杏子川超低渗储层孔喉特征对水驱油影响规律与机制研究

党海龙 ，姜汉桥，王小锋 ，赵习森 ，崔鹏兴 ，侯玢池

1 中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249

2 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安 710075

3 陕西省特低渗透油气勘探开发工程技术研究中心，西安 710075

*通信作者, jhqlf@163.com

0 引言

杏子川油区地处鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部，主力油层长6是典型的超低渗储层，其孔隙喉道尺寸细小且小孔喉所占孔隙体积比例大，呈现出微观非均质性强的特点，极大地影响了该区域的注水开发效果，因此开展孔喉特征对水驱规律及机制的研究十分必要。

王香增[1]等人针对延长油田的裂缝性特低渗储层进行了动态渗吸实验，发现裂缝性特低渗油藏存在渗吸作用，特低渗油藏开发时不可忽略渗吸作用的影响，周俊杰[2]针对延长油田长8储层进行了水驱油实验发现水驱油特征受孔隙结构的影响，驱油效率与储层物性、孔喉半径有较好的正相关关系，韩进[3]、李俊健[4]、黎盼[5]进行的砂岩模型微观水驱油实验研究发现剩余油分布形态主要受微观储层物性、润湿性、油水黏度比及其非均质性的影响。赵丁丁[6]发现喉道半径大小与分布对水驱效果及渗流通道有决定性作用。核磁共振技术可以通过T2谱直接定量获取孔喉中的流体分布，已经在油气田开发研究中有所应用[7,8]，也是研究储层孔喉特征重要技术手段之一。但是目前利用核磁共振与恒速压汞开展孔喉特征对水驱规律的研究较少，基于此，本研究开展了恒速压汞及核磁共振水驱油实验，深入分析了孔喉特征对特低渗储层水驱油效率的影响。

1 核磁共振水驱油实验

1.1 样品准备及实验设计

根据杏子川地区长6储层和长4+5储层30块岩芯的物性测试结果，气测渗透率分布区间为0.052～0.805 mD,平均气测渗透率为0.28 mD；孔隙度分布区间为9.8%～17.7%，平均孔隙度为13.65%。

本研究按不同渗透率大小选取代表性实验样品三块，这三块样品每块再制作2个样品分别用于开展核磁共振驱替实验和恒速压汞实验，其中核磁共振驱替实验样品编号分别为#1、#2、#3，对应用于恒速压汞实验样品编号分别为#1′、#2′、#3′。本研究设计核磁共振条件下的水驱油模拟实验采用驱替速度均为0.01 mL/min，累计驱替倍数为4.0 PV，所采用饱和润湿相为蒸馏水，但在核磁驱替时采用质量浓度为6.0%、矿化度为2.5×105mg/L的氯化锰(MnCl2)的水溶液，所采用非润湿相为白油(常温下黏度为45.20 mPa·s)。核磁共振驱替实验样品基础物性及驱替速度和注入倍数如表1所示。

1.2 实验原理及装置

低场核磁共振的原理是利用油、水中的氢原子在外加磁场的作用下获得能量激发而产生信号，在撤去外加磁场后，信号便开始衰减，这种现象被称作弛豫现象，它包括横向弛豫现象和纵向弛豫现象，一般只记录横向弛豫，并且其信号强度的大小与样品内含氢原子的流体所处的孔隙空间大小成正比。利用这一特性，就可以分析在驱替过程中不同大小孔隙中的微观驱替现象。将弛豫信号反演就可以得到T2谱，它反映了不同弛豫时间流体所占的比例，T2谱上弛豫时间较长的部分对应于样品中相对较大孔隙中的流体，T2谱上弛豫时间较短的部分对应于样品中相对较小孔隙中的流体[9-12]。

恒速压汞实验技术是分析储层岩石微观孔喉结构特征的常用技术之一。通过恒速压汞实验可以得到准确的孔隙、喉道大小及分布、孔喉比大小，它可以提供孔隙和喉道的毛细管压力曲线，非常适用于孔隙和喉道性质差别较大的特低、超低渗透储层，能较好地反映储层流体渗流过程中的动态孔喉特征[13-18]。

