李靜鵬, 許冬進(jìn)*, 唐 昱, 石善志, 何小東
(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2.中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院, 克拉瑪依 834000)
隨著中國致密油藏的規(guī)?;_發(fā),逐漸形成致密油藏“保護(hù)儲層、增滲增能、洗油驅(qū)油”的多維一體化開發(fā)思路[1-2],協(xié)同長水平段水平井大規(guī)模儲層改造技術(shù),取得了可觀的開發(fā)效益[3]。
致密油藏孔隙連通性較差,孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地層流動空間狹小,常規(guī)提高采收率方式在致密油儲層中難以應(yīng)用[4]。中外致密油藏開發(fā)經(jīng)驗顯示,水平井壓裂施工作業(yè)結(jié)束后悶井,壓裂液通過裂縫與儲層基質(zhì)發(fā)生滲吸作用,壓裂液滯留儲層并將原油從儲層基質(zhì)置換至人工裂縫網(wǎng)絡(luò),返排時通過大規(guī)模壓裂液注入的增能效果將原油采出地面,因此,體積壓裂后悶井返排工藝能起到有效提高原油采收率的作用,壓裂液的“增能作用”“滲吸作用”“儲層傷害”程度決定了悶井返排工藝的效果[5]。中國致密儲層中泥質(zhì)含量高達(dá)16%~21%[6],泥質(zhì)成分中混合層黏土礦物如蒙皂石和伊利石均具有較強(qiáng)的水敏性,悶井滲吸過程中水敏性黏土礦物與壓裂液接觸會產(chǎn)生黏土膨脹,堵塞致密巖石孔隙喉道,傷害儲層,油田現(xiàn)場在儲層改造時使用KCl作為防膨添加劑進(jìn)行儲層保護(hù)。前人對黏土礦物的研究大多集中于其對水敏、水鎖效應(yīng)的影響,如張關(guān)龍等[7]研究了黏土礦物總量與儲層水敏性的關(guān)系;曹維政等[8]研究發(fā)現(xiàn)儲層中含有少量黏土礦物時,該儲層表現(xiàn)出中等偏強(qiáng)的水敏性;而在壓裂液滲吸作用過程中考慮黏土礦物含量的研究較少。
致密巖心孔隙喉道半徑小且連通復(fù)雜,孔喉連通性和喉道迂曲度無法判定,傳統(tǒng)致密巖心滲吸實驗方法[9-10]如質(zhì)量法、體積法、計算機(jī)斷層掃描及核磁共振法無法直接反映巖心內(nèi)部流體流動情況,現(xiàn)不僅采用常規(guī)致密天然/人工巖心質(zhì)量法研究儲層巖心和人造巖心的滲吸采收率,還采用玻璃管填砂來模擬巖心[11],以便于觀察出不同時刻填充介質(zhì)內(nèi)部濕相通過濕相-非濕相置換作用到達(dá)的位置(氣-液前緣),同時通過量筒計量正/逆向濕相置換量,為滲吸置換機(jī)理研究和工程中防膨劑的使用提供理論參考。
采用質(zhì)量法設(shè)計致密油動態(tài)滲吸實驗裝置,如圖1所示。選取新疆油田瑪湖致密油儲層鉆井過程的全直徑巖心作為實驗材料,利用線切割機(jī)將全直徑巖心切割成直徑2.5 cm,長度7.5 cm左右的標(biāo)準(zhǔn)小巖心A1、A2、A3;選取與天然巖心孔隙度、滲透率相似的人造巖心B1、B2、B3;巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實驗參數(shù)如表1所示。采用新疆油田原油配置模擬油,20 ℃ 黏度為3.234 mPa· s,密度為0.803 kg/m3,實驗用潤濕相為新疆油田現(xiàn)場壓裂液配方配置滑溜水壓裂液破膠液,壓裂液內(nèi)添加助排劑和不同含量防膨劑,黏度為8.234 mPa·s,油水界面張力為0.062 mN/m。
