實(shí)際地層溫度壓力條件下的滲吸實(shí)驗(yàn)研究

曹庾杰，楊勝來，王君如，王夢(mèng)雨，于家義，王敉邦

（1. 中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石油工程教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2. 中國石油吐哈油田公司 勘探開發(fā)研究院，北京100083）

我國低滲透油藏地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，但儲(chǔ)層物性差及強(qiáng)非均質(zhì)特征導(dǎo)致注入壓力高、波及體積小、單井產(chǎn)量低、開發(fā)難度大［1-2］。為了有效開發(fā)低滲透油田，前人已嘗試了超前注水[3]、整體壓裂[4]等多種方法，但現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)效果一般。近年來，多級(jí)壓裂水平井注水吞吐被看作是開發(fā)低滲透油藏的一項(xiàng)潛力技術(shù)，而制約注水吞吐的重要因素是油水置換效率。滲吸作用主要依靠毛管力、重力和外加壓力發(fā)生油水置換，可以有效采出較小孔隙中的原油，從而增加單井產(chǎn)量、提高采收率［5-11］。國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)滲吸進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，但是大多數(shù)僅為常溫常壓滲吸實(shí)驗(yàn)，所謂的“動(dòng)態(tài)滲吸”也只是研究了流體流動(dòng)和一定溫度壓力狀態(tài)下的滲吸過程［12-16］。本文采用自行研制的滲吸實(shí)驗(yàn)裝置，模擬了實(shí)際地層溫度壓力條件下注水吞吐過程中的滲吸規(guī)律，并定量計(jì)算巖心滲吸深度范圍，加深了對(duì)滲吸采油規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

1 常溫常壓滲吸規(guī)律研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖心為三塘湖油田牛圈湖區(qū)塊低滲砂巖油藏天然巖心，利用Temco OPP-1 高壓孔滲儀、游標(biāo)卡尺測(cè)試了巖心基本參數(shù)（見表1）。實(shí)驗(yàn)用水為牛圈湖區(qū)塊低滲砂巖油藏實(shí)際地層水（見表2），實(shí)驗(yàn)用油由牛圈湖低滲砂巖油藏地層原油與煤油配制而成，模擬油20 ℃的黏度為20 mPa?s，密度為0.86 kg/m3。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心物性參數(shù)Table 1 The physical property parameter of experimental core

表2 地層水各離子類型的質(zhì)量濃度Table 2 Mass concentration of different ion types in for mation water mg/L

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)條件

巖心處理過程為：巖心編號(hào)→洗巖心→烘干→測(cè)試基礎(chǔ)參數(shù)（尺寸、孔隙度和滲透率）→抽真空飽和地層水→水驅(qū)測(cè)水測(cè)滲透率→油驅(qū)至束縛水→浸泡在模擬油中老化15 d。利用浮力稱重法測(cè)量不同滲吸時(shí)刻的質(zhì)量變化，然后計(jì)算各巖心的滲吸效率。 實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為大氣壓1.01×105Pa。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為常溫常壓滲吸實(shí)驗(yàn)裝置。將巖心懸掛在高精度天平上，完全浸沒在地層水中。該裝置是恒壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)錄入系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)及浮力懸掛稱重法的綜合運(yùn)用，有效地降低了實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中的計(jì)量誤差。由于滲吸過程為吸水排油，且油、水存在密度差，所以巖心質(zhì)量逐漸增加，滲吸效率計(jì)算公式為：

式中，Vt為t時(shí)刻滲吸出油的體積，cm3；?m為t時(shí)刻巖樣質(zhì)量的增加值，g；ρw為水的密度，g/cm3；ρo為模擬油的密度，g/cm3；V0為巖心初始飽和油的體積，cm3；η為滲吸效率，%。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 為常溫常壓自發(fā)滲吸效率與時(shí)間的關(guān)系。由圖2 可知，巖心滲吸280 h 后的滲吸效率為18%～24%，平均為21%。實(shí)驗(yàn)期間可觀察到油滴從巖心表面滲吸出來至脫離的完整過程，且前18 h 為巖心滲吸的主要階段，可達(dá)到最終滲吸效率的40%～60%；18 h 之后巖心滲吸效率明顯減慢，即認(rèn)為滲吸前期是巖心快速出油的主要階段，滲吸快速采油階段主要發(fā)生在巖心表層。

