一種電子式高精度靜態(tài)滲吸測量裝置的研究
——有效預測致密儲層的滲吸采收率

濮　御，王秀宇，楊勝來，濮　玲，馮學洋

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京　102249；2.青海民族大學化學化工學院，青海西寧　810007）

油氣工程

一種電子式高精度靜態(tài)滲吸測量裝置的研究
——有效預測致密儲層的滲吸采收率

濮御1，王秀宇1，楊勝來1，濮玲2，馮學洋1

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249；2.青海民族大學化學化工學院，青海西寧810007）

全球能源短缺迫使人們將注意力從常規(guī)能源轉(zhuǎn)移到非常規(guī)能源上。從技術(shù)可行性和經(jīng)濟可承受力角度分析，致密油、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源潛力巨大。但是其低孔、低滲的特點使其在開發(fā)過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，以毛管力為基礎的靜態(tài)滲吸作用成為開采這類儲層的有效方式。納米級的孔喉對滲吸實驗測量方法提出了新的標準和要求，因而需要更加重視實驗過程中的精確性。筆者論述了靜態(tài)滲吸的機理、方式，并對傳統(tǒng)方法的限制性和適應性進行了深度剖析，最終設計出了一種電子式高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置，極大地提高了實驗的精度，為今后研究致密儲層靜態(tài)滲吸效果提供了技術(shù)支持和理論指導。

靜態(tài)滲吸；滲吸機理；實驗方法；應用潛力評價

隨著常規(guī)油氣資源的日益減少，致密油、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源逐漸成為勘探開發(fā)的熱點，引起了國內(nèi)外的廣泛關注。當前針對非常規(guī)資源的開發(fā)正在不斷深入，評價儲層巖石的靜態(tài)滲吸規(guī)律有助于開發(fā)致密儲層。由于致密儲層的孔喉細小、孔隙度低，因而毛管力作用顯著，這使得靜態(tài)滲吸現(xiàn)象較常規(guī)儲層相比更加明顯［1，2］。所以，利用毛管力作用下的靜態(tài)滲吸現(xiàn)象可有效提高致密儲層的產(chǎn)量。體積法和傳統(tǒng)質(zhì)量法存在一定的局限性，無法滿足致密油、頁巖氣等非常規(guī)資源的實驗精度需求，因此本文設計了一種電子式高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置，能夠24 h不間斷地測量出滲吸過程中的質(zhì)量變化，并且原理簡單、精度高（0.000 1 g），可準確地評價致密儲層巖石的靜態(tài)滲吸能力。

1　靜態(tài)滲吸原理及分類

滲吸是油氣田開發(fā)中的一種常見的開采方式。所謂滲吸是指在多孔介質(zhì)中，潤濕相流體依靠毛管力作用進入巖石孔隙，并置換出其中的非潤濕相流體的過程［3-6］。靜態(tài)滲吸是油藏在靜態(tài)條件下依靠毛管力的作用潤濕相驅(qū)替非潤濕相［7］。致密砂巖油藏進行注水開發(fā)時，注入水在毛管力作用下首先進入小孔道，大孔道則依賴于相鄰連通的大小孔道之間的毛細管力之差將孔隙中的原油驅(qū)出。滲吸驅(qū)油的動力主要是相互連通的大小孔道之間的毛細管力之差?？梢姡】紫吨性偷膭佑贸潭冗h高于其他孔隙，所以靜態(tài)滲吸可以成為致密水濕砂巖油藏開發(fā)的一種有效開采方式。

圖1?。╝）反（逆）向滲吸示意圖、（b）同（順）向滲吸示意圖Fig.1 Schematic of countercurrent imbibition（a）and cocurrent imbibition（b）

根據(jù)油水交換方向的不同將靜態(tài)滲吸分為以下兩種［8-10］：反（逆）向滲吸和同（順）向滲吸。當吸入的潤濕相（水）和被排出的非潤濕相（油）的流動方向相反時，則為反（逆）向滲吸（見圖1（a））。反（逆）向滲吸時，毛管力為主要的驅(qū)油動力，這使得水相從與孔隙相連的小孔道吸入，置換出來的原油將從大孔道中排出。如果界面張力足夠低，重力的作用就會越來越突出進而成為滲吸的動力，此時滲吸將在較大的孔隙中發(fā)生，吸入的潤濕相（水）與被排出的非潤濕相（油）的流動方向相同，稱之為同（順）向滲吸（見圖1（b））。同（順）向滲吸時在重力作用下使得水從巖心底部吸入，而油則從巖心的頂部析出。通常反向滲吸效果更好，對油水交換效率也更高。