圖1 致密油動態(tài)滲吸實驗裝置Fig.1 Experimental device for dynamic imbibition of dense oil
表1 實驗巖心參數(shù)Table 1 The experimental core parameters
為研究巖心內(nèi)黏土礦物含量及壓裂液中防膨劑含量對壓裂液滲吸作用的影響,以質(zhì)量法為實驗手段,實驗步驟如下。
(1)將切割制樣、編號完成的巖心洗油兩周后烘干至恒重,測量各巖心的基本參數(shù)。
(2)將巖心抽真空,加壓飽和模擬油。飽和完成后將巖心放入模擬油中,在75 ℃ 烘箱內(nèi)放置3周老化。
(3)按照黏度要求將現(xiàn)場獲取的原油與煤油按一定比例配置模擬油;按照新疆油田現(xiàn)場體積壓裂施工使用壓裂液體系配方配制壓裂液。按照現(xiàn)場施工程序?qū)毫岩哼M(jìn)行交聯(lián)、破膠,之后對其進(jìn)行過濾,得到濾液用于滲吸實驗。
(4)巖心稱濕重,通過懸掛桿掛于反應(yīng)釜中,與壓裂液充分接觸,通過傳感器和軟件實時獲取巖心質(zhì)量與時間的關(guān)系,處理實驗數(shù)據(jù)。實驗溫度為25 ℃,實驗壓力為0.1 MPa。
利用質(zhì)量法測定滲吸采收率時,考慮巖心浮力等因素,結(jié)合受力分析方法推導(dǎo)出滲吸采收率公式為
(1)
式(1)中:E為滲吸采收率,%;α為巖心物性經(jīng)驗相關(guān)系數(shù),0.119;ρw為壓裂液密度,1.03 g/cm3;ρ0為模擬油密度, 0.8 g/cm3;V0為模擬油的體積,mL;Δm為質(zhì)量變化量,g。
玻璃管填砂實驗氣-水系統(tǒng)裝置圖如圖2所示。實驗所用玻璃管內(nèi)徑為2.5 cm,長度為40 cm。盛水容器1為20 cm×20 cm×20 cm上不封口玻璃缸,側(cè)面有孔,孔徑和玻璃管外徑相同(3 cm)。盛水容器2為廣口瓶。實驗裝置出口使用橡皮塞連接導(dǎo)管,接入量筒2收集氣體。量筒1和量筒2在實驗開始前裝滿水倒扣在玻璃管上方來收集滲析作用被驅(qū)出的氣體。氣-液系統(tǒng)實驗中,逆向置換的空氣從填充玻璃管左側(cè)排出,進(jìn)入量筒1。正向排出的空氣通過導(dǎo)管進(jìn)入量筒2。為了排出重力對潤濕相運(yùn)移的影響,實驗中保證盛水容器1的液面與填充玻璃管的上端持平。
圖2 氣-水系統(tǒng)實驗裝置圖Fig.2 Gas-water system experimental device diagram
實驗所用固體顆粒為300目石英砂,密度為2.65 g/cm3,表現(xiàn)為強(qiáng)水濕性。黏土礦物中蒙脫石的膨脹性最強(qiáng),因此填充黏土礦物選擇蒙脫石粉末,密度為2 g/cm3,實驗用樣如表2所示。實驗采用空氣作為非濕相,去離子水、20 g/L KCl溶液和40 g/L KCl溶液作為濕相。
表2 實驗用樣Table 2 Experimental samples
傳統(tǒng)的室內(nèi)靜態(tài)滲吸實驗中存在一些無法避免的誤差和局限性。相比于天然巖心或人工巖心,填砂玻璃管中孔喉連通性良好且不存在盲道,玻璃管透明可直接觀察潤濕相前緣運(yùn)移距離并通過量筒計算濕相置換量,通過控制黏土礦物含量和防膨添加劑含量研究黏土礦物對濕相運(yùn)移的影響,通過量筒1和量筒2測量正向/逆向置換空氣體積研究非濕相運(yùn)移規(guī)律。實驗步驟如下。
(1)將烘干處理后的石英砂和不同比例的蒙脫石填充玻璃管,玻璃管內(nèi)填充的砂柱長度為36.5 cm,填充物質(zhì)量為270 g。
(2)將填充好的玻璃管兩端用橡膠塞+玻璃膠密封,待玻璃膠干燥后連接氣瓶和皂膜流量計,測定填充管滲透率。
