WXS油藏长期水驱储层物性参数变化规律

熊 山，王学生，张 遂，赵 涛，庞 菲，高 磊

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）

0 引言

WXS油藏位于吐哈盆地台北凹陷中部，处于丘东—温吉桑北东向断裂背斜构造带上，储层主要为中侏罗统三间房组河湖相沉积的砂泥岩。目的层孔隙度为6.35%～24.14%（平均为15%～16%），渗透率为3.21～492.15 mD（平均为40～50 mD），储层物性差，且层内、层间、平面非均质性均较强，孔喉半径多为微细—细喉，分选和连通性均较差，微观孔隙结构非均质性严重。由于地层原油饱和压力高，地饱压差小，该油田采用了早期注水保持压力开采，通过近24年的注水开发，目前采出程度为21.4%，综合含水率由最初的2.2%上升至87.5%，已进入高含水阶段。由于注水较早，注入水对储层矿物成分和黏土组成、孔隙结构特征等均有较大的影响，导致其储层特征复杂化，进而引起储层敏感性发生变化。

储层敏感性评价是油气田开发中的重要指标，是了解储层伤害程度并提出预防或治理措施的依据［1-3］。因此，对于长期注水冲刷的WXS油藏，亟须开展长期水驱前后储层敏感性的变化规律研究，从而更深入地理解长期水驱对储层的影响机制，以确定长期水驱后原油的动用程度和剩余油的分布状况，为后续的层内剩余油挖潜提供理论基础。

1 储层岩石物性变化特征

对于长期进行注水开发的油田来说，随着长期注水冲刷，注入水和储层中的黏土矿物接触时间不断增加，注入水和储层矿物、黏土之间的物理、化学作用逐渐增多，使得储层中黏土矿物的性状发生更加复杂的变化，进而影响储层的孔隙结构发生变化［4-6］。因此，为了研究长期水驱对储层物性的影响，需要对储层矿物和黏土组成、渗透率、以及孔隙结构在长期水驱前后的变化规律和原因进行深入分析。

1.1 黏土矿物变化特征

在对WXS油藏共计125块岩心样品物性测试的基础上，从中选取4块不同渗透率级别的岩心开展X射线衍射实验分析，其中3块为水淹层岩心，1块为油层岩心，油层岩心渗透率高于水淹层岩心（表1）。在实验开始前，将每块岩心平均对等切成两段，其中一段直接进行黏土分析，另一段先进行注水驱替50 PV（模拟长期水驱效果），然后清洗烘干后进行黏土分析，以比较储层矿物及黏土组成在长期水驱前后的变化规律。

表1 实验岩心基本参数Table 1 Basic parametersof experimental cores

通过对比长期水驱前后岩心黏土矿物总量及常见非黏土矿物含量（表2）可以看出，在长期水驱之前，4块岩心的储层矿物均以石英为主，体积分数均在50%左右，其中不含方解石和白云石，但4块岩心中黏土矿物总量相差较大，3块水淹层岩心中黏土体积分数均小于10%，而油层岩心其渗透率相对较高，且黏土矿物的含量（体积分数为18.1%）高于其他三块水淹层的岩心。在长期水驱之后，4块岩心的黏土矿物含量均呈下降趋势，最终长期水驱后的黏土矿物含量基本一致。其中，油层岩心X18样品黏土矿物含量下降幅度较大，这主要因为相对于水淹层岩心，油层岩心并未经历水驱过程，岩心中黏土矿物基本为初始状态，没有被注入水破坏运移，因而在长期水驱测试前的黏土矿物的含量较高，而经过实验室内模拟长期水驱后，大量初始状态下的黏土矿物通过和地层水的一系列物理、化学相互作用［7-8］，导致了黏土的结构被破坏，进而分散运移，最终导致黏土矿物含量大幅度下降。

表2 砂岩储层黏土矿物总量和非黏土矿物定量分析Table 2 Quantitative analysis of total amount of clay minerals and non-clay minerals in sedimentary rocks

