疏松砂岩聚合物驱孔隙结构时变实验

马天赐; 王业飞; 丁名臣; 张富民; 崔传智; 崔仕章

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506357

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (22) :9510-9516 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506357

石油、天然气工业

疏松砂岩聚合物驱孔隙结构时变实验

马天赐 ¹^,² ,
王业飞 ¹^,²^,^* ,
丁名臣 ¹^,² ,
张富民 ¹^,² ,
崔传智 ¹^,² ,
崔仕章 ³

作者信息 +

Experiment on Time-variation Pore Structure during Polymer Flooding in Unconsolidated Sandstone

MA Tian-ci ¹^,² ,
WANG Ye-fei ¹^,²^,^* ,
DING Ming-chen ¹^,² ,
ZHANG Fu-min ¹^,² ,
CUI Chuan-zhi ¹^,² ,
CUI Shi-zhang ³

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摘要

疏松砂岩聚合物驱过程中,储层中岩石孔隙结构受流体渗流的影响产生时变,且脱落微粒在大孔隙处降低速度沉淀,导致储层渗透率下降。为明确疏松砂岩聚合物驱孔隙结构时变机理,通过4块渗透率在1 000×10^-3~2 000×10^-3 μm²,具有相似孔隙结构的疏松砂岩岩心进行驱替实验,结合X射线衍射测试、高压汞测试和CT扫描测试等方法,研究了疏松砂岩油藏聚合物驱前后矿物组成含量变化、孔隙度渗透率变化以及孔隙半径等孔隙结构变化。结果表明,疏松砂岩油藏在高倍数高速度聚合物驱冲刷后,黏土矿物在出口端沉积,较初始含量上升0.85%;聚合物驱后最大孔喉半径降低2.86%,平均孔喉半径降低3.99%,造成渗透率降低21.8%;孔喉分布上,大孔隙减少,中孔隙增加,部分大孔隙经过微粒沉积堵塞后体积变小,孔隙形状因子趋近于1,孔喉非均质性减弱。

Abstract

During polymer flooding in unconsolidated sandstone reservoirs, the pore structure of the rock varies over time due to fluid seepage effects. Detached particles decelerate and deposit in large pores, leading to a reduction in reservoir permeability. To clarify the time-variation mechanism of the pore structure during polymer flooding in unconsolidated sandstone, four core samples with permeabilities ranging from 1 000×10^-3 μm² to 2 000×10^-3 μm² and similar pore structures were used for displacement experiments. Methods such as X-ray diffraction testing, high-pressure mercury injection testing, and CT scanning testing were employed to investigate changes in mineral composition, porosity, permeability, and pore structure parameters such as pore throat radius before and after polymer flooding. The results indicate that after high-volume and high-speed polymer flooding, clay minerals deposit near the outlet end, increasing by 0.85% compared to the initial content. The maximum pore throat radius decreases by 2.86%, and the average pore throat radius decreases by 3.99%, resulting in a 21.8% reduction in permeability. In terms of pore throat distribution, large pores decrease while medium pores increase. Some large pores become smaller due to particle deposition and blockage, and the pore shape factor approaches 1, indicating reduced pore throat heterogeneity.

Graphical abstract

关键词

疏松砂岩油藏 / 聚合物驱 / 孔隙结构时变 / 高压压汞测试 / CT扫描测试

Key words

unconsolidated sandstone reservoir / polymer flooding / pore structure time-variation / high-pressure mercury injection testing / CT scanning testing

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马天赐, 王业飞, 丁名臣, 张富民, 崔传智, 崔仕章. 疏松砂岩聚合物驱孔隙结构时变实验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(22): 9510-9516 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506357

MA Tian-ci, WANG Ye-fei, DING Ming-chen, ZHANG Fu-min, CUI Chuan-zhi, CUI Shi-zhang. Experiment on Time-variation Pore Structure during Polymer Flooding in Unconsolidated Sandstone[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(22): 9510-9516 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506357

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储层物性时变是指流体长期冲刷作用致使储层产生复杂的物理化学变化,造成储层物性逐渐发生改变^[1-2]。在微观孔隙尺度,储层物性时变的本质是孔隙结构发生改变,孔隙与喉道作为储层流体储存和渗流的关键通道,其大小、形状、发育程度及连通性的改变对储层性能影响巨大。随着流体长期冲刷,孔隙因颗粒运移而扩大或被堵塞变小^[3]。疏松砂岩油藏中,黏土矿物遇水膨胀或被冲刷运移,会堵塞原本通畅的喉道,减小其连通性,同时较强的冲刷力又会将部分细小颗粒带走,作用于孔隙和喉道扩大,增强储层渗透性^[4]。两种相反的机制同时作用于储层物性时变,其综合作用结果亟待研究。

