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纳米CT技术在水驱后微观剩余油分布形态及量化分析中的应用_孙先达

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纳米 CT 技术 水驱后 微观 剩余 分布 形态 量化 分析 中的 应用 孙先达
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第34卷第3期2015年6月电子显微学报JournalofChineseElectronMicroscopySocietyVol.34,No.32015-06文章编号:1000-6281(2015)03-0216-06纳米CT技术在水驱后微观剩余油分布形态及量化分析中的应用孙先达1,2,3(1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;2.中国石油大学(北京)提高采收率研究院,北京102249;3.中国石油大庆油田勘探开发研究院,黑龙江大庆163712)摘要:水驱、化学驱后微观剩余油赋存状态和分布规律是继续挖潜的基础。目前分析微观剩余油普遍采用密闭取心磨制薄片的方法,这样就破坏了多孔介质中流体的原始状态。为此,本文选用大庆油田葡12组1000mD左右的天然岩心,进行室内驱替实验。采用纳米CT技术,在不破坏岩心内部结构且保持孔隙中流体原始赋存状态的前提下,扫描驱替后岩心孔隙中不同流体的分布状态,通过计算机三维重建技术还原出孔隙中水和不同类型剩余油的三维形貌,再现了乳状、簇状、粒间吸附状、孔隙表面薄膜状、颗粒吸附状剩余油的三维形态。并初步认识了不同化学驱替手段对各类微观剩余油的动用程度。关键词:纳米CT;三维重建;多孔介质;微观剩余油中图分类号:TE622;TE622.1+4;TG115.23文献标识码:Adoi:10.3969/j.1000-6281.2015.03.007收稿日期:2014-12-23;修订日期:2015-01-14基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.51374221).作者简介:孙先达(1973-),男(汉族),博士后,高级工程师.E-mail:sunxianda@petrochina.com.cn我国大多数油田已经进入开发后期或特高含水期,开发上采取了聚合物驱和三元复合驱等手段来提高采收率,但是提高采收率的效果不是十分显著。为进一步提高聚合物驱或三元复合驱的开发效果,有必要进行微观剩余油的分布状态和赋存位置分析,进而为开发采取相应的手段提供依据。目前,国内各高校和油田企业多采用玻璃刻蚀模型、冷冻荧光薄片的方法来分析微观剩余油,但是玻璃刻蚀模型不是真实的孔隙结构,无法还原剩余油在多孔介质中的的真实赋存情况;冷冻荧光薄片的方法虽然可行,但只是局限在平面范围进行观察分析,不能还原孔隙的三维结构和孔隙中流体的原始三维形貌[1~3]。为此,笔者采用高衬度微纳米CT技术扫描水驱后柱状岩心样品(见表1),三维重建孔隙中微观剩余油的三维形貌,分析了不同微观剩余油的成因。1纳米CT技术纳米CT分析实际上是X射线检测和分辨率可达几十纳米的三维成像分析构成的,是一种成分和图像分析的高新技术。X射线检测基本原理就是射线衰减:(1)不同表1水驱基础数据表Table1Waterfloodbasicdatatable编号孔隙度(%)空气渗透率(mD)含油饱和度(%)驱替倍数(PV)水驱采收率(%)136.2123758.81050227.66119067.771048.72336.5150658.171046.15431.56167367.291048.28530.73159070.741047.46材料的原子序数不同,射线穿过后的衰减程度不同;(2)同材料内部存在不同密度的密度差异,射线穿过后的衰减程度不同;(3)同材料内部存在厚度差异,射线穿过后的衰减程度不同。CT的基本步骤大致分3步:一是二维投影图像的采集;二是将二维图像重组成三维数据即CT数据重建;三是三维数据的展现及分析。纳米CT分析的优点是:三维、无损、高分辨率和高衬度。能区分开浓度在千分之一差别的物质以及原子序数不同的物质,X射线纳米CT检测技术可以对含油岩心进行无损扫描,可以在直径2~25mm尺度上直接分析研究储层剩余油岩心样品,而且可以对油、水、岩石矿物进行定量检测,其微观分第3期孙先达:纳米CT技术在水驱后微观剩余油分布形态及量化分析中的应用辨率可以达到50nm,获得高分辨率的二维和三维图像。2获取断层图像信息获取清晰的二维断层图像是进行三维重建的基础[6],将样品放置于射线管及探测器之间,并旋转360°,每旋转一个角度采集一张二维图像,旋转角度<1°(图1)。通过扫描可以获取一系列的断层灰度图像(图2)。图1CT检测装置示意图。Fig.1CTdetectorschematicdiagram.图2CT断层图像示意图。Bar=400μmFig.2CTsliceimages.3孔隙中油水识别及三维重建通过三维图形观察油水分布位置和油水岩接触关系更直观,孔隙中的油水三维重建,需要经过投影、获取一系列投影图像、断层图像预处、切片重组、插值、油水目标分割、三维重建及显示的过程,如图3所示。图3三维重建流程示意图。Fig.3Three-dimensionalreconstructionoftheflowchart.但油中碳元素和水中的氢、氧元素原子序数比较近,图像上对应的灰度值也比较近,单纯通过人工识别很难区分油水的差别。所以,需要先建立岩心中水的标准样品和油的标准样品,然后用CT分别对标准样品扫描,获取对应的识别数值,进而识别出孔隙中的油和水分布(图4)。