低滲透巖心自然滲吸實驗新方法

鐘家峻，楊小軍，陳燕虎，唐 海，呂棟梁，張 媛

（1.西南石油大學(xué)，四川成都 610500；2.中石化西南石油工程有限公司四川鉆井分公司，四川德陽 618000；3.中國石化股份勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015）

低滲油藏中通常裂縫發(fā)育，在注水開發(fā)過程中，注入水首先沿裂縫推進，裂縫中的水在毛管力的作用下將基質(zhì)中的原油驅(qū)替出來，這種在多孔介質(zhì)中，潤濕相流體依靠毛管壓力作用自發(fā)進人巖石孔隙，將其中的非潤濕相流體驅(qū)出的過程稱為滲吸，它是毛管壓力作用下的一種常見現(xiàn)象[1]。隨著低滲油藏的大量開發(fā)與應(yīng)用，滲吸作為低滲油藏的一個重要開采機理而備受關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對低滲透巖心自然滲吸做了大量研究[1-13]。Aronofsky J S等人[2]首先導(dǎo)出了滲吸驅(qū)油指數(shù)關(guān)系式方程，Graham J W等人[3]和Mannon W等人[4]先后用三角形和方塊模型完成了滲吸實驗研究，Parson R W和Iffly R等人[5]用稱重法和毛管法完成了淹沒滲吸實驗。裴柏林[6]等應(yīng)用常規(guī)稱重方法（去掉附在巖心壁面上油珠收集稱重）研究滲吸曲線的測定，周鳳軍[7]、陳淦[8]、李士奎等[1]應(yīng)用帶簡易的天平的實驗儀器進行了低滲透巖心的自然滲吸實驗，王銳等[9]進行了碳酸水對巖石潤濕性及滲吸采收率的影響實驗研究，李愛芬[10]應(yīng)用吸水儀對裂縫性油藏低滲透巖心滲吸實驗進行了研究，王家祿[11]，朱維耀[12]等進行了滲吸機理實驗研究。

筆者通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以前的滲吸實驗儀器和方法存在不足之處，由此設(shè)計出新的自然滲吸實驗儀器，依托新的自然滲吸實驗儀器完成了低滲砂巖和碳酸鹽巖巖心滲吸實驗。

1 自然滲吸實驗儀器

在前人的滲吸實驗研究中，都是直接或者間接采用體積法和常規(guī)稱重法進行自然滲吸實驗研究，常規(guī)稱重法的實驗儀器過于簡單[1,7]（見圖1），測定滲吸實驗的方法存在測定誤差大的問題：常用的體積法，只能測量到滲出并已脫離巖樣的油量，很難計量到滲出但附在巖樣壁上的油珠的體積，其測定的自然滲吸驅(qū)油效率存在著較大的誤差；常規(guī)的稱重法是通過測定巖心在水中的質(zhì)量變化來計算滲出油量。考慮到滲吸巖心體積有限，滲吸驅(qū)油效率低，滲吸過程中的質(zhì)量或者體積變化量很微小，在實驗的過程中振動或者溫度的變化都會對實驗結(jié)果造成很大的影響，再加之，水溶液的吸附，滲吸過程毛管力變化引起巖心內(nèi)液體壓縮程度變化等等以及一些不明因素。其中有的因素的影響難以消除，有的無法消除，這樣使得常規(guī)的稱重法具有較大的局限性[6]。所以常規(guī)的體積法和稱重法誤差很大，以致數(shù)據(jù)不能反應(yīng)真實滲吸過程與滲吸驅(qū)油結(jié)果。

為了克服上述問題，筆者設(shè)計了一種新的實驗儀器，其特點是滲吸實驗在恒溫箱中進行，精密電子天平計量質(zhì)量變化，其計量精度達到0.000 1 g，實驗儀器有數(shù)據(jù)自動記錄系統(tǒng)，降低實驗人員勞動強度。其裝置簡圖（見圖2）。

該自然滲吸實驗儀器包括儀器柜、巖心室、巖心固架、精密電子天平、溫度控制系統(tǒng)、儲水恒溫杯和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（見圖2）。

2 自然滲