特低渗透油藏注水作用规律探讨

２０１３年７月　第３５卷第４期　地下水　Ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　Ｊｕ１．，２０１３　ＶｏＬ　３５　Ｎ０．４　特低渗透油藏注水作用规律探讨　杨其彬　，孙１３８０００）　卫　，任大忠　。王海彤　・　（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　［摘要】　在油田开采注水过程中，探讨特低渗透油藏岩石的岩性、物性变化规律，制定合适的注水开发方案。　以十屋油田透营城组特低渗储层岩石为研究对象，开展储层条件下的液相一岩石固相的实验研究，对反应前后的矿　物相、膨胀应力、孔喉结构进行分析。结果表明：作用前后，矿物相的变化微弱，粘土矿物的存在，储层岩石存在吸　水、膨胀、压缩和重整过程。致使孔喉结构变小，储层物性变差。　［关键词】　特低渗透；矿物相；孔隙结构；膨胀应力　［中图分类号］ＴＥ３１　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１００４—１１８４（２０１３）０４—０００８—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｕｌｔｒａ—．１ｏｗ　Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　Ｏｉｌ　Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ　ＹＡＮＧ　Ｑｉ—ｂｉｎ　，ＳＵＮ　Ｗｅｉ　，ＲＥＮ　Ｄａ—ｚｈｏｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｈａｉ—ｔｏｎｇ　’　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，７　１　００６９，　Ｓｈａａｎｘｉ；２．Ｊｉｌｉｎ　Ｏｉｌｉｆｅｌｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｏｎｇｙｕａｎ　１３８０００，Ｊｉｌｉｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｉｌ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ’ｌｉｔｈｏｌｏｇｉｅａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｒｕｌｅ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆｏｒ　ｍａｋｉｎｇ　ａ　ｐｒｏｐｅｒ　ｐｌａｎ　ａｂｏｕｔ　ｗａｔｅｒ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｔａｋｅｓ　ａ　ｌｉｑｕｉｄ　ｐｈａｓｅ一一ｓｏｉｌｄ　ｐｈａｓｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｉｌ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ　ｉｎ　Ｔｏｕｙｉｎｇ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｓｈｉｗｕ　ｏｉｌｉｆｅｌｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｍｉｎｅｒａｌ　ｆａｃｉｅｓ，ｐｏｒｅ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｗｅｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｆａｃｉｅｓ　ｉｓ　ｌｉｔｔｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｌａｙ　ｍｉｎｅｒａ１．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｃｏｍｐｒｅｓ－　ｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｈａｐｐｅｎ　ｉｎ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｒｏｃｋｓ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｐｏｒｅ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ｓｈｒｉｎｋ　ａｎｄ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｂｅｃｏｍｅ　ｐｏｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｍｉｎｅｒａｌ　ｆａｃｉｅｓ；ｐｏｒｅ　ｔｅｘｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｗｅｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　在油田开采注水过程中存在以下问题＿ｌ　：注人水和特　低渗透储层岩石在油藏条件下的作用形式、作用结果如何？　现象。　此外，粘土矿物样品变化较微弱：　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　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。　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。　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）向钙一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。　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　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　类　。Ｊ，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一固反应。具体做法：　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。　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　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　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　［收稿日期］　２０１３一Ｏ４—２４　２０１１ＺＸ０５０４４）；陕西省科技统筹创新工程（编号：　［基金项目］　国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发（编号：２０１１ＫＴＺＢ０１—０４—０１　　［作者简介］　杨其彬（１９７３一），男，四川郫县人，在读博士研究生，主攻方向：油气田地质与开发研究。８　３５卷　第４期　地下水　２０１３年７月　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　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　。。Ｈｄ　。。　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　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￣Ｃ条件下的烘箱中充分干　燥，测定其初始重量后置人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　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　。　。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　后孑Ｌ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孑Ｌ喉特征见表２、图　２。　根据储层条件下的储层岩心与注人水的静态反应结　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。　图２储层岩心与注入水静态作用结果　４　结语　（１）矿物相分析表明，储层岩石粉末样品反应前后矿物　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；　（２）岩心膨胀应力、结构力变化及其机理研究结果说明，　储层岩石受到上覆岩体和围岩的限制，同时受到一定的围限　９　３５卷　第４期　地下水　２０１３年７　压力作用，当外来流体进入后因为围限条件和岩石内部吸水　膨胀对储层岩石的物性造成一定的影响，最终的结果应该是　这两者耦合调整的结果；　（３）储层岩石与注入水作用后，由于储层岩石中的粘土　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。　表２储层岩心反应前后孔喉结构对比　版社．１９８６．　参考文献　［１］李品道．低渗透砂岩油田开发［Ｍ］．北京：石油工业出版社．　１９９７．　［４］杨普华．孑Ｌ隙结构对水驱油机理影响研究［Ｊ］．石油学报．１９８０　（增刊）．　［５］王允成．油层物理［Ｍ］．北京：石油工业出版社．１９９３．　［２］沈平平，李秉智，涂富华．砂岩孔隙结构对水驱油效率的影响及　分类Ａ．中国大庆国际油田开发技术会议［ｃ］．北京：石油工业　出版社．１９９２．　［６］阮敏，何秋轩．低渗透油层渗流特征及对油田开发的影响［Ｊ］．　特种油气藏．１９９８，５（３）：２３—２８．　［７］任晓娟，闵琪．特低渗储层岩石中流体的渗流特征［Ｊ］．低渗透　油气田．１９９７，（２）：１３—１５．　［３］高亚明，沈平平，涂富华．利用数字图像处理系统研究孔隙结构　及其应用Ａ．第二次国际石油工程会议［ｃ］．北京：石油工业出　（上接第４页）　性较好的变量是游离ＣＯ：和Ｍｇ“、ＳＯ　、Ｉ一，而ｐＨ和　Ｃａ“、作用。ＨＣＯ　一离子来源有方解石、白云石的溶解作用，其次　脱硫酸作用生成ＨＣＯ　一也是一个不容忽视的来源，以断盐岩　的大量溶解导致水中Ｎａ　、ｃｌ一含量显著增加。石膏、天青石　ＳｉＯ　与因子３呈负相关性反映了咸阳市区地下水的酸　碱平衡影响着碳酸平衡系统的变化，导致地下水游离ＣＯ　的　分布受控于地下水的ｐＨ值，岩盐的溶滤作用影响地下热水　水化学组成，　的溶解作用是ｓ０　。一的重要来源，除此之外Ｈ　ｓ气体的氧化　作用为其另外来源。热水中Ｃａ“的来源主要为裂以北热水　的表现最为明显，ＨＣＯ　一较Ｃａ２　、Ｍｇ２　，ＨＣＯ　含量偏向一　侧。Ｋ　和Ｍｇ　离子的来源为钾长石和白云石的溶解作用。　参考文献　［１］李婷．咸阳城区地压型热储流体同位素水文地球化学空间分布　及其指示意义［Ｄ］．西安：长安大学．２Ｏｌ２．　［２］马致远，孙彩霞．咸阳城区地下热水水文地球化学特征及回灌堵　因子４的方差贡献率分别为６．３９２％、６．５９１％，两个含　水岩组该主因子中的变量存在一定差异，因子载荷均较大分　别为可溶性ＳｉＯ　、Ｌｉ和Ｋ　、ＣＯ：、Ｉ一。成阳市区南部可溶性　ＳｉＯ，、Ｌｉ与因子４呈正相关，说明发生了硅酸盐的矿物溶解。　咸阳市区北部与因子４呈正相关可能发了钾盐类沉积岩的　溶解以及岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解和碳酸盐类　岩石在一定温度下变质成ＣＯ：，脱碳酸作用影响使其含量增　加。　塞机理研究报告［Ｒ］．成阳：长安大学环境科学与工程学院．　２０１２．　［３］吴春勇．鄂尔多斯白系盆地地下水水化学演化的同位素示踪研　５　结语　（１）成阳市区地下热水水化学特征在横向上以渭河北岸　断裂为界，南北相差很大，反映了沉积环境及含水介质的明　显差异。南部热水起源成因复杂，水化学成分多样ＨＣＯ　・　ＳＯ　一Ｎａ、Ｃ１・ＳＯ　一Ｎａ型为主。北部热流体水化学类型主要　为ｃｌ—Ｎａ型，纵向上随深度增加基本不变化。南部热水储　存条件较北部封闭，脱硫酸作用强，纵向上随深度增加从　ＨＣＯ　一Ｎａ型向ＳＯ　・Ｃ１一Ｎａ型转变。　（２）咸阳市区主要发生的水化学形成作用有溶滤作用和　究［Ｄ］．吉林：吉林大学．２０１１．　［４］石文学，张宝华，等．宁河地区深层地下水水质影响因素的Ｒ型　因子分析［Ｊ］．矿产勘查．２Ｏｌ０（６）１．　［５］蒋勇军吴月霞，等．利用因子分析确定岩溶地下河系统水质的　影响因素［Ｊ］．水文地质工程地质．２００９，４：ｌ一７．　【６］朱琳，苏小四．吉林西部地区第四系潜水水质影响因素的Ｒ型　因子分析［Ｊ］．地球科学与环境学报．２００６（２８）１：５１—５６．　［７］汤梦玲，王占龙，李志建．因子分析法求权重评价水质的实例　［Ｊ］．邢台职业技术学院报．２００５，２２（５）．　［８］宋晓梅桂和荣陈陆望．皖北矿区主要含水层微量元素的地球化　脱硫酸作用，次为阳离子交替吸附、脱碳酸作用，石膏的溶解　１０　学特征研究［Ｊ］．科技创新．