J區(qū)塊注水開發(fā)儲層物性變化規(guī)律研究

姚振杰,趙 洋,李 劍,羅婷婷,楊 紅

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,西安710065)

0 引言

目前,國內(nèi)提高原油產(chǎn)量的主要方法是注水開發(fā),注水開發(fā)油田的產(chǎn)量在總產(chǎn)量中占比較大[1]。注水開發(fā)過程中,油藏滲流特征表明儲層物性會發(fā)生變化[2-4]。注入水不僅可以驅(qū)替油,而且對儲層孔隙、滲透率及潤濕性等物性有較大的影響[5-7]。因此,有必要研究注水開發(fā)儲層物性變化規(guī)律。目前,研究注水開發(fā)階段儲層物性變化的方法主要有測井解釋法、數(shù)值模擬法及室內(nèi)實驗驅(qū)替巖心法等[8-19]。該文采用巖心驅(qū)替法,結(jié)合CT 掃描從微觀角度研究J區(qū)塊儲層物性變化規(guī)律,為優(yōu)化J區(qū)塊注水開發(fā)方案奠定理論基礎。

1 實驗條件

實驗采用Sky Scan 1172高分辨率CT 掃描機、Br uke advance-8 X 射線 衍射儀、FY 型恒溫箱以及TQ 型臺式切片機等。實驗用水為實驗區(qū)塊回注水,其礦化度為20 000 mg/L。實驗巖心為J區(qū)塊天然巖心,巖心物性參數(shù)如表1 所示。將注入孔隙體積倍數(shù)分別為0,10,20,30,40,50 倍所制得的天然巖心薄片進行CT 掃描、潤濕性測定及掃描電子顯微鏡鑒定,研究不同注入階段巖心的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

表1 巖心物性參數(shù)Table 1 Core physical property parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 不同注水開發(fā)階段孔隙變化

用J區(qū)塊地層水驅(qū)替處理好的天然巖心,巖心氣測滲透率為100×10-3μm2,地層水礦化度為20 000 mg/L。注入孔隙體積倍數(shù)分別為0,10,20,30,40,50倍時,取出巖心切片,所制得的巖心薄片進行CT 掃描。

不同注水開發(fā)階段儲層物性參數(shù)如表2所示。

表2 不同開發(fā)階段儲層物性參數(shù)Table 2 Reservoir physical parameters at different develop ment stages

由表2可知,隨著驅(qū)替過程的不斷進行,注入孔隙體積倍數(shù)的不斷增加,孔隙度及孔隙直徑的分布范圍是動態(tài)變化的,孔隙度和孔隙直徑平均值是升高的。當注入孔隙體積倍數(shù)為0 倍時,孔隙度為15.33%～17.35%,孔隙直徑為0.5～144.93μm;當注入孔隙體積倍數(shù)為10倍時,孔隙度分布范圍升高,變?yōu)?6.27%～18.13%,孔道直徑的分布范圍變小,由0.50～144.93μm 變?yōu)?.51～113.64μm。由于注入流體攜帶著微粒發(fā)生運移,微粒釋放了原來占據(jù)的孔隙空間,但是微粒運移后占據(jù)了大的孔隙空間,使得巖心的平均孔道直徑和平均孔隙度增大。隨著流體不斷注入,驅(qū)替倍數(shù)繼續(xù)增加至20和30倍時,注入流體不斷地沖刷巖心,微粒不斷運移,部分體積較小的微粒隨著地層水流出巖心,部分體積較大的微粒卡堵在巖心孔隙吼道處,孔隙度及孔隙直徑升高。當驅(qū)替倍數(shù)增加至40和50倍時,巖心中的部分微粒繼續(xù)被驅(qū)出巖心,滯留的微粒有所減少,部分滯留的微粒繼續(xù)運移堵塞孔隙吼道,孔隙度由驅(qū)替倍數(shù)30倍時的15.31%～20.56%變?yōu)?0倍時的16.37%～20.26%,孔隙直徑由驅(qū)替倍數(shù)30倍時的0.63～134.21μm 變?yōu)?0倍時的0.74～119.11μm,孔隙度平均值及孔隙直徑平均值緩慢升高。但是,注入孔隙體積倍數(shù)由0倍升高到50倍時,喉道配位數(shù)變化不大,這表明巖心注入流體只是引起了孔隙中微粒發(fā)生運移,雖然孔隙直徑及孔隙度發(fā)生了動態(tài)變化,但并未引起孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變化。總體而言,隨著驅(qū)替孔隙體積倍數(shù)的增大,孔隙直徑和孔隙度是緩慢升高的。