圖1 常溫常壓滲吸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Imbibition experiments of normal temperaturepressure device

圖2 常溫常壓自發(fā)滲吸效率與時(shí)間關(guān)系Fig.2 Graph of spontaneous imbibition efficiency over time at normal temperature and pressure

為了表示滲吸速率隨時(shí)間的變化關(guān)系，定義滲吸速率表達(dá)式為：

式中，?η為不同時(shí)刻滲吸效率變化量，%；η1、η2分別為t1、t2時(shí)刻滲吸效率，%；?t為時(shí)間變化量，h；t2、t1為時(shí)刻值，h；v為滲吸速率，%/h。

圖3 為滲吸速率與時(shí)間的關(guān)系。由圖3 可知，滲吸速率與時(shí)間呈冪函數(shù)遞減關(guān)系，前6 h 滲吸速率最快，為0.8～1.7 %/h；中期逐漸減緩，屬于過渡階段，滲吸速率為0.2～0.4 %/h；后期滲吸速率非常緩慢，約為0.02 %/h，滲吸速率變化很小。

圖3 滲吸速率與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between imbibition rate and time

2 實(shí)際地層溫度壓力條件下的滲吸規(guī)律研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖心為三塘湖油田牛圈湖區(qū)塊低滲砂巖油藏天然巖心，巖心基本參數(shù)如表1 所示。實(shí)驗(yàn)用水和實(shí)驗(yàn)用油同1.1 部分。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)條件

為了模擬注水吞吐過程中的滲吸作用，自主設(shè)計(jì)了實(shí)際地層溫度壓力條件下的滲吸實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。

圖4 實(shí)際地層溫度壓力條件下的滲吸實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 4 Imbibition experiments of actual reservior's tem?perature and pressure conditions device

恒溫箱加熱至45 ℃，將巖心放在滲吸釜鐵絲網(wǎng)支架上，加壓至20 MPa 進(jìn)行滲吸，然后計(jì)量滲吸出油的體積，并取出巖心進(jìn)行稱重，同時(shí)利用式（1）、（2）計(jì)算巖心的滲吸效率。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

巖心處理過程與2.2 相同。實(shí)際地層溫度壓力條件下的滲吸實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行7 個(gè)輪次，具體實(shí)驗(yàn)步驟為：

（1）將滲吸釜加熱到45 ℃，稱量飽和油巖心在45 ℃下的初始質(zhì)量，把巖心放入滲吸釜中，加壓到20 MPa；滲吸5 h，降壓至大氣壓力，計(jì)量滲吸出油的體積，然后打開釜蓋取出巖心，稱量巖心在45 ℃下的質(zhì)量（第1 輪次）。

（2）將巖心重新放入滲吸釜中，加壓到20 MPa；滲吸12 h，計(jì)量滲吸出油的體積和稱量巖心在45 ℃下的質(zhì)量（第2 輪次）。

（3）將巖心重新放入滲吸釜中，加壓到20 MPa；滲吸24 h，計(jì)量滲吸出油的體積和稱量巖心在45 ℃下的質(zhì)量（第3 輪次），依次進(jìn)行4、5、6、7 輪次實(shí)驗(yàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5 為實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸效率與時(shí)間、滲吸速率與滲吸輪次的關(guān)系。

由圖5（a）可知，巖心滲吸135 h（7 輪次）后的滲吸效率為24%～31%，平均為27%。前2 輪次為巖心滲吸的主要階段，可達(dá)到最終滲吸效率的40%～60%；第3 輪次開始滲吸速率逐漸減慢，即認(rèn)為滲吸前期是巖心快速出油的主要階段，實(shí)際地層溫度壓力條件下的滲吸快速采油階段主要發(fā)生在巖心表層。由圖5（b）可知，滲吸速率與時(shí)間呈冪函數(shù)遞減關(guān)系，第1 輪次滲吸速率最快，為2.6～3.6 %/h；中期逐漸減緩，屬于過渡階段，滲吸速率為0.1～0.5 %/h；后期滲吸速率非常緩慢，約為0.04 %/h，滲吸速率變化很小。