根据4块岩心在长期水驱前后的黏土矿物相对含量（表3）可知，4块岩心中的黏土矿物以高岭石、绿泥石和伊利石为主，而其中又以高岭石为主，相对体积分数为50%左右。2块低渗透率的水淹层岩心中含有少量的伊/蒙混层。在长期水驱之后，4块岩心中高岭石的相对含量减少，伊/蒙混层和绿泥石的相对含量有所增加。这主要因为高岭石胶结相对疏松，在储层中容易发生颗粒迁移运动，随着长期注水的进行，高岭石的结构逐渐被冲散，随着注入水运移并最终排出岩心，而伊/蒙混层与注入水接触之后容易发生晶格膨胀，同时由于占黏土矿物密度最大的高岭石含量减少，导致水驱之后伊/蒙混层和绿泥石的相对含量有所增加，而在长期水驱前后伊利石的含量基本保持不变。

表3 岩心长期水驱前后黏土矿物相对含量Table3 Relativecontent of clay mineralsbeforeand after long-term water flooding of cores

1.2 储层渗透率变化特征

在岩心样品中选取4块不同等级渗透率的岩心，采用单相水驱实验，模拟长期注水开发效果（注入水为模拟地层水，总矿化度为42 300 mg/L的NaHCO3水型，注水量为50 PV），并测量水驱过程中岩心渗透率的变化。

通过对比4块岩心水驱过程中渗透率的变化（图1）可知，除高渗岩心X22以外，3块岩心的渗透率随注水量的增加而逐渐下降，并趋于稳定，而高渗岩心渗透率随着注水量增加先下降，而后逐渐上升，并超过岩心初始渗透率。这说明低渗岩心中的颗粒在注入水的冲刷下发生运移，容易堵塞细小孔喉，造成渗透率的降低，而当注水量大于30 PV后，由于在长期注入水的冲刷下，可动颗粒基本都已发生运移，运移到孔喉处的颗粒也逐渐聚集并稳定沉积下来，导致渗透率虽然仍有所降低但基本已趋于稳定。高渗岩心胶结相对疏松，在注水开始阶段，岩心中的颗粒随注入水的运移堵塞孔喉，造成渗透率降低，而随着注水量增加，岩心中疏松颗粒逐渐被注入水冲散并运移至岩心外部，造成岩心出砂，提高了岩心的渗流能力，使得岩心渗透率不断增加。同时，通过对比低渗岩心渗透率下降幅度可以看出，长期水驱对低渗透率储层造成的损害较大，造成储层非均质性增强。

图1 实验岩心的渗透率随注水体积的变化Fig.1 Changeof thepermeability of theexperimental coreswith thewater injection volume

1.3 储层孔隙结构变化特征

1.3.1 基于常规压汞实验的孔隙结构分析

通过对比4块不同等级渗透率岩心（基本参数如表4所列）在长期水驱前后的压汞参数（表5）可以看出：①不同岩心分选系数差异较大，为0.365～4.482，在长期水驱后，低渗透岩心的分选系数增大，非均质性减弱，高渗岩心的分选系数减小，非均质性增强。②在长期水驱前后，所有岩心的孔隙度变化较小。③4块岩心的平均孔隙半径和半径均值随着岩心渗透率的增大而增大，在长期水驱后，岩心的平均孔隙半径均降低。④长期水驱后，岩心的歪度下降，导致储层的孔喉半径总体降低，并逐渐向细歪度发展。⑤在长期水驱后，高渗透岩心的结构系数总体呈上升趋势，而低渗透岩心的结构系数则有所下降。⑥在长期水驱之后，岩样密度总体呈小幅下降趋势。⑦在长期水驱前后，低渗透岩心退汞效率较高，而中高渗透岩心的退汞效率普遍较低。这说明了低渗透岩心均质性较强，而高渗透岩心分选较差，非均质性较强。

表4 实验岩心基本参数Table 4 Basic parameters of experimental cores

表5 长期水驱前后实验岩心压汞实验参数对比Table 5 Comparison of experimental parameters of mercury injection in experimental cores before and after long-term water flooding

1.3.2 基于扫描电镜的孔隙结构分析

扫描电镜（SEM）是一种直观了解储集层微观孔隙结构和微观特征的方法。通过扫描电镜分析，可以对样品中微孔隙和吼道的立体形态及连通性、孔喉配置关系、黏土矿物类型及其赋存形态等进行分析［9-11］。实验前，将待测岩心平均对等切成两段，其中一段直接进行扫描电镜分析，另一段先进行注水驱替50 PV（模拟长期水驱效果），然后清洗烘干后进行扫描电镜分析，以比较储层孔隙结构在长期水驱前后的变化规律。