目前已有关于水驱油藏孔隙结构时变的研究,为油藏水驱过程物性的变化提供了丰富的理论和实践基础,进一步增强了水驱长期开发油藏的认识。针对聚合物驱时变的研究却相对较少。水驱和聚合物驱在驱油机制、对储层的作用方式等方面存在显著差异,水驱的研究成果难以直接套用到聚合物驱中^[5-6]。然而在聚合物驱储层物性时变研究过程中,仍可参考水驱孔隙结构时变研究常用的实验分析方法,包括直接测试法(铸体薄片法、扫描电镜法、CT扫描法)和间接测试法(压汞法)开展孔隙结构特征测试与分析^[7-8]。

因此,现使用高压压汞测试(high-pressure mercury intrusion porosimetery,HMIP)和CT扫描测试来研究冲刷孔喉结构变化、微粒运移和黏土矿物流失等特征,反映聚合物驱后疏松砂岩孔隙结构时变。对疏松砂岩岩心开展不同驱替倍数、驱替速度聚合物驱替实验,定量研究聚合物驱前、后孔喉结构分布变化规律,明确聚合物驱时变孔隙结构时变机理,为聚合物驱油藏的高效开发及长期稳产提供关键理论支撑与技术依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

疏松砂岩选用天然岩心,来自渤海油田东营组下二段,属三角洲前缘分流河道河口坝沉积微相^[9]。实验前测试岩心基本物性参数如表1所示,气测渗透率介于1 000×10^-3~2 000×10^-3 μm²,孔隙度介于26%~30%。表1为本次实验所用岩心基础物性参数。

实验用流体按照一海上疏松砂岩油藏开发实际参数设计,包括聚合物溶液、模拟地层油、模拟地层水。其中聚合物选用疏水缔合聚合物X-1(法国爱森公司,分子量1 000万,聚合物浓度1 500 mg/L,黏度42 mPa·s),模拟地层水(NaHCO₃型)矿化度为6 071 mg/L。实验所需设备包括:多功能岩心驱替装置、高精度压差传感器、压汞测试仪、扫描电子显微镜、三维重构成像X射线显微镜。

1.2 实验流程和方法

实验采用渤海油田东营组下二段三角洲前缘分流河道河口坝沉积微相的天然疏松砂岩岩心(编号B-01~B-04),岩心筛选严格遵循渗透率(1 000×10^-3~2 000×10^-3 μm²)与孔隙度(26%~30%)的相近标准,并控制黏土含量低于5%以最小化岩心个体差异。每块岩心出口端切取厚度2 cm的切片^[10],进行聚合物驱前物性分析,包括气测孔隙度、气测渗透率、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)及高压压汞测试(HMIP)。

XRD测试^[11-12]采用Rigaku D/max-2500型X射线衍射仪,样品研磨至200目以下,测试条件为CuKα辐射(波长1.540 6 Å)、步长0.02°、扫描范围5°~80°,以定量分析石英、长石、黏土矿物等组分的相对含量。高压压汞测试使用Micromeritics AutoPore IV 9500压汞仪,压力范围覆盖0.1~413 MPa,每个压力点平衡时间为60 s,通过Washburn方程将毛细管压力曲线转换为孔喉半径分布,并计算排驱压力、最大汞饱和度、孔喉平均半径等关键参数。

岩心预处理采用索式抽提法彻底洗油,混合溶剂配比为苯∶二氯甲烷:酒精:石油醚=4∶3∶1∶2,抽提周期为6 h,确保原油残留量低于0.1%。洗油后岩心经去离子水冲洗盐分,并在60 ℃±2 ℃恒温烘箱中干燥24 h,最终孔隙度通过氦气孔隙度仪测量3次取均值确认。驱替实验模拟油藏条件为温度65 ℃(PID温控模块精度±0.5 ℃)和围压5 MPa(液压伺服系统控制精度±0.1 MPa),驱替速度梯度设计为0.1、0.2、0.5和1.0 mL/min,对应驱替倍数分别为20 PV、100 PV、500 PV和3 000 PV(PV为孔隙体积倍数),以覆盖油田现场流速范围。实验过程中,采用高精度压差传感器(精度±0.1 kPa)实时记录注入端与采出端压差,结合流量数据通过达西公式计算瞬态渗透率变化。每100 PV采集一次出口液,使用Malvern Mastersizer 3000激光粒度仪分析微粒粒径分布,量化运移动态与堵塞效应。

