” 中容易形成注水驅(qū)替不到的簇狀剩余油，因此，要大幅度提高扶楊儲(chǔ)層采收率，應(yīng)該以擴(kuò)大波及體積 為主，使由于毛細(xì)管力圈閉的簇狀剩余油得到動(dòng)用。

圖4 不同含水階段各類(lèi)剩余油飽和度分布直方圖

圖5 不同含水階段各類(lèi)剩余油分布直方圖

以滲透率為5.00×10-3～10.00×10-3μm2的巖心為例，當(dāng)含水率約為30%時(shí)，簇狀剩余油飽和度為32.73%，而柱狀、油滴狀、膜狀和盲端狀剩余油飽和度分別為4.12%、5.67%、2.15%和2.58%；當(dāng)含水率達(dá)到約為90%時(shí)，簇狀剩余油飽和度為22.73%，其他四種微觀剩余油飽和度分別為4.71%、6.08%、2.18%和2.91%。可以看出，隨著巖心含水率的升高，簇狀剩余油飽和度降低，主要原因是隨著注水量增多，驅(qū)替壓差增大，當(dāng)驅(qū)替壓差大于啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，簇狀剩余油開(kāi)始運(yùn)移；但由于特低滲透儲(chǔ)層孔喉大小不一、迂曲度大、且邊界流體黏度遠(yuǎn)大于體相流體[22-24]，簇狀剩余油不能完全被驅(qū)替，變?yōu)榉植几恿闵⒌闹鶢睢⒂偷螤睢⒛詈兔ざ藸钍Ｓ嘤汀?/p>

3 微觀剩余油挖潛對(duì)策

光刻玻璃模型可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)?zāi)芨又庇^的觀察和分析不同挖潛措施下各類(lèi)剩余油動(dòng)用狀況，根據(jù)榆樹(shù)林油田扶楊儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)狀況，采用光刻玻璃模型進(jìn)行了改變驅(qū)替方向、周期性注入、增大驅(qū)替壓差和增大驅(qū)替液黏度的微觀可視化驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析不同挖潛措施各類(lèi)剩余油動(dòng)用狀況，研究井網(wǎng)加密、周期注水、加強(qiáng)注水和調(diào)剖等措施對(duì)于各類(lèi)剩余油的動(dòng)用情況。

3.1 改變驅(qū)替方向

當(dāng)模型滲透率為3.00×10-3μm2和8.00×10-3μm2時(shí)，改變驅(qū)替方向后采收率分別為39.33%和46.02%，與單一驅(qū)替方向水驅(qū)相比，采收率分別提高了3.21%和2.67%。其中簇狀和柱狀剩余油降幅較大，簇狀剩余油分別降低了1.29%和1.12%，柱狀剩余油分別降低了0.69%和0.72%（圖6）。可以看出，對(duì)于簇狀和柱狀剩余油，改變驅(qū)替方向后可以實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用。

圖6 改變驅(qū)替方向簇狀剩余油動(dòng)用機(jī)理

改變驅(qū)替方向?qū)Υ貭詈椭鶢钍Ｓ嘤偷膭?dòng)用機(jī)理主要是：一是特低滲透儲(chǔ)層喉道小，滲流阻力大，且配位數(shù)低，僅為2～3 個(gè)；水驅(qū)后，在垂直于驅(qū)替方向形成簇狀剩余油，當(dāng)改變驅(qū)替方向后，簇狀剩余油開(kāi)始啟動(dòng)、運(yùn)移。二是在改變驅(qū)替方向后，柱狀剩余油所受的驅(qū)替壓差增大，當(dāng)驅(qū)替壓差高于啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，柱狀剩余油開(kāi)始流動(dòng)，活化變成可動(dòng)剩余油。

3.2 周期性注入

當(dāng)注入周期達(dá)到三個(gè)輪次，繼續(xù)周期性注入，采收率增加幅度較小，經(jīng)過(guò)三個(gè)輪次周期注入后，3.00×10-3μm2和8.00×10-3μm2模型采收率分別為38.75%和44.65%，與常規(guī)水驅(qū)相比，采收率分別提高了7.50%和5.83%。其中簇狀和柱狀剩余油動(dòng)用效果明顯，簇狀剩余油分別降低了2.44%和2.22%，柱狀剩余油分別降低了1.07%和0.91%。可以看出，對(duì)于簇狀和柱狀剩余油，周期性注入后可以實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用。

圖7 周期注水柱狀剩余油動(dòng)用機(jī)理

3.3 增大驅(qū)替壓差

當(dāng)模型滲透率為3.00×10-3，8.00×10-3μm2時(shí)，增大驅(qū)替壓差后，采收率增加，當(dāng)驅(qū)替壓差為0.040 MPa 時(shí)，采收率分別為39.04%和45.99%，與常規(guī)水驅(qū)相比，采收率分別提高了2.92%和2.64%，其中簇狀和油滴狀剩余油動(dòng)用效果明顯，簇狀剩余油分別降低了1.07%和1.00%，油滴狀剩余油分別降低了0.68%和0.55%。可以看出，對(duì)于簇狀和油滴狀剩余油，增大驅(qū)替壓差后可以實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用。

