热水对超低渗储集层微观孔喉结构的影响

孙 琳 ，王 兵，蒲万芬，斯 荣，辛 军

1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都610500

2.中国石化华北分公司工程技术研究院采油采气所，河南 郑州450006

3.中国石油川庆钻探公司地质勘探开发研究院，四川 成都610051

引 言

渗透率小于1.0 mD 的超低渗储集层在鄂尔多斯盆地广泛分布[1-3]，与已规模开发的低渗、特低渗油藏相比，它具有岩性更致密、物性更差、天然裂缝发育[4-8]等特征，开发难度更为突出。

热水驱是一种重要的提高采收率技术，由于其携带的热量能够有效降低原油黏度，因此常在稠油油藏使用[9-11]。超低渗储集层油品性质较好，热水驱在降低原油黏度上的空间不大，但其仍能通过产生热膨胀、降低界面张力、改善微观孔喉结构以及相对渗透率等作用发挥明显的驱油优势[12-15]。介于超低渗储集层孔喉细小，其结构的微小变化均会对储集层的渗流能力产生显著影响[16-17]，因此本文将毛管压力法与扫描电镜法相结合，对超低渗储集层经40～180°C热水作用后的微观孔喉结构变化展开研究，以进一步深化热水驱机理，并为超低渗储集层的经济、有效开发奠定基础。

1 热水对超低渗储集层孔喉特征的影响

1.1 实验流程

考虑到需对同一岩芯在经不同温度热水作用后的毛管力曲线进行测定，且目的岩芯渗透率超低，因此参照石油行业标准SY/T-5346—2005“岩石毛管压力曲线的测定”，采用离心机法进行实验。

（1）将洗油后天然岩芯（气测渗透率0.834 mD，孔隙度9.8%，岩矿组成见表1）抽真空、饱和地层水（矿化度11.3×104mg/L），并放入盛有地层水的钢瓶，置于40°C烘箱中；

表1 天然岩芯岩矿组成表Tab.1 Composition of natural core

（2）在热水中作用3 d 后取出岩芯，擦净表面水分，并将其装入L5-50P 高速离心机（美国贝克曼仪器公司生产）准备进行气驱水实验；

（3）令离心机由低速向高速运转，在各恒定转速下记录气驱水体积，当离心机达到最高转速后，即完成一次测试；

（4）从离心机中取出岩芯，再次抽真空、饱和地层水，并放入盛水钢瓶置于60～180°C烘箱中（烘箱温度由低到高），重复（2）、（3）。

1.2 实验结果及分析

图1 为同一岩芯经40～180°C热水作用后的毛管力曲线。由于岩芯渗透率超低，气相在离心力作用下进入岩芯的阻力明显，因此曲线中间段斜率较大，且最小湿相饱和度较高。然而，随着热水温度提高，曲线中间段逐渐平缓，并向左下方偏移，最小湿相饱和度不断减小，同一湿相饱和度对应的毛管力不断降低。但当热水温度达到120°C以后，各温度下的曲线几乎重合，继续升温对毛管力影响不大。由于毛管力测试均在常温于相同条件下进行，因此根据毛管力公式（pc= 2σcos/r）[18]可知，其改变皆因热水对孔喉半径的影响引起。结合图1 可计算得到岩芯经不同温度热水作用后的孔喉大小及分布特征（图2）。

图1 不同温度热水对毛管力曲线的影响Fig.1 The effect of hot water at different temperature on capillary curve

图2 不同温度热水对孔喉分布频率的影响Fig.2 The effect of hot water at different temperature on pore distribution frequency

如图2 所示，岩芯孔隙喉道细小，大部分孔喉半径都小于0.03µm。随热水温度升高，岩芯孔喉分布发生显著变化：半径小于0.03µm 的孔喉数量明显减小，半径在0.03～0.81µm 的孔喉数量呈增大趋势，半径在1.16～1.81µm 的孔喉数量稍有下降，且三者均在温度达到120°C后趋于稳定；而半径大于3.22µm 的孔喉数量在温度达到80°C后不断增加。由于低渗岩芯的渗透率基本由大孔径的孔喉贡献，因此半径大于3.22 µm 孔喉数量的增加必然有利于增强超低渗储集层的渗流能力。热水对岩芯孔喉尺寸存在两方面的影响：（1）岩石颗粒在热水的高温作用下不断发生膨胀，令孔喉尺寸逐渐减小；（2）黏土矿物在热水的高温作用下不断失水，令孔喉尺寸逐渐增大。两种相反的作用均随温度的升高而加强，但岩石的线膨胀系数较小（一般为10-5°C-1）[19]，而矿物中各种水分子的体积与岩芯孔隙体积相比不可忽略[20]，因此，后者的作用主导岩芯孔喉尺寸的改变。

对半径在0.03～3.22 µm 的孔喉分布情况单独进行分析，得到图3。从图3 可以看到，当热水温度在40～80°C时，孔喉分布频率曲线呈现明显的双峰特点，峰值半径分别为0.29µm 和1.16µm。当热水温度升高到90°C以后，由于更多原始半径小于0.03µm 的孔喉发生尺寸增长，因此0.20µm 处的峰值频率不断增大，直到120°C时达到稳定；而更多原始半径在0.03～0.81µm 孔喉的尺寸增长，又使得0.81µm 处的频率增大，1.16µm 处的频率相应减小，因此孔喉分布频率曲线转而呈现单峰特点。可见，热水温度升高可令岩芯孔喉的分选性变好。