高压压汞测试实验^[13]是运用Micromeritics AutoPore IV 9500压汞仪将汞注入切片,记录注入压力P_c和水银注入量V_Hg,测定不同注入压力注入汞体积,进而计算不同孔喉半径的方法。注入汞的压力越大,测定的孔喉半径尺寸越小;压力稳定时注入汞饱和度越大,对应孔喉尺寸的占比越大。绘制若干压力点下的压力和水银饱和度曲线,即得到压汞法的岩石毛细管压力曲线。根据毛细管压力曲线特征,计算绘制孔喉结构分布曲线和不同孔喉渗透率分布曲线^[14]。

CT扫描测试^[15]采用MicroXCT-400三维X射线显微镜,分辨率为3 μm,扫描视野为900 μm×900 μm×900 μm,通过FDK算法重构三维孔隙模型,并基于阈值分割区分孔隙与基质。计算总孔隙度、连通孔隙度、孤立孔隙度、迂曲度及形状因子,其中迂曲度通过孔隙网络模型中的路径长度与直线距离比值确定,形状因子则表征孔隙几何偏离球体的程度。

2 聚合物驱后储层物性时变分析

2.1 渗透率时变分析

测试岩心不同驱替倍数、不同驱替强度聚合物驱替测试实验前后岩心渗透率变化如表2所示。

聚合物驱后,疏松砂岩渗透率变化是逐渐降低的。聚合物驱前后渗透率时变对比发现,聚合物驱时变程度随驱替速度和驱替倍数的增大而增大,表现为岩心渗透率降低幅度增加,0.1、0.2 mL/min驱替速度,即20 PV、100 PV驱替倍数时渗透率时变较低,只降低1.4%和8.2%,而0.5和1.0 mL/min等高驱替速度,500PV、3 000PV驱替倍数时变后渗透率降低16.4%和21.8%。

2.2 矿物组成时变分析

测试岩心不同驱替倍数、不同驱替强度聚合物驱前后疏松砂岩岩心出口端薄片XRD测试端矿物组成变化如表3所示。

疏松砂岩受到长期聚合物冲刷,岩石表面会产生一定的物理化学变化,从而影响矿物组成^[16-17]。不同驱替强度,不同驱替倍数条件下岩心出口端矿物组成变化主要表现为黏土矿物变化。聚合物驱前黏土矿物含量为2%~4%,聚合物驱前后对比看,在低驱替速度0.1 mL/min和低驱替倍数20PV时,黏土矿物含量上升0.46%。随着驱替强度和驱替倍数的增加,黏土矿物含量上升明显,至0.5 mL/min驱替500PV时,上升幅度已经达到0.74%。当驱替速度1.0 mL/min和驱替倍数3 000PV时,黏土矿物含量上升幅度为0.85%。在聚合物驱替后,疏松砂岩岩心出口端端面有一层明显的微粒,且流出液中出现大量微粒,说明微粒运移现象明显,驱替强度及驱替倍数越高,上升越明显。

3 聚合物驱后储层孔隙结构时变分析

3.1 基于高压压汞的孔径分布时变分析

图1为岩心B-04聚合物驱前后压汞测试毛细管力曲线,表4为两块岩心聚合物驱后压汞测试参数统计表。

高压压汞测试结果为毛细管力曲线、孔喉半径分布曲线,根据图1和表4结果所示。毛细管力曲线中毛细管压力和孔隙半径的关系式如式(1)所示。聚合物驱后相较聚合物驱前排驱压力降低0.005 MPa,计算的最大孔隙半径降低2.86%;平均孔喉半径降低3.99%。岩心整体渗透性降低,也反映了宏观孔隙度、渗透率的降低;均质系数升高1.6%,岩心均质性上升,大量大孔喉在聚合物驱后微粒沉积封堵形成中小孔喉,孔喉网络分布更规则。

(1)

$r=\frac{2\sigma cos\theta }{{P}_{c}}$

渗透率贡献率曲线^[18-19]实验结果如图2所示。实验结果显示,半径大于2.5 μm的孔隙在渗透率贡献中占据主导地位,总占比高达94.6%。其中,半径2.5~10 μm的中小孔隙在驱替后显著增加,其数量占比由驱替前的20.39%提升至28.38%,渗透率贡献率也相应从20.38%上升至25.61%。相反,半径10~40 μm的大孔隙在驱替后呈现明显下降趋势,数量占比从55.79%降至45.84%,其对渗透率的贡献率则由76.10%显著下降至68.22%。这种孔隙结构演化的机理主要源于长期聚合物冲刷作用:注入流体持续侵蚀岩石骨架,导致黏土矿物及细小颗粒剥落、运移,并在大孔隙通道中发生沉积堵塞,使得部分大孔隙被分割或填充,最终转化为中孔隙结构。这种孔喉分布的变化进一步影响了岩心的非均质性特征,具体表现为退汞效率降低0.266%,而按照式(2)计算的均质系数由0.468升高至0.484,表明孔隙系统趋向均质化。微观结构演变与宏观物性响应密切相关,CT扫描显示形状因子逐渐趋近于1,孔喉形态呈现球形化趋势,同时平均喉道长度缩短、迂曲度增加,共同导致渗流通道复杂化。

