2. 中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083 ;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029 ;
4. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西西安 710018 ;
5. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院, 陕西西安 710018
2. School of Energy and Resource, China University of Geosciences(Beijing), Beijing, 100083, China ;
3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100029, China ;
4. State Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields, Xi'an, Shaanxi, 710018, China ;
5. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an, Shaanxi, 710018, China
在油气藏工程领域,无论从剩余原油资源分布还是目前的勘探开发趋势来看,致密油气藏都将是我国未来油气勘探开发的主要方向[1]。油田开发实践表明,致密油层大多为水湿油层,其水驱油的主要机理是渗吸。渗吸是指润湿相流体在多孔介质中只依靠毛管力置换出非润湿相流体的过程。发生在多孔介质里的自发渗吸是一个非常复杂的过程,受到多种因素的影响,这些因素包括:岩心大小、岩石物性特征(孔隙度、渗透率、润湿性等)、流体特性(密度、黏度和界面张力)、初始含水饱和度、边界条件等。自20世纪50年代渗吸法采油被首次提出以来,许多学者通过基质自吸水排油试验对影响渗吸的因素进行了研究[2-8]。
对于水湿储层,水沿着直径较小的孔隙侵入基质岩块,通过毛管自吸作用将基质中的油沿较大的孔隙驱出。理论研究表明[9-13],孔隙的空间结构、岩石润湿性以及地层条件下油水的性质是影响驱替效率(原油采收率)的主要因素,然而目前渗吸试验多集中于研究润湿性[14-19]和界面张力[20-23]等因素的影响,微观孔隙结构这一影响渗吸采收率的重要因素常常被忽视。
与常规储层不同,致密油储层物性差、丰度低,储集层孔喉直径一般为纳米级,局部发育微米—毫米级孔隙,微观孔隙结构非常复杂。为此,笔者利用核磁共振技术对致密砂岩的自发渗吸过程进行研究,并在此基础上结合氮气吸附、高压压汞、恒速压汞等试验的结果,分析了比表面、平均孔喉比、孔隙尺寸等表征微观孔隙结构的参数对自发渗吸采收率的影响,以期对渗吸法采油适用储层条件的研究提供借鉴和指导。
1 致密砂岩渗吸试验 1.1 试验材料1) 试验岩心:延长油田致密砂岩岩心15块(见表 1),岩石颗粒表面均为水湿。
岩心编号 | 长度/cm | 直径/cm | 孔隙度,% | 气测渗透率/mD | 原始含油饱和度,% |
T08B | 4.716 | 2.483 | 12.499 | 0.044 | 66.19 |
T10B | 6.549 | 2.519 | 5.983 | 0.014 | 59.22 |
T18B | 6.345 | 2.518 | 8.351 | 0.014 | 56.41 |
T19B | 6.549 | 2.519 | 8.781 | 0.078 | 61.11 |
T22B | 6.261 | 2.519 | 10.431 | 0.048 | 60.09 |
