靜態(tài)滲吸對致密油開采效果的影響及其應(yīng)用

濮　御， 王秀宇， 濮　玲

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249； 2.青海民族大學，青海 西寧 810007)

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靜態(tài)滲吸對致密油開采效果的影響及其應(yīng)用

濮御1， 王秀宇1， 濮玲2

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249； 2.青海民族大學，青海 西寧 810007)

致密油儲層的孔喉細小、滲透率低，使得開發(fā)難度較大，但是以毛管力為基礎(chǔ)的靜態(tài)滲吸作用對致密油的開采十分有利。利用自行研制的靜態(tài)滲吸實驗測量裝置，進行了大量室內(nèi)實驗，研究出致密儲層的滲吸規(guī)律及其影響因素。實驗結(jié)果表明，溫度升高，靜態(tài)滲吸采出程度明顯增加；靜態(tài)滲吸采出程度受邊界條件的影響；降低地層水的礦化度，滲吸采出程度增加。另外，對實驗結(jié)果進行無因次化處理，曲線歸一性較好，可用于估計實際致密儲層的滲吸開采效果，這對提高致密儲層的采收率具有重要的指導意義。

致密儲層；靜態(tài)滲吸；影響因素；無因次時間

致密油是指以吸附或游離態(tài)賦存于生油巖中，或者與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移的油氣聚集[1]。致密油是繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的又一熱點，被石油工業(yè)界譽為“黑金”。我國致密油資源非常豐富，但是其勘探開發(fā)及相關(guān)研究處于起步階段[1]。與常規(guī)油藏相比，致密儲層孔喉細小、滲透率低，使得常規(guī)注水很難取得良好的開發(fā)效果[2]。致密砂巖儲層通常為水濕儲層，充分發(fā)揮以毛細管力作用為基礎(chǔ)的靜態(tài)滲吸作用可有效開采這類儲層。因此，加強致密儲層的滲吸排驅(qū)機理及影響因素的研究，對提高該類儲層采收率有著重要的指導意義。本文選取新疆油田致密砂巖儲層的天然巖心，利用自行研制的高精度靜態(tài)滲吸實驗測量裝置進行室內(nèi)實驗，研究了邊界條件、礦化度、溫度等因素對靜態(tài)滲吸采出程度及速率的影響，分析不同條件下的滲吸排驅(qū)規(guī)律及其影響程度，為新疆致密砂巖的大規(guī)模開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　致密儲層靜態(tài)滲吸驅(qū)油機理

滲吸作用在低滲、特低滲、裂縫性油藏注水開發(fā)中的作用越來越明顯。所謂滲吸是指在多孔介質(zhì)中，潤濕相流體依靠毛細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)條件下依靠毛細管力的作用潤濕相驅(qū)替非潤濕相[7]。致密儲層進行注水開發(fā)時，通常注入水在毛細管力作用下優(yōu)先進入小孔道，而這些較大的孔道在毛細管力和重力的作用下，驅(qū)出巖心孔隙中的原油。因此，小孔道吸水大孔道排油是致密水濕砂巖儲層靜態(tài)滲吸驅(qū)油的主要機理，其滲吸驅(qū)油的動力主要是相互連通的大小孔道的毛細管力之差和重力。根據(jù)油水交換方向的不同而將靜態(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，如圖1(a)所示。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，如圖1(b)所示。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。

