低滲透油藏動(dòng)態(tài)滲吸機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)字巖心模擬

王云龍， 胡淳竣， 劉淑霞， 王長權(quán)， 張海霞， 許詩婧， 梅 冬， 王晨晨， 喻高明*

(1.黑龍江省油層物理與滲流力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 大慶 163712; 2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100；3.長江大學(xué)非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 武漢 430100)

低滲油氣資源雖難以完全開發(fā)，但由于其在世界范圍內(nèi)豐富的資源儲(chǔ)量，各個(gè)國家已經(jīng)著力于進(jìn)行相應(yīng)的研究。根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)，低滲透性致密儲(chǔ)層包括低滲透油藏(基質(zhì)滲透率為0.1～10 mD)和致密儲(chǔ)層(滲透率小于0.1 mD)[1]。中國的低滲透油氣資源有著廣泛的分布，截止到目前，已探明的低滲透油藏儲(chǔ)量占中國總原油地質(zhì)儲(chǔ)量的54%[2-3]。如此廣闊的分布與巨大的占比注定了低滲透油氣資源舉足輕重的地位，并且其所占比例會(huì)隨著未來石油資源勘探技術(shù)的發(fā)展而繼續(xù)增大[4]，提高低滲油藏的有效開發(fā)亟待理論及技術(shù)支持。

因?yàn)榈蜐B油藏在滲流機(jī)理等方面與中高滲油藏相比的顯著差異，決定了低滲油藏在開發(fā)過程中要面臨很多困難，存在著采收率難以提高、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。巖石物理特性的表征和滲流規(guī)律的研究是其研究的主要關(guān)鍵目標(biāo)。在低滲油藏中一般存在裂縫，當(dāng)基質(zhì)-裂縫共生時(shí)，滲透率較小的基質(zhì)扮演著儲(chǔ)油的角色，時(shí)常會(huì)伴有大量未采出的殘余油；而滲透率大的裂縫則扮演著導(dǎo)流的角色，對(duì)提高效益的需求亟待更先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)及工藝。更有研究表明裂縫的發(fā)育會(huì)導(dǎo)致油藏發(fā)生水竄，抑或是加重水淹現(xiàn)象，這些都對(duì)基質(zhì)巖塊中殘余油的開采有著負(fù)面影響[5]。

滲吸過程定義為多孔介質(zhì)自發(fā)吸入某潤濕相流體[6]。對(duì)于滲吸的機(jī)理、規(guī)律、影響因素等研究一直受到中外許多學(xué)者的關(guān)注，特別是對(duì)于低滲油藏的開發(fā)，許多學(xué)者將其視為一種能夠有效提高低滲油藏開發(fā)程度，提高經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵方式[7-9]。在常規(guī)儲(chǔ)層中，影響滲吸的因素有界面張力、潤濕性、油黏度以及油水密度差。但是，在低滲致密油藏中，除了上述因素外，還應(yīng)包括其他一些因素。在致密儲(chǔ)層中，天然微裂縫無處不在，對(duì)將油從基質(zhì)中驅(qū)替出來起著關(guān)鍵作用，特別是在低滲油藏的注水開發(fā)過程中，若能加強(qiáng)滲吸作用，將原油從基質(zhì)中置換出來，對(duì)低滲透油藏的注水開發(fā)效果、經(jīng)濟(jì)效益等都能有顯著提升，由此，對(duì)滲吸作用的機(jī)理及其滲流規(guī)律進(jìn)行研究至關(guān)重要[10-12]。

通過對(duì)滲吸作用機(jī)理與滲流理論的研究，并充分考慮重力與毛細(xì)管力的影響，王敬等[13]基于以上研究，通過數(shù)學(xué)方法建立起了一系列的數(shù)學(xué)模型并分析計(jì)算，得到了滲吸作用的采收率會(huì)隨著原油黏度的增加而降低這一結(jié)論，究其原因，為多孔介質(zhì)中，原油流動(dòng)時(shí)受到的阻力會(huì)隨其黏度的增大而增加。對(duì)于表面活性劑的研究表明，表面活性劑通過改變巖石潤濕性進(jìn)而改善滲吸作用。在實(shí)驗(yàn)中，巖心滲吸作用的強(qiáng)度規(guī)律表現(xiàn)為: 強(qiáng)水濕性巖心>中等水濕性巖心>弱水濕性巖心。因此，對(duì)于提高滲吸采收率，表面活性劑的應(yīng)用有較大前景[14-19]。