图2 低渗透岩心（S1）长期水驱后黏土运移堵塞孔喉Fig.2 Clay blocksporethroat in low permeability core（S1）after long-term water flooding

图3 高渗岩心（XC1）长期水驱后黏土被冲刷Fig.3 Clay iswashed in high permeability core（XC1）after long-term water flooding

通过对比低渗岩心和高渗岩心各自在长期水驱前后扫描电镜的结果（图2—3）可以看出，长期水驱后，粒间孔隙总体呈下降趋势，这个结果与之前的压汞实验结果一致，即由于长期的水驱，注入水在储层中造成储层内颗粒迁移，堵塞孔隙喉道，同时，注入水和储层中的水敏性黏土矿物反应，使得水敏性矿物水化膨胀，占据了孔隙空间，造成岩心粒间孔隙直径降低。对于低渗透岩心来说，由于长期的水驱，黏土矿物逐渐从颗粒表面运移至孔喉处，使得低渗透岩心的渗透率进一步下降［图2（b）］。对于高渗透岩心来说，在长期水驱前颗粒间黏土充填明显，而长期水驱之后黏土矿物被冲刷，黏土矿物颗粒明显减少［图 3（b）］。

通过对比长期水驱前后岩心中黏土矿物的结构变化（图4）可以发现，在水驱前，岩心中片状高岭石的排列比较规则［图 4（a），（b）］，而在长期水驱之后，高岭石的结构被破坏，排列杂乱［图 4（c），（d）］。长期水驱前后高岭石结构的变化说明了长期水驱后，原始排列规则的黏土矿物结构发生了破坏，部分边缘破键脱落，造成黏土的运移［12-15］。水驱前，颗粒表面几乎完全被黏土矿物所覆盖，片状高岭石排列比较规则。长期水驱后，位于大孔道上颗粒表面就显得比较干净，高岭石分布显得比较凌乱。由于注入水的不断冲刷，水流渠道壁面上的黏土矿物被剥落，导致岩石表面较为干净，而充填孔道的黏土矿物被冲散，导致一些矿物被注入水溶蚀而形成溶洞。这些被剥落、冲散的黏土矿物碎片和微粒，一部分可能堵塞小喉道，一部分被排出液带出。

图4 长期水驱后高岭石结构破坏Fig.4 Structural damage of kaolinite after long-term water flooding

2 储层敏感性评价分析及结果

2.1 流速敏性评价

图5 不同岩心在长期水驱前、后速度敏感性对比Fig.5 Comparison of velocity sensitivity between different cores before and after long-term water flooding

流速敏感性是指外来流体在储层中流动时，由于流体流动速度变化引起疏松微粒迁移，导致喉道堵塞，造成储层岩石渗透率发生变化的现象［16-17］。由图5可以看出，在长期水驱前后，岩心渗透率的速敏性变化规律基本一致，水淹层3块岩心（X20，X16，X10）的渗透率随渗流速度的增大而逐渐降低，在渗流速度增大初期，渗透率降幅较大，后期逐渐趋于平稳。油层岩心（X5）的渗透率在渗流速度增大的初期逐渐降低，随后渗透率随渗流速度的上升而逐渐升高。从表5还可知，水驱前后，各个岩心渗透率损害率基本都在35%以内，即长期水驱前后该油藏储层的速度敏感程度属于弱速敏到中等偏弱速敏。根据黏土矿物特征可知，目标油藏储层中黏土矿物总含量较低，导致水敏性矿物高岭石和伊利石含量也偏低，速度敏感程度也就相对较弱。目标储层属中生界储层，埋深较深，成岩作用强，储层压实强度较高，随着渗流速度的上升，储层中的颗粒不容易被注入水冲散和运移。

由表6可以看出，长期水驱后，水淹层岩心的速敏损害率下降幅度小于水驱前速敏损害率的下降幅度，而油层岩心的速敏损害率下降幅度大于水驱前速敏损害率的下降幅度。这主要因为相比油层岩心，水淹层岩心中由于已有注入水的作用，导致岩心中高岭石和伊利石等矿物含量已经降低，后来再经过长期水驱的冲洗，黏土矿物含量的下降幅度减小，导致水淹层岩心的速敏损害率下降幅度减小。此外，在长期水驱前、后，虽然水淹层岩心的临界速度均有着不同程度的变化，但总体的临界速度均较高。在实际注水开发过程中，注水速度一般较低，远达不到本实验中所得到的临界速度值。因此，水淹层速敏的影响很小，基本不用考虑注入速度对渗透率的影响。相反，油层岩心在长期水驱前的临界速度较低，而长期水驱后，速敏性非常弱，实验中所有流速点均没有达到临界流速。因此，对于油层而言，在长期水驱开发过程中应注意选择合理的开发速度，避免储层中流体流速过快对储层造成伤害。