T26B | 6.115 | 2.520 | 8.221 | 0.042 | 63.69 |
T27B | 6.434 | 2.517 | 14.936 | 0.042 | 62.16 |
T30B | 4.247 | 2.483 | 4.376 | 0.014 | 57.77 |
W01B | 5.705 | 2.511 | 9.600 | 0.295 | 65.22 |
W11B | 6.434 | 2.517 | 9.294 | 0.105 | 64.22 |
002 | 6.261 | 2.519 | 7.787 | 0.026 | 63.22 |
005 | 6.434 | 2.517 | 8.187 | 0.033 | 61.53 |
009-3 | 3.830 | 2.530 | 12.082 | 0.052 | 64.32 |
Y6642-1 | 4.330 | 2.530 | 6.328 | 0.003 | 50.41 |
Y5230-2 | 4.060 | 2.530 | 6.113 | 0.008 | 51.37 |
2) 试验用油:现场原油经脱水脱气处理后与煤油以1:4体积比配制成模拟油,其室温下的黏度为2.23 mPa·s,密度为0.81 g/cm3。
3) 试验用水:矿化度为62 mg/mL的CaCl2型模拟地层水,其室温下的黏度为0.91 mPa·s,密度为1.03 g/cm3;同时,向水中加入一定浓度的MnCl2以屏蔽水中氢信号,使核磁共振结果更加准确。
1.2 试验步骤1) 标准岩心经洗油、清洗、烘干、冷却后称干重,用常规试验方法测定岩心的孔隙度和渗透率,其基本物性参数见表 1;
2) 岩心抽真空后,加压至30 MPa,饱和含有MnCl2的模拟地层水;
3) 用模拟油驱替完全饱和地层水的岩心,驱替速度为0.005 mL/min,直至岩心不出水为止,记录驱出水量,并计算原始含油饱和度(见表 1);
4) 停泵卸压,从岩心夹持器中取出岩心,放入模拟油中老化48 h,待用;
5) 从模拟油中取出岩心,擦干,测定其在饱和油状态下的核磁共振T2谱,随后放入渗吸仪中,每隔一段时间记录一次采油量,并测定对应的核磁共振T2谱,直至渗吸结束。
2 致密砂岩试验结果分析 2.1 孔隙结构特征恒速压汞试验可以有效区分孔隙和喉道,并且能够准确描述其各自的发育情况及孔喉比的分布特征,被广泛应用于低渗、特低渗等孔喉性质差别大和孔隙结构复杂的储层。笔者以T19B、W11B、T18B等3块岩心的恒速压汞试验结果为例,分析致密砂岩岩心的孔隙结构特征。
2.1.1 孔隙半径分布特征图 1为3块岩心样品的孔隙分布特征。
由图 1可知,3块岩心的孔隙半径主要分布在100~250 μm,相对比较集中,且均满足正态分布特征,呈单峰分布。结合3块岩心的孔渗分析可知,孔隙度大致相同时,孔隙半径的分布差别不大,而渗透率有较大差别。因此,对于致密砂岩储层而言,微观孔隙结构的差异主要受喉道控制。
2.1.2 喉道分布特征图 2为3块岩心的喉道分布特征。
从图 2可以看出,岩心的喉道半径也基本呈现单峰分布特征,喉道半径分布在0.5~3.5 μm。
图 3为单根喉道对渗透率的贡献。
由图 3可知,岩心T19B的渗透率主要由半径1.0~2.5 μm的喉道决定,岩心W11B主要由半径1.0~3.5 μm的喉道决定,而岩心T19B主要由半径0.5~1.5 μm的喉道决定。
对比3块岩心的物性参数可知,渗透率较大的岩心,决定其渗透率大小的喉道半径越大,大喉道分布比例也越大。因此,喉道反映了孔隙间的连通情况,是控制储层物性的主要参数,直接决定储层物性的好坏。