2　室內(nèi)實驗方法及應用潛力評價

滲吸現(xiàn)象在油氣田開發(fā)中是一種客觀存在的現(xiàn)象，而且是水濕致密巖石中一種不可忽略的驅(qū)油動力，因此已經(jīng)有許多人在實驗室對滲吸現(xiàn)象進行了模擬，相繼產(chǎn)生了一些實驗方法與裝置。常用的靜態(tài)滲吸實驗測量有兩種方法［8］：體積法和質(zhì)量法。

2.1體積法

體積法滲吸實驗測量裝置（見圖2），將巖心完全浸沒在裝有液體的滲吸瓶里，滲吸瓶上方為刻度管，在滲吸的作用下巖心內(nèi)部的潤濕相驅(qū)替出非潤濕相，由于油水重力的差異，滲吸出來的油將匯聚在滲吸瓶上方的刻度管中，通過觀察滲吸前后刻度管內(nèi)液面讀數(shù)的變化來測量巖心滲吸量，進而獲得滲吸采收率。

（1）優(yōu)點：體積法滲吸測量裝置外觀簡潔，操作方便，且易于批量操作。

（2）缺點：①對于致密巖樣，由于其自身孔喉細小、孔隙體積有限，滲吸過程中的體積變化量極小，此時刻度管讀數(shù)存在一定的誤差，影響實驗的準確度；②體積法只能測量出已經(jīng)脫離巖樣的原油體積，無法計量出附著在巖心壁上的油珠體積，致使刻度管收集到的原油體積不準確，因而所求出的靜態(tài)滲吸驅(qū)油效率存在較大的誤差［11］，使其應用受到限制。

（3）適用范圍：該方法適用于高孔隙度、高滲透率的巖樣。

圖2　體積法裝置圖Fig.2 Schematic of apparatus for the volumetric method

2.2傳統(tǒng)質(zhì)量法

傳統(tǒng)質(zhì)量法即人工手動測量方法［12］，其滲吸測量裝置（見圖3），將巖心放入盛滿鹽水的容器內(nèi)，測量滲吸過程中巖心質(zhì)量隨時間的變化情況。

（1）優(yōu)點：①測量裝置簡單，操作方便；②與體積法相比，能夠直觀地讀取滲吸量。

（2）缺點：①與體積法相比，很難進行批量操作；②巖樣初始階段滲吸速度快，巖樣質(zhì)量變化快，人工手動稱重可能無法稱量出相應所有的質(zhì)量，因而漏失掉部分數(shù)據(jù)，并且滲吸實驗周期長，實驗操作人員勞動強度大；③滲吸時，外界溫度、濕度變化引起的鹽水蒸發(fā)、組分的變化，都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，同時周圍氣流或者懸繩擾動均會造成天平的讀數(shù)不穩(wěn)定，這也加劇了誤差的存在。

圖3　傳統(tǒng)質(zhì)量法滲吸測量裝置Fig.3 Schematic of apparatus for the traditional quality method

3　電子式高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置

為了克服上述問題，筆者根據(jù)杠桿原理和力矩平衡原理設計出了一種新型電子式高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置（見圖4）。高精度電子天平計量靜態(tài)滲吸時巖樣的質(zhì)量變化，其計量精度可達到0.000 1 g，測量裝置具有數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)，能夠24 h不間斷地記錄巖樣的質(zhì)量變化情況，可更精確地記錄實驗數(shù)據(jù)。另外，本實驗測量裝置充分考慮了蒸發(fā)、氣流等因素對實驗的影響，最大限度地減小誤差。

圖4　電子式高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置圖Fig.4 Schematic of measuring apparatus for the electronic and highprecision spontaneous imbibition experiment

筆者所設計的靜態(tài)滲吸實驗測量裝置包括數(shù)據(jù)測量裝置和數(shù)據(jù)輸出裝置。數(shù)據(jù)測量裝置由高精度電子天平、巖樣懸掛架、質(zhì)量傳遞架、懸繩、容器、容器架、防蒸發(fā)蓋組成。而數(shù)據(jù)輸出裝置為數(shù)據(jù)傳輸線和計算機。質(zhì)量傳遞架與巖樣懸掛架由螺紋連接為一個整體，置于高精度電子天平的稱量盤上。巖樣懸掛架上懸掛懸繩，巖樣懸于懸繩下方并伸入至容器液面下方，容器置于容器架上。該容器架置于高精度電子天平稱量盤的上方，架子腿緊貼高精度電子天平的內(nèi)壁面，且不與稱量盤接觸。高精度電子天平的輸出端通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機相連接，方便信號的輸出。另外，懸繩由塑料制成，其直徑不大于0.13 mm。容器上方置有防蒸發(fā)蓋（四周均經(jīng)過磨砂處理），且其中心處含有直徑為0.3 mm的圓孔允許懸繩通過，可有效降低蒸發(fā)作用對實驗產(chǎn)生的影響。計算機自動記錄并保存質(zhì)量傳遞架所輸出的質(zhì)量隨時間的變化數(shù)據(jù)。最終按照式（1）計算靜態(tài)滲吸的采出程度，從而完成致密巖心的靜態(tài)滲吸效果的評價。

