注水开发对碎屑岩储层物性影响规律实验研究

刘 学，刘英宪，陈存良，吴春新，钱 赓

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

引 言

油田在开发过程中储层物性也在发生改变，正确认识储层物性的变化规律，探究油田开发特征与储层物性变化之间的关系，对于深刻揭示油田剩余油分布规律，从而更好地制定改善油田开发效果的增产措施具有重要意义[1-5]。目前，针对油田开发过程中储层物性变化规律的研究主要集中在以下几个方面：一、高含水阶段储层物性变化研究。王洪光[6]等人以岩心为研究对象，分析了不同沉积微相带储集层物理特征的变化；李浩[7]等人将储层物性参数的空间变化特征划分为物性主频分布变窄型、向高值收敛增大型以及数值均匀增大型3类。二、地层压力降低对物性变化的影响。张津宁[8-9]开展了变围压实验，研究了储层的孔隙度、渗透率及岩石孔隙压缩系数与围压的变化关系。三、储层具有较强的水敏性。陈丽华[10]利用高压釜物理模拟实验研究了高温条件下蒙脱石对储层物性的影响。四、在化学驱方面，卢亚涛[11]对三元复合驱后油层孔隙半径和泥质含量的变化进行了研究，分析强碱三元体系在油层中的运移特点及分布规律。五、相渗曲线的变化规律研究。赵振铎[12]研究了储层孔隙结构特征对油水相渗曲线形态特征的影响，并对毛管压力曲线和油水相渗曲线关系进行了分析。

然而目前的研究中鲜见针对不同含水阶段储层物性变化的定量描述。本文以渤海X油田为研究对象，开展注水开发后储层物性变化规律的研究，为油田后期的开发调整提供重要依据。

1 储层渗流物理模拟的原理与方法

收集整理了研究区有关的原始资料(包括常规物性、特殊物性等参数)，并对研究区实际的注采资料进行总结和归纳，对室内岩心物理模拟实验进行简化处理。

1.1 实验简化原则

(1)实验岩心选取

将注水井点假设成以它为中心的圆，把实验样品岩心作为储层进行注水冲刷实验，根据流线原理可知，在注采井直线连接处流线最弱，冲刷程度最小，因此，选用距离注水井点直线连接1/2处冲刷程度较小的储层(新钻调整井)作为岩心单元。

(2)不同开发阶段的模拟

考虑现场不同注水阶段的特点，模拟实验选用综合含水40%、60%、80%、90%、98%代表不同开发时期。

1.2 注水冲刷物理模拟实验的设计思路

实验装置如图1所示，设计思路为：将岩样进行洗油、烘干，随后测量该样品的空气渗透率、孔隙度，测量完成后，对岩样进行长期注水冲刷实验，注水的速度在临界流速范围内，达到设定的过水倍数后将样品再烘干测渗透率、孔隙度。在注水前后借助电镜、X-衍射、薄片、岩电等辅助分析手段进行了多种参数的测定，为描述长期注水冲刷过程中不同含水时期储层参数(渗透率、孔隙度、孔隙结构等)的影响因素及变化规律提供基础资料。

图1 水驱油实验流程Fig.1 Flowchart of water flooding experiment

1.3 模拟实验条件的确定

(1)物理模型样品的选取

从渤中X油田沙河街二段1小层以及3小层选取不同沉积微相带、不同含水阶段具有代表性的、地层原始状态相近的1-178、1-169、3-14、3-18四口井的岩心。其中，1小层属于中—高渗储层，3小层属于中—低渗储层。通过岩心观察描述及综合分析研究，钻取相同直径的几组样品进行数据测试及对比，从6组30多个岩样中筛选出孔隙结构相似、渗透率相近的12块岩心(见表1)。

表1 模拟实验样品参数Tab.1 Parameters of simulation experiment samples

(2)实验环境确定

注水冲刷的模拟温度为50 ℃；实验用机械油黏度为2.46 mPa·s；地层水和注入水的总矿化度分别为25 132 mg/L和16 432 mg/L，均为氯化钙水型，同时为了保证实验结果的准确性，用3%氯化钠盐水作为冲刷用水进行实验。

2 实验结果及分析

2.1 注水冲刷前后储层孔隙物性的变化及其原因

2.1.1 孔隙物性的变化

渤中X油田储层以粉细砂岩、含砾不等粒砂岩为主，其中：近岸滩坝砂和河口坝沉积物(3小层)粒径普遍小于0.25 mm，以粉细砂岩为主；水下分流河道沉积物(1小层)磨圆度较差呈棱角、次棱角状，粒度普遍为0.25～0.50 mm，局部含小型砾石，岩性以含砾不等粒砂岩为主。3小层比1小层更细，磨圆度好于1小层，呈次棱角状—次圆状。两小层颗粒间孔喉发育，分布都较为均匀。

表2为模型注水冲刷前后的孔隙度值。孔隙度相对变化值总体上较小，只有冲刷到特高含水期后，岩心孔隙度才表现出升高的趋势，在此之前基本未出现明显的变化规律，由此可见注水开发对孔隙度的影响并不显著。

