低含水砂巖儲層三角孔隙在不同充注壓力下的含水飽和度研究

崔鵬興，梁衛衛，侯玢池，馮 東，劉 慶

(1.陜西延長石油集團有限責任公司研究院，西安 710065；2.中國石油大學 石油工程教育部重點實驗室，北京 102249)

鄂爾多斯盆地隴東地區延長組是目前國內外特低滲及致密砂巖油藏注水開發的主戰場之一[1-3]。延長油田的勘探開發實踐證實，該類油藏油水分布規律難尋，鄰井油水采出程度差異大，致密砂體一旦被動用其開發效果將好于微觀非均質性較強的相對高滲砂體。其微觀孔隙油分分散是制約采收率低的核心問題之一[4-7]。

石油勘探開發理論及方法對于油藏儲層宏觀油水分布規律及特征研究趨于成熟，但對于儲層微觀油水分布規律的描述存在明顯的不足。研究微觀油水運移機理以及剩余油在多孔介質中的微觀分布，對于低滲透油田開發具有特別重要的意義[8-10]。近年來微觀仿真模型刻蝕技術在石油領域的發展和應用，推動了微觀油水分布規律的直接觀察和量化表征[11-12]。但在砂巖儲層三角孔隙內的油水分布規律的研究相對薄弱。

該研究以鄂爾多斯盆地長6儲層微觀孔隙結構特征為依據，借著理想刻蝕模型顯微成像表征，結合理論推導，研究三角孔隙模型在原油充注條件下的油水分布，并評價其影響因素。該研究結果將為合理評價及預測儲層含水條件下油井產能奠定理論基礎。

1 單毛管模型原油充注實驗

在原油運移充注的過程中，親水性儲層充注的原油并不能完全占據孔隙，由于原始地層水的存在，充注原油過程中往往會在孔隙壁面形成一定厚度的水膜。水膜是水與砂巖表面發生一系列物理化學反應后，附著在砂巖表面顆粒及黏土礦物上，形成一層薄膜狀的附著帶(如圖1所示)，在原油充注運移中，隨著充注壓力的增大，水膜會逐漸變薄，但剝離水膜會變得越來越困難，這是由于油相與水膜之間存在分離壓[13-15](如圖2所示)。根據DLVO理論和Laplace方程，分離壓由范德華力、靜電力和結構力構成，實際上靜電力和結構力與范德華力相比非常小，可忽略不計，因次分離壓常被表示為[16-17]:

圖1 油水微觀界面及水膜現像

圖2 水膜受力示意圖

(1)

式中:Pd為分離壓力，MPa；h為水膜厚度，μm；AH為Hamaker常數，對于強親水的油-水-固系統，取值一般為10×10-20J。

通過AutoCAD軟件繪制刻蝕模型，通過刻蝕技術在玻璃平板上刻蝕出扁平毛管槽模型，毛管厚度是200 μm；深度為500 μm，截面近似長方形。

實驗步驟:①薄片的清潔與干燥。在高壓下從入口端注入酒精，清除玻璃刻蝕薄片中的雜質，然后將玻璃片放在高溫下(120 ℃)烘烤，酒精自動蒸發，得到干燥的玻璃薄片。②模型飽和水。在高壓下持續注入蒸餾水(加入甲基藍染色)直至刻蝕模型完全飽和水。③模擬油驅水過程。模擬油藏充注過程，分別以0.002 MPa，0.005 MPa，0.010 MPa，0.050 MPa，0.100 MPa，0.500 MPa，1.000 MPa，2.000 MPa，3.000 MPa的充注壓差注入原油(加入紅色染色劑)，觀察充注完成后的油水分布特征，即靜態情況下油水分布形態。

實驗現象及結果:在微納流控實驗平臺上通過高倍放大鏡觀察油驅水過程中的微觀界面現象。親水模型中，油水界面呈半月弧形，潤濕相不能被完全驅替，有一定厚度的水膜粘附在孔隙壁面，造成有效流動孔隙減小以及油水界面曲率發生變化(如圖1所示)。在油驅水的過程中能明顯看出，潤濕相流體(水)并不能被完全驅替，總有一定厚度的水膜粘附在孔隙壁面，造成有效流動孔隙的減小。

待油驅水穩定后，在平板表明形成穩定的水膜，利用軟件對孔隙中的水膜厚度進行量化表征，通過式(1)可求取分離壓，分離壓與充注壓力的關系可表示為:

Pd=0.005ΔP1.101 17

(2)