式中：Δm-t時刻巖樣質(zhì)量的增加值，g；ρw-潤濕相流體（注入水）的密度，g/cm3；ρo-非潤濕相流體（實驗用油）的密度，g/cm3；Vo-巖樣飽和油的體積，cm3；R-t時刻巖樣的滲吸采出程度，%。

4　新型裝置的優(yōu)點及適用范圍

筆者所設計的靜態(tài)滲吸實驗測量裝置具有如下優(yōu)點：

（1）操作簡單，巖心質(zhì)量隨時間的變化情況可以通過高精度電子天平的輸出端傳輸至計算機，計算機界面直接顯示巖樣的質(zhì)量變化量并自動保存，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集功能，便于觀察且計量方便。

（2）測試精確，改進后裝置的精度達到0.000 1 g，能夠記錄致密巖心滲吸過程中的微小質(zhì)量變化，且能夠24 h不間斷地測量出靜態(tài)滲吸量隨時間的變化情況。

（3）筆者所設計的實驗裝置集中在高精度電子天平的內(nèi)部，占地空間小，巖樣不必懸置于高精度電子天平的外部，減少了蒸發(fā)、氣流、懸繩擾動等因素對實驗的影響。

該裝置適用于致密油、頁巖氣等精度要求比較高的靜態(tài)滲吸實驗的測量，前景廣闊。

5　結(jié)論

常規(guī)的體積法適用于中、高滲透率的巖樣，傳統(tǒng)質(zhì)量法在精度上具有一定的限制性?？紤]到致密儲層對滲吸實驗儀器選擇的要求，筆者設計了電子式高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置，能夠直觀地反應出靜態(tài)滲吸的現(xiàn)象與規(guī)律，從而評價致密儲層巖石的靜態(tài)滲吸潛力，該裝置也適用于裂縫性油藏的開采以及壓裂液濾失與返排的分析。

該裝置占地空間小、操作簡單、精度高（0.000 1 g）、成本低，能直觀地反映出靜態(tài)滲吸實驗的現(xiàn)象與規(guī)律，可應用于精確度要求高的實驗研究中。通過室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，該裝置實驗效果非常好。

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A electronic and high-precision spontaneous imbibition measuring apparatus

PU Yu1，WANG Xiuyu1，YANG Shenglai1，PU Ling2，F(xiàn)ENG Xueyang1
（1.China University of Petroleum-Beijing，College of Petroleum Engineering，Beijing 102249，China；2.Qinghai Nationalities University，College of Chemistry and Chemical Engineering，Xining Qinghai 810007，China）

The concern of global energy shortage urges people to divert their attention from conventional oil and gas resources to unconventional oil and gas resources such as tight oil，shale gas.In consideration of technical feasibility and economical affordability，they are regarded as one of the most promising unconventional resources.However，there are many challenges in developing the tight reservoirs due to the low porosity and permeability.The spontaneous imbibition based on the capillary pressure can be an effective method of developingthe tight reservoirs.Nino-sized pore-throat put forward a new standard and requirement，which forces us to put emphasis on improving the accuracy of the experimental measurement. The author discusses the mechanism and mode of the spontaneous imbibition，detailedly analyses the limitation and application of the traditional ways，finally designs a electronic and high-precision spontaneous imbibition measuring apparatus.The homemade apparatus significantly improves the accuracy of the experiment，which provides a technical support and theoretical guide for studying the spontaneous imbibition performance of tight reservoirs in the future.

spontaneous imbibition；spontaneous imbibition mechanism；experimental method；potential evaluation of application

TE348

A

1673-5285（2016）05-0005-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.002

2016－04-07

國家“973課題”-提高致密油儲層采收率機理與方法研究，項目編號：2015CB250904。

濮御，女（1989-），2014年畢業(yè)于東北石油大學石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學（北京）油氣田開發(fā)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)方面的研究工作，郵箱：dongyoupuyu@126.com。