圖1是不同驅(qū)替倍數(shù)時巖心切片的孔隙狀況掃描圖片,圖中藍色部分代表骨架,黑色代表孔隙,黃色粒狀分布為巖石孔隙中的松散微粒。

圖1 不同注水開發(fā)階段CT 掃描結(jié)果(×400)Fig.1 CT scan results of different water flooding stages(×400)

0倍孔隙體積倍數(shù)為未進行水驅(qū)的巖心截面圖,以下分析以其為參考。注入孔隙體積倍數(shù)為10倍時,孔隙中黃色游離的微粒有所增多,但游離的微粒更加集中,微粒主要集中于大孔隙吼道處,說明注入流體后,巖心中的微粒隨著注入流體而發(fā)生運移;注入孔隙體積倍數(shù)為20和30倍時的巖心圖片,黃色游離的微粒減少,這是由于隨著注入流體的進一步?jīng)_刷,部分微粒被攜帶出;注入孔隙體積倍數(shù)達到40和50倍時,巖心中游離微粒越來越少,說明注入流體對儲層的沖刷作用越來越強,可移動的微粒被大量攜帶出。

圖2是不同注水開發(fā)階段儲層孔隙度變化。J區(qū)塊儲層黏土礦物含量比較高,巖心樣品分析黏土含量為30%。黏土礦物主要以蒙脫石和高嶺石等為主。注水開發(fā)過程中,蒙脫石遇水容易發(fā)生膨脹現(xiàn)象,流體的沖刷作用容易引起高嶺石微粒的運移,這導致了巖心在不同的注入階段孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生動態(tài)變化。當注入孔隙體積倍數(shù)是0,10,20,30,40 和50 倍時,平均孔隙度分別為16.51%,16.62%,16.43%,16.67%,16.57%和17.06%。隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增大,孔隙度平均值升高。孔隙度分布范圍變小,但是孔隙度分布范圍的值是增大的;孔隙直徑的分布范圍變小,有大小孔道集中的趨勢。因此,對于J區(qū)塊,隨著注入流體對儲層的不斷沖刷,引起巖心中的微粒發(fā)生運移,才導致了孔隙度、孔隙直徑的變化。J區(qū)塊孔隙度隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增大有升高的趨勢。

圖2 不同注水開發(fā)階段孔隙度變化Fig.2 Variation of porosity in different water flooding stages

2.2 不同注水開發(fā)階段滲透率變化

平流泵的流速設定為0.1 mL/min,恒速驅(qū)替巖心。當注入孔隙體積倍數(shù)達到10,20,30,40 和50倍時,記錄對應的壓力。已知巖心長度、橫截面積、地層水黏度及流速,根據(jù)達西公式,計算得到巖心水測滲透率。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同注水開發(fā)階段滲透率變化Fig.3 Variation of per meability in different water flooding stages

在注水開發(fā)過程中,隨著注入孔隙體積倍數(shù)的不斷增加,巖心水測滲透率先降低后升高。當注入孔隙體積倍數(shù)是10,20,30,40和50倍時,滲透率分別為24.5×10-3μm2,31.4×10-3μm2,28.6×10-3μm2,32.3×10-3μm2和34.2×10-3μm2。注入孔隙體積倍數(shù)達到30倍時,滲透率降低。