充注壓力的增大能顯著減小水膜厚度，基本上水膜厚度隨充注壓力的增加呈現對數遞減規律，充注壓力的增加，在減小水膜厚度的同時會增加分離壓，并呈現指數式增加。不同驅替壓差下的水膜厚度與分離壓見表1，200 μm孔隙中水膜厚度隨充注壓差的變化規律如圖3所示，充注壓力與分離壓的關系如圖4所示。

表1 不同驅替壓差下的水膜厚度與分離壓

圖3 200 μm孔隙中水膜厚度隨充注壓差的變化規律

圖4 充注壓力與分離壓的關系

從計量結果來看，充注壓力的增大能顯著減小水膜厚度，基本上水膜厚度隨充注壓力的增加呈現對數遞減規律，充注壓力的增加，在減小水膜厚度的同時會增加分離壓，并呈現指數式增加。

2 可視化三角孔隙模型充注實驗

觀察鄂爾多斯盆地長6儲層天然巖樣的鑄體薄片與掃描電鏡，可發現儲層微觀孔隙結構中存在大量的類三角孔隙，如圖5所示，三角孔隙對儲層的油水運移和分布規律影響較大，對應三角孔道的研究表明不同形狀的三角形孔道對于潤濕流體和非潤濕流體的分布形態與滲透性是不一致的[18-20]。

圖5 儲層砂巖微觀三角孔隙機構

由于儲層的孔隙尺度及連通性等分布具有空間差異性，這構成了油藏宏觀上的非均質性，這種非均質性在原油充注過程中起著極為重要的作用。一般認為成藏之前沉積巖儲層孔隙為水充滿，成藏過程中來自側面或底部的油充注時，總是沿阻力最小的通道運移，包括儲層連通的裂縫、孔隙，最終形成不同類型的油藏。最初儲層大多數是水潤濕，充注的油只能賦存在較大的裂縫與孔隙中，其含油飽和度由孔隙結構及尺寸、充注壓力等因素決定[21-23]。

對于砂巖油藏，水濕油藏相對來說多于油濕油藏，Dawe[24]給出了水濕孔隙原始油水分布，如圖6所示。圖6中水環繞巖石顆粒，油賦存在孔隙中部。

圖6 水濕孔隙原始油水分布示意圖

低含水飽和度儲層，即傳統意義上水為油藏束縛水的情況，水主要賦存在較小的孔隙、角隅或孔隙壁面，油相主要分布在較大孔隙及較大喉道中間。天然能量開發在正常生產壓差驅替下孔隙水可以認為不流動。刻劃這種儲層孔隙油水分布示意圖如圖7所示。圖7中儲層顆粒堆積，易形成各中類似三角形狀(銳角、直角、鈍角)孔隙，在低含水飽和度下，根據實驗顯微照片可看出:三角孔隙中存在角隅水和水膜水；同一孔隙中，水相和油相均分別連通，如果各角隅水可以傳遞流體壓力，其相對應的曲率相等，即R1=R2=R3。

圖7 低含水砂巖孔隙原始油水分布示意圖

由于三角孔隙在儲層中大量存在，所以有必要去研究不同類型的三角孔隙充注過程的油水分布情況。通過刻蝕技術，在玻璃平板上分別建立了4個三邊邊長為400 μm，600 μm，650 μm的一組銳角三角孔隙模型(鈍角和直角三角孔隙模型的機理與銳角三角孔隙一致，算法也相同)。實驗步驟與上述水膜測試實驗類似，模擬油藏充注過程，先將孔隙完全飽和水，進行油驅水過程，模擬油藏孔隙中的原油油水分布狀態，充注時充注壓差分別為0.002 MPa，0.010 MPa，0.100 MPa，1.000 MPa。

實驗現象及結果:待驅替在微納流控實驗平臺上通過高倍放大鏡觀察原油充注后的油水薄片，可以看出在三角形孔隙中普遍存在角隅水，油相主要分布在孔隙中心，三角孔隙的直線邊上存在一定厚度的水膜，如圖8所示，圖中箭頭代表充注方向，紅色為油，藍色為水。

圖8 不同充注壓力下的三角形孔隙中的油水界面分布

三角形孔隙角隅處容易形成角隅水，擴展到儲層不規則孔隙中，該規律同樣適用。若孔隙形狀越接近于圓形，則初始含水飽和度越低；若孔隙形狀越復雜越不規則，邊角越多，則初始含水飽和度越高。對于特低滲儲層，巖石顆粒堆積密集，孔喉細小，形狀不規則，初始含水飽和度較高。