表2 冲刷前后孔隙度数据对比Tab.2 Contrast of porosity before and after scouring

虽然注水冲刷前后孔隙度变化不大，但是对比1小层以及3小层在不同含水阶段的铸体薄片及岩心样品的实验资料表明(表3所示)，储层的孔隙结构发生了一定的改变，物性较好的1小层最大孔喉半径增大， 增幅1.63%～16.9%； 孔喉半径中值增加，增幅2.06%～4.85%；孔喉半径平均值增大，增幅1.55%～5.40%。物性较差的3小层最大喉道半径增加，增幅20.76%～40.20%；孔喉半径中值增加，增幅12.50%～46.20%；孔喉半径平均值增大，增幅11.50%～21.90%。

表3 水驱前后孔隙结构参数统计Tab.3 Statistics of pore structure parameters before and after water flooding

储层岩石物性参数的变化表明，对于渗透率在(200～400)×10-3μm3左右的1小层，注水后最大喉道半径、孔喉半径平均值的增加幅度较小，渗透率在(50～100)×10-3μm3的3小层相应参数增加幅度较大，但绝对值比渗透率较好储层小很多。

2.1.2 变化原因分析

孔隙结构变化的主要原因是注水冲刷导致地层微粒运移引起的，为了研究其变化规律，采用近年来新的分析方法——激光颗粒计数器，观测并记录不同含水时期冲出颗粒总数随注水倍数的变化曲线，如图2所示。

图2(a)为1小层注水倍数与冲出颗粒总数关系曲线，该图表明随着注水倍数的增加，冲出颗粒总数的变化在a区(含水0～80%)最多，在b区(含水80%～90%)减少，随后颗粒总数在c区(含水90%～98%)呈小幅波动变化。冲出颗粒总数由注水开发初期的225 080 个/mL渐趋减少，当岩心含水达到90%以后，冲出颗粒总数在39 389～90 836 个/mL浮动。

同理，从图2(b)中可以看出，3小层冲出颗粒总数的变化趋势与图2(a)基本一致，仅仅在颗粒个数上有一定差别。冲出颗粒总数由注水开发初期的73 063 个/mL渐趋减少，当进入c区(含水90%～98%)后，冲出颗粒总数在6 011～30 520 个/mL浮动。

综上所述，1小层和3小层由于物性不同，在注水开发的不同阶段冲出的微粒个数相差很大，但总体规律基本一致。在注水开发初期冲出颗粒总数较多，主要为胶结程度不强、可移动的自由颗粒较多，因此，在中高含水阶段，孔隙结构的变化幅度较大。随着注水开发的不断深入，岩石有效孔隙中自由颗粒基本被冲出，粒径较小的自由颗粒减少，冲出颗粒总数逐渐降低，因此，孔隙结构的变化逐渐变缓。

图2 冲出颗粒总数与注水倍数关系Fig.2 Relationship between total number of flushed particles and water injection multiple

2.2 注水冲刷前后渗透率的变化及其原因

2.2.1 渗透率的变化

长期注水开发对储集层渗透率的影响主要表现为以下两个方面：一是地层的微小颗粒被冲出，孔喉半径增大，使得渗透率增加[13]；二是由于地层可移动微粒脱落、运移及与地层水、注入水不配伍等原因，部分孔隙通道被微粒或次生物堵塞，导致渗透率下降[14-15]。

1小层属于中—高渗储层，从图3(a)渗透率比值曲线形态上可以看出，注水开发过程中渗透率比值呈现波动变化，最终渗透率值要略高于冲刷前渗透率，曲线形态略有上升。渗透率的振幅在a区(含水0～80%)内变化最明显，而随着注水倍数的增加，b区(含水80%～90%)、c区(含水90%～98%)渗透率变化幅度较小最后基本趋于稳定。

3小层属于中—低渗储层，与1小层相比，3小层的渗透率比值随着注入倍数的增加逐渐下降(图3(b))，在注水开发末期其渗透率为原来的70%左右。

2.2.2 变化原因分析

造成渗透率变化的主要原因是长期注水开发后储层颗粒间的接触关系发生了一定的改变。对于物性较好的1小层而言，储层的粒径中值曲线形态(图4(a))在a区、b区呈现出轻微上升的趋势，在c区逐渐上升并趋于稳定。结合岩心电镜照片(图5)可以看出，随着可移动颗粒被冲出，储层颗粒表面变得更加光滑，孔隙中的胶结物明显减少，当含水98%时，1小层岩石骨架颗粒之间大部分已呈分离状态，偶有部分呈点或线接触，因此，注水冲刷后1小层岩石孔隙及喉道增大、增多，从而增加了地层渗流能力，导致渗透率升高。

图3 渗透率比值与注水倍数关系Fig.3 Relationship between permeability ratio and water injection multiple

图4 粒径中值与注水倍数关系Fig.4 Relationship between median value of particle diameter and water injection multiple

图5 1小层注水开发前后储层岩心电镜照片Fig.5 Electron microscope photographs of the first small layer core before and after water flooding

对于物性较差的3小层(图4(b))而言，储层的粒径中值在1.16～1.46 μm范围内波动，变化幅度较小，在a区、b区基本不变，c区出现缓慢上升趋势，但上升幅度较小，这说明长期注水开发后滞留在储层中的微粒多为粒径中值较大的颗粒。结合岩心电镜照片(图6)可以看出：3小层在长期注水开发后储层颗粒的接触关系虽然发生了很大的改变，但颗粒间还是以点接触为主，在长期的注水冲刷过程中，造成储层内小颗粒迁移，很容易在孔隙喉道处堆积，使喉道有效的渗流半径减小，甚至部分微小孔隙被堵死，从而降低了岩石的渗透率。

2.3 岩石电阻率参数的变化及其原因

2.3.1 岩石电阻率参数变化

对1小层及3小层注水冲刷前后岩心的电性特征参数进行测定，结果见图7。1小层(中—高渗储层)岩心的岩性系数由注水开发前的1.2变为注水开发后的1.1，饱和指数绝对值由1.9变化为1.8，均呈现出变小的趋势，这说明随着注水开发的进行，储层的连通性变好。同理可知，3小层(中—低渗储层)岩心的岩性系数由注水开发前的1.1变为注水开发后的1.2，饱和指数绝对值由1.9变化为2.0，均呈现出变大的趋势，主要是由于随着注水冲刷，大粒径的颗粒在狭窄孔喉聚集，导致渗流通道堵塞，渗透率下降。

图6 3小层注水开发前后储层岩心电镜照片Fig.6 Electron microscope photographsof the third small layer core before and after water flooding

图7 电阻增大率指数与含水饱和度关系Fig.7 Relation between resistance increase rate index and water saturation

电性特征参数在注水冲刷前后的变化情况并不很明显，但这一变化基本上从电性特征参数上反映了长期注水冲刷对储层的影响。

2.3.2 变化原因分析

储层电阻增大率的变化涉及许多因素，根据阿尔奇公式可知，在注入水矿化度相似的条件下，储层岩石中黏土矿物的变化是影响电阻增大率的主要因素。

注入水对储层中黏土矿物的影响主要有两种表现形式，一是对黏土矿物的搬运—沉积作用，二是储层中黏土矿物遇水膨胀作用。不同种类的黏土矿物，在持续的冲刷过程中也表现出不同的特性。水驱前后全岩矿物、黏土矿物相对含量(表4)统计表明，岩样经过长期的注水冲刷后，黏土矿物的组分并没有发生变化，黏土的总量由7.3%下降为4.3%，黏土的绝对含量下降了41.1%。岩样中伊利石、高岭石、蒙脱石的绝对含量在1小层中下降了78.7%、42.7%、30.9%，在3小层中下降了66.5%、41.2%、29.4%。这说明岩样中的黏土矿物在长期注水冲刷下微粒发生了运移。其中3小层与1小层黏土矿物变化的区别主要是孔隙结构不同所致。

如表4所示，X油田1、3小层全岩矿物组分中的黏土体积分数平均为7.3%，以高岭石为主，体积分数为81%83%，由于高岭石具有易于搬移的特征，因此，黏土矿物的搬运—沉积作用是造成X油田储层岩电参数发生变化的主要原因。

表4 水驱前后全岩矿物、黏土矿物相对含量Tab.4 Volume fraction of whole rock minerals and clay minerals before and after water flooding

渤海X油田储层黏土矿物主要有孔隙式充填、连接搭桥式、分散附着式3种分布形式，孔隙充填是该区域黏土矿物在储层中最为普遍的分布方式。在电镜下可以明显地看出注水开发前后高岭石赋存状态和分布状况的变化(图8)。注水开发前高岭石呈蠕虫状、书页状、手风琴状，形状比较规则；长期注水开发后，高岭石呈碎片状散布于颗粒表面及孔喉中，造成储层内微小颗粒在喉道处堆积，使喉道有效半径减小，造成岩性系数和饱和指数变大。

图8 3小层黏土矿物冲刷前后在储层中的赋存状态和分布状况Fig.8 Occurrence and distribution of clay minerals in the third small layer before and after water flooding

3 结 论

(1)渤海X油田长期注水冲刷对孔隙度的影响不大，对孔隙结构有一定的影响，渗透率在(200～400)×10-3μm3的1小层，注水后最大喉道半径、孔喉半径平均值的增加幅度较小；渗透率在(50～100)×10-3μm3的3小层相应参数增加幅度较大，但绝对值比渗透率较好储层小很多，主要是由于注水冲刷后地层微粒运移引起的。

(2)长期注水冲刷后，渗透率在(200～400)×10-3μm3的中、高渗储层渗透率增加；渗透率在(50～100)×10-3μm3左右的低渗储层渗透率减小，主要是由于注水开发后储层颗粒间的接触关系发生了一定的改变。

(3)长期注水冲刷后，渗透率在(200～400)×10-3μm3的中、高渗储层岩心的岩性系数和饱和指数变小；渗透率在(50～100)×10-3μm3的低渗储层岩心的岩性系数和饱和指数变大，主要是由于储层中易于迁移的高岭石在储层中的赋存状态和分布发生了一定的变化所致。