增大驅(qū)替壓差動(dòng)用機(jī)理主要有以下兩點(diǎn)：一是特低滲透儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度大，增大驅(qū)替壓差后，原來(lái)由于啟動(dòng)壓力大沒(méi)有流動(dòng)的剩余油開(kāi)始啟動(dòng)；二是在較小喉道處油滴狀剩余油賈敏效應(yīng)明顯，增大驅(qū)替壓差后，油滴狀剩余油克服附加毛細(xì)管阻力開(kāi)始運(yùn)移，油滴狀剩余油逐漸變形、卡斷通過(guò)喉道。

3.4 增大驅(qū)替液黏度

當(dāng)模型滲透率約為3.00×10-3μm2時(shí)，聚合物注入困難；當(dāng)模型滲透率約為8.00×10-3μm2時(shí)，采收率隨著注入聚合物黏度的增加而增大。當(dāng)注入聚合物黏度大于4.1 mPa·s 時(shí)，繼續(xù)增加聚合物濃度，采收率增加幅度較小；當(dāng)注入聚合物黏度為4.1 mPa·s 時(shí)，采收率為47.37%，與常規(guī)水驅(qū)相比，采收率提高了4.02%。其中，簇狀剩余油降低了1.45%，柱狀剩余油降低了0.42%，油滴狀剩余油降低了0.49%，膜狀剩余油降低了0.13%，盲端狀剩余油降低了0.13%。采取增大驅(qū)替液黏度的方式可以使這五種類(lèi)型微觀剩余油得到有效動(dòng)用。

增大驅(qū)替液黏度對(duì)五種類(lèi)型剩余油的動(dòng)用機(jī)理主要是：一是注入的高黏度驅(qū)替液首先進(jìn)入大孔喉，使大孔喉中的壓力增大，后續(xù)注入的驅(qū)替液進(jìn)入小孔喉，使柱狀和簇狀剩余油開(kāi)始啟動(dòng)、運(yùn)移；二是聚合物等流體具有黏彈性，黏彈性流體產(chǎn)生的第一法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力擠壓膜狀和盲端狀剩余油使其啟動(dòng)運(yùn)移；三是注入的高黏度驅(qū)替液使驅(qū)替壓差增大，使油滴狀剩余油逐漸被驅(qū)替出來(lái)。

綜上所述，改變驅(qū)替方向?qū)?yīng)礦場(chǎng)實(shí)施方案為加密、油井轉(zhuǎn)注、堵水、補(bǔ)孔，周期性注入對(duì)應(yīng)礦場(chǎng)實(shí)施方案為周期注水、水氣交替注入、層間輪注，以上兩種方式可以動(dòng)用簇狀和柱狀剩余油；增大驅(qū)替壓差對(duì)應(yīng)礦場(chǎng)實(shí)施方案為加密、壓裂、酸化、加強(qiáng)注水，可以動(dòng)用簇狀剩余油和油滴狀剩余油；增大驅(qū)替液黏度對(duì)應(yīng)礦場(chǎng)實(shí)施方案為調(diào)剖或低分子量聚驅(qū)，能夠使五種類(lèi)型微觀剩余油均得到動(dòng)用，見(jiàn)表2。

4 結(jié)論

表2 各類(lèi)剩余油挖潛對(duì)策

（1）采用激光共聚焦掃描顯微方法確定了扶楊儲(chǔ)層微觀剩余油分布數(shù)量，扶楊儲(chǔ)層微觀剩余油以簇狀為主，占60%以上。主要原因是扶楊儲(chǔ)層孔隙分布復(fù)雜，平均喉道半徑僅為1.3 μm，孔喉比大多大于80，配位數(shù)均值為2.63，迂曲度均值在4.43，在較小孔喉或“小喉道包圍的大孔喉”中容易形成注水驅(qū)替不到的簇狀剩余油，要想大幅度提高扶楊儲(chǔ)層采收率，應(yīng)該以擴(kuò)大波及體積為主，使由于毛細(xì)管力圈閉的簇狀剩余油得到動(dòng)用。

（2）隨著注水量的增多，驅(qū)替壓差逐漸增大，巖心含水率升高，當(dāng)驅(qū)替壓差大于啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，簇狀剩余油開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)移；但由于特低滲透儲(chǔ)層孔喉大小不一、迂曲度大、且存在邊界層，簇狀剩余油不能完全被驅(qū)替，變?yōu)榉植几恿闵⒌闹鶢睢⒂偷螤睢⒛詈兔ざ藸钍Ｓ嘤停@也是特低滲透儲(chǔ)層高含水期剩余油挖潛難度大的原因。

（3）研究了改變驅(qū)替方向、周期性注入、增大驅(qū)替壓差和增大驅(qū)替液黏度對(duì)各類(lèi)剩余油的微觀動(dòng)用機(jī)理，從現(xiàn)場(chǎng)施工來(lái)看，加密、油井轉(zhuǎn)注、堵水、補(bǔ)孔、周期注水、水氣交替注入、層間輪注可以有效動(dòng)用簇狀和柱狀剩余油；壓裂、酸化、加強(qiáng)注水可以有效動(dòng)用簇狀和油滴狀剩余油；調(diào)剖或低分子量聚驅(qū)能夠有效動(dòng)用五種類(lèi)型剩余油。