表6 流速敏感性实验结果Table 6 Experimental results of velocity sensitivity

2.2 水敏性评价

水敏性是指较低矿化度的注入水打破了储层的原始环境后，造成储层中某些黏土矿物发生膨胀、分散、运移，堵塞孔隙和吼道，使得渗透率降低的现象［18］。由图6可知，水驱前，4块水淹层岩心对低盐水（50%矿化度地层水）的敏感性较弱，渗透率比值变化较小，而油层岩心对低盐水的敏感程度要高于水淹层岩心。此外，所有岩心对蒸馏水都有很强的敏感性，蒸馏水的注入使得岩心渗透率大幅下降，水淹层岩心对蒸馏水的敏感程度明显高于油层岩心对蒸馏水的敏感程度。长期水驱后，基本上所有岩心对低盐水的敏感程度均有不同程度的增加，而对蒸馏水的敏感程度和水驱前变化不大。相比水驱前，油层岩心对蒸馏水的敏感程度也有所增强，但略低于水淹层岩心。

图6 不同岩心在长期水驱前、后水敏感性对比Fig.6 Comparison of water sensitivity between different cores before and after long-term water flooding

由表7可以看出，在长期水驱前后，4块岩心的水敏损害率均为50%～70%，水敏程度属于中等偏强水敏。这主要是因为储层中高岭石在接触到淡水时由于离子强度突变会扩散运移进而释放许多微粒，这些微粒随着注入水逐渐运移并在孔喉处发生聚积或桥堵，堵塞流动通道。其次，储层中的水敏性黏土（伊利石和绿泥石）在低盐度流体中水化膨胀，占据了孔隙空间，使得岩心中流体的流动受阻，渗透率降低。

表7 水敏感性实验结果Table 7 Experimental results of water sensitivity

由表7还可知，相比水驱前，长期水驱后4块岩心的水敏程度不断加重，而油层岩心的水敏程度明显低于水淹层岩心。这主要因为在水驱前，水敏性黏土附着在石英矿物颗粒表面［图7（a）］，长期水驱使绿泥石运移至岩石孔喉等流动通道处［图7（b）］，当这些位于流动通道处的黏土遇到低盐度水发生扩散运移（高岭石）或水化膨胀（绿泥石）之后，会使岩心的渗透率下降更为明显。同时，水淹层岩心中高岭石体积分数（50%～60%）在长期水驱前后均大于油层岩心中的高岭石体积分数（33%～35%），使得油层岩心水敏程度明显低于水淹层岩心。

图7 长期水驱前后黏土位置的变化Fig.7 Changeof clay position beforeand after long-term water flooding

2.3 酸敏性分析

酸敏性是指注入的酸液与储层中酸敏性矿物，如绿泥石和高岭石发生反应，产生化学沉淀或凝胶，导致孔喉堵塞使渗透率下降的现象［19］。

由图8可以看出，长期水驱前后，岩心渗透率的变化规律基本一致：当岩心内注入盐酸后，测得的渗透率急剧下降。这是因为盐酸和岩心反应产生气体，产生贾敏效应，导致驱替压力升高，表现出渗透率降低。随后开始注入KCl溶液，随注入倍数增加，测得的渗透率逐渐升高，并最终趋于稳定，且稳定后渗透率均低于初始渗透率。这是由于岩心孔喉中的气体随着KCl溶液的不断注入而逐渐排出，贾敏效应减弱，渗透率回升。由于研究区储层中酸敏性黏土矿物主要是绿泥石，注入盐酸后将使绿泥石等黏土矿物释放出Fe2+，孔隙中流体pH逐渐升高，形成Fe（OH）3等沉淀，堵塞孔隙吼道，降低了储层渗流能力，导致渗透率虽然回升但是无法达到初始水平。

图8 不同岩心在长期水驱前后酸敏性对比Fig.8 Comparison of acidic sensitivity between different cores before and after long-term water flooding