目前，有不少關(guān)于致密/頁巖地層的納米孔和納米流體的相關(guān)研究。Leng等[20]使用微機(jī)算機(jī)掃描技術(shù)(micro computed tomography, Micro-CT)和Nano-CT研究了不同尺度致密儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。Zhong等[21]通過各種方法研究了致密儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征。如果基質(zhì)是強(qiáng)烈或部分水濕的，自發(fā)滲吸通常被認(rèn)為是通過水驅(qū)或浸泡在具有低滲透性的天然裂縫儲(chǔ)層，從基質(zhì)中取代油的重要機(jī)制。較低的滲透率意味著較大的毛細(xì)管力，這是滲吸的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于低滲、特低滲油藏，甚至致密油藏而言，滲吸作用是采油的重要機(jī)理。目前中外對(duì)滲吸作用的研究均處在理論層面，由于低滲透多孔介質(zhì)的復(fù)雜性，很難直接通過巖心實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型反應(yīng)實(shí)際地層情況。

因此，現(xiàn)提出運(yùn)用數(shù)字巖心技術(shù)對(duì)油藏滲吸作用進(jìn)行研究，對(duì)松遼盆地某區(qū)域巖心樣品通過綜合Micro-CT掃描、數(shù)字巖心三維重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低滲儲(chǔ)層數(shù)字巖心滲吸過程的模擬，與實(shí)驗(yàn)室?guī)r心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)對(duì)照，以期為油藏滲吸作用的機(jī)理研究提供新的思路，對(duì)實(shí)際油藏開發(fā)起到指導(dǎo)的作用。

1 研究方法

1.1 數(shù)字巖心模擬原理

目前致密油的主要開發(fā)方法是衰竭式開發(fā)。由于致密儲(chǔ)層的孔喉通常為微米-亞微米級(jí)，因此儲(chǔ)層壓力傳播速度甚至比傳統(tǒng)的中高滲透率油藏更快。致密油藏中的裂縫系統(tǒng)是油向井筒方向流動(dòng)的主要流動(dòng)通道，對(duì)儲(chǔ)層壓力的急劇變化更為敏感。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)儀器精度的限制，使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法不能精確地獲得致密油藏納米尺寸下的滲流參數(shù)。利用微米CT掃描獲取巖心三維孔隙結(jié)構(gòu)并建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，模擬了致密巖心的滲吸機(jī)理(圖1)。與室內(nèi)巖心滲吸實(shí)驗(yàn)相比較，驗(yàn)證了數(shù)字巖心滲流模擬方法的準(zhǔn)確性。利用數(shù)字巖心滲流模擬結(jié)果對(duì)常規(guī)油藏模型進(jìn)行修正，新模型對(duì)預(yù)測(cè)致密油滲吸機(jī)理具有較高的置信度。

對(duì)于孔隙空間的研究，則是基于拓?fù)鋵W(xué)的原理，通過最大球算法對(duì)其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對(duì)于圖像中孔隙空間中的每個(gè)體素，首先查找出以其為中心填充在孔隙空間中最大球。最大球定義為孔隙，相鄰連接的一系列球定義為喉道，將孔隙空間通過孔隙和喉道相連的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確描述。進(jìn)而可以計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元(孔隙或者喉道) 的特征參數(shù)，如半徑、體積、形狀因子等。通過網(wǎng)絡(luò)提取算法得到的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型為接下來多相流動(dòng)的快速和精確模擬提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

圖1 基于CT掃描的數(shù)字巖心構(gòu)建Fig.1 Digital core construction based on CT scan

在進(jìn)行滲流模型模擬時(shí)，對(duì)模型作如下假設(shè)：①多孔介質(zhì)中的流體不可壓縮且符合牛頓流體；②多相流體間不發(fā)生混相；③黏性壓力降很小、可以忽略不計(jì)；④流動(dòng)由毛管力控制。由于該驅(qū)替過程發(fā)生在孔隙尺度上，因此通過活塞式驅(qū)替進(jìn)行模擬。另外，由于考慮了潤濕滯后這一效應(yīng)，使得模型對(duì)潤濕性的表征即使在孔隙尺度上也同樣有效。

驅(qū)替和自發(fā)吸入的滲吸過程，可以通過孔隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬。只需將模型飽和某一流體，給定一個(gè)驅(qū)動(dòng)壓差(PI-PO)，然后統(tǒng)計(jì)流體流量，由達(dá)西公式便可算得巖心的絕對(duì)滲透率，公式為

(1)

式(1)中：K為絕對(duì)滲透率，μm2；μi為i相流體的黏度，mPa·s；Qi為模型完全飽和i相流體時(shí)在模型所加壓差下的流量，cm3/s；A為模型截面積，cm2；L為長度，cm。

當(dāng)確定了孔隙形狀與油水界面接觸角后，就可以計(jì)算出相應(yīng)的毛細(xì)管力。由于數(shù)字巖心模型是通過規(guī)則的幾何形狀來表征孔隙空間的，因此對(duì)于各個(gè)孔隙孔喉，只需借助幾何知識(shí)進(jìn)行計(jì)算求解便可得出其中油水分布的情況。計(jì)算模型整體的含水飽和度Sw則只需考慮所有孔隙孔喉，通過計(jì)算其中的油水量之后，可得

(2)

式(2)中：n為孔隙和孔喉的總數(shù)；Vi為i孔隙或孔喉的體積，cm3；Viw為對(duì)應(yīng)的孔隙孔喉中含水的體積，cm3。

對(duì)于每一個(gè)孔隙，有流量守恒，即

(3)

式(3)中：Zi為與i孔隙相連的孔喉數(shù)，即配位數(shù)；qij為孔隙i和j之間的流量。

(4)

式(4)中：Lij為兩孔隙間的距離，cm；gij為兩孔隙間的總傳導(dǎo)率，它是兩孔隙和孔隙間孔喉的傳導(dǎo)系數(shù)的調(diào)和平均；Pi、Pj分別為由喉道相連的兩孔隙的壓力，MPa。

(5)

式(5)中：gij為i、j兩孔隙間的總傳導(dǎo)率，cm4/(MPa·s)；Lij為孔隙i和孔隙j間的距離，cm；Li、Lj、Lt分別為孔隙i、孔隙j和喉道t的長度，cm；gi、gj、gt分別為孔隙i、孔隙j和喉道t的傳導(dǎo)率，cm4/(MPa·s)。

對(duì)上述式子組成的線性方程組可用于網(wǎng)絡(luò)模型中所有的孔隙求解，進(jìn)而算出各個(gè)孔隙間的壓力及流量。

1.2 室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)試

滲吸實(shí)驗(yàn)裝置主要包括巖心室、電子天平、巖心固定裝置、溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、升降臺(tái)(圖2)。實(shí)驗(yàn)巖心通過巖心固架與精密電子天平相連，同時(shí)將電子天平所獲取的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，巖心和巖心固架位于巖心室內(nèi)，巖心室、燒杯放置于帶有溫度控制系統(tǒng)的恒溫箱中。

圖2 儀器裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment

實(shí)驗(yàn)過程如下。

(1)將選用的巖心對(duì)半切割重新測(cè)量長度、直徑、孔隙度及滲透率后，使用抽真空飽和實(shí)驗(yàn)裝置抽真空并加壓飽和地層水，隨后置入巖心夾持器中，通過氣驅(qū)建立束縛水，通過稱量氣驅(qū)前后巖心質(zhì)量計(jì)算束縛水飽和度及巖心中的飽和油量Vo。然后用模擬地層油飽和，飽和完畢老化24 h。

(2)用細(xì)銅絲纏繞巖心并將其懸掛在實(shí)驗(yàn)裝置的天平正下方掛鉤上，并在其正下方的升降臺(tái)上放置裝有地層水的燒杯，通過調(diào)節(jié)銅絲長度和升降臺(tái)高度保持實(shí)驗(yàn)時(shí)巖心完全浸泡在液體中部而不接觸杯壁。

(3)用秒表從巖心浸入液體的瞬間開始計(jì)時(shí)進(jìn)行自吸實(shí)驗(yàn)。記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)間與對(duì)應(yīng)的巖心質(zhì)量的變化情況，直至無油析出且?guī)r心質(zhì)量恒定則實(shí)驗(yàn)結(jié)束。計(jì)算巖心的滲吸速度、滲吸采收率、自吸采油量，分別繪制其與時(shí)間的關(guān)系曲線。

采收率的計(jì)算公式為

(6)

式(6)中：m為巖心質(zhì)量，g;ρw為巖心中束縛水的密度，g/cm3;ρo為巖心中飽和油的密度，g/cm3；Vo為巖心中飽和油量，mL；R為滲析采收率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 數(shù)字巖心分析結(jié)果

選取松遼盆地某油田5塊巖心樣品掃描CT建立三維數(shù)字巖心模型(圖3)，并提取相應(yīng)的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(圖4)。基于數(shù)字巖心和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，可以對(duì)巖心的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，如表1所示。

圖3 不同樣品的數(shù)字巖心模型Fig.3 Digital core models for different samples

圖4 不同樣品的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Pore network model of different samples

表1 樣品的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of samples

基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，可以進(jìn)行滲流模擬，孔隙空間中不同相流體之間的驅(qū)替可半解析地進(jìn)行計(jì)算，通過表達(dá)式計(jì)算出不同形狀因子和尺寸的孔隙/喉道的毛管壓力閾值，給網(wǎng)絡(luò)單元分配不同的接觸角用來模擬不同的潤濕性。

對(duì)孔隙網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行油水兩相滲流模擬，步驟如下：①設(shè)置模型，將其孔隙內(nèi)充滿水，此時(shí)模型飽和水，模型強(qiáng)親水；②對(duì)模型油驅(qū)水至束縛水飽和度，過程中網(wǎng)絡(luò)模型的潤濕性會(huì)發(fā)生改變；③設(shè)置模型四周充滿水，模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的巖心浸泡自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)。在油驅(qū)水和水驅(qū)油過程中可計(jì)算油水驅(qū)替相對(duì)滲透率曲線和吸吮相對(duì)滲透率曲線。通過局部毛管力平衡，每一步驅(qū)替一個(gè)孔隙和喉道，進(jìn)而計(jì)算出兩相或三相流中任意的飽和度變化。實(shí)驗(yàn)中5個(gè)樣品計(jì)算出的束縛水飽和度，殘余油飽和度及滲吸采收率如表2所示。

2.2 室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

孔隙度通過波義耳定律法測(cè)得，滲透率通過軸向流，巖心柱塞穩(wěn)態(tài)法測(cè)得。滲吸實(shí)驗(yàn)設(shè)定為地層溫度(60 ℃)，實(shí)驗(yàn)流體為地層水與模擬地層原油(10.02、18.36 mPa·s)。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了該區(qū)塊的5塊天然巖心的孔隙度和滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 樣品三維巖心模型計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of 3D core model of sample

由表3可知，地層溫度下的巖心自發(fā)滲吸采收率高于常溫條件下的巖心自發(fā)滲吸采收率，這主要是在高溫條件下，巖心的水濕性增強(qiáng)，巖心自吸水排油的能力增強(qiáng)，且?guī)r心滲透率較高，孔喉較大，自吸水排油受到的阻力較小。

5塊巖心滲吸速度和滲吸采收率與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，垂直懸掛的巖心最終自吸采收率比水平懸掛的巖心高，原因在于垂直放置時(shí)軸向滲透率大于切向滲透率，滲吸發(fā)生時(shí)軸向主要起到的重力分異作用明顯，產(chǎn)出油量大，采出程度高；水平放置的巖樣，水平滲透率大于垂向滲透率，這樣滲吸后排出油的方向只能由側(cè)向出，但不容易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，垂直懸掛的巖心原油主要從巖心頂端和側(cè)面析出，這主要是毛管力和重力分異的共同作用；水平懸掛的巖心原油主要從兩端和上部析出，這主要是毛管力的作用。

表3 巖心浸泡自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)Table 3 Core soaking spontaneous imbibition experiment

注：樣品(1)、樣品(2)均為原樣品對(duì)半切割；樣品1～樣品3為常溫下數(shù)據(jù)；樣品4、樣品5為60 ℃時(shí)數(shù)據(jù)。

圖5 樣品1～3巖心滲吸采收率與滲吸時(shí)間關(guān)系曲線(常溫)Fig.5 Relation curve between imbition oil recovery and imbibition time of core samples 1 to 3(room temperature)

圖6 樣品4、樣品5巖心滲吸采收率與滲吸時(shí)間關(guān)系曲線(60 ℃)Fig.6 Relation curve between EOR and imbibition time of core sample 4 and sample 5(60 ℃)

通過對(duì)比數(shù)字巖心結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的孔隙度、滲透率略小于通過CT掃描所建立的數(shù)字巖心模型的孔隙度、滲透率，這種差異是由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)孔隙度為有效連通孔隙，而數(shù)字巖心所建立的模型為全部孔隙空間，包括一些死孔隙?？紤]滲透率時(shí)，數(shù)字巖心模型較實(shí)際巖心實(shí)驗(yàn)更為理想，因而兩者皆略有差異。在計(jì)算滲吸過程后，數(shù)字巖心模型的滲吸采收率也略大于實(shí)驗(yàn)組，誤差可能是由于數(shù)字巖心模擬滲吸過程沒有考慮老化時(shí)間對(duì)巖心的影響，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中老化過程導(dǎo)致巖心潤濕性有一定改變。然而通過對(duì)比，仍可以認(rèn)為數(shù)字巖心技術(shù)能較為準(zhǔn)確地模擬巖心滲吸過程，這對(duì)于實(shí)際油藏考慮滲吸作用開發(fā)具有重要意義。通過數(shù)字巖心的建立，可以發(fā)現(xiàn)該油田巖石孔隙喉道多且細(xì)小，單純的水驅(qū)開發(fā)無法將孔隙中的殘余油采出，實(shí)驗(yàn)中共做了5組巖心樣品對(duì)照，可以看出通過自發(fā)滲吸采油的采收率結(jié)果相近，綜合對(duì)比，與預(yù)期中該油田通過滲吸作用開發(fā)可有效增加產(chǎn)量相符合。

3 結(jié)論

(1)影響滲吸效率的因素復(fù)雜，各種因素起作用的條件各不相同，其中敏感性因素主要是巖石物性、原油性質(zhì)、介質(zhì)類型、溫度等。在自發(fā)滲吸過程的初期，由毛細(xì)管力占據(jù)主導(dǎo)影響因素，而重力作用對(duì)滲吸影響較小，但隨著自發(fā)滲吸過程的進(jìn)行，重力作用的影響反而更加顯著。

(2)相同條件下，滲透率越低，毛管力越大，滲吸動(dòng)力越強(qiáng)，但滲吸效率受巖塊大小、界面張力、黏滯阻力影響顯著。巖塊越小、原油黏度越低，滲吸采收率越高。毛細(xì)管壓力和重力是滲吸的主要驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于中高滲巖樣，毛管力較小，但重力分異作用發(fā)揮更充分。對(duì)低滲特低滲儲(chǔ)層在有利條件下(高角度裂縫)可獲得更高的采收率。

(3)數(shù)字巖心作為一種新型技術(shù)，研究表明對(duì)致密油藏的滲流機(jī)理研究有一定的運(yùn)用潛力。模擬得到的滲透率、孔隙度參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果誤差較小，并且數(shù)字巖心技術(shù)提取的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型與真實(shí)巖心相近，綜合推斷出數(shù)字巖心實(shí)驗(yàn)的兩相滲流模擬結(jié)果較為真實(shí)可信。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)字巖心模擬結(jié)果同時(shí)表明，自發(fā)滲吸作用效果受致密砂巖的孔喉半徑影響?？缀戆霃皆叫?，導(dǎo)致毛管力越大，因而滲吸時(shí)間增長，滲吸量增大。該結(jié)論對(duì)于研究油藏滲吸作用的機(jī)理有著重要意義，并為油田的增產(chǎn)開發(fā)提供思路。

(5)將低滲油藏作為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)室自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)與數(shù)字巖心技術(shù)的結(jié)合，研究低滲油藏的滲吸特性。由于低滲油藏大多存在自發(fā)滲吸作用，因此對(duì)于實(shí)際的開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，建議進(jìn)行較長時(shí)間的悶井作業(yè)以促進(jìn)滲吸作用，進(jìn)而提高采收率。