(3)按照圖2連接實驗裝置。在盛水容器1和2中緩緩倒入濕相,將盛滿濕相的量筒倒置固定好。觀察出不同時刻填充介質(zhì)內(nèi)部濕相到達(dá)的位置(氣-液前緣),同時通過量筒2和量筒1計量正/逆向濕相置換量的體積。
由于非濕相為空氣,所以采出程度計算式中的油相用氣相代替,濕相置換率計算公式為
(2)
式(2)中:R為t時刻玻璃管填充介質(zhì)的濕相置換率,%;ΔV為t時刻置換排出的氣體總體積,mL;V為總孔隙體積,mL。
滲吸實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。如圖3所示,天然巖心實驗結(jié)果中,滲吸液中添加防膨劑的巖心(A2、A3)滲吸采收率明顯高于滲吸液中無防膨劑含量時巖心的(A1)滲吸采收率,20 g/L KCl滲吸液的滲吸采收率比無防膨劑滲吸液采收率提高18.5%,40 g/L KCl滲吸液的滲吸采收率比20 g/L KCl滲吸液的滲吸采收率提高2.6%。
圖3 不同防膨劑含量天然巖心滲吸實驗Fig.3 The results of natural core imbibition experiment with different contents of anti-swelling agents
圖4 不同防膨劑含量人工巖心滲吸實驗Fig.4 The results of artificial core imbibition experiment with different contents of anti-swelling agents
如圖4所示,人工巖心實驗結(jié)果中,不同防膨劑含量的滲吸液的滲吸采收率變化不明顯,原因為人工巖心礦物組成中沒有黏土礦物。因此,多孔介質(zhì)中的黏土礦物對自發(fā)滲吸存在負(fù)面影響。
如圖5所示,當(dāng)其他條件不變時,5%黏土礦物含量的填充物置換均速為2%黏土礦物含量的填充物的0.4倍。表明黏土礦物含量越高,濕相-非濕相置換速度越慢。
圖5 1~4號填砂管氣-液前緣距離隨時間的關(guān)系Fig.5 The relationship between the gas-liquid front distance and time of No.1~4 sand filling pipe
如圖6所示,由于黏土礦物的膨脹性,孔隙中黏土礦物顆粒在接觸濕相時膨脹,導(dǎo)致氣-液界面的部分孔隙被堵住,非濕相難以被濕相置換出來,且隨著黏土礦物含量的增加,盲管越來越多,氣-液通道連通性變差。如表3所示,當(dāng)填充物為純石英砂時,逆向置換非濕相量可達(dá)到8 mL。但含有黏土礦物的填充介質(zhì)中,逆向置換非濕相量都在1.5 mL以下。
表3 不同黏土礦物含量時正/逆向濕相置換量Table 3 Positive/reverse wet phase displacement at different clay contents
Qg為非濕相的置換量;Qw為濕相的置換量圖6 孔隙中黏土礦物顆粒膨脹對濕相運(yùn)移方式的影響Fig.6 Effect of expansion of clay mineral particles in pores on the migration of wet phase
如表4所示,填砂管填充物為純石英砂時,多孔介質(zhì)均質(zhì)性強(qiáng),孔隙連通性好,濕相-非濕相置換率可達(dá)到88.96%。如圖7所示,從濕相置換率上看,黏土礦物含量為5%時,所需要的置換時間為純石英砂的2.29倍,濕相置換率為純石英砂的77.8%。
表4 不同黏土礦物含量填充物的濕相置換率和平均速度Table 4 Wet phase displacement ratio and average speed of fillers with different clay contents