图4a为识别前的岩心CT切片,图4b为油水岩识别后的CT切片,蓝色的是水,红色的是原油,灰色的是岩石颗粒。通过油712电子显微学报J.Chin.Electr.Microsc.Soc.第34卷图4岩心油水岩CT切片。(蓝色为水,红色为油,灰色为岩石颗粒,白色为钙质矿物)a:油水岩CT原始断层图像;b:识别油水后的CT断层图像。Fig.4OilwaterandrockcoreCTimageslices.(Blueiswater,redisoil,grayisrockparticles,andwhiteiscalciummineral)图5岩心油水岩三维重建图像。Fig.5Three-dimensionalreconstructionimagesofoilwaterandrock.水识别后图片,可以清晰的观察油、水的分布位置以及这两者与岩石的接触关系。通过三维重建软件Imaris,把油水识别后的Z轴不同深度的系列层切图片三维重建成立体图像(图5)。通过水驱后的岩心进行三维CT扫描,油水岩石识别后的CT三维数据体进行三维重建。如图5所示,蓝色是水,红色是油,绿色部分是岩石颗粒。由图5a可以看出,岩石颗粒均一性比较好,含水比较高,只有少量油分布在岩石夹角处;图5b,5c是同812第3期孙先达:纳米CT技术在水驱后微观剩余油分布形态及量化分析中的应用一个岩心的三维重建图,图5b是油、水、岩石的三维重建图,图5c是油水的三维重建图,可以看出,长石沿着觧理溶蚀,油充填在长石的溶蚀孔内部;由图5d可以看出,原油在粒间形成油包水型乳状液;从图5e可以看出,原油与细小颗粒混合残留在喉道间;由图5f可以看出,剩余油分布在颗粒夹角处和粒缘缝处。4微观剩余油三维形态与成因分析根据水驱后三维重建的立体图形,分离出不同类型的三维剩余油分布形态(见图6)。结合前人在平面图像基础上对微观剩余油分布形态的定义,本文进一步提出了在三维形态基础上微观剩余油分布形态定义,分类如下图所示。图6微观剩余油类型三维图版。a:孔隙表面薄膜状剩余油;b:簇状剩余油;c:喉道状剩余油;d:角隅状剩余油;e:颗粒吸附状剩余油;f:乳状剩余油;g:粒间吸附状剩余油。Bar=20μmFig.6Microscopicresidualoiltypethree-dimensionalchart.a:Poresurfacefilmremainingoil;b:Tuftedremainingoil;c:Throatremainingoil;d:Cornersremainingoil;e:Particulateadsorptionremainingoil;f:Residualoilemulsion;g:Grainbetweenadsorptionremainingoil.结合上述三维剩余油分布形态与剩余油产生的三大原因:界面力影响、驱替动力不足和微观未波及,把微观剩余油分成三大类六种赋存状态。分别是束缚态、半束缚态、自由态剩余油[4](见图6)。束缚态:由界面力影响造成,吸附在矿物表面的剩余油,颗粒表面吸附力等界面力影响产生孔隙表面薄膜状剩余油(图6a)。毛管力产生颗粒吸附状剩余油(图6e)。针对束缚态剩余油,应该以降低界面张力为主,通过二元、三元等复合驱手段提高水驱剩余油的启动能力。半束缚态:由驱替动力不足造成,在矿物表面的外层或离矿物表面较远的剩余油,当孔隙联通性较差时,孔隙间喉道变窄,油滴通过时会由于贾敏效应产生角隅状剩余油(图6d)、喉道状剩余油(图6c)[5],针对半束缚态剩余油,可以考虑使用粘弹性更好的聚合物溶液,增加微观驱油能力和驱替相粘弹性来提高驱油能力。自由态:孔隙结构原因产生由微观未波及造成的剩余油,当岩石颗粒均一性较差时,流体会在大孔道形成优势通道,发生绕流现象,产生簇状剩余油(图6b)。原油粘度发生变化而产生剩余油,水驱后和三元复合驱后原油在孔隙中运移时会产生不同程度的乳化现象(图6f),当产生油包水型乳状液时,原油粘度会增加,运移的阻力就会增加,产生簇状剩余油。颗粒运移产生的剩余油,这种现象一般发生在含泥质较高或中高渗以上的样品中,粘土和岩石912电子显微学报J.Chin.Electr.Microsc.Soc.第34卷碎屑发生运移,与原油混合在局部富集,粘度发生变化,流动性变差,产生粒间吸附状剩余油(图6g)。可以考虑增加驱替相粘度或采用新型结构型聚合物,增加对自由态剩余油的驱动能力。5微观剩余油量化分析现有剩余油量化分析多为对岩样进行切片的二维平面分析,破坏了原有的孔隙结构和油水状态,纳米CT技术在无损条件下保护了原有的孔隙结构和油水分布。同时,因为无需破坏岩样,可以反复观察岩样在水驱、化学驱后的剩余油分布,有着传统方式不能比拟的重复性和可对比性。通过数字图像分析方法对水驱后不同类型微观剩余油进行量化统计,统计结果如表2所示。水驱后自由态占剩余油总量的60%以上,以孔隙表面薄膜状和颗粒吸附状为主;束缚态占占剩余油总量的30%以上,以粒间吸附状为主。从图7可以看出,水驱后孔隙表面薄膜状最多,占37.42%。其次粒间吸附状占27.91%,颗粒吸附状占24.23%。孔隙表面薄膜状、粒间吸附状和颗粒吸附状是下一步重点攻关目标。表2微观剩余油分布相对量Table2Therelativeamountofmicroscopicresidualoildistribution孔表薄膜状颗粒吸附状半束缚态(%)自由态(%)角隅状喉道状簇状粒间吸附状37.4224.233.071.845.8327.91图7微观剩余油相对含量分布图。a:微观剩余油赋存类型分布图;b:微观剩余油赋存状态分布图。