圖1　反(逆)向滲吸與同(順)向滲吸示意圖

Fig.1Schematic of countercurrent imbibition and cocurrent imbibition

2　靜態(tài)滲吸實驗方法

靜態(tài)滲吸實驗常用的測量方法有兩種：分別為體積法和質(zhì)量法[8]。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，使其測定的原油體積不準確，致使靜態(tài)滲吸驅(qū)油效率存在較大的誤差[11]。另外，致密巖心孔隙體積有限，滲吸過程中的體積變化量極小，所以這也加劇了體積法的誤差。因此致密油藏不適合應(yīng)用體積法。傳統(tǒng)質(zhì)量法是人工手動稱量靜態(tài)滲吸過程中的巖樣質(zhì)量的變化量，由于滲吸初始階段巖樣質(zhì)量變化快，因而無法稱量出該變化過程中所有的質(zhì)量，加之滲吸實驗周期長，實驗員勞動強度高，所以該方法具有一定的局限性[12-13]。為了克服上述問題，設(shè)計了一種新型高精度電子式全自動靜態(tài)滲吸測量裝置，高精度電子天平計量靜態(tài)滲吸時巖樣的質(zhì)量變化量，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24 h不間斷地記錄巖樣的質(zhì)量變化情況，并能夠自動保存數(shù)據(jù)，大大降低了用戶操作的復雜性，提高了實驗效率和精度，其裝置簡圖如圖2所示。

圖2　靜態(tài)滲吸實驗裝置圖

Fig.2Schematic of apparatus for the spontaneous imbibition experiment

3　靜態(tài)滲吸規(guī)律研究

3.1實驗材料

巖心——采用新疆油田的天然致密水濕砂巖巖心，巖心長度為2.614～7.614 cm，直徑為2.472～2.510 cm，孔隙度為5.35%～28.62%，氣測滲透率為(0.101 7～24.240 0)×10-3μm2。巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。實驗用油為煤油，室溫下煤油黏度為3.0 mPa·s，密度為0.765 g/cm3。實驗用水按新疆油田的地層水配方配置而成，水型為NaHCO3水型，礦化度為30 000 mg/L。

表1　實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

3.2實驗步驟

(1) 將巖心清洗干凈，烘干至恒重，并測量其幾何尺寸、干重、孔隙度和空氣滲透率等參數(shù)；

(2) 將巖心抽真空100%飽和煤油，然后老化24 h，最后將其浸沒于煤油中待用；

(3) 配置地層水，抽真空2～3 h，以除去水中的溶解氣；

(4) 打開自行研制的實驗裝置，調(diào)試相關(guān)軟件；

(5) 將飽和油的巖心取出，除去表面的浮油后放入燒杯中，然后加入準備好的模擬地層水直至浸沒巖心。將溶液接觸巖心底部的時間作為滲吸時間的起點，記錄不同時刻下巖心的質(zhì)量的變化情況。

注：實驗方法參照中國石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5336—2006設(shè)計[14]。

由于油水之間的密度差異，巖樣自吸水排油，因此巖樣的質(zhì)量不斷增加。靜態(tài)滲吸的采出程度計算式為：

(1)

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

3.3實驗結(jié)果

3.3.1邊界條件對巖心靜態(tài)滲吸的影響當飽和油的巖心一部分被地層水包圍，另一部分被氣包圍時，在致密儲層中將發(fā)生驅(qū)替現(xiàn)象，如圖3所示。在巖心的上部，由于氣體的膨脹作用而呈現(xiàn)出氣侵現(xiàn)象；在巖心下部，由于水層的膨脹而發(fā)生水侵。巖心中所飽和進去的油將與侵入的不同流體相接觸而發(fā)生驅(qū)替過程。在巖心部分地或全部浸在氣體的情況下，不同類型的滲吸過程將控制原油的采出[7]。

巖心其他參數(shù)相近的情況下，不同邊界條件下的滲吸采出程度并不同，如圖4所示。造成這一現(xiàn)象的原因是，氣—液界面能高于液—液界面能，1/4液體+3/4氣體的總體界面能高于1/2+1/2氣體的總體界面能，其毛管力作用強，導致1/4位置巖心的滲吸采出程度明顯高于1/2位置的巖心，全開放巖心的采出程度最低。

圖3　圓柱型巖心的邊界條件示意圖

Fig.3Boundary condition of cylindrical cores

圖4　不同邊界條件下巖心滲吸采出程度與時間的關(guān)系

Fig.4Relationship between imbibition recovery factor and time by different boundary conditions