2.1.3 孔喉比分布特征孔隙直径与喉道直径的比值称为孔喉比,其表征孔喉的配位数,是储层微观孔隙结构评价中的一个重要参数。当孔喉比较大时,孔隙被小喉道控制,孔隙间连通性差,许多孔隙为无效孔隙;而当孔喉比较小时,孔隙被大吼道控制,连通性好,渗流能力强。图 4为3块岩心的孔喉比分布特征。
由图 4可知,3块致密砂岩岩心的孔喉比分布范围较宽,且均呈现单峰形态,峰值分布在100~250。通过分析可知,渗透率越大,分布于0~200范围内的孔喉比比例越大,平均孔喉比越小,储层的连通性越好。
2.2 渗吸特征分析将同一块岩心不同自发渗吸时间所对应的T2谱绘制到同一坐标系下,研究其渗吸特征。以致密砂岩岩心T19B为例,其自发渗吸过程中T2谱的变化如图 5所示。
由图 5可知,尽管渗吸过程中岩心T2谱的形态和对应的峰值不尽相同,但其变化趋势遵循相同规律。分析认为,由于Mn2+屏蔽了水中的氢信号,故而T2谱表征了不同时间岩心中油的分布情况,通过其所包围面积的变化,可以直观地了解水渗吸进入孔隙置换其中油的过程。
从图 5还可以看出:自发渗吸初始阶段T2谱有明显变化,此时水迅速进入孔隙,岩心的含油饱和度减小,采出程度增加;而24 h后T2谱变化较小,含油饱和度的递减率变缓;79 h直至渗吸结束岩心的含油饱和度基本不变,油水置换速率非常微小。
图 6为致密砂岩自发渗吸采收率随时间的变化曲线。
图 6所示变化规律与图 5相符:渗吸初始阶段,渗吸速度非常大,采收率迅速增加,随着渗吸的进行,渗吸速度逐渐减小直至趋于0,而累积采收率增幅减缓,直至最终不再变化。
整个渗吸过程中,T2谱并非在全孔径范围内均匀变化,即不同孔径对渗吸作用的贡献不同。由于核磁共振的横向弛豫时间与孔隙大小呈正比,故而可以根据横向弛豫时间来划分大、中、小孔隙:横向弛豫时间小于10 ms时,孔隙为小孔隙;横向弛豫时间在10~100 ms之间时,孔隙为中孔隙;横向弛豫时间大于100 ms时,孔隙为大孔隙。如图 5所示,渗吸开始阶段谱峰的左翼向右移动,并且振幅迅速减小,说明岩心接触到模拟地层水后,在毛管力的作用下小孔隙和中孔隙中的油迅速被驱出,而大孔隙中含油饱和度的变化较小。
含油孔隙比例随时间的变化情况如图 7所示。
由图 7可知,在整个渗吸过程中,总的含油孔隙比例减小约33%,其中小孔隙减少3%,中孔隙减少约25%,大孔隙减少约5%。
由于初始饱和油状态下大孔隙、中孔隙、小孔隙所占的比例不同,因此比较不同尺寸孔隙中油的采出程度,能够更清晰地表征各类孔隙对渗吸的贡献。图 8为各类孔隙中原油采出程度随时间的变化,即各类孔隙中参与渗吸的孔隙占原始含油孔隙的比例。
由图 8可知:渗吸初期吸水排油速度较快,参与渗吸的孔隙迅速增多,随着渗吸的进行,吸水排油速度变缓,而参与渗吸的孔隙也逐渐趋于常数;中孔隙的原油采出程度约为39.8%,小孔隙中原油的采出程度约为28.9%,而大孔隙中原油的采出程度约为18.6%,中孔隙在水驱油渗吸过程中起到主要作用,小孔隙次之,而大孔隙起到的作用较小。
3 微观孔隙结构对自发渗吸的影响在15块岩心渗吸试验所得结果的基础上,结合恒速压汞、高压压汞、核磁共振等试验数据,进一步对孔隙度、渗透率、平均孔喉比、比表面和孔隙尺寸等表征微观孔隙结构的参数与自发渗吸的采收率的关系进行了分析。
3.1 孔隙度和渗透率的影响在实际应用中,常用孔隙度和渗透率2个参数对储集层的基本物性进行表征。岩石储集空间的大小由孔隙度来表征,而渗透率可以反映孔隙空间的连通性和储层的渗流能力。孔隙度与采收率的关系、渗透率与采收率的关系分别见图 9、图 10。
由图 9、图 10可知,孔隙度与渗吸采收率无明显的相关关系,而渗透率与渗吸采收率具有很好的正相关关系。
由于致密砂岩储层孔隙结构十分复杂,在孔隙度大致相同的情况下,渗透率存在很大差异,目前在储层分类评价过程中常用储集层品质指数