1.3 实验步骤

对上述三块岩样进行水驱油模拟实验，在进行实验前使用6%的MnCl2溶液饱和样品，因为MnCl2溶于水后会电离出Mn2+离子，并与水分子直接作用减弱水分子中的氢原子弛豫时间，从而屏蔽样品中水对核磁共振实验的影响[19]。同时为了尽可能减少样品存放时间对弛豫时间的影响[8]，样品在饱和原油后立即进行驱替实验。具体实验步骤如下：

(1)将标准油样放入磁体腔内，调整核磁共振仪器参数，进行中心频率矫正，确定脉宽、中心频率等参数；

(2)岩芯抽真空后加压饱和蒸馏水，放置仪器中进行核磁共振T2测试，并反演出T2弛豫时间谱；

(3)用矿化度为2.5×105mg/L的MnCl2溶液驱替岩芯中的蒸馏水并进行核磁共振T2测试，观察是否能检测到信号；

(4)注入原油以0.01 mL/min流速驱替岩样孔隙中的MnCl2溶液，建立束缚水饱和度条件，然后再进行核磁共振T2测试，记录T2谱；

(5)再注入矿化度为2.5×105mg/L的MnCl2溶液以0.01 mL/min速度进行水驱油实验。累积注入倍数为4.0 PV，同时进行不同注入倍数条件下剩余油饱和度及分布状态的核磁共振T2谱测试。

1.4 不同注入倍数水驱油T2谱

利用核磁共振测得样品#1、#2和#3在不同驱替倍数(0.4～4.0 PV)条件下的T2谱的变化幅度，见图1。由图1(a)、(b)和(c)可以看出，#1和#2号样品T2值呈双峰分布，#3号样品T2值单峰正态分布，孔渗大小和单峰双峰分布没有直接关系；水驱油过程中，三块样品的T2值随着注入PV数的增大，均表现出早期T2值的信号频率下降幅度大，随着驱替倍数的增加，T2值的下降幅度呈现出逐渐减少的趋势；#3号样品与#2号样品物性接近，与#1号样品相比孔渗性差，但是#3号样品的T2值整体下降幅度最大。

1.5 水驱油驱替效率分析

根据国内学者提出的弛豫时间分布与孔隙半径分布的转化关系[14-15],可以将核磁共振实验测得的T2谱转化为孔隙半径分布。

表1 核磁共振驱替实验样品基础物性及实验信息表Table 1 Basic physical properties and experimental information of NMR displacement test samples

图1 三块岩芯在不同驱替倍数条件下的水驱油T2谱Fig. 1 T2 spectrum of water drive oil under different displacement volumes

根据孔隙大小的划分标准进行划分，可以得到微米孔(＞1 μm)、亚微米孔(0.1～1 μm)、纳米孔(＜0.1 μm)三个大类，还可进行细分成21个亚类；再结合T2谱的峰面积，使用积分的方法，可以获得孔隙中所含注入流体体积，得到不同注入PV数条件下的不同孔隙中的剩余油体积占总孔隙体积的百分比。经转换，#1、#2和#3样品在不同驱替PV倍数条件下的剩余油孔径分布直方图如图2(a)、(b)和(c)所示。从剩余油分布直方图中可以看出，各样品中的剩余油在孔隙中呈近似正态分布，并且峰值主要分布在半径为1～2.5 μm孔隙中。这一部分孔隙中的油在驱替过程被采出的最快，相对采收率也最高，说明这一级别的孔隙是样品中的主要连通孔隙。水驱油过程中，首先沿主要连通孔隙流动，其中的油被驱替出来。通过T2谱及直方图可以看出，1～4 μm的孔隙中的油含量减小的最快，而样品中部分较大孔隙则含油量下降缓慢，说明这部分孔隙没有被有效波及到，并且在水持续流动形成水锁后很大一部分油便残留在这部分孔隙中，采收率变低，与中高渗储层的水驱油特征有所不同[16]。

图3分别绘制了三个样品在不同驱替倍数条件下的含油饱和度和驱替效率曲线。由图3可知，在注入体积达4 PV时，#1、#2和#3号样品的含油饱和度分别为：50.83%、33.83%和20.94%。定义驱替效率为当前含油饱和度和初始含油饱和度的差值占初始含油饱和度的比例，#1、#2和#3号样品在4.0PV时的驱替效率分别为62.09%、57.41%和72.85%， 其中#3号样品的物性参数明显不如#1号样品，但是#3号样品的驱油效率却最高，剩余油饱和度最低。因此对于超低渗储层，并不是孔隙度、渗透率越高，驱替效率越高，岩石的孔隙度、渗透率和驱油效率不存在正相关关系。

