注粘稳剂水淹层岩石物理实验研究

卢艳，杨青山

（大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆163712）

0 引 言

海拉尔盆地呼和诺仁油田储层中蒙脱石含量高，黏土矿物的水化膨胀降低了地层岩石强度且堵塞岩石内部孔隙、喉道，需要在油气钻探、开发中使用防膨剂。呼和诺仁油田储层的水敏指数平均为0．79，具有强水敏特性。为实现油田正常注水开发，2002年以来在注水开发过程中加入了一定浓度的黏土防膨剂。黏土防膨剂也称粘稳剂，是导电性非常强的溶液。与加入蒸馏水相比，加入粘稳剂的黏土粒径明显变小，说明黏土颗粒的水化膨胀受到有效抑制［1］。

呼和诺仁油田岩性以砂岩、砂砾岩为主，为研究不同岩性储层在注入粘稳剂条件下电阻率、核磁共振响应及油水相对渗透率的变化规律，对呼和诺仁油田不同岩性储层岩心开展了注粘稳剂后岩石物理实验。呼和诺仁油田原始地层水为NaHCO3型，矿化度为2230～4853mg／L，平均3541mg／L。油田注粘稳剂开发采用的粘稳剂溶液主要有2种：一种为清水配制的粘稳剂溶液，其中清水矿化度为3500mg／L，按1．2%配比加入粘稳剂；第2种为污水配制的粘稳剂溶液，其中污水矿化度为5500mg／L，按0．8%配比加入粘稳剂。模拟油藏条件进行的相渗岩电实验，根据研究区注水分析资料，分别配制了矿化度为3500mg／L的NaHCO3型水溶液代表原始地层水，矿化度为3500mg／L的NaHCO3型水溶液加入1．2%的粘稳剂作为清水配制的粘稳剂溶液，矿化度为5500mg／L的NaHCO3型水溶液加入0．8%的粘稳剂作为污水配制的粘稳剂溶液。通过本文实验，为后续建立剩余油饱和度测井解释模型提供理论依据及其相关参数。

1 注粘稳剂溶液岩石电性参数变化规律

1．1 注入粘稳剂溶液岩石的混合液电阻率变化规律

水淹层导电机理实验研究和测井解释地层水混合液电阻率数据的准确与否将直接影响水淹层测井解释［2］。在注入水过程中，原始地层水与注入水不断混合，并且逐渐被注入水驱替，达到注入水的矿化度（或电阻率）［3］。考虑注粘稳剂溶液过程中油水变化实际情况，即当含水率为0时，混合水电阻率为地层水电阻率；随注入水的逐渐增加，混合水电阻率逐渐表现为注入水电阻率［4］；当含水率为100%时，混合水电阻率表现为注入水电阻率。根据注入水与原始水之间的离子交换作用，求取混合水电阻率为

由产水率公式，有

式中，Rwz为混合水电阻率；Rwi为原始水电阻率；Rwp为注入水电阻率；Sw为含水饱和度；Swi为束缚水饱和度；Sor为残余油饱和度；c1、c2、c3为系数。

选取呼和诺仁油田贝50－56井30号样（砂砾岩）、32号样（砂岩）和贝62－60井116号样（砂砾岩）在模拟注入粘稳剂溶液情况下，利用式（4）计算了Rwz随含水饱和度变化的理论关系（见图1）。

从理论模拟可以看出，砂岩和砂砾岩岩样混合液电阻率的变化出现相似的特征，均可分为3个阶段。第1个阶段，注入初期混合液电阻率随含水饱和度的变化不太明显，接近原始地层水电阻率；第2阶段，注入中期混合液电阻率随含水饱和度的增加变化较大，呈单调下降趋势；第3阶段，注入末期，当原始水溶液被注入粘稳剂溶液完全置换后，混合液电阻率不再随含水饱和度的增大而变化，几乎表现为注入粘稳剂溶液的电阻率。