由图 11可知,储集层品质指数与渗吸采收率呈较好的正相关关系,当储集层品质指数高时储集层品质好,孔隙中值半径较大,中值压力较小,孔隙结构较好,而此时渗吸采收率较高。
3.2 平均孔喉比的影响平均孔喉比是储层孔喉比分布的加权平均,能够反映研究储层的连通程度和储渗能力,是表征多孔介质微观孔隙结构的一个重要参数。平均孔喉比与采收率的关系如图 12所示。
由图 12可知,平均孔喉比与采收率呈负相关关系,且相关性很好。当孔喉比较小时,较小的孔隙被较大的喉道所控制,半径较小的孔隙产生较大的毛管力有利于渗吸的进行,而由于孔喉的连通性比较好,润湿相能够顺利渗吸进入孔隙并排出非润湿相,使采收率相对较高;反之,当孔喉比较小时,较大的孔隙被较小的喉道控制,渗吸过程中毛管力较小,且渗吸进入的流体可能被小的喉道阻断,使非润湿相无法顺利驱出,导致采收率偏低。
3.3 比表面的影响致密砂岩储层孔隙分为微孔(孔径小于2 nm)、介孔(孔径2~50 nm)和宏孔(孔径大于50 nm),微孔和介孔的分布可以通过低温低压下N2等温吸附试验得到,而宏孔的分布通过高压压汞试验获得,根据试验数据分别计算两种方法所对应的比表面。等温吸附试验得到的比表面、高压压汞试验得到的比表面与采收率的关系分别如图 13、图 14所示。
由图 13和图 14可知,比表面与渗吸采收率呈负相关关系,N2等温吸附所得的比表面与渗吸采收率的相关性不好。分析认为,这是由于N2吸附所得的结果与微孔和介孔相关,而在油水渗吸过程中介孔和微孔孔径微小,原油在其中的黏滞力很大,故基本不发生渗吸;而高压压汞试验所得的比表面与渗吸采收率相关性较好,储层比表面越大,说明储层中小吼道越发育,孔喉比相对较大,孔隙连通性差,使渗吸进入的流体无法有效驱替非润湿相,从而影响了采收率。
3.4 孔隙尺寸的影响通过渗吸过程中T2谱的变化,不难发现不同尺寸的孔隙对渗吸过程的贡献不同,各类孔隙的比例对渗吸结果有较大影响。图 15为小孔隙、中孔隙和大孔隙的比例与采收率的关系。
由图 15可知:小孔隙比例与采收率呈负相关关系,相关性较好;中孔隙比例与采收率呈正相关关系,相关性也较好;而大孔隙比例与采收率略呈负相关关系,相关性不好。渗吸过程中,小孔隙产生较大的毛管力,但同时由于孔径较小,孔隙内非润湿相流体的黏滞力较大,因此小孔隙中的采收率不高;中孔隙中的毛管力略小于小孔隙,但同时非润湿相流体产生的黏滞力也相对较小,有利于油水置换;而对于大孔隙来说,虽然产生的毛管力较小,对渗吸采收率的贡献不大,但在孔喉连通性较好的情况下,中、小孔隙中渗吸出的油可顺着大孔道排出,有利于采收率的提高。
4 结论1) 致密砂岩储层渗吸初期,核磁共振T2谱左翼右移,中、小孔隙迅速被水充填,渗吸速度较快,采收率较高,随着渗吸的进行渗吸速度逐渐减小直至趋于0,渗吸结束时中孔隙的原油采出程度约为39.8%,小孔隙中原油的采出程度约为28.9%,而大孔隙中原油的采出程度约为18.6%,说明中孔隙在水驱油渗吸过程中起主要作用,小孔隙次之,而大孔隙起的作用较小。
2) 孔隙度与渗吸采收率无明显的相关关系,渗透率与渗吸采收率呈正相关,储层品质相对较好的储层渗吸采收率相对较高;平均孔喉比以及比表面均与渗吸采收率呈负相关关系,储层比表面越大,中小吼道越发育,孔喉比越大,孔隙的连通性越差,渗吸采收率越低。
3) 小孔隙比例与渗吸采收率负相关,中孔隙比例与渗吸采收率正相关,小孔隙毛管力较大,但同时其中非润湿相黏滞力也较大,导致渗吸采出程度较低。因此,综合考虑毛管力作用和非润湿相黏滞力作用,可知中孔隙更有利于渗吸的进行。
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