不同的充注壓差下三角角隅處形成的角隅水體大小不一，水體的體積隨著壓力的增加而減小，通過測量可得知3個角處油水界面的曲率半徑(見表2)。可以看出，隨著充注壓力的增加，油水界面的曲率半徑逐漸變小。

表2 油水界面曲率半徑

3 三角孔隙模型油水飽和度分析

三角孔隙的水膜與角隅水在孔隙和喉道的橫截面上的分布如圖9所示。油驅水過程中會在喉道和三角孔隙的壁面形成一定厚度的水膜，隨著孔徑的減小，水膜厚度對孔喉的流體運動及分布的影響變得越來越明顯。假設三角孔隙出入口兩端的壓差即為驅替壓差。對于三角孔隙內角隅處的流體，由于水相的厚度要遠大于孔壁處的水膜厚度，并將角隅處的水視為體相，因此角隅處可忽略表面力，即忽略分離壓力，油水的壓差主要取決于毛細管力，即:

圖9 三角孔隙水膜與角隅水分布示意圖

(3)

式中:Pw為水相壓力，MPa；σ為界面張力，mN/m；r為角隅油水曲率半徑，μm。

Mason和Morrow等人分析了潤濕液體在角孔中的毛細管作用，并分析了潤濕流體與非潤濕流體的分布規律[25-27]，事實上，隨著充注壓力的增大或者三角孔隙的減小，水膜的影響變得越來越明顯，因此在分析角隅水分布的時候不能忽略水膜的作用，尤其是低滲透、致密儲層。

同一個三角孔隙內3個角隅處的油水界面曲率r是相等的，且油相內綠色虛線圍成的三角形與三角孔隙的形狀相似，忽略出入口毛細管對三角孔隙的影響，根據三角形的相似特征，三角孔隙的含水飽和度可以表達為:

(4)

式中:A為三角孔隙面積，μm2；P為三角孔隙截面周長，μm。

水膜厚度所占的含水飽和度為:

(5)

角隅處含水飽和度為:

(6)

根據實驗充注壓力和對實驗顯微照片的測量，取3個角處油水界面的曲率半徑的平均值，利用三角孔隙含水飽和度計算公式，即可以求取充注壓差分別為0.002 MPa，0.010 MPa，0.100 MPa，1.000 MPa下分別對應的三角孔隙含水飽和度，得到充注壓力與含水飽和度的關系，如圖10所示，其關系可表示為:

圖10 充注壓力與三角孔隙含水飽和度的關系圖

Sw=-4.871lnΔP+6.972 5

(7)

可以看出，三角孔隙的原油充注受角隅的影響很大，原油充注并不能完全填滿孔隙，充注壓力越低原油充注量越少，在低充注壓力情況下，三角孔隙含水飽和度能達到38%以上。三角孔隙含水飽和度隨著充注壓力的增大而減小，并為對數遞減關系，充注壓力的增加會逐漸增大角隅水與水膜的剝離程度，但增加到一定的程度，由于固液分子間作用力的影響變得越來越大，剝離變得越來越困難，最后使得三角孔隙含水飽和度趨于穩定。

角隅水對三角孔隙含水飽和度的貢獻占了主導作用，但隨著充注壓力的增大，水膜對三角孔隙含水飽和度的貢獻越來越大，在充注壓力為1 MPa的時候，其貢獻度可達到10.3%。

4 結論

1)在親水單毛管模型之中，當充注壓力為0.002～0.100 MPa時，水膜厚度由9.56 μm減少到2 μm，分離壓呈現數量級的增加，充注壓力為0.1～3.0 MPa時，水膜厚度由2 μm減少到0.70 μm，分離壓的增幅也變緩，總體上分離壓與充注壓呈現指數關系。

2)三角形孔隙中在充注過程中普遍存在角隅水，油相主要分布在孔隙中心，三角孔隙的直線邊上存在一定厚度的水膜，充注壓力的增加能明顯減少角隅水的含量。

3)三角孔隙中充注壓力增加，三角孔隙含水飽和度呈現對數式遞減，增加到一定程度后三角孔隙的含水飽和度趨于穩定，但在低充注壓力情況下(小于0.01 MPa)，該模型的三角孔隙含水飽和度能達到38%以上，占了非常高的比例。

4)隨著充注壓力的增大，水膜對三角孔隙含水飽和度的貢獻越來越大，在充注壓力為1 MPa的時候，其貢獻度可達到10.3%。