J區(qū)塊蒙脫石(伊/蒙混層)含量為10%,高嶺石含量為32%,伊利石含量為16%,綠泥石含量為42%。注水開發(fā)過程中,外來流體對高嶺石和伊利石等黏土礦物微粒的沖刷作用,容易導致微粒發(fā)生運移,進而發(fā)生速敏現(xiàn)象。J區(qū)塊巖心滲透率發(fā)生波動變化,是由于注入水的沖刷作用,導致微粒發(fā)生運移,卡堵在孔隙吼道處。隨著流體的不斷注入,運移的微粒卡堵了孔隙吼道,流動阻力越來越大,注入壓力越來越高。當注入壓力大于流動阻力后,卡堵在孔隙吼道處的微粒會被沖開,使注入壓力降低,巖心滲透率升高,但變化幅度很小。綜上所述,隨著注水開發(fā)過程的進行,巖心的滲透率先降低后升高。因此,對于J區(qū)塊,需要控制注水速度,避免引起速敏現(xiàn)象。

2.3 不同注水開發(fā)階段膠結(jié)類型變化

當注入孔隙體積倍數(shù)為0,10,20,30,40,50倍時,對J區(qū)塊天然巖心薄片進行CT 掃描,觀察膠結(jié)方式變化。不同注水開發(fā)階段巖心孔隙膠結(jié)類型變化如圖4所示(圖中灰色部分代表骨架,黑色部分代表孔隙)。

圖4 不同注水開發(fā)階段巖心孔隙膠結(jié)類型變化Fig.4 Change of pore cementation types of core in different water flooding develop ment stages

未注水時,即注入孔隙體積倍數(shù)為0倍時,顆粒間的接觸方式以點-線接觸為主,膠結(jié)方式是孔隙式膠結(jié);注水后,注入孔隙體積倍數(shù)達到10,20,30,40和50倍時,顆粒間的接觸方式還是以點-線接觸為主,膠結(jié)方式依然是孔隙式膠結(jié)。因此,隨著注入流體的不斷沖涮,儲層膠結(jié)方式一直是孔隙式膠結(jié),未發(fā)生變化。

2.4 不同注水開發(fā)階段潤濕性變化

根據(jù)儲層表面水的潤濕接觸角大小,潤濕性分為親水、中性和親油3種。0°≤潤濕接觸角<90°,屬于水濕(親水);潤濕接觸角=90°,屬于中性;90°<潤濕接觸角≤180°,屬于油濕(親油)。親油儲層,油是潤濕相;親水儲層,水是潤濕相。

將注入孔隙體積倍數(shù)分別為0,10,20,30,40和50倍所制得的巖心薄片進行潤濕性測定,觀察不同注水開發(fā)階段巖心潤濕性的變化。

注水開發(fā)過程中,隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增加,潤濕接觸角是降低的。當注入孔隙體積倍數(shù)分別是0,10,20,30,40和50倍時,對應的潤濕接觸角分別是97°,56°,50°,42°,40°和40°。注入孔隙體積倍數(shù)是0倍時,初始潤濕角是97°,儲層潤濕性屬于油濕;當注入孔隙體積倍數(shù)達到10倍后,潤濕接觸角<90°,儲層潤濕性發(fā)生改變,由油濕變?yōu)樗疂瘛嶒灲Y(jié)果如圖5所示。

圖5 不同注水開發(fā)階段潤濕接觸角變化Fig.5 Variation of wetting angle in different water flooding stages

未進行水驅(qū)時,儲層內(nèi)油水處于穩(wěn)定狀態(tài),儲層吼道壁上附著一層油膜。進行水驅(qū)時,界面張力和毛細管力為水驅(qū)油阻力,驅(qū)替壓力需要不斷克服界面張力和毛細管力,將油推向孔隙吼道的中軸方向,注入水穿過油膜,外來注入水與儲層束縛水匯聚到一起,使得儲層含水飽和度升高,儲層的潤濕性由親油性變?yōu)橛H水性。當儲層為親水性時,毛細管力會變?yōu)樗?qū)油的動力,同樣的注水壓力下儲層水驅(qū)油動力變大,注入水和束縛水結(jié)合的更快,含水飽和度不斷升高,親水性越來越強,對于注水開發(fā)油藏是有利的。綜上所述,對于J區(qū)塊隨著注水開發(fā)的不斷進行,儲層的親水性越來越強。