3.3.2溫度對致密巖心靜態(tài)滲吸的影響巖心基本參數(shù)相近的情況下，溫度不同，滲吸采出程度存在較大差異。由圖5可知，隨著溫度的升高，滲吸采出程度增加。所以，升高溫度有利于改善滲吸作用，增加最終采收率。

圖5　溫度對滲吸采出程度的影響

Fig.5Effect of temperature on imbibition recovery factor

事實上，溫度對靜態(tài)滲吸采出程度的影響是多方面綜合作用的結(jié)果。升高溫度時，巖石受熱膨脹，孔隙體積減小，增加了彈性能量，有利于滲吸排驅(qū)過程。同時，高溫在巖心內(nèi)部的熱傳導作用降低了原油黏度，黏滯力減小，增加了流動性，也有利于滲吸排驅(qū)過程。另外，升高溫度，潤濕系數(shù)增大，巖石親水性增強，將會降低殘余油飽和度，對滲吸有利。但是，溫度升高，油水界面張力減小，滲吸的毛細管力減小，這不利于滲吸排驅(qū)過程[7]。

3.3.3地層水礦化度對致密巖心靜態(tài)滲吸的影響

如圖6所示，選取Z6巖心，實驗從開始時一直置于30 000 mg/L的地層水中，一段時間后，滲吸采出程度幾乎不變。在10 000 min時，將地層水稀釋到3 000 mg/L，可以發(fā)現(xiàn)滲吸采出程度增加了2%左右。實驗表明，降低地層水的礦化度有利于改善滲吸作用，增加最終采收率。

圖6　地層水礦化度對滲吸采出程度的影響

Fig.6Effect of formation water salinity on imbibition recovery factor

低礦化度水之所以能夠提高采收率，這是因為巖心中的流體在低礦化度水的作用下發(fā)生了變化。P. L. McGuire等[15]發(fā)現(xiàn)注入低礦化度水后地層產(chǎn)出水的pH值會上升，原油的酸組分或極性組分發(fā)生皂化反應(yīng)，產(chǎn)生表而活性劑，起到乳化劑的作用，促使原油向水中擴散，增強了原油的流動性，有利于滲吸作用的發(fā)生。另外，注入低礦化度水，原來吸附在巖石表面的鈣離子被低礦化度水中的氫離子及其他離子取代，造成局部pH升高，擴散雙電層發(fā)生膨脹，氫氧根和原油組分發(fā)生反應(yīng)，原油在粘土礦物表面解吸附，巖石表面的帶電性被改變，巖石變得更水濕，正是潤濕性的改變增加了滲吸采收率[16]。

3.3.4致密油藏靜態(tài)滲吸等比例關(guān)系在靜態(tài)滲吸過程中，通常用特征長度反映巖心形狀和邊界條件的影響[17]。特征長度的計算公式如式(2)所示。

(2)

式中，Vb為巖心體積，cm3；Ls為巖心特征長度，cm；Ai為i方向的靜態(tài)滲吸面積，cm2；l為靜態(tài)滲吸面到非滲透邊界之間的距離，cm；n為參與滲吸的表面的數(shù)量。

為了能將室內(nèi)實驗結(jié)果與實際油田開發(fā)相結(jié)合， Rapoport在1955年提出了把實驗數(shù)據(jù)標度到油田條件下的基本理論。之后，Mattax和Kyte提出了適用于裂縫性水濕油藏滲吸采油的標度方程(MK模型)[18]，后來Mattax考慮到原油黏度、滲透率、孔隙度、表面張力等參數(shù)對滲吸的影響，把描述靜態(tài)滲吸的無因次時間參數(shù)tD定義為[17-19]：

(3)

式中：σ為油水界面張力，mN/m；φ為多孔介質(zhì)的孔隙度；K為多孔介質(zhì)的滲透率，mD；μw為水相黏度，mPa·s；μo為油相黏度，mPa·s；t為滲吸時間，s；Ls為巖心特征長度，cm。

