严重非均质油藏注水开发流体动力地质作用

李中超，陈洪德，余成林，杜利，乔勇，刘伟伟，孙利

（1. 成都理工大学；2. 中国石化中原油田分公司）

0 引言

在长期注水开发过程中，储集层各项微观特征持续发生变化，包括储集层岩石颗粒和胶结物的成分及含量、粒度等指标[1-6]，其主要原因在于储集层中的地层水、不同性质的注入水及油等流体长期对储集层浸泡、驱动和改造[7]。孔隙度、渗透率等宏观参数的变化是储集层微观内在因素改变的综合反映[8]。本文以胡状集油田胡12块严重非均质油藏[9]优势渗流通道较发育的沙三中8储集层为例，采用室内实验对注水前后实际岩心样品进行对比分析，从储集层岩石组分、粒度、孔喉分布、孔喉结构和主要物性参数的变化等方面研究了注水开发过程中的流体动力地质作用[10]。

1 油藏概况

胡状集油田胡 12块位于东濮凹陷[11]西部斜坡带中段，为一受石家集断层、胡7-7断层和胡12断层共同夹持且西高东低的鼻状构造。沙三中8为该块主力含油层段之一，属扇三角洲[12]前缘沉积，主力油层分布在水下分流河道砂体中。储集层孔隙度4.9%～30.7%，平均 21.6%，渗透率（0.1～3 092.0）×10-3μm2，平均301.3×10-3μm2，总体具中孔中渗特征[13]，但非均质性非常强。胡状集油田于1986年投产，含油面积4.5 km2，地质储量1 430.73×104t，可采储量 315.55×104t，历经近30 a的开发，综合含水已达94.66%，处于特高含水开采阶段[11]，采出程度仅为18.18%，优势渗流通道已成为影响水驱效率的突出问题。

H12-20井和HJ1井分别钻于1986年和2000年，两者井距40 m，连通关系好，均对沙三中8进行了连续取心，取全了不同成因、不同厚度和不同物性储集层，其岩心分别反映了原始状态和注水开发后的特征，具有典型性、代表性和可对比性强的特点。

2 流体动力地质作用的物质基础

胡12块沙三中8储集层的岩石类型多为长石砂岩、岩屑砂岩之间的过渡类型，岩石成分主要特征为：①碎屑中岩屑和长石含量较高，其平均含量分别为15.6%和10.7%，两者之和已超过26%，石英含量与岩屑和长石含量之和的比值为1.7～4.3，平均值为3.0；②岩屑中含量最高的是泥岩岩屑和碳酸盐岩岩屑，其平均含量分别为8.5%和3.9%，两者之和已超过12%，占岩屑总量的约 80%。以上特征说明岩石的成分成熟度极低，是快速风化、快速与短距离搬运、快速堆积与埋藏条件下的产物[14]。

砂岩组成纵向上表现为 2个特点：①不论层间还是层内，各种成分含量变化范围较大，如碳酸盐总量为1.5%～14.5%，泥质总量为5.61%～32.46%；②颗粒较细的岩石具更高的长石含量，而颗粒较粗的岩石具更高的碳酸盐岩岩屑含量。

3 流体动力地质作用对储集层岩石组分的影响

3.1 碎屑组分的变化特征

以原状（H12-20井）和注水开发后（HJ1井）沙三中8储集层薄片鉴定数据为基础，分析长石类矿物、碳酸盐类矿物、泥质矿物和其他矿物在注水前后的差异（见表1）。

表1 沙三中8储集层碎屑组分含量对比表

对长石类矿物而言，注水开发过程中，钾长石含量略有降低但并不显著，而斜长石则被溶蚀殆尽（见表 1）。注入水的酸性（pH值为 5～6）条件加速了斜长石的溶解。

沙三中8储集层中的碳酸盐矿物包括碳酸盐岩岩屑和填隙物中的方解石、白云石和菱铁矿。实验分析表明，注水开发使碳酸盐总量略有降低（见表1），这主要是由菱铁矿引起的。菱铁矿晶体有 2种赋存方式：①作为碎屑的包膜而成为早期胶结物（见图1a、1b），②作为分散的晶簇或者单个晶体（见图1c），以这两种方式存在的菱铁矿都可能被流体搬运而成为速敏矿物，因速敏效应而堵塞于喉道中。菱铁矿为酸敏矿物，在注水开发中菱铁矿因部分溶蚀而减少。

图1 沙三中8储集层H12-20井颗粒表面菱铁矿晶体赋存特征

从泥质总含量来看，由注水开发前的 22.7%下降到16.4%，出现了一定程度的降低。石英含量则由注水开发前的59.9%下降到57.7%，该组分小幅降低的主要原因则与粉砂—极细砂级石英碎屑的部分缺失有关。

3.2 黏土矿物的变化特征

基于X衍射鉴定结果，从绿泥石、伊利石、高岭石和伊/蒙混层的含量分析了储集层黏土矿物组成的变化特征（见表2）。

表2 沙三中8储集层黏土矿物含量对比表

分析结果表明，与其他黏土矿物相比，注水开发过程中，绿泥石含量降低幅度高达29.1%，其主要原因是注入水pH值较低（5～6）、地层温度较高（约85 ℃）。

伊利石主要赋存于泥岩岩屑和黏土杂基中，其含量降低幅度为 14.1%。由于伊利石在酸性及高温条件下十分稳定，因而其减少的主要原因是速敏效应使其部分搬运至井筒。

对高岭石而言，其相对含量由 25.44%增加到26.50%，变化量很小。研究表明，造成高岭石略有增加的原因在于：①部分高岭石粒径很小且分布于狭窄的喉道中（见图2），难于被注入水波及搬运；②注水开发过程中部分长石被溶蚀，因而储集层中可能有一定数量高岭石沉淀。

图2 沙三中8储集层H12-20井高岭石晶体赋存特征

黏土矿物中的伊/蒙混层难于搬运，具体表现在：①伊/蒙混层膨胀可能堵塞喉道或孔隙；②在各种黏土矿物中，伊/蒙混层矿物粒径相对较小，所以其在小孔喉中难于被注入水波及。由于绿泥石和伊利石等黏土矿物的含量随着注水开发的持续推进而大幅降低，所以伊/蒙混层的相对含量平均值由 28.56%上升到36.07%，变化幅度为26.3%。

4 流体动力地质作用对储集层沉积物粒度的影响

4.1 H12-20井和HJ1井沙三中8砂岩粒度分布特征对比

H12-20井沙三中8储集层砂岩粒度十分丰富，含量大于 1%的粒级有 14个之多（见图 3）。对比 H12-20井和HJ1井沙三中8储集层砂岩粒度分布可见，注水开发后，粒度为-1.0～4.5的砂级沉积物在最细段出现了明显的粒级缺损，缺损的粒级组粒度中值分别为3.725和 4.265，平均含量分别由注水开发前的 3.780%和5.616%降至1.061%和1.393%，降低幅度分别为71.9%和75.2%。

图3 储集层沉积物粒度分布曲线

4.2 生产井采出砂特征分析

胡12块油井采出砂的粒度中值为0.208～4.351，含量最高的粒级粒度为3.474～3.737，其中值为3.606，这一粒级砂粒的含量占 24.4%。该粒级与 HJ1井所缺失的粒级相对应，出现粒级缺损的位置主要位于物性较好的层段且与大孔道的形成相关，这证实了流体动力地质作用是储集层沉积物粒度发生变化的原因。

5 流体动力地质作用对储集层岩石孔喉的影响

5.1 孔径分布的变化特征

据铸体图像分析结果，H12-20井沙三中8储集层以小孔隙为主，孔径小于67 μm的孔隙尽管只占据了 4个级别，但其累计数量占全部孔隙数量的67.7%，累计面积约占 54.6%（见图 4），总体呈类型少但含量高的特点。孔径大于等于67 μm的大孔隙占据了16个孔径级别，尽管涵盖的孔径范围很大，但其累计数量只占全部孔隙数量的32.3%，累计面积也只占全部孔隙面积的 45.4%，总体呈类型多却含量少的特点。对 HJ1井而言，孔径小于67 μm的孔隙的累计面积含量已降至25%，累计数量也降至43.8%。同时，各种孔径级别的大孔隙占总孔隙面积的比例有不同程度增加，孔径大于等于67 μm的大孔隙占据了全部孔隙面积的75%，数量百分比则上升至56.2%。不难看出，随着注水开发的进行，一部分小孔隙存在向大孔隙转化的趋势。

图4 铸体图像分析孔径组成累计面积含量图

5.2 喉道大小的变化特征

基于压汞测量结果，从 H12-20井到 HJ1井，沙三中8储集层砂岩的平均喉道直径由 3.8 μm 变为 4.7 μm；中值由4.6 μm变为8.1 μm。从喉道分布的标准差、偏态和峰态来看，除标准差从3.34降低至3.16外，偏态和峰态均有不同程度增加，表明注水开发后，砂岩喉道大小分选程度降低，喉道大小的分散程度增加，非均质性增强。

如果进行分段处理，大喉道直径（大于3 μm）段和小喉道直径（小于等于3 μm）段平均汞饱和度与喉道直径的关系区别明显，拟合方程分别如下。

①喉道直径大于3 μm段

式中 SHg——平均汞饱和度，%；d——喉道直径，μm；R2——复相关系数。

对比（1）式和（2）式，HJ1井拟合方程的斜率大于H12-20井，说明在喉道直径大于3 μm时，同一喉道直径级别的分布频率更高；由（3）式和（4）式可见，当喉道直径小于等于3 μm时，HJ1井拟合方程的斜率小于H12-20井，说明HJ1井同一喉道直径级别的分布频率小，注水后小喉道的分布频率降低，非均质性增强。

