岩石颗粒非均质性对水驱开发效果的影响

董利飞，何建华，金 崯

(中国石化江汉油田分公司，湖北 武汉 430223)

0 引 言

储层微观非均质性是储层内微观孔喉大小、分布以及连通情况等的综合表现，是影响储层油、水渗流特征以及微观驱替效率的重要因素，对水驱后控制微观残余油的形成及分布有着决定性的作用[1-3]，是挖潜残余油的主要研究方向[4]，也是影响油气藏开发特征与最终采收率的关键因素之一[5-11]。因此，实际开发过程中对储层微观非均质性的研究十分重要。目前，研究储层微观非均质性主要通过压汞、铸体薄片等分析化验手段，以分选系数、微观均质系数以及孔喉比等参数来统计分析和定量描述[12-15]，也有基于分形几何理论以分形维数来评价[16-21]。这些研究均直接与孔喉本身关联，很少从岩石骨架颗粒的角度分析。而实际上，岩石颗粒的大小及分布(颗粒非均质性)直接影响着储层的微观孔隙结构特征，对其研究十分必要。另外，前人研究储层微观非均质性对开发效果的影响大多基于压汞实验本身来讨论，以计算得到微观非均质性参数(分选系数等)和表征开发效果参数(如退汞效率)的相关关系来分析，实验方法单一，且缺乏与现场实际生产的结合。

以老新油田新沟嘴组低渗油藏储层为例，从岩石骨架颗粒的角度描述储层非均质性，基于薄片资料提出岩石颗粒非均质性的表征参数，并与压汞资料对比分析，明确岩石颗粒非均质性与储层孔喉非均质性的对应关系。再根据可视化颗粒非均质模型水驱油实验，直观地分析岩石颗粒非均质性对驱油效率的影响。最后，结合压汞特征参数和实际生产，评价不同岩石颗粒非均质性与水驱开发效果的关系，为油田开发调整提供参考和方向。

1 油田概况

老新油田位于潜江凹陷南部老新鼻状隆起构造带上，主要含油气层系为古近系新沟嘴组下段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ油层组，平均埋深为2 550 m。发育三角洲前缘和滨浅湖沉积体系，岩性以灰色、灰紫色泥岩夹泥膏岩、细砂质粉砂岩为主，粒度中值为0.010～0.140 mm，平均为0.064 mm，分选性中等[21]。储层岩石类型主要为长石质石英砂岩，其内胶结作用强，胶结物含量为14.1%～19.1%，平均为15.5%(表1)，常见碳酸盐岩以及斑块状分布的硬石膏。杂基含量平均为5.0%，主要为泥质杂基，其次为长石石英质杂基。

表1 老新油田新沟嘴组胶结物百分含量

老新油田新沟嘴组平均孔隙度为12.3%，平均渗透率为19.9×10-3μm2，是典型的低孔、低渗油藏。油田主力生产区为老一区和老二区，目前油藏整体采出程度为18.15%，平均含水率高达83.8%，总体开发效果较差。

2 储层岩石颗粒非均质性

2.1 岩石颗粒非均质系数

储层岩石颗粒大小及排列方式的差异形成不同的孔喉结构，导致了储层的微观非均质性。沉积过程中，较大粒度的颗粒先沉积，颗粒骨架内形成较大的孔隙空间，而后较小粒度的颗粒沉积时，会充填于原有较大孔隙内，形成大颗粒包裹小颗粒的形式。受沉积环境差异的影响，沉积过程中小颗粒不可能完全均匀地充填，容易形成局部大孔隙被充填而部分未被充填的情况，即产生非均质性。因此，储层微观的非均质性是普遍存在的，且主要受控于颗粒的非均匀填充。

岩石颗粒大小和分布的非均匀程度一般可通过薄片观察分析得到，通常以分选定性描述，没有相关定量参数来表征，对后续的统计分析造成一定的不便。为更充分地利用薄片资料的信息，定量化地提出“颗粒非均质系数”这一参数，表达式如下：

(1)

式中：α为颗粒非均质系数；Dmax、Dmin分别为薄片粒度中的最大、最小粒度值。

由式(1)可知，颗粒非均质系数值越小，粒度最大值和最小值之间差异也越小，颗粒越均匀，储层非均质程度越低；反之，颗粒非均质系数值越接近1，储层非均质性越强。

2.2 颗粒非均质系数和孔喉微观非均质性关系

通常，以压汞实验计算得到的特征参数(如孔喉分选系数、相对分选系数等)来表征储层微观孔喉非均质性。其中，相对分选系数反映了孔喉分布的均匀程度或者孔喉变异系数，其值越小，孔喉分布越均匀，孔喉的微观非均质程度越低。因此，结合薄片和压汞资料分析颗粒非均质系数和孔喉非均质性的关系。

选择老新油田新沟嘴组一口生产井的新下Ⅲ油组的6组样品进行薄片分析和压汞测试，求取相应的颗粒非均质系数和相对分选系数(表2)，分析颗粒非均质系数与其孔喉相对分选系数之间的对应关系。

表2 老新油田新沟嘴组薄片和压汞测试结果

由表2可知，颗粒非均质系数和孔喉相对分选系数具有很好的一致性，颗粒非均质系数高，对应的孔喉相对分选系数也高，说明薄片分析得到的颗粒非均质性可以较好地反映储层微观孔喉非均质性。