图1 注粘稳剂条件下混合液电阻率随含水饱和度变化曲线

1．2 注入粘稳剂溶液岩石的m和n值变化规律

岩心电性实验通过实验室方法测量岩石电阻率，或进行储层温度、压力模拟，使测试结果更接近储层环境的岩石电性参数［5－9］。

实验温度为60℃，实验压力（有效围压）为14MPa，孔隙压力（正常孔隙压力）为0．69MPa。实验用矿化度分别为3500、5500mg／L的粘稳剂溶液模拟注入水进行水驱油实验。根据测量结果，在双对数坐标系中绘制所有样品的地层因素和孔隙度关系，经多元回归可以得到孔隙度指数m（斜率）和系数a（截距）。在双对数坐标系中绘制单块样品的电阻增大率I和含水饱和度Sw关系，经回归可以得到饱和度指数n（斜率）和系数b（截距）。从图2、图3可以看出胶结指数m受岩性影响大，砂砾岩m值大于砂岩m值，而饱和度指数n则受岩性影响小。对比矿化度为5500mg／L的粘稳剂溶液m、n值发现，随着地层水电阻率的增大m、n值减小。

图2 不同岩性Archie参数m、n值的确定（矿化度3500mg／L）

图3 不同岩性Archie参数m、n值的确定（矿化度5500mg／L）

1．3 注入粘稳剂溶液岩石电阻率变化规律

为了分析不同岩性注粘稳剂溶液电阻率随含水饱和度的变化规律及分析粘稳剂本身的导电特性，开展了2个方面的实验。①测量注入水矿化度分别为3500、5500mg／L（均含粘稳剂）溶液岩石电阻率随含水饱和度的变化情况；②测量了注入水矿化度为3500mg／L（一种含粘稳剂，一种不含粘稳剂）溶液不同含水饱和度时的电阻率。根据实验结果，选择了2块岩性不同、物性接近的岩样说明。贝50－56井21号样为砂砾岩样品，孔隙度为22．8%，渗透率为23．3mD＊非法定计量单位，1mD＝9．87×10－4μm2，下同；贝301井55号样为砂岩样品，孔隙度为22．7%，渗透率为19．7mD。

图4给出了不同岩性不同注入溶液矿化度情况下电阻率随含水饱和度变化关系曲线。分析实验结果认为，①随含水饱和度的增加，砂岩、砂砾岩岩石电阻率均呈单调下降趋势，这主要是因为加入粘稳剂后溶液电阻率下降，使得注入溶液的电阻率Rwp小于原始地层水电阻率，相当于注入咸水；②对于孔隙度、渗透率相近的砂岩与砂砾岩岩样，原始状态（水驱开始）或残余油状态（水驱结束）时，砂砾岩岩样电阻率比砂岩岩样电阻率高，这主要是由于砂砾岩颗粒较大、岩石致密，在物性条件相同时，其导电网络较少，使得砂砾岩电阻率高于砂岩电阻率；③对于矿化度相同的粘稳剂和水溶液，岩石电阻率具有相同的变化规律，这是由于粘稳剂在稀释以后具有和离子一样的导电特性。

图4 岩石电阻率随含水饱和度变化关系曲线

2 注粘稳剂溶液岩石扩散吸附电位变化规律

实验测量了矿化度分别为3500、5500mg／L含粘稳剂溶液在弱水淹、中水淹、高水淹等3种条件下的扩散吸附电位值（实验室内模拟井中的自然电位不能直接测量得到，只能通过测量电动势定性转换分析）。

由于泥浆滤液浓度与地层水的浓度不同，在砂岩井壁附近产生了扩散吸附电位（或电动势），其大小为

式中，Kda为扩散吸附电位系数；Rmf为泥浆滤液电阻率；Rw为地层水电阻率；Eda为砂岩的扩散吸附电位（或电动势）。

从式（5）可以看出，当泥浆滤液矿化度一定时，扩散吸附电位随地层水矿化度增大而增大。

图5 扩散吸附电动势与含水饱和度关系图

图5给出了物性接近的砂岩、砂砾岩岩样扩散吸附电位与含水饱和度的关系。根据实验结果可以得出，①扩散吸附电位随着粘稳剂溶液矿化度的增大而增大，这与式（5）描述的扩散吸附电位与地层水矿化度和泥浆滤液矿化度之间的规律相符；②粘稳剂具有较强的导电性，导致岩石电阻减小，使扩散吸附电位随着含水饱和度的增大而减小。

