低渗透储层注水开发贾敏效应实验研究

郑自刚，余光明，雷欣慧，张庆洲

(1.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018)

0 引 言

鄂尔多斯盆地油气资源为典型的低渗透油气藏，随着三叠系长6和长8油藏储量和产量占比逐年上升，低渗透油藏开发过程中注水能力下降和开发效果不佳问题日益凸显。国内外对于低渗透油藏研究主要集中在非达西渗流规律[1-3]、启动压力梯度[4-6]等方面，而对低渗透油藏中特有的贾敏效应[7]重视程度不足。目前对贾敏效应的研究主要以贾敏效应降低方法及评价[8-11]、产生机理[12-13]和影响因素[14-16]为主，通常以渗透率伤害程度(贾敏指数)表示贾敏效应的相对大小，对贾敏效应动态变化的定量表征及其对低渗透油藏注水开发的影响鲜有报道。为此，提出了一种基于理论计算和物理模拟相结合的定量表征水驱贾敏效应动态变化的方法[17-19]，并进行不同渗透率岩心水驱贾敏效应相关室内评价分析，为认识低渗透油藏注水开发的内在机制和改善低渗透油藏注水开发效果提供借鉴。

1 定量表征方法

1.1 研究方法

以不考虑贾敏效应的单向活塞式水驱油模型作为理论模型，考虑贾敏效应的一维水驱油模型作为实际模型，通过式(1)～(2)计算得到流体注入过程中不同饱和度下的理论压差和实测压差。计算过程中，岩心中饱和度需根据式(3)折算为可动流体饱和度，式(4)计算理论注入压差。根据不同流体饱和度下的理论注入压差和实测注入压差，根据式(1)～(4)进行计算，得到不同饱和度条件下的J(Sw)曲线。由式(5)～(6)可知，该方法可运用于气驱水驱后转气驱或气水交替过程中贾敏效应的定量表征。

p理论(Sw*)=pwSw*+po(1-Sw*)

(1)

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(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 实验条件

实验岩心采用渗透率为0.3～350.0 mD、长度为30.0 cm、直径为2.5 cm的人造岩心，地层水矿化度为60 000 mg/L，模拟油的黏度为1.5 mPa·s，实验温度为78.4 ℃，注入速度为0.2 mL/min。实验仪器：中石大石油科技有限公司自主研发气驱评价系统，其中，注入系统为美国ISCO泵，流速和压力误差小于0.005%，最高注入压力为50 MPa。

2 实验结果及分析

2.1 贾敏系数随含水率变化规律

图1为不同渗透率岩心注水过程贾敏效应动态变化情况。由图1可知：渗透率不同，贾敏系数与含水饱和度关系曲线的形态不同，渗透率越低，贾敏系数增幅越快，贾敏系数最大值越大，其中，低渗曲线呈凹形逐渐增大，中高渗曲线呈不对称抛物线先增大后降低。分析认为：高渗透岩心中，随注水进行，两相区域逐渐增大，贾敏效应增强，但由于高渗透储层孔喉半径大，分散的小油滴保持流动，在流动过程中易发生聚集合并为大油滴(油柱)，界面数量减少，贾敏效应降低；低渗透、特低渗透储层中，由于孔喉半径小，贾敏效应程度高，分散小油滴聚集合并为大油滴(油柱)需要克服的阻力大，随两相区域扩大，贾敏效应逐渐增大。

图1 不同渗透率岩心注水过程贾敏效应动态变化

2.2 贾敏系数最大值与渗透率定量关系表征

图2为渗透率与贾敏系数最大值散点图及趋势线。由图2可知：随渗透率降低，贾敏系数最大值呈指数递增。对于特低渗透储层，在注水开发过程中，贾敏效应导致注水压力逐渐增大，注水越来越困难，贾敏效应导致的注水压力梯度为理论值的3～4倍。

图2 不同渗透率岩心中贾敏效应最大值关系

2.3 贾敏效应对水驱油过程的影响

2.3.1 水驱油过程对比

2.3.2 贾敏效应对水驱效果影响机制分析

边界层理论认为，低渗透储层的渗透率和渗流横截面是可变的，将贾敏效应的影响等效为有效流动截面的降低。利用有效流动截面可变理论模型分析了贾敏效应对水驱效果的影响，并推导其计算公式，建立贾敏系数与有效流动截面系数间的关系。恒速注入过程中，有效截面系数按照如下公式计算：

(7)