(2)

$\alpha =\frac{\frac{\sum _{i=1}^{n}{r}_{i}}{{r}_{max}}\Delta {S}_{i}}{100}$

式(2)中:α为均值系数;r_i为孔隙半径;r_max为最大孔隙半径;ΔS_i为汞饱和度。

3.2 基于CT扫描孔隙结构时变分析

图3为聚合物驱前后CT扫描孔隙结构图,开展阈值分割后,划分孔喉和岩心基质,并拆分计算总孔隙度、连通孔隙度和孤立孔隙度如表5所示。

随着驱替强度和驱替倍数的增加,岩心总孔隙度降低,说明随着驱替进行原始孔隙随冲刷缩小形成更小的孔隙。首先孔隙度受岩石自身空间性质的影响,根据Kozeny-Carman方程^[20-21][式(3)],渗透率变化与孔隙度变化存在非线性关系,连通孔隙度由24.69%降低至22.40%,经式(3)计算得渗透率降低21.5%。这个结果与聚合物驱驱替实验前后测试的渗透率结果(-21.8%)相近。在连通孔隙度和孤立孔隙度占比变化能够看出,孤立孔隙度随着聚合物驱冲刷变化明显,连通孔隙度占比降低,黏土堵塞后形成孤立孔隙,进一步降低了孔隙的连通性。分析CT所得球管模型迂曲度发现,随着驱替倍数增加,迂曲度升高,孔喉弯曲程度增加,这是由于出现部分微粒堵塞后原有孔隙通道形变甚至消失,造成迂曲度增加。

(3)

$K=\frac{{\varphi }^{3}}{c{(1-\varphi )}^{2}{S}^{2}}$

式(3)中:K为渗透率;

$\varphi $

为孔隙度;c为KC常数;S为比表面积。

3.3 孔隙结构参数分析

常用孔隙几何结构参数包括形状因子、孔喉体积分布、孔喉半径分布、喉道长度分布^[22-24]。对不同岩心原位孔隙结构参数进行计算后如图4所示。

(4)

$G=\frac{VL}{{A}_{s}^{2}}$

式(4)中:G为形状因子;V为孔隙体积;L为孔隙长度;A_s为孔隙截面积。

聚合物驱不仅改变了孔隙结构,也对孔喉结构产生了重要影响。中小孔喉数量明显增加,平均喉道长度缩短,迂曲度升高。这是在聚合物驱过程中,喉道内新生成的细颗粒物质发生迁移并形成障碍,导致原本复杂弯曲的喉道更易堵塞,喉道路径变得更长、旧有孔喉消失。这种孔喉结构的弱化进一步降低了流体的流动效率。

4 结论

通过4块具有相似孔隙结构的疏松砂岩岩心开展聚合物驱实验,结合X射线衍射、高压压汞和CT扫描等测试方法,得出以下主要结论。

(1)疏松砂岩油藏聚合物驱后出口端黏土矿物含量显著上升,且上升幅度随驱替速度(0.1~1.0 mL/min)与驱替倍数(20PV~3 000PV)的增加而增大(由0.46%升至0.85%)。这一现象与聚合物冲刷引发的微粒运移密切相关,运移的黏土矿物在孔隙喉道中沉积堵塞,导致孔隙与喉道半径减小。值得注意的是,当前相关结果为定性趋势,实验设计(每条件仅1个样本)制约了对误差范围与重复性的评估。

(2)高压压汞测试表明,聚合物驱后岩心(以B-04为例)最大孔喉半径降低2.86%,平均孔喉半径减小3.99%。孔隙半径分布呈现大孔隙(10~40 μm)向中孔隙(2.5~10 μm)转化特征,孔喉均质系数上升1.6%。这一变化证实了微粒运移导致的大孔隙喉道堵塞是渗透率下降(21.8%)的关键原因,孔隙结构非均质性减弱与连通性降低共同构成宏观渗透率降低的微观机制。

(3)CT扫描结果显示,随着驱替倍数增加(0~3 000PV),岩心总孔隙度由25.23%降至22.95%,连通孔隙度由24.69%降至22.40%,孤立孔隙度稳定在约0.55%。微观孔隙结构分析表明,形状因子逐渐远离1.0,喉道长度缩短,迂曲度降低。这些结构变化削弱了原始大孔隙形成的优势渗流通道,导致渗流效率显著降低。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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