低含水砂岩储层三角孔隙在不同充注压力下的含水饱和度研究

崔鹏兴，梁卫卫，侯玢池，冯 东，刘 庆

(1.陕西延长石油集团有限责任公司研究院，西安 710065；2.中国石油大学 石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

鄂尔多斯盆地陇东地区延长组是目前国内外特低渗及致密砂岩油藏注水开发的主战场之一[1-3]。延长油田的勘探开发实践证实，该类油藏油水分布规律难寻，邻井油水采出程度差异大，致密砂体一旦被动用其开发效果将好于微观非均质性较强的相对高渗砂体。其微观孔隙油分分散是制约采收率低的核心问题之一[4-7]。

石油勘探开发理论及方法对于油藏储层宏观油水分布规律及特征研究趋于成熟，但对于储层微观油水分布规律的描述存在明显的不足。研究微观油水运移机理以及剩余油在多孔介质中的微观分布，对于低渗透油田开发具有特别重要的意义[8-10]。近年来微观仿真模型刻蚀技术在石油领域的发展和应用，推动了微观油水分布规律的直接观察和量化表征[11-12]。但在砂岩储层三角孔隙内的油水分布规律的研究相对薄弱。

该研究以鄂尔多斯盆地长6储层微观孔隙结构特征为依据，借着理想刻蚀模型显微成像表征，结合理论推导，研究三角孔隙模型在原油充注条件下的油水分布，并评价其影响因素。该研究结果将为合理评价及预测储层含水条件下油井产能奠定理论基础。

1 单毛管模型原油充注实验

在原油运移充注的过程中，亲水性储层充注的原油并不能完全占据孔隙，由于原始地层水的存在，充注原油过程中往往会在孔隙壁面形成一定厚度的水膜。水膜是水与砂岩表面发生一系列物理化学反应后，附着在砂岩表面颗粒及黏土矿物上，形成一层薄膜状的附着带(如图1所示)，在原油充注运移中，随着充注压力的增大，水膜会逐渐变薄，但剥离水膜会变得越来越困难，这是由于油相与水膜之间存在分离压[13-15](如图2所示)。根据DLVO理论和Laplace方程，分离压由范德华力、静电力和结构力构成，实际上静电力和结构力与范德华力相比非常小，可忽略不计，因次分离压常被表示为[16-17]:

图1 油水微观界面及水膜现像

图2 水膜受力示意图

(1)

式中:Pd为分离压力，MPa；h为水膜厚度，μm；AH为Hamaker常数，对于强亲水的油-水-固系统，取值一般为10×10-20J。

通过AutoCAD软件绘制刻蚀模型，通过刻蚀技术在玻璃平板上刻蚀出扁平毛管槽模型，毛管厚度是200 μm；深度为500 μm，截面近似长方形。

实验步骤:①薄片的清洁与干燥。在高压下从入口端注入酒精，清除玻璃刻蚀薄片中的杂质，然后将玻璃片放在高温下(120 ℃)烘烤，酒精自动蒸发，得到干燥的玻璃薄片。②模型饱和水。在高压下持续注入蒸馏水(加入甲基蓝染色)直至刻蚀模型完全饱和水。③模拟油驱水过程。模拟油藏充注过程，分别以0.002 MPa，0.005 MPa，0.010 MPa，0.050 MPa，0.100 MPa，0.500 MPa，1.000 MPa，2.000 MPa，3.000 MPa的充注压差注入原油(加入红色染色剂)，观察充注完成后的油水分布特征，即静态情况下油水分布形态。

实验现象及结果:在微纳流控实验平台上通过高倍放大镜观察油驱水过程中的微观界面现象。亲水模型中，油水界面呈半月弧形，润湿相不能被完全驱替，有一定厚度的水膜粘附在孔隙壁面，造成有效流动孔隙减小以及油水界面曲率发生变化(如图1所示)。在油驱水的过程中能明显看出，润湿相流体(水)并不能被完全驱替，总有一定厚度的水膜粘附在孔隙壁面，造成有效流动孔隙的减小。

待油驱水稳定后，在平板表明形成稳定的水膜，利用软件对孔隙中的水膜厚度进行量化表征，通过式(1)可求取分离压，分离压与充注压力的关系可表示为:

Pd=0.005ΔP1.101 17

(2)