圖5 滲吸效率和滲吸速率時(shí)間與滲吸輪次的關(guān)系Fig. 5 The relationship between imbibition efficiency and imbibition cycle,imbibition rate and imbibition cycle

3 實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸與常溫常壓滲吸實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖6 為實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸與常溫常壓滲吸對(duì)比關(guān)系曲線。由圖6 可知，實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸效率比常溫常壓滲吸效率提升了5%～7%，且其滲吸速率也明顯高于常溫常壓滲吸速率。分析認(rèn)為，在高壓環(huán)境下，滲吸不止受到毛管力、重力作用，還受到外加壓力作用，從而更有助于油水發(fā)生滲吸置換；在高溫環(huán)境下，流體更易于流動(dòng)，可在一定程度上有效減小油水置換阻力。即實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸可以有效增加滲吸動(dòng)力、減小滲吸阻力，實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸采油效果明顯優(yōu)于常溫常壓滲吸采油效果。

圖6 滲吸與常溫常壓滲吸對(duì)比關(guān)系Fig.6 The comparison of imbibition and normal temperature,normal pressure imbibition

4 滲吸深度計(jì)算

根據(jù)前人提出“層滲吸理論”[17-18]，認(rèn)為前期滲吸快速采油階段主要發(fā)生在巖心表層。由此建立了計(jì)算滲吸深度的理想數(shù)學(xué)模型（見圖7），定量計(jì)算了巖心的滲吸深度。

圖7 巖心滲吸深度示意Fig.7 Schematic diagram of core's imbibition depth

具體計(jì)算過程為：設(shè)巖心滲吸深度為x，半徑為r，長(zhǎng)度為h，孔隙度為Φ，初始含油飽和度為Si，殘余油飽和度為Sor，滲吸效率為Es，則滿足方程：

經(jīng)化簡(jiǎn)可得到：

根據(jù)式（4）、（5），分別計(jì)算了各巖心不同滲吸時(shí)間下的滲吸深度（據(jù)研究區(qū)相滲曲線取殘余油飽和度Sor=0.35）。

圖8 為滲吸深度隨時(shí)間的變化。由圖8 可知，滲吸深度隨著時(shí)間的增加不斷增加；當(dāng)巖心滲吸140 h 后滲吸效率為17%～31%，滲吸深度為0.25～0.63 cm，占巖心半徑的20%～50%。即認(rèn)為前期快速滲吸采油階段進(jìn)入的深度屬于厘米級(jí)范圍，實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸深度大于低溫低壓滲吸深度。

圖8 滲吸深度隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of imbibition depth with time

5 結(jié) 論

（1）通過巖心實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸和常溫常壓滲吸實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸效率平均為27%，常溫常壓滲吸效率平均為21%，前者與后者相比滲吸效率可提升約6%。分析認(rèn)為，較高溫度壓力條件下滲吸可以有效增加滲吸動(dòng)力、減小滲吸阻力，有助于發(fā)生油水置換，使其滲吸效率明顯優(yōu)于常溫常壓滲吸效率。故提高地層壓力可在一定程度上提升滲吸效率。

（2）實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸在第1 輪次滲吸速率最快，為2.6～3.6 %/h；常溫常壓滲吸在前6 h 滲吸速率最快，為0.8～1.7 %/h，即實(shí)際地層溫度壓力條件下滲吸速率明顯高于常溫常壓滲吸速率。

（3）利用建立的滲吸深度理論計(jì)算模型，計(jì)算了各巖心不同滲吸時(shí)間的滲吸深度，得出巖心滲吸深度為0.25～0.63 cm。認(rèn)為前期快速滲吸階段進(jìn)入的深度屬于厘米級(jí)范圍，故對(duì)油藏儲(chǔ)集層進(jìn)行大面積壓裂（增加滲吸面積）是提升滲吸置換效率的有效途徑。