根據(jù)相似準則，可以得到：

(4)

將實驗結(jié)果代入式(1)和式(3)，計算得到巖心滲吸采出程度與無因次時間，并繪制出二者的關(guān)系曲線，如圖7所示。利用相似準則(式(4))，把實驗室的巖心滲吸結(jié)果放大到油藏條件下，可間接預測和評價任意尺寸油藏實際滲吸采油量、采油速度以及采出程度等開發(fā)指標，使得室內(nèi)實驗更具有應(yīng)用價值，也為致密儲層的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

圖7　無因次采出程度與無因次時間之間的關(guān)系

Fig.7Relationship between imbibition recovery factor and dimension time

4　結(jié)論

(1) 由于致密巖心滲吸出來的油量很少，前人體積法和傳統(tǒng)質(zhì)量法測量裝置略有不足，所以本文設(shè)計了全自動高精度靜態(tài)滲吸測量裝置，實驗效果良好。

(2) 當飽和油的巖心一部分被地層水、一部分被氣包圍時，在致密儲層中將發(fā)生驅(qū)替現(xiàn)象。巖心其他參數(shù)相近的情況下，不同邊界條件下的滲吸采出程度并不同， 1/4液體+3/4氣體的總體界面能高于1/2+1/2氣體的總體界面能，其毛管力作用強，導致1/4位置巖心的滲吸采出程度明顯高于1/2位置的巖心，全開放巖心的采出程度最低。

(3) 室溫下靜態(tài)滲吸的采出程度可達到13.5%。將地層水稀釋10倍后，滲吸采出程度可提高到15.3%。實驗表明，降低地層水的礦化度有利于改善滲吸作用，增加最終采收率。巖心中的流體在低礦化度水的作用下發(fā)生了變化，地層產(chǎn)出水的pH會上升，原油的酸組分或極性組分發(fā)生皂化反應(yīng)，產(chǎn)生表而活性劑，起到乳化劑的作用，促使原油向水中擴散，有利于滲吸作用的發(fā)生。巖石變得更水濕，潤濕性的改變也增加了滲吸采收率。

(4) 實驗選取若干塊新疆致密水濕砂巖心，按照Mattax提出的方程計算出了無因次時間，并繪制出滲吸采出程度與無因次時間之間的關(guān)系曲線，曲線歸一性較好。

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(編輯王亞新)

Effect of Spontaneous Imbibition on Tight Reservoirs

Pu Yu1, Wang Xiuyu1, Pu Ling2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China； 2.QinghaiNationalitiesUniversity，XiningQinghai810007，China)

The tight oil resource is extremely abundant in China, but the production and researches of tight oil is just at the beginning stage. There are great challenges in developping the tight reservoirs. Although small pore size and low permeability can greatly increase the development difficulty, spontaneous imbibition mostly resulted from the capillary pressure is a very important and useful way for tight oil production. In the laboratory experiments through the homemade imbibition apparatus and the effects of different parameters on the imbibition recovery factor was investigated. The results show that the imbibition recovery factor is significantly increased with the increasing of temperature. For rocks with similar parameters ,the recovery factor is increased as the formation water salinity decreases within a certain range. The recovery factor by imbibition varied due to the different boundary conditions. In addition, the curves show good normalization character after processing the data with dimensionless, which can be used to estimate the actual production efficiency of the field. Undoubtedly, the research is of great significance for effectively developing the tight oil reservoir.

Tight sandstone; Spontaneous imbibition; Affecting factor; Dimension time

1006-396X(2016)03-0023-05

2016-03-08

2016-04-11

國家“973課題”——提高致密油儲層采收率機理與方法研究(2015CB250904)。

濮御(1989-)，女，碩士研究生，從事油氣田開發(fā)方面研究; E-mail：dongyoupuyu@126.com。

TE377

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.03.005

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn