我院谭锋奇团队系列文章揭示砾岩油藏聚/表二元化学体系驱油机理

  • 文/谭锋奇 图/谭锋奇
  • 发布于 2022-07-15
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    砾岩油藏(conglomerate reservoir)是一种特殊的碎屑岩油气藏,与砂岩油藏相比,由于近物源、多水系和快速多变的沉积环境,导致储层的微观孔隙结构呈现复模态特征,孔喉分布极不均匀,喉道半径均值小、孔喉比大、孔喉配位数低,整体呈现多峰偏细态的特点,特殊的孔隙结构导致不同驱替方式下微观孔隙原油的动用规律更加复杂。新疆油田砾岩油藏是我国第一个发现的千万吨级大油田,经过几十年的注水开发,目前油藏生产效果变差,驱油效率降低,因此,采用以聚/表二元复合驱(surfactant-polymer binary flooding)为先导试验的三次采油技术成为提高油藏采收率的技术趋势,但是面临的基础地质难题也比较突出。中国科学院大学地星学院谭锋奇团队经过2年多的科研攻关,分别解决了砾岩油藏化学驱渗流能力各向异性成因机理及控制因素、聚/表二元化学体系驱油机理及定量计算模型、驱替过程中聚/表二元体系吸附滞留规律及对化学驱储层分类影响等3个关键科学问题,为砾岩油藏的高效开发提供了基础地质依据。

    复模态的孔隙结构使砾岩储层呈现特殊的渗流规律和较强的各向异性,进而影响聚/表二元化学驱孔隙原油的驱替方式和采收率,必须明确渗透率各向异性的成因机理及控制因素。依据密闭取心资料优选8块砾岩样品,在现场切割和实验室制备的基础上,制作成边长为4.5cm的标准立方体样品,综合利用铸体薄片、CT扫描、恒速压汞等实验方法对其进行研究。沉积作用和水动力条件控制着渗透率各向异性的分布规律,矿物颗粒的分选、磨圆、排列方式及沉积结构面的发育影响不同方向的渗流路径和渗流阻力,导致渗透率呈现较强的各向异性,平行水流方向的渗透率最大,垂直水流方向的次之,而垂直沉积方向的渗透率受到渗流迂曲度、孔喉连通性及沉积结构面等因素的综合影响,渗透率最小。

图1 砾岩油藏化学驱渗流能力各向异性成因机理分析图

    后期的成岩作用通过改变储层的微观孔隙结构,降低不同方向渗透率的绝对值以及渗透率各向异性的强度,但不会改变渗透率各向异性的分布规律。最终,利用数据挖掘方法对8块样品不同方向微观孔隙结构参数与渗透率标准方差的数据集进行分析,算法从12个参数中优选出相对分选系数、平均毛管半径、迂曲度、最大孔喉半径等10个参数参与建模,相对分选系数对渗透率标准方差的影响权重最大,孔喉大小分布的均匀程度是渗透率各向异性强度的微观主控因素,均匀程度越差,渗透率各向异性越明显;平均毛管半径、迂曲度、最大孔喉半径的参数权重次之,为次要控制因素,其他微观孔隙结构参数对渗透率各向异性有影响,但影响程度有限。

图2 砾岩油藏化学驱渗流能力各向异性宏、微观控制因素

    研究成果以“Genetic mechanism of permeability anisotropy in conglomerate reservoir and its controlling factors”为题发表在地学领域国际著名科学期刊-美国地质学会会刊《GSA Bulletin》上,具有广泛的学术影响力,当前影响因子5.41,属于中科院最新升级版地球科学大类一区TOP期刊。论文第一完成单位为中国科学院大学地球与行星科学学院,谭锋奇副教授作为文章的第一作者兼通讯作者,研究成果得到国家自然科学基金(41902141)、中央高校基本科研基金(E1E40403)、中石油科技创新基金(2018D-5007-0103)的联合资助。

    文章链接:https://doi.org/10.1130/B36403.1

    在明确复模态砾岩油藏渗流能力各向异性的基础上,要实现聚/表二元体系化学驱的驱油目标,需要确定二元体系提高采收率的影响因素,并建立不同驱替阶段采收率的定量计算模型。以新疆油田典型的砾岩油藏为剖析对象,设计天然岩心及微观刻蚀模型的二元体系驱油实验,揭示剩余油启动机制,确定采收率控制因素。对于复模态的砾岩油藏,水驱剩余油主要有四种类型,分别为粒间吸附状剩余油、簇状剩余油、薄膜状剩余油及角隅状剩余油,针对四种类型的剩余油,聚/表二元体系通过提高波及体积和增加洗油效率两个途径来提高采收率,首先,聚合物的增黏作用可以有效降低驱替液相的渗透率,改变油水流度比,增加吸水厚度,进而利用更强的剪切拖曳力驱替孔隙原油;其次,表面活性剂可以改变岩石的润湿性,通过低界面张力的性能降低剩余油的吸附能力,同时乳状液进一步增加二元体系的黏度,在两种因素的共同作用下启动剩余油。对于四种水驱剩余油的启动机制,提高波及体积和增加洗油效率均同时发挥作用,但是贡献率不同,粒间吸附和角隅状剩余油主要通过增加波及体积提高采收率,而簇状和薄膜状剩余油则主要通过增加洗油效率提高采收率。

图3 不同类型水驱剩余油聚/表二元化学驱启动机制及驱油机理

    通过对砾岩油藏天然岩心驱油实验结果的分析发现,孔隙结构是影响水驱采收率的主控因素,物性和含油性的影响相对较小,而影响二元驱采收率的主控因素则是溶液本身的物理化学性质,主要包括界面张力和溶液黏度,水驱剩余油饱和度作为化学驱的物质基础,控制作用次之。结合影响因素的分析结果和储层参数,构造了水驱采收率指数和二元驱采收率指数,进而建立了不同驱替方式下采收率的定量计算模型,两种模型计算结果的平均相对误差分别为4.4%和2.5%,可以准确预测不同驱替阶段及油藏最终的采收率值,为聚/表二元化学驱的高效开发提供准确的预测参数。

图4 聚/表二元化学驱提高采收率驱替曲线及控制因素

    研究成果以“Factors influencing oil recovery by surfactantepolymer flooding in conglomerate reservoirs and its quantitative calculation method”为题发表在石油科学领域著名期刊《Petroleum Science》上,具有广泛的学术影响力,当前影响因子4.757,属于中科院最新升级版工程技术大类一区TOP期刊,中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。论文第一完成单位为中国科学院大学地球与行星科学学院,谭锋奇副教授作为文章的第一作者兼共同通讯作者,研究成果得到国家自然科学基金(41902141)、中央高校基本科研基金(E1E40403)、中石油科技创新基金(2018D-5007-0103)的联合资助。

    文章链接:https://doi.org/10.1016/j.petsci.2022.01.001

    当聚/表二元化学体系各组分进入多孔介质后,一方面可以有效地驱替水驱剩余油,提高油藏采收率;另一方面,化学剂也会与储层的矿物和黏土发生作用,进而导致化学剂的吸附滞留,堵塞原有的渗流路径,影响油藏后续开发。因此,必须明确二元组分吸附滞留对储层渗流性和驱油效率的影响,合理划分储层类型。以砾岩油藏天然岩心为研究对象,设计实验方案,揭示聚/表二元组分在不同矿物上的吸附规律。黏土矿物对二元组分的吸附量明显高于碳酸盐岩矿物和骨架矿物,而不同黏土矿物对二元组分的吸附量也存在差异,其主要原因是由黏土矿物的阳离子交换容量和端面吸附活性决定的;另外,储层对二元组分的吸附滞留量与黏土矿物的类型及含量密切相关,黏土矿物的组合类型决定二元组分的吸附量,通过计算聚合物与表面活性剂的吸附量分别为11.3 mg/g和21.4 mg/g,而黏土矿物的含量则控制二元组分的吸附强度,随着泥质含量的增加,聚合物的吸附强度介于0.5~2.5mg/cm3,而表面活性剂的吸附强度介于1.0~4.5mg/cm3,整体上表面活性剂的吸附强度高于聚合物。

图5 聚/表二元体系中化学剂在砾岩储层单矿物上的静态吸附曲线

    在明确单矿物对不同化学组分吸附滞留规律的基础上,利用“N元素标定法”确定不同砾岩油藏渗透率样品二元复合驱后化学剂在微观孔隙中的赋存状态及含量,整体上二元组分主要有两种滞留赋存形式,一是在粘土矿物堆积的复杂孔隙中,二是在细小孔喉交汇处,随着储层物性降低,氮元素检测出的数量和含量逐步增加,二元组分吸附滞留加剧,对渗流能力的影响增大。综合考虑黏土矿物和微观孔隙结构对二元组分吸附滞留的影响,将七区八道湾组砾岩储层划分为四类,Ⅰ类储层孔隙结构均匀,平均毛管半径大,渗流性好,泥质含量低,二元组分吸附滞留量最少,对渗透率的影响最小,驱油效率最高;Ⅱ类储层平均毛管半径较大,渗流能力较强,泥质含量较低,二元组分吸附滞留量少,有利于二元复合驱;Ⅲ类储层孔隙结构中等,平均毛管半径中等,渗流能力较弱,泥质含量较高,二元组分吸附滞留量较多,容易堵塞渗流通道,二元复合驱效果中等;Ⅳ类储层非均质性最强,平均毛管半径最小,渗流能力最差,泥质含量最高,二元组分吸附滞留量最多,不利于二元复合驱的实施,甚至会出现二元体系由于储层渗流能力差而无法顺利注入的现象。

(a) 高渗样品,渗透率187.4mD,二元驱后检测出1处N元素,含量3.58%,驱后渗透率177.5 mD;(b) 中高渗样品,渗透率88.6mD,二元驱后检测出5处N元素,含量7.26%,驱后渗透率65.3 mD;(c) 中渗样品,渗透率48.5mD,二元驱后检测出6处N元素,含量10.63%,驱后渗透率17.5 mD;(d) 低渗样品,渗透率24.6mD,二元驱后没有检测出N元素,二元体系注不进,驱后渗透率不变;(e) 二元驱后光学显微图像;(f) 二元驱替前后四个样品渗透率变化柱状图。

图6 微观孔隙结构对二元组分吸附滞留的影响

    研究成果以“Classification methods of conglomerate reservoirs based on the adsorption and retention law of surfactant-polymer binary systems”为题发表在石油科学与工程领域著名期刊《Journal of Petroleum Science and Engineering》上,具有广泛的学术影响力,当前影响因子5.168,属于中科院最新升级版石油工程小类一区TOP期刊。论文第一完成单位为中国科学院大学地球与行星科学学院,谭锋奇副教授作为文章的第一作者兼通讯作者,研究成果得到国家自然科学基金(41902141)、中央高校基本科研基金(E1E40403)、中石油科技创新基金(2018D-5007-0103)的联合资助。

    文章链接:https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.109195