由表8可知，长期水驱前、后，水淹层岩心的酸敏损害率均远小于油层岩心的酸敏损害率，水淹层岩心的酸敏程度为中等偏弱到无酸敏，油层岩心的酸敏性为中等偏强到强酸敏。此外，相对于水驱前，所有岩心在长期水驱后的酸敏程度均有所减弱，而油层岩心酸敏程度下降幅度最大，这主要因为长期水驱后酸敏性黏土矿物总量减少，导致岩石酸敏性减弱。

表8 酸敏性实验结果Table 8 Experimental results of acidic sensitivity

2.4 碱敏性分析

碱敏性是指外来的碱性工作液与储层中某些黏土或硅质矿物反应生产新的硅酸盐沉淀物和硅凝胶物，或工作液中氢氧根离子与某些二价阳离子反应生成沉淀物，造成储层渗透率下降的现象［20-22］。从图9可以看出，水驱前，当pH＜11时，岩心渗透率随着pH值的升高而逐渐降低；当pH＞11时，岩心渗透率随着pH值的升高而逐渐增大。这主要是由于在较低pH值时，黏土矿物与碱液发生离子交换，增强了岩心的水敏性；同时，离子交换使得黏土间的静电斥力增加，黏土分散运移，速敏性增强，堵塞流动通道，造成岩心渗透率的降低。在强碱性条件下，高岭石被强碱溶蚀，同时储层中的石英也会被碱液溶蚀，使得渗流通道增加，造成岩心渗透率回升。长期水驱后，当pH＜10时，岩心渗透率随着pH值的升高而逐渐降低；当pH＞10时，岩心渗透率随着pH值的升高开始上升，之后又逐渐下降。这主要由于岩心经过长期注水冲刷，使得原本附着在石英矿物表面的黏土被冲蚀并剥离，高浓度碱液更容易接触到石英并与之发生反应，增加渗流通道，引起渗透率上升。随着注入碱液pH值的进一步增加，高pH环境使矿物表面双电层斥力增加，使部分地层微粒随碱液运移并堵塞孔喉，又造成渗透率的下降。

图9 不同岩心长期水驱前、后碱敏实验结果Fig.9 Comparison of alkalic sensitivity between different coresbeforeand after long-term water flooding

由表9可知，长期水驱后水淹层岩心的碱敏损害率远低于水驱前的碱敏损害率，而长期水驱后油层岩心的碱敏损害率相比水驱前略有上升，变化幅度不大。这说明水淹层的碱敏性由水驱前的中等偏强碱敏下降至长期水驱后的弱碱敏，油层的碱敏性则一直为弱碱敏。根据之前黏土分析结果，长期水驱后目标储层的黏土矿物总量下降，因此就导致了水驱后岩心的碱敏程度减弱。

表9 碱敏性实验结果Table 9 Experimental results of alkalic sensitivity

3 结论

（1）吐哈WXS油藏侏罗系砂岩储层矿物成分以石英、钠长石和钾长石为主，油层中黏土矿物含量高于水淹层黏土矿物含量，长期水驱后，黏土矿物平均体积分数由10%下降至6.98%。长期注水冲刷导致颗粒容易迁移的矿物（高岭石）所占比例减少，而导致晶格容易膨胀的矿物（伊/蒙混层）比例相对增加。同时，长期水驱会使储层非均质性增强，进一步加大后续开发的难度。

（2）吐哈WXS油藏侏罗系砂岩储层在水驱前具有弱到中等偏弱速敏，经过长期水驱后速敏程度有所减弱，而油层岩心速敏损害率下降幅度大于水淹层岩心。研究区储层的水敏性在长期水驱前后变化较小，属于中等偏强水敏。在水驱前，WXS油藏侏罗系砂岩水淹层属于弱酸敏，油层属于强酸敏，而长期水驱后，储层酸敏性均减弱，其中油层岩心酸敏损害率下降幅度最大。研究区储层在水驱前具有弱到中等偏弱碱敏特征，长期水驱后碱敏性减弱，均属于弱碱敏，而油层岩心在长期水驱前后碱敏损害率基本不变。

（3）在注水开发中，可以适当向注入水中增加黏土稳定剂和防膨剂等，避免注水可能造成的伤害。推荐采用油基压裂液进行储层压裂改造，针对水淹层采用酸化或碱化解堵等措施，以减少储层伤害，提高储层采出程度。