特低渗透油藏注水作用规律探讨

2013-09-04杨其彬任大忠王海彤

地下水 2013年4期

杨其彬，孙卫，任大忠，王海彤，2

(1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069;2.中国石油吉林油田公司，吉林松原 138000)

在油田开采注水过程中存在以下问题［1－4］:注入水和特低渗透储层岩石在油藏条件下的作用形式、作用结果如何?储层岩石的岩性、物性将发生怎样改变?对流体流动条件和流动能量损耗影响怎样?为了弄清其变化规律，本文以十屋油田营城组特低渗储层岩石及其注入水为研究对象，通过开展岩性分析、膨胀应力及其孔喉结构的变化的探讨，初步明确了特低渗透储层岩石与注入水的作用规律，为区块注水方案的制定提供了理论依据。

1 注水对岩石相的影响

根据岩石中骨架矿物和粘土矿物的具体组合情况进行分类［4－5］，选择了营城组具有代表性的高岭石、绿泥石、伊利石、蒙脱石进行高温高压状态下的液—固反应。具体做法:把选择的4种样品粉末各取少许包装在棉布中，互不混合，但可以相互提供反应离子，分别装入4个高温高压反应器(分别装入蒸馏水、1%KCL、地面清水和营城组地层水)中进行反应，分析反应前后岩石的岩性变化。

结果分析表明:岩石样品反应前后矿物种类未出现明显的变化，只是部分矿物某些面网的衍射峰出现了强化或弱化现象。

此外，粘土矿物样品变化较微弱:

Ⅰ、高岭石反应系列:峰变强，表明该峰代表的面网有序度和结晶度变好。

Ⅱ、蒙脱石反应系列:原来的 15.306埃峰消失，出现13.475埃，12.024埃峰，矿物相由原来单一的钙蒙脱石(面网间距15.306埃)向钙－钠复合的过渡蒙脱石(13.475埃)以及单一的钠蒙脱石(12.024埃)转化。

Ⅲ、绿泥石反应系列:出现了一些新峰，原有的峰有些强化，有些弱化，可能有新矿物出现。

总体而言，在实验进行的高温、高压及长时间反应条件下，矿物相的变化较为微弱，没有很特别的新矿物产生，在地下环境可能会因为复杂的离子环境出现一些溶解度较小的沉淀物质。

2 注水作用规律分析

2.1 岩心膨胀应力

根据高温、高压条件下标准单一矿物、天然实际储层砂样和多种注入水的长期反应结果可知，矿物在种类方面没有太大的变化，看来在地下实际情况中，注入水注入地层后再引起新矿物产生方面最多可能会因为地下液体中的离子组分复杂而生成一些溶解度很小的沉淀物质如碳酸钙等。对于砂泥岩剖面注入水后，在中高泥质填隙物的低渗透储层中，原始地层条件下岩石最主要的作用形式是处于含水欠饱和的岩石遇到外来注入水后，大量吸水，水以束缚水膜和层状硅酸盐层间水的形式进入到泥质填隙物中和矿物的结构构造中，导致岩石的结构力学特征弱化、膨胀、分散和挤压、重整、压缩，破坏岩石的支撑抵抗能力和介质的孔渗特性。

2.2 研究方法与过程

选择具有代表性的岩心，在80℃条件下的烘箱中充分干燥，测定其初始重量后置入测试膨胀应力的装置中。该装置是在借鉴毛细管最小启动压力梯度测试仪的基础上稍做改造而成，既可以完成最小启动压力梯度的测试，同时又可观察岩心在吸液、排液过程中其膨胀赢利的变化。该装置与一般的动态驱替装置一致，分为三大部分:进液端口、排液端口分别和一根竖直放置的玻璃管连接，并保证密封不漏;中间段最为关键，为一个岩心夹持器，与一液压泵和压力显示装置连接，实现围压施加和检测控制。在保证围压系统密封性、围压系统与驱替系统独立的基础上，给岩心加一定的初始围压后关闭围压系统，观察进液端玻璃管中液柱高度的变化情况和围压变化，从而可以得到岩心进液情况和膨胀应力的变化情况。值得注意的是，该围压显示的是岩心在一定的围限条件下，吸水发生内部变化、进行内部重整后的综合响应值。

图1 膨胀围压随渗吸饱和时间的变化

2.3 结果分析

对所研究的3块岩心(见表1)，设置一个初始围压，然后封闭围压系统，观察岩心吸水饱和和排液整个过程中岩心膨胀围压的变化，以反映岩心的吸水、膨胀、压缩和重整过程(其典型结果见图2)。

表1 储层岩心膨胀应力研究统计表

根据膨胀围压观测的结果，可以发现一个大的变化趋势:膨胀围压和渗吸饱和过程中基本上是多阶段的波段变化趋势，上升和下降出现交替变化。这一变化趋势应该是岩石内部的膨胀、压缩、重整的结果，一方面主要取决于岩心本身特性:岩石中粘土矿物的种类和含量、微细的泥质填隙物的含量、胶结形式、岩石原来的压实和致密程度及孔物性等综合因素，其中，以泥质填隙物的多少、产状、膨胀性粘土多少以及本身致密程度最为重要;另一方面主要取决于渗吸饱和流体的类型、初始围压的高低和环境温度。

尽管，具体的膨胀围压变化情况出现波动变化的趋势，较为复杂，但是，从其内在变化过程和机理分析，仍然可以得出规律性的认识。实际地层中，岩石必然受到上覆岩体和围岩的限制，并且受到一定的围限压力作用，该围限压力有高有低，当外来流体进入后对岩石孔渗特性的影响也会因为围限条件和岩石内部吸水膨胀情况不同而有所区别，最终的结果应该是两者耦合调整的结果。

3 孔隙结构对注水的影响

常规物性不能完全反映岩石的特征，孔隙结构不同的储层尽管孔隙度相差不大，渗透率却可能相差很大［6－7］。因此，加强对储层孔隙结构的研究极为重要。以往对注入水与储层岩石作用评价通常采用常规物性的变化来衡量，极少利用微观孔隙结构特征来评价作用效果，因而不能了解注水前后孔隙大小、孔喉的分布特征变化，不能深入了解储层酸化效果。

储层岩石内部吸水膨胀与储层岩石的矿物组成有关，特别是粘土矿物的吸水膨胀，粘土矿物吸水膨胀后储层岩心的孔喉结构将发生变化，进而影响储层岩石的孔隙度和渗透率。为了考察注入水对储层岩石作用后，其物性变化情况，对注水前后储层岩石的孔喉特征进行分析。选择营城组储层岩心，分别加入模拟地层水和地面清水，在80℃、20 MPa下反应30 d，开展压汞分析，获得反应前后储层岩心物性变化，同时对其微观孔喉特征进行分析。

反应前后储层岩心的物性及其微观孔喉特征见表2、图2。根据储层条件下的储层岩心与注入水的静态反应结果可以看出，无论地面清水还是模拟地层水，储层岩石的孔隙度、渗透率均呈现出降低的趋势，门槛压力升高，这说明储层岩石与注入水长期作用后，储层岩石中的粘土矿物发生水化膨胀，致使孔喉结构变小，表现为储层岩石的物性变差。