充注压力的增大能显著减小水膜厚度，基本上水膜厚度随充注压力的增加呈现对数递减规律，充注压力的增加，在减小水膜厚度的同时会增加分离压，并呈现指数式增加。不同驱替压差下的水膜厚度与分离压见表1，200 μm孔隙中水膜厚度随充注压差的变化规律如图3所示，充注压力与分离压的关系如图4所示。

表1 不同驱替压差下的水膜厚度与分离压

图3 200 μm孔隙中水膜厚度随充注压差的变化规律

图4 充注压力与分离压的关系

从计量结果来看，充注压力的增大能显著减小水膜厚度，基本上水膜厚度随充注压力的增加呈现对数递减规律，充注压力的增加，在减小水膜厚度的同时会增加分离压，并呈现指数式增加。

2 可视化三角孔隙模型充注实验

观察鄂尔多斯盆地长6储层天然岩样的铸体薄片与扫描电镜，可发现储层微观孔隙结构中存在大量的类三角孔隙，如图5所示，三角孔隙对储层的油水运移和分布规律影响较大，对应三角孔道的研究表明不同形状的三角形孔道对于润湿流体和非润湿流体的分布形态与渗透性是不一致的[18-20]。

图5 储层砂岩微观三角孔隙机构

由于储层的孔隙尺度及连通性等分布具有空间差异性，这构成了油藏宏观上的非均质性，这种非均质性在原油充注过程中起着极为重要的作用。一般认为成藏之前沉积岩储层孔隙为水充满，成藏过程中来自侧面或底部的油充注时，总是沿阻力最小的通道运移，包括储层连通的裂缝、孔隙，最终形成不同类型的油藏。最初储层大多数是水润湿，充注的油只能赋存在较大的裂缝与孔隙中，其含油饱和度由孔隙结构及尺寸、充注压力等因素决定[21-23]。

对于砂岩油藏，水湿油藏相对来说多于油湿油藏，Dawe[24]给出了水湿孔隙原始油水分布，如图6所示。图6中水环绕岩石颗粒，油赋存在孔隙中部。

图6 水湿孔隙原始油水分布示意图

低含水饱和度储层，即传统意义上水为油藏束缚水的情况，水主要赋存在较小的孔隙、角隅或孔隙壁面，油相主要分布在较大孔隙及较大喉道中间。天然能量开发在正常生产压差驱替下孔隙水可以认为不流动。刻划这种储层孔隙油水分布示意图如图7所示。图7中储层颗粒堆积，易形成各中类似三角形状(锐角、直角、钝角)孔隙，在低含水饱和度下，根据实验显微照片可看出:三角孔隙中存在角隅水和水膜水；同一孔隙中，水相和油相均分别连通，如果各角隅水可以传递流体压力，其相对应的曲率相等，即R1=R2=R3。

图7 低含水砂岩孔隙原始油水分布示意图

由于三角孔隙在储层中大量存在，所以有必要去研究不同类型的三角孔隙充注过程的油水分布情况。通过刻蚀技术，在玻璃平板上分别建立了4个三边边长为400 μm，600 μm，650 μm的一组锐角三角孔隙模型(钝角和直角三角孔隙模型的机理与锐角三角孔隙一致，算法也相同)。实验步骤与上述水膜测试实验类似，模拟油藏充注过程，先将孔隙完全饱和水，进行油驱水过程，模拟油藏孔隙中的原油油水分布状态，充注时充注压差分别为0.002 MPa，0.010 MPa，0.100 MPa，1.000 MPa。

实验现象及结果:待驱替在微纳流控实验平台上通过高倍放大镜观察原油充注后的油水薄片，可以看出在三角形孔隙中普遍存在角隅水，油相主要分布在孔隙中心，三角孔隙的直线边上存在一定厚度的水膜，如图8所示，图中箭头代表充注方向，红色为油，蓝色为水。

图8 不同充注压力下的三角形孔隙中的油水界面分布

三角形孔隙角隅处容易形成角隅水，扩展到储层不规则孔隙中，该规律同样适用。若孔隙形状越接近于圆形，则初始含水饱和度越低；若孔隙形状越复杂越不规则，边角越多，则初始含水饱和度越高。对于特低渗储层，岩石颗粒堆积密集，孔喉细小，形状不规则，初始含水饱和度较高。