圖7 不同黏土含量下濕相置換率Fig.7 Wet phase displacement in different clay contents
如圖8所示,比較2~7號填砂管可知,濕相由去離子水變?yōu)?0 g/L KCl溶液時,含黏土礦物填砂管濕相置換率明顯提高。4號填砂管的濕相置換率為69.22%,在20 g/L KCl溶液中,其濕相置換率可提高至85.2%。在濕相為20 g/L KCl溶液中,無論是濕相置換非濕相速度還是濕相置換率,都明顯高于濕相為去離子水時的值。
圖8 20 g/L KCl溶液對黏土礦物膨脹的抑制效果Fig.8 Inhibition effect of 20 g/L KCl solution on clay swelling
如圖9所示,填砂管4、7、8進(jìn)行比較,在濕相為40 g/L KCl溶液與20 g/L KCl溶液實驗結(jié)果顯示,濕相置換率提高3.3%,表明20 g/L KCl溶液無法完全抑制黏土礦物膨脹,在40 g/L濃度KCl溶液中,5%黏土礦物填砂管的濕相置換率為88.5%,與純石英砂填砂管相差0.46%。
圖9 不同濃度KCl溶液對5%黏土礦物含量填充介質(zhì)濕相置換率的影響Fig.9 The effect of different concentrations of KCl solution on the wet phase replacement rate of 5% clay mineral content filled medium
在水平毛細(xì)管中,濕相液體吸入的速率依賴于毛細(xì)管力,吸入實際長度隨時間的變化關(guān)系為
(3)
式(3)中:hf為毛細(xì)管吸入長度,cm;λ為毛細(xì)管直徑,cm;σ為潤濕液體表面張力,N/m;t為時間,s;θ為接觸角,(°)。μw為濕潤液體黏度,Pa·s。
式(3)為LW模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12],對式(3)進(jìn)行對數(shù)變換得
(4)
(5)
由式(5)可知,LW模型在對數(shù)變換后,變量lghf與自變量lgt滿足斜率為0.5的線性關(guān)系。在填砂管模型中,由于填充介質(zhì)為純石英砂,相比于儲層基質(zhì)來說,有更好的均質(zhì)性,可看作毛細(xì)管束模型,對填砂管3濕相運(yùn)移前緣隨時間的關(guān)系利用式(5)進(jìn)行對數(shù)變換后進(jìn)行分析,結(jié)果如圖10所示。由圖10可知,填砂管3線性擬合方程斜率為0.483 4,與LW毛細(xì)管滲吸模型的斜率0.5相比,滲吸規(guī)律擬合較好。
圖10 填砂管3濕相運(yùn)移前緣與時間的對數(shù)關(guān)系Fig.10 Logarithmic relationship between the front edge of the wet phase migration of sand-filled pipe 3 and time
(1)通過人工巖心和天然巖心滲吸實驗結(jié)果可知,黏土礦物含量與壓裂液滲吸采收率呈負(fù)相關(guān),防膨劑含量與壓裂液滲吸采收率呈正相關(guān),20 g/L KCl防膨劑添加量即可有效抑制黏土礦物膨脹。
(2)通過玻璃管填砂實驗可知,非濕相逆向排出只發(fā)生在實驗初期,且逆向排出量占總排出量比例極小。黏土礦物遇水膨脹會阻礙非濕相運(yùn)移,潤濕前緣突進(jìn)速度變慢,總采收率減少。
(3)LW毛管束模型能夠較好擬合填砂管實驗潤濕前緣運(yùn)移結(jié)果,表明填砂管實驗滿足LW模型的約束條件。