利用数字岩心方法评价稠油开采方式对渗透率的影响研究

赵衍彬

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015)

注蒸汽热采是稠油油藏开发的有效手段，但由于稠油油藏大部分储层岩性疏松、黏土矿物含量偏高，热采过程中速敏、水敏现象等问题严重影响稠油热采的开发效果。众多学者对稠油藏热采过程中的储层伤害因素进行了全面分析[1-2]，尤其对高温加剧地层出砂[3-4]、颗粒迁移改变地层渗透率[5-7]、黏土矿物的转化[8-12]等进行了深入研究，并建立了热采过程中地层动态出砂的理论预测模型[13]。揭示了稠油热采过程中地层渗透率的变化规律，可较为准确地表征储层的伤害程度，为稠油热采方案的编制提供理论支撑。然而，目前研究所取得的认识难以直接用于该类油藏基于复杂渗流环境及开发过程的生产动态分析和开发指标预测。例如，热采可加剧地层出砂，但不同开采模式下，迁移颗粒可淤塞地层影响生产，也可扩径提渗增加产能；同时，高温状态下新生的矿物成分也可能堵塞地层，影响地层颗粒的迁移行为及效果，并将显著改变地层渗透率。缺乏对这类物理过程的定量评价，将增加稠油热采方案的不确定性。

近年来，人们基于真实岩样，包括原始地层岩心和渗流驱替实验过程中的岩心，基于显微CT扫描图像，通过三维重构建立反映岩样内部微观孔道几何结构特征的数字岩心，并利用孔道网络流动模拟技术，判断不同外部驱动压力条件和内部流体分布环境下，实际参与流动的孔道的数量以及位置，并进一步计算这些流动孔道网络所表现的岩样实际有效渗透率。利用该方法，可以详细描述不同渗流环境下岩石孔隙度及渗透率的变化规律及其内部微观机理，进而揭示渗流环境的改变对地层流动能力的影响机制。

1 典型岩样的数字岩心及孔道结构特征

某稠油油藏黏土含量较高，开发过程中具有显著的地层颗粒迁移现象，需定量分析热采对储层的伤害程度，以确定采用防砂开采或者排砂开采。

目的层259样次岩心孔隙度25%～38%，渗透率50～1 200 mD。按照参数分布范围，分级、分段选取3块典型岩样，在岩心中部1 cm×1 cm×1 cm范围内以1 μm精度进行CT扫描，在图像后处理基础上通过三维重构建立具有骨架和孔隙的三维数字岩心(图1)。

图1 典型岩样CT扫描骨架-孔道分布三视图

典型岩样数字岩心孔径分布及孔道体积分布如图2所示。采用文献[14-15]方法统计数字岩心孔道网络的几何特征及主要物性参数，结果如表1所示。

表1 典型岩样孔道结构特征及主要物性参数

图2 典型岩样数字岩心孔径分布及孔道体积分布

分析表明，储层渗流能力的主控因素是孔道数量与孔径大小，高渗的岩心大孔道数量较多、体积峰值孔径较大，而低渗的岩心小孔道数量较多、体积峰值孔径较小。

2 高温及防砂模式对孔道结构和渗透率的影响

以岩样粒径分布及胶结物含量参数为基础制作人造岩心，并从中选取孔径分布、孔隙度、渗透率相似的岩心作为实验岩心。实验温度分别设置为地层温度和热采高温，出口端采用不同挡砂精度模拟防砂及排砂两种开采模式。考虑到热采及出砂过程中储层伤害主要发生在近井带，而径向流条件下近井带单位过流面积的流量较大。为了模拟矿场实际，结合实验室条件，将最大驱替量设置为1 000 PV。实验中发现，大部分岩心渗流能力在50 PV左右达到变化峰值，200～500 PV后趋于稳定，最大在达到800 PV后不再变化。所有试样完成1 000 PV后，对实验岩样段中部1 cm×1 cm×1 cm范围内进行CT扫描及数字岩心建模，统计孔道结构变化特征，计算驱替后岩心渗透率，数据如表2所示。