不同的充注压差下三角角隅处形成的角隅水体大小不一，水体的体积随着压力的增加而减小，通过测量可得知3个角处油水界面的曲率半径(见表2)。可以看出，随着充注压力的增加，油水界面的曲率半径逐渐变小。

表2 油水界面曲率半径

3 三角孔隙模型油水饱和度分析

三角孔隙的水膜与角隅水在孔隙和喉道的横截面上的分布如图9所示。油驱水过程中会在喉道和三角孔隙的壁面形成一定厚度的水膜，随着孔径的减小，水膜厚度对孔喉的流体运动及分布的影响变得越来越明显。假设三角孔隙出入口两端的压差即为驱替压差。对于三角孔隙内角隅处的流体，由于水相的厚度要远大于孔壁处的水膜厚度，并将角隅处的水视为体相，因此角隅处可忽略表面力，即忽略分离压力，油水的压差主要取决于毛细管力，即:

图9 三角孔隙水膜与角隅水分布示意图

(3)

式中:Pw为水相压力，MPa；σ为界面张力，mN/m；r为角隅油水曲率半径，μm。

Mason和Morrow等人分析了润湿液体在角孔中的毛细管作用，并分析了润湿流体与非润湿流体的分布规律[25-27]，事实上，随着充注压力的增大或者三角孔隙的减小，水膜的影响变得越来越明显，因此在分析角隅水分布的时候不能忽略水膜的作用，尤其是低渗透、致密储层。

同一个三角孔隙内3个角隅处的油水界面曲率r是相等的，且油相内绿色虚线围成的三角形与三角孔隙的形状相似，忽略出入口毛细管对三角孔隙的影响，根据三角形的相似特征，三角孔隙的含水饱和度可以表达为:

(4)

式中:A为三角孔隙面积，μm2；P为三角孔隙截面周长，μm。

水膜厚度所占的含水饱和度为:

(5)

角隅处含水饱和度为:

(6)

根据实验充注压力和对实验显微照片的测量，取3个角处油水界面的曲率半径的平均值，利用三角孔隙含水饱和度计算公式，即可以求取充注压差分别为0.002 MPa，0.010 MPa，0.100 MPa，1.000 MPa下分别对应的三角孔隙含水饱和度，得到充注压力与含水饱和度的关系，如图10所示，其关系可表示为:

图10 充注压力与三角孔隙含水饱和度的关系图

Sw=-4.871lnΔP+6.972 5

(7)

可以看出，三角孔隙的原油充注受角隅的影响很大，原油充注并不能完全填满孔隙，充注压力越低原油充注量越少，在低充注压力情况下，三角孔隙含水饱和度能达到38%以上。三角孔隙含水饱和度随着充注压力的增大而减小，并为对数递减关系，充注压力的增加会逐渐增大角隅水与水膜的剥离程度，但增加到一定的程度，由于固液分子间作用力的影响变得越来越大，剥离变得越来越困难，最后使得三角孔隙含水饱和度趋于稳定。

角隅水对三角孔隙含水饱和度的贡献占了主导作用，但随着充注压力的增大，水膜对三角孔隙含水饱和度的贡献越来越大，在充注压力为1 MPa的时候，其贡献度可达到10.3%。

4 结论

1)在亲水单毛管模型之中，当充注压力为0.002～0.100 MPa时，水膜厚度由9.56 μm减少到2 μm，分离压呈现数量级的增加，充注压力为0.1～3.0 MPa时，水膜厚度由2 μm减少到0.70 μm，分离压的增幅也变缓，总体上分离压与充注压呈现指数关系。

2)三角形孔隙中在充注过程中普遍存在角隅水，油相主要分布在孔隙中心，三角孔隙的直线边上存在一定厚度的水膜，充注压力的增加能明显减少角隅水的含量。

3)三角孔隙中充注压力增加，三角孔隙含水饱和度呈现对数式递减，增加到一定程度后三角孔隙的含水饱和度趋于稳定，但在低充注压力情况下(小于0.01 MPa)，该模型的三角孔隙含水饱和度能达到38%以上，占了非常高的比例。

4)随着充注压力的增大，水膜对三角孔隙含水饱和度的贡献越来越大，在充注压力为1 MPa的时候，其贡献度可达到10.3%。