3 储层岩石颗粒非均质性对水驱开发效果的影响

3.1 可视化岩石颗粒非均质模型水驱室内实验

为直观反映储层岩石颗粒非均质性对水驱开发效果的影响，研制具有一定颗粒非均质系数的可视化物理模型。模型长和宽分别为30 cm和8 cm(图1)，顶面选用可观察的石英透明玻璃板，底面为不锈钢钢板，两者以螺栓固定，内部为0.5 cm厚度的砂粒充填空间。根据微观非均质性储层颗粒分布特点，在孔隙空间内填充2种不同目数的玻璃微珠。先以30目大粒径微珠均匀铺展形成基质骨架，再将100目小玻璃微珠随机填充其中，形成大颗粒包围成群小颗粒(低渗部位)的可视化颗粒非均质模型[6]。计算可得该模型的颗粒非均质系数为0.750。

图1 可视化颗粒非均质填砂模型

将研制好的可视化非均质填砂模型试压、试漏后，按照行业标准开展水驱油实验，从模型左侧注入、右侧采出。实验过程中，通过固定在模型上方的高精度摄像机实时录像视窗内油水变化情况，待含水率达到98%以后结束实验，选取不同时刻的录像结果进行图像处理分析。

实验模拟注水开发及残余油的形成过程，驱替速度为5.0 m/d，注入水矿化度为6 400 mg/L，实验用油为模拟油，地面黏度7.14 mPa·s，实验温度为30 ℃，实验结果见图2。

由图2可知，水驱过程中存在指进现象，注入水易沿模型边缘的高渗区域(大粒径岩石颗粒骨架形成的孔喉空间)突进，形成相应的水窜通道；随着注水量的增加，模型中高渗区域内的原油绝大部分被驱替，而在局部低渗部位(小粒径岩石颗粒骨架形成的孔喉空间)以及低渗部位之间存留大量的残余油。研究结果说明，局部小粒径岩石颗粒骨架形成的低渗部位驱油效率较低，这种颗粒非均质性降低了整体水驱开发效果。同时，颗粒非均质性也决定着残余油的分布，小粒径岩石颗粒骨架内的空间是残余油的主要富集区域。另外，在小颗粒群及其中间区域也会残存部分原油，后期改善开发效果可以针对这些部位进行重点挖潜。

3.2 储层岩石颗粒非均质性与压汞实验参数的关系

退汞效率反映了非润湿相毛细管效应采收率，相当于润湿相对非润湿相的排驱效率，水湿油层中可以表征水驱油的驱油效率。根据前述薄片和压汞资料，颗粒非均质系数与退汞效率的对应关系见表3。

图2 水驱后残余油的形成及分布特征

表3 颗粒非均质系数、退汞效率及平均孔喉半径的关系

由表3可知，颗粒非均质系数与退汞效率有很好的负相关性，颗粒非均质系数大，其对应的退汞效率低，即储层岩石颗粒的非均质程度越高，水驱油效果越差。这主要是因为颗粒非均质程度越高，颗粒大小差异越大，小颗粒充填于大颗粒孔隙空间越密实，形成的孔喉越小，越不利于注水开发，驱替效果越差。

3.3 储层岩石颗粒非均质性对油井初期产能的影响

影响油井产能的因素很多，包括地质、开发、工艺等方面，而颗粒的非均质性是影响产能的地质因素之一。为尽量排除开发、工艺等对产能的影响，以油井未投入开发时初期(或试油)日产油表征其初期产能，以投产前工艺措施相近的油井为统计分析对象，选择老新油田新沟嘴组符合条件的6口井，分析投产初期(试油)日产油量，并统计对应投产井段的22块样品薄片资料，计算其颗粒非均质系数，研究颗粒非均质性对油井初期产能的影响(表4)。

从表4可知：颗粒非均质系数影响油井初期日产油量，颗粒非均质性越强，油井初期产能越低；当颗粒非均质系数高于一定数值后，油井初期日产油明显降低。在所选的统计样本中，颗粒非均质系数超过0.600，对应油井初期产能较低。

表4 老新油田新沟嘴组颗粒非均质性及初期产能

4 结 论

(1) 岩石颗粒非均质系数通过薄片分析得到，用来定量表征岩石骨架颗粒的非均质性。其与微观孔喉非均质程度具有很好的正相关性，可以反映储层微观孔喉非均质性。

(2) 岩石颗粒非均质系数与平均孔喉半径、退汞效率呈负相关性。岩石颗粒非均质性越强，颗粒粒径差异越大，平均孔喉半径越小，退汞效率越低。水驱油过程中，原油易在小粒径岩石颗粒骨架形成的孔隙空间内残留，降低整体的驱油效率。后期改善开发效果主要方向是挖潜小粒径颗粒骨架内(低渗部位)的残余油。

(3) 影响油井产能因素众多，颗粒非均质性是其中之一。以投产初期措施相近的油井初期日产油(或试油)来分析，可以减小开发、工艺等因素干扰。在所选样本中，当颗粒非均质系数高于0.600时，油井初期产能较低。

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