表2中，不同渗流能力的人造岩心测试参数均值与典型岩样对照参数基本一致，因此，针对人造岩心的系列驱替实验与储层典型岩样的地下物性变化过程具有可比性。

表2 不同渗流环境下人造岩心孔道结构特征及主要物性参数

不同渗流环境下的孔隙度变化规律如图3所示。采用防砂方式开发使得迁移颗粒在地层内淤塞，导致孔隙度降低。由图3可见：防砂时，相对低、中、高渗典型岩心的孔隙度在常温下分别下降8.7%、11.1%和4.9%，平均降幅8.2%；而在热采高温环境下，孔隙度降幅分别为21.0%、15.9%和11.2%，平均降幅16.1%。高温环境下孔隙度降幅显著增大，主要是由于迁移颗粒淤塞和新生矿物孔道内堵塞的双重效应所致。排砂开采能够解除迁移颗粒的淤塞，常温条件下能增加孔隙度，相对低、中、高渗典型岩心的孔隙度分别增加12.7%、4.8%和4.8%，平均增幅7.4%，但对于高温环境，相对低渗岩样的孔隙度只增加了4.7%，相对中渗和高渗岩样排砂后的孔隙度仍然低于初值，说明高温条件下新生矿物的孔道内充填较为严重。

图3 不同渗流环境下的孔隙度

图4为不同渗流环境下渗透率的变化规律。由图4可见，在常温排砂条件下，相对低、中、高渗典型岩心的渗透率分别增加了41.87%、20.4%和34.4%，平均增幅32.2%。但在热采的高温环境下，即使排砂也无法改变新生矿物充填孔道导致的孔道缩径而降低渗透率的效应。热采排砂开发方式下，相对低、中、高渗典型岩心的渗透率分别降低15.4%、37.8%和0.9%，平均降幅18%。而热采与防砂对储层的双重伤害程度则更为严重，相对低、中、高渗典型岩心的渗透率降幅分别达到91.0%、81.6%和66.7%，平均降幅79.8%，超过常温防砂条件下60.4%的平均降幅，更远远超过热采排砂条件下18%的平均降幅。

图4 不同渗流环境下的渗透率

图5分别从孔径和孔道数量两方面揭示了渗流环境对孔渗影响规律的内在微观机理。防砂导致地层淤塞，孔道缩径，有效孔道数量减小。在高温环境下，新生矿物的充填导致孔道进一步缩径，但新生矿物之间的粒间孔、晶间孔将导致孔道总体数量增加。相对高渗的岩样由于原始孔径较大，因此细粒充填后其孔道数量增幅较其他岩样大。排砂开采导致扩径，但相对高渗岩样在高温环境下新生矿物的充填缩径效果超过排砂的扩径，总体仍然表现为缩径。排砂和高温环境均将增加孔道数量，因此高温排砂孔道数量增幅最大，但由于高温充填的缩径效果，更增加了孔道结构的复杂性。

图5 不同渗流环境下的中值孔径和孔段密度

图6将初始条件、地层温度与热采高温、排砂与防砂等不同渗流环境下的孔渗关系进行了综合比较。由图6可见，孔渗关系基本保持一致。说明在这一系列过程中，尽管地层颗粒迁移和新生矿物充填改变了孔道网络的空间结构，但孔道数量及孔径大小对地层渗透率的控制机制并未改变。

图6 不同渗流环境下的孔渗关系

3 结 论

a.基于目标储层典型岩样实验测试的数字岩心模拟计算显示，在地层温度条件下，防砂导致孔隙度下降8.2%，渗透率下降60.4%，排砂则导致孔隙度增加7.4%，渗透率增加32.2%；但在热采高温环境下，防砂导致孔隙度下降16.1%，渗透率下降79.8%，排砂只能增加0.8%的孔隙度，渗透率仍然降低18%。

b.稠油热采过程中，高温产生的新生矿物将充填孔道，其缩小孔径导致渗透率降低的效果将削弱热采高温降低黏度及排砂提高渗透率带来的增产效果，因此需要在热采方案制定或实施前，对目的层热采增产的可行性条件和增产幅度进行综合评价。

c.针对敏感性稠油油藏，实施防砂或排砂开采方式，在地层温度或热采高温环境中，地层渗透率与孔径和孔道数量之间的对应关系始终保持一致，并未因渗流条件的改变而发生显著变化，因此，可利用目的层岩心孔渗关系曲线，预测孔道结构改变对地层渗透率的影响，并作为稠油热采方案筛选的依据。