2 微观孔喉结构特征分析

3块岩样的恒速压汞实验结果，包括毛管压力曲线和孔喉半径分布曲线如图4(a)、(b)和(c)所示，此外，这3个样品的主要微观孔喉结构特征参数，包括孔喉比、中值半径、平均孔隙半径、主流喉道半径、分选系数、歪度等微观孔喉结构特征参数列于表2。

图2 不同驱替倍数条件下剩余油分布直方图Fig. 2 Histogram of remaining oil distribution under different displacement times

图3 含油饱和度和驱替效率随驱替倍数关系Fig. 3 Relationship between oil saturation and displacement efficiency of samples under different displacement times

图4 压汞毛管压力曲线和孔喉分布直方图Fig. 4 Capillary pressure curve and pore throat distribution histogram of mercury injection

结合上文核磁共振实验水驱油实验在不同驱替PV数条件下剩余油饱和度和驱油效率的变化趋势可以看出，#3号(#3′号)样品的基础孔、渗透性能较低，但驱油效率最高；平均孔隙半径不是影响驱油效率的主要微观参数，驱油效率主要受平均喉道半径、平均孔喉比这两个微观参数综合影响。因为平均喉道半径是表征储层渗流能力的最重要参数，对于亲水油藏，平均喉道半径越小，小喉道所占的比例越大，毛管力更强，渗吸作用越明显，对驱油效率的贡献越大；平均孔喉比是表征储层非均质性的主要微观参数，平均孔喉比越大，非均质性越强，储层渗流阻力越大，驱油效率越低。#3号岩芯平均喉道半径(1.217 μm)最小，平均孔喉比中等，驱替过程中小喉道比例大，渗吸作用强，储层非均质性较弱，因而在渗吸驱替双重作用下，剩余油饱和度最低。而#2号(#2′号)样品虽然平均喉道半径最大，但是平均孔喉比也最大，非均质性最强，渗流能力最弱，同时由于平均喉道半径也最小，毛管渗吸作用也最弱，因而#2号的驱油效率最低，剩余油饱和度最大。可见在超低渗储层当中，由于平均喉道半径小，渗吸作用起到了不可忽视的作用。在作者[21]前期关于杏子川长6超低渗储层的渗吸研究中，渗透率为 0.228×10-3，0.287×10-3和 0.352×10-3μm2的三块岩芯，在温度50 ℃当含油饱和度在0.20～0.35之间时，其渗吸驱油效率可达0.50～0.75，进一步佐证了渗吸对提高采收率的贡献。由此可见，认识储层孔喉特征参数分布，最大发挥渗吸和驱替协同作用，降低微观非均质性的影响是提高驱油效率的关键。

表2 恒速压汞实验主要微观孔喉结构特征参数Table 2 The characteristic parameters of pore - throat structure in constant - speed mercury injection experiment

3 结论与展望

1)本研究对杏子川油区三块不同渗透率的超低渗储层样品开展了核磁共振条件下的水驱油实验，结果发现基础孔渗性能较低的样品最终驱油效率反而较高，对于超低渗储层，孔隙度、渗透率和驱油效率不存在正相关关系。

2)结合恒速压汞实验结果发现，平均孔隙半径不是影响驱油效率的主要微观参数，驱油效率主要受平均喉道半径、平均孔喉比这两个微观参数综合影响。平均喉道半径是表征储层渗流能力的最重要参数，对于亲水油藏，毛管力为动力，平均喉道半径越小，小喉道所占的比例越大，毛管力的动力作用更强，渗吸作用越明显，对驱油效率的贡献越大；平均孔喉比是表征储层非均质性的主要微观参数，平均孔喉比越大，非均质性越强，储层渗流阻力越大，驱油效率越低。

3)对于超低渗亲水储层来说，认识清楚储层孔喉特征，利用和发挥渗吸和驱替协同作用，设计合理的注采速度、注采压力、注采周期，降低储层非均质的影响，对于进一步提高注水开发效果具有重要意义。