将毛管力曲线的中间段延长至含水100%，可计算得到气相开始进入岩芯的阀压，并进而获得岩芯的最大连通孔喉半径。经不同温度热水作用后的岩芯最大连通孔喉半径如图4 所示。由该图可知，随热水温度升高，岩芯的最大连通孔喉半径不断增大：当温度从40°C增大到180°C时，最大连通孔喉半径从3.31µm 增加到3.97µm；同时，在60～120°C，最大连通孔喉半径的增大趋势最为明显，平均每升温10°C，最大连通孔喉半径增大2.7%。这一结果再次证明，热水驱温度的提高有利于微观孔隙结构的改善。

图3 不同温度热水对孔喉分布频率曲线特征的影响Fig.3 The effect of hot water at different temperature on characteristic of pore distribution frequency

图4 不同温度热水对最大连通喉道半径的影响Fig.4 The effect of hot water at different temperature on the maximum connected pore throat radius

2 热水对超低渗储集层微观孔喉形貌的影响

2.1 实验准备

（1）从洗油后天然岩芯上敲取长约1 cm，表面平整的岩芯块；（2）将岩芯块黏到载物铁片上，并用导电胶带标记每次进行电镜扫描的定位点；（3）利用扫描电子显微镜在岩芯块定位点附近进行初始状态扫描，获得初始状态下的岩芯微观孔喉形貌；（4）扫描结束后，将载有岩芯块的载物片放入盛有自来水的钢瓶中，并置于一定温度烘箱内；（5）在热水中作用3 d 后取出载物片，并在相同温度下对岩芯块进行烘干处理；（6）利用扫描电子显微镜对烘干的岩芯块再次进行定点扫描，即获得该温度下的岩芯微观孔喉形貌；（7）重复步骤（4）～（6），对更高温度热水处理后的岩芯进行电镜扫描。

2.2 实验结果及分析

通过测定不同温度热水作用后的岩芯微观形貌发现，热水对微观孔喉结构的改变主要表现在孔喉尺寸变化以及微粒运移两方面。

2.3 孔喉尺寸变化

图5 展示了岩芯经不同温度热水作用后，同一孔喉的尺寸变化情况。图中黄色区域内的孔喉相对较小，经不同温度热水浸泡后，其尺寸几乎没有发生改变。图中红色区域内孔喉相对较大，当热水升温到100°C时，其变化不明显，但当热水温度达到180°C时，其明显变小，形状也由三角状变为弯片状。岩石颗粒受热会向孔喉内部膨胀，对于较小孔喉，颗粒接触点间相互挤压，阻止了膨胀的进行，因此升温不会对其产生明显影响；而对于较大孔喉，颗粒间有足够的膨胀空间，因此升温会令其尺寸减小。然而如前文所述，热水温度升高的同时，岩芯矿物中的吸附水、层间水会不断脱出，其对孔喉尺寸的影响强于颗粒膨胀的影响，因此在图中绿色区域内发现，对于进一步增大的孔喉，当温度达到180°C时，其尺寸大幅提高。

图5 热水引起的孔喉大小改变Fig.5 The change of pore throat size caused by hot water

2.4 微粒运移

图6 展示了岩芯经不同温度热水浸泡后，同一孔喉内的微粒运移情况。从图6a～图6c 的黄色区域可以发现，当热水温度不超过100°C时，孔喉空间被一微粒分隔成两部分，但当温度达到180°C后，该微粒消失，整个孔喉空间形成一整体。而图6d～图6f 黄色区域内的情况则恰好相反。岩芯与热水接触后，其中一些胶结疏松的颗粒和黏土矿物会在水的浮力下处于悬浮状态；升温后，水分子热运动加剧，会带动悬浮微粒发生运移，并在烘干后呈现出位置的变化。热水驱过程中，热水的流动会增加微粒运移的几率，若其运移到狭窄喉道处，则可能产生滞留，令喉道堵塞，增大渗流阻力。超低渗油藏岩石颗粒胶结程度较高，一般不易脱落，但黏土矿物的膨胀运移不可轻视，因此在热水驱过程中需要注意黏土的防膨处理。

图6 热水引起的微粒运移Fig.6 The particle migration caused by hot water

3 结 论

（1）热水可降低超低渗储集层的毛管力，热水温度升高，毛管力曲线向左下方偏移，同时最小湿相饱和度减小，且热水达到120°C之前，上述效应更为显著。

（2）热水可改善超低渗储集层微观孔喉结构，热水温度升高，小孔喉数量减少，中等孔喉及大孔喉数量增多，最大连通孔喉半径增大，同时孔喉分选性增强。

（3）扫描电镜结果显示，热水通过改变孔喉尺寸以及令微粒运移，使岩石的微观孔喉形貌产生明显变化。

致 谢：本文研究受到特色重点学科建设项目资助青年教师科学基金项目资助，在此表示感谢。

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