2.5 現(xiàn)場注水開發(fā)問題

J區(qū)塊黏土礦物含量約為28%,其中蒙脫石(伊/蒙混層)含量為10%,高嶺石含量為32%,伊利石含量為16%,綠泥石含量為42%。當儲層含伊/蒙混層、蒙脫石等膨脹型黏土礦物,注入流體礦化度未達到臨界礦化度時,儲層易發(fā)生水化膨脹現(xiàn)象;當注水速度大于臨界流速時,高嶺土、伊利石等微粒發(fā)生運移,堵塞喉道,從而使儲層滲透率下降,發(fā)生速敏現(xiàn)象,注水壓力升高。根據(jù)敏感性評價實驗,J區(qū)塊水敏強度為中等偏強,速敏程度為中等強度。

圖6是J區(qū)塊J-1井注水壓力曲線,注水壓力隨時間是波動變化的。2013年5月開始注水時,注入井壓力是0 MPa。2013年10月注入井注水壓力是1 MPa,2013年12月壓力上升到4 MPa,結(jié)合J區(qū)塊儲層物性變化規(guī)律研究及敏感性評價實驗,儲層可能出現(xiàn)水敏及速敏,黏土礦物發(fā)生膨脹,微粒運移堵塞孔道,使注水壓力急劇升高。繼續(xù)注水,壓力升高到一定程度把堵塞的孔道沖開,注水壓力降低,2014年2月注水壓力降低到2 MPa。繼續(xù)注入水時,顆粒又產(chǎn)生運移,顆粒繼續(xù)堵塞孔道,使得儲層流通性變差,注水井注水壓力升高,2014年12月注水壓力升高到5 MPa。由于敏感性對儲層造成的傷害,導致儲層的滲透率降低,注水井的壓力升高。當注水壓力升高到一定程度時,堵塞儲層的小顆粒被沖開,儲層孔道的流通性變好,注水井的壓力降低。現(xiàn)場繼續(xù)注水時,儲層微粒繼續(xù)運移,堵塞孔道,使得儲層的流通性變差,注水井的壓力升高。微粒堵塞、沖開過程往復循環(huán),導致現(xiàn)場的注入壓力不穩(wěn)定,產(chǎn)生波動。

圖6 J-1井注水壓力變化曲線Fig.6 Change curre of injection pressure in well J-1

3 結(jié)論

1)巖心薄片CT 掃描表明,隨著開發(fā)階段的進行,孔隙中微粒發(fā)生運移,孔隙度、孔隙直徑產(chǎn)生動態(tài)變化,隨著驅(qū)替倍數(shù)的增加,孔隙度及孔道直徑的平均值有增大的趨勢。

2)巖心驅(qū)替實驗表明,隨著注入孔隙體積倍數(shù)的不斷增加滲透率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢,這主要是由于注水過程中速敏現(xiàn)象導致巖石滲透率有所下降。

3)注水開發(fā)前后,儲層的膠結(jié)方式始終為點-線接觸的孔隙式膠結(jié),未發(fā)生變化;儲層的潤濕性由親油性變?yōu)橛H水性,且隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增加,潤濕接觸角逐漸降低。

4)現(xiàn)場注水開發(fā)過程中,由于儲層發(fā)生水敏、速敏現(xiàn)象,孔隙吼道微粒不斷產(chǎn)生堵塞、沖開的往復循環(huán),儲層物性的動態(tài)變化,導致現(xiàn)場注入壓力不穩(wěn)定而產(chǎn)生波動。室內(nèi)實驗研究對現(xiàn)場開發(fā)方案的調(diào)整提供了理論依據(jù)。