Fig.7Microscopicresidualoilrelativecontentdistribution.a:Microscopicresidualoilreservoirtypeofdistribution;b:MicroscopicdistributionofremainingoilOccurrence.通过上述量化分析,可以直观的发现,束缚态和自由态剩余油类型占主要地位,为了后续开发调整进一步提高采出程度,有必要针对主要的剩余油分布形态开展相应的化学驱手段:开展复合驱降低界面张力,提高束缚态剩余油的动用能力;同时,提高驱替相粘度和结构,进一步提高驱替相的驱动力,提高自由态剩余油的动用程度。6结论(1)纳米CT技术能区分开浓度在千分之一差别的物质和原子序数不同的物质,在不破坏岩心内部结构和保持孔隙中流体原始状态的前提下,扫描驱替后岩心孔隙中原油和水的分布状态,并且可以量化分析不同类型微观剩余油的含量,是研究微观剩余油的有效手段。(2)水驱后原油在孔隙中运移时会产生不同程度的乳化现象,当产生油包水型乳状液时,原油粘度会增加,运移的阻力就会增加,产生簇状剩余油,这是通过CT技术新发现的一种的剩余油现象。(3)水驱后孔隙表面薄膜状最多,占37.42%,其次粒间吸附状占27.91%,颗粒吸附状占24.23%。孔隙表面薄膜状、粒间吸附状和颗粒吸附状是下一步重点攻关目标。参考文献:[1]李洁,隋新光,邵振波.大庆油田葡一组油层聚驱后剩余油微观分布规律研究[J].大庆石油地质与开发,2005,24(2):26-28.[2]张继成,李朦,穆文志,等.聚合物驱后宏观和微观剩余油分布规律[J].齐齐哈尔大学学报:自然科学学报,2008,24(1):31-36.[3]孙先达,索丽敏,张民志,等.激光共聚焦扫描显微镜检测技术在大庆探区储层分析研究中的新进展[J].岩石学报,2005,21(5):1479-1488.[4]孙先达.储层微观剩余油分析技术开发与应用研究022第3期孙先达:纳米CT技术在水驱后微观剩余油分布形态及量化分析中的应用[D].长春:吉林大学,2011.[5]李劲峰,曲志浩,孔令荣.贾敏效应对低渗透油层有不可忽视的影响[J].石油勘探与开发,1999,26(2):93-94.[6]陈闯,周淑秋,黎刚.医学CT三维重建[J].首都师范大学学报(自然科学版),2004,25:29-33.Applicationofnano-CTtechnologytothestudyofdistributionpatternsandquantitativeanalysisinmicroscopicresidualoilafterwaterfloodingandquantitativeanalysisSUNXian-da1,2,3(1.CollegeofPetroleumEngineeringofChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249;2.TheEORResearchInstituteofChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249;3.PetroleumExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDaqingOilfieldCo.Ltd.,DaqingHeilongjiang163712,China)Abstract:Itisthebasisofproducingremainingoilandimprovingreservoirdevelopmenttostudytheexistentstateanddistributionruleofmicro-remainingoilafterwaterfloodingorchemicalflooding.Atpresent,thegeneralanalysismethodofmicro-remainingoilisgrindingflakyrocksampleaftersealedcoring.However,theliquidoriginalexistentstatestoredinporousmediumisdamagedbyusingthismethod.Inthispaper,1000mDnaturalcoresofcertainblockinDaqingoilfieldwerechosentoconductdisplacementexperimentalprograms.Three-dimensionaldistributionstatesofremainingoilwerereappearancebyNano-CT:emulsus,intergranularabsorption-like,particlesadsorption-like,cluster-like,especiallytheremainingoilofcluster-likeproducedbyW/Oemulsionwhichwasneverdiscoveredby2Dobservationtechniquesbefore.Byfurtherquantitativeanalysis,themainremainingoildistributionstateinsampleswerefilm-likeofporesurface,intergranularabsorption-likeandparticlesadsorption-like.Keywords:nano-CT;3Dreconstruction;porousmedium;micro-remainingoil122
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