3 注粘稳剂溶液岩石核磁共振响应变化规律

实验测量了14块岩样在饱和矿化度分别为3500、5500mg／L粘稳剂溶液条件下岩样的束缚水饱和度、T2截止值及T2谱分布图等参数。图6给出了岩样在2种矿化度饱含水状态下核磁共振T2谱的分布，图7给出了不同注入水条件下束缚水饱和度变化图。从实验结果可以看出，①注入水矿化度变化对核磁共振T2谱分布影响不大。根据以往的实验结果，在矿化度变化范围很大时，矿化度的变化对T2谱的幅度和分布面积影响较大［10］，而实验注入粘稳剂溶液矿化度分别为3500、5500mg／L，与原始地层水矿化度3500mg／L差别较小，因此很难在核磁共振T2谱分布形态上区分出来；②当溶液含粘稳剂时，束缚水饱和度相对减小。这是因为注入盐水溶液时，地层中黏土遇水膨胀，堵塞了部分孔隙，黏土颗粒表面积增大，束缚水增加，加入粘稳剂后，有效防止了黏土膨胀，黏土颗粒表面积减小，黏土表面吸附的束缚水减少。

图6 饱含水岩样核磁共振T2谱的分布

图7 不同注入水条件下束缚水饱和度变化图

4 注粘稳剂溶液岩石油水相对渗透率变化规律

为探索注粘稳剂溶液和不注粘稳剂溶液油水相对渗透率变化情况，在高温60℃条件下，测量了10块束缚水饱和度的岩样在注入矿化度分别为3500（一种不含粘稳剂，一种含粘稳剂）、5500mg／L（含粘稳剂）溶液条件下不同含水饱和度的电阻率和油水相对渗透率。图8对比了2块注入水矿化度5500mg／L含粘稳剂溶液孔隙度渗透率接近的砂岩和砂砾岩岩样油水相对渗透率随含水饱和度的变化，图9对比了同一块岩样，一种注入溶液矿化度3500mg／L（含粘稳剂），另一种注入地层水矿化度3500mg／L（不含粘稳剂）时油水相对渗透率随含水饱和度的变化。

图8 注粘稳剂条件下不同岩性油水相对渗透率曲线

图9 注入液不同条件下油水相对渗透率曲线

根据实验可以得出结论，①对于岩性不同孔隙度渗透率接近的砂岩、砂砾岩，随着含水饱和度的增加，均具有油相相对渗透率下降较快，在低含水时水相相对渗透率上升稍快，含水饱和度达到一定程度后，水相相对渗透率上升缓慢的特点。但是砂砾岩岩样水相相对渗透率上升速度比砂岩岩样快，在同样条件下，砂砾岩表现出比砂岩更容易水淹的特点。②注入地层水岩样与注入粘稳剂溶液岩样比较，注入粘稳剂后油水两相跨度增大，无水期和最终采收率明显增大，最终驱油效率比注入地层水高。这主要是由于加入粘稳剂后改善了黏土颗粒遇水膨胀堵塞孔隙的状况，从而改变了注入地层水使孔隙结构变差造成油水共渗范围减小的情况。

5 结 论

（1）注粘稳剂过程中储层电性参数的变化规律：①粘稳剂具有和离子一样的导电特性；②在注入粘稳剂条件下，随着含水饱和度的增加，砂岩与砂砾岩岩石电阻率均呈单调下降趋势，对于孔隙度、渗透率相近的砂岩与砂砾岩岩样，原始状态（水驱开始）或残余油状态（水驱结束）时，砂砾岩岩样电阻率比砂岩岩样电阻率高；③当注入水电阻率小于原始地层水电阻率时，储层的混合液电阻率随着含水饱和度的增加而减小，但在不同阶段表现出不同的变化规律；④Archie参数m、n均随着地层水电阻率的增大而减小，胶结指数m受岩性影响大，砂砾岩m值大于砂岩m值，而饱和度指数n则受岩性影响小。

（2）粘稳剂导致岩石电阻率减小，使扩散吸附电位随着含水饱和度的增大而减小。

（3）注入水矿化度的变化对核磁共振T2谱分布影响不大；当溶液含粘稳剂时，由于粘稳剂有效防止了黏土膨胀，使黏土颗粒表面积减小，黏土表面吸附的束缚水减少。

（4）当溶液含粘稳剂时，不同岩性、孔隙度渗透率相近的情况下，砂砾岩水相相对渗透率上升速度比砂岩快，砂砾岩表现出比砂岩更容易水淹的特点；注入地层水岩样与注入粘稳剂溶液岩样比较，注入粘稳剂后能提高最终驱油效率。

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