5.3 退出效率的变化特征

退出效率是研究孔喉非均质性的重要参数，退出效率越高，驱油效率越高；退出效率越低，油层孔喉非均质性越严重，水驱油效果越差[15]。统计结果表明，沙三中8储集层的退出效率由H12-20井的 24.77%下降为HJ1井的20.54%，降低幅度为17.08%。储集层样品退出效率的高低与样品孔隙、喉道直径比值密切相关，比值越大，即孔喉直径的差值越大，退出效率就越低[15]。注水前H12-20井孔隙与喉道直径比值为14.62；注水后的HJ1井为16.39，表明注水开发过程中，尽管孔隙和喉道的平均直径均在增大，但由于前者孔隙的增加幅度大于后者，从而造成孔隙与喉道比值的增大及退出效率的降低。

5.4 可流动孔喉直径的变化特征

注水开发前H12-20井沙三中8储集层的可流动孔喉直径下限为 0.027 μm，对应的汞饱和度平均值为71.22%；注水开发后的HJ1井的可流动孔喉直径下限为0.418 μm，汞饱和度平均值为76.07%。可见注水使岩石可流动孔喉直径下限提高，即注水后岩石中流体流动的主孔喉向大孔喉方向变化，而且流动主孔喉控制的孔隙体积略有增加，其结果必然导致岩石渗透率的进一步提高。H12-20井和HJ1井沙三中8储集层的渗透率和最小可流动孔喉直径具良好的相关性，复相关系数为0.943 4（见图5），说明可流动孔喉直径变大是造成渗透率增大的主要原因。

图5 H12-20井和HJ1井沙三中8储集层水平渗透率（Kh）和最小可流动孔喉直径（dmin）的关系

喉道直径中值和最小可流动孔喉直径具有良好的对数关系（见图 6），随着样品喉道直径中值的增加，可流动孔喉直径的下限值也随之提高。注水对岩石孔隙结构的影响是非均匀的，原本孔喉较大的高渗透率岩石受注入水的影响更大，其孔喉变得更大，而原本渗透率低的岩石，其受注入水影响相对较小，孔喉变化小或没有变化，从而加剧了储集层内部非均质性。

图6 储集层喉道直径中值（dmid）和最小可流动孔喉直径关系图

6 主要物性参数的变化特征

6.1 总体变化特征

H12-20井和HJ1井的孔隙度、渗透率、岩石密度和碳酸盐含量等分析数据（见表3）表明，注水开发使储集层有效孔隙度呈总体略下降的趋势，降幅为4.63%；储集层渗透率略有增大，增大幅度为8.93%；储集层岩石密度和碳酸盐含量降幅分别为 1.85%和5.95%，这说明储集层总体物性的变好与杂基、黏土矿物颗粒和碳酸盐颗粒的迁出有关。

表3 注水前后储集层主要物性参数变化统计表

6.2 纵向不同层的物性变化特征及认识

对比H12-20与HJ1井，在注水开发使储集层有效孔隙度降低，而平均渗透率上升的背景下（见图7a），储集层不同部位的物性变化具有一定差异。将大孔道发育部位与不发育部位样品数据分开研究发现，造成以上储集层物性总体变化特征的原因是大孔道发育部位的孔渗性大幅度提高而大孔道不发育部位的孔渗性降低（见图7b、图7c）。

图7 H12-20与HJ1井孔隙度-渗透率相关关系图

从不同小层物性指标变化来看，其变化趋势与原始储集层物性的相对好坏密切相关。注水开发过程中储集层物性的变化具有3个主要特点：①孔喉直径大、物性好的原始储集层表现出孔隙度、渗透率明显变大和岩石密度明显变小的特点，单井纵向研究发现这种变化仅存在于部分层段，这部分层段与优势渗流通道相对应，表明优势渗流通道对原始物性较好的储集层影响明显，同时也说明优势渗流通道在原始物性较好的储集层中的发育具有纵向非均匀局部分布的特点；②孔喉直径和物性中等的原始储集层在注水开发过程中，被伤害和被改良的程度基本相近，致使该类储集层的主要物性指标没有发生明显变化；③孔喉直径较小、物性较差的原始储集层在注水开发过程中，被伤害程度大于被改良的程度，因而其主要物性指标均逐渐变小。总体上，注水开发过程中，储集层间的这种变化呈现出了明显的“马太效应”。

7 结论

在胡状集油田胡12块注水开发过程中，注入水的酸性介质条件对碎屑组分中的长石类矿物影响较大，其中以斜长石的溶解较强。注水冲刷作用造成了储集层泥质矿物总量的降低和粉砂—极细砂级石英颗粒的缺失，进一步分析表明，细颗粒的缺失主要发生在物性较好且优势渗流通道较发育的层段。

对黏土矿物而言，注水过程中，相对含量减少的组分为绿泥石和伊利石，以绿泥石减少最为显著，相对含量增加的组分分别为高岭石和伊/蒙混层，这与长石溶解过程中有高岭石析出和这两类矿物多位于细小孔喉，难于被注入水波及有关。

注水开发一方面造成了相对较大喉道的增多，改善了储集层的渗滤条件，另一方面，也使喉道分选程度降低，加剧了储集层微观非均质性。

注水开发致使储集层平均有效孔隙度略有下降，但平均有效渗透率呈上升态势，原始物性不同的储集层注水后物性变化呈现出明显的“马太效应”。

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