(8)

表1 不同渗透率岩心贾敏效应、压力和驱油效率对比

注：J(Sw)end为水驱结束时的贾敏效应程度。

(9)

式中：Δp为注采压差，MPa；L为注采直线距离，m；q为体积流速，m3/d；μ为流体黏度，mPa·s；K为渗透率，mD；A、A理论、A实际分别为流动截面积、理论流动截面积和实际流动截面积，m2；v、v实际、v理论分别为线性推进速度、实际线性推进速度、理论线性推进速度，m/d；Aeff(Sw)为有效截面系数。

图4为2组不同渗透率岩心水驱油过程有效流动截面系数动态变化对比结果。由图4可知：高渗透储层初期有效流动截面迅速下降，至最低值后缓慢抬升一定幅度，水驱结束时实际流动截面积与理论截面积的比值接近于1；低渗透储层有效流动截面逐渐降至趋于稳定，且降速逐渐变小，水驱结束时有效截面系数仅为0.4。渗透率越低，有效流动截面系数越低，与达西理论公式偏离程度越高。

图3 低渗和中高渗岩心含水率、驱油效率和贾敏效应系数变化对比

图4 不同渗透率岩心水驱过程驱油效率和有效截面系数动态变化对比

特低渗透储层中高贾敏效应导致其可动渗流截面积大幅降低，这是导致其驱油效率明显低于中高渗透储层的重要原因。

3 低渗透油藏提高采收率启示

3.1 低渗透储层基质水驱后剩余油分布模型分析及建议

低渗透储层基质孔喉尺寸分布差异较大，注水过程中，一部分小孔道启动压力梯度大，水不能进入该区域，剩余油主要以油柱的形式存在，分布相对集中；部分相对大的孔道中水启动原油，随着注水过程的进行，贾敏效应程度逐渐增大，流动能力逐渐降至停止流动，剩余油主要以油滴和油柱的形式存在，其分布具有整体分散、局部集中的特点；在大孔道中，贾敏效应程度逐渐增大，流体仍保持流动性，剩余油与中高渗透储层一样，主要以油膜的形式存在，具有分布零散的特点。对于低渗储层基质，剩余油主要分布在相对小的孔道中，其中，高启动压力梯度和高贾敏效应是造成驱油效率低的主要原因。

高渗储层通过提高毛管数提高驱油效率，而低渗透储层提高驱油效率应以提高驱替压差、降低贾敏效应附加阻力和降低启动压力梯度为主(表2)，使由于贾敏效应锁住的不可动原油再次流动，这是有效提高低渗透水驱油藏采收率的主攻方向。由表2可知，注气是有效降低启动压力梯度和贾敏效应的有效方法。

表2 低渗透储层提高驱油效率对策

3.2 室内评价实验

实验岩心渗透率为2.28 mD，长度为30 cm，实验温度为78.4 ℃，末端回压为10.5 MPa，最小混相压力为16.0 MPa。恒速进行水驱和CO2驱，实验结果见表3。由表3可知，CO2驱注入压差比水驱结束时压差低2.9 MPa，CO2驱能大幅降低注水压力，驱油效率可在水驱效率36.0%的基础上提高22.7个百分点。

表3 水驱后CO2驱注采压差和驱油效率动态变化

4 结 论

(1) 基于理论计算和物理模拟相结合定量表征贾敏系数的动态变化，提出了一种新的评价方法。评价结果显示：不同渗透率岩心贾敏效应随含水饱和度的变化曲线形态不同，渗透率越低，贾敏系数增幅越快，贾敏系数最大值越大，其中低渗透储层呈凹形逐渐增大，中高渗透储层呈不对称抛物线先增大后降低。

(2) 储层渗透率和贾敏效应系数最大值呈指数递减关系，渗透率越低，贾敏系数越大。对于特低渗透储层，水驱贾敏效应导致注采压差比理论值提高3～4倍，是注水困难的原因之一。

(3) 有效截面系数降低可解释贾敏效应对低渗储层注水开发的影响。对比发现，特低渗透储层水驱后有效截面系数为0.4。贾敏效应是导致低渗储层含水上升快、驱油效率低的原因之一。

(4) 低渗透储层剩余油主要分布在高启动压力梯度的小孔道和高贾敏效应的中小孔道中。气驱是有效提高低渗储层驱油效率的有效手段，实验证实，CO2驱能有效降低低渗透储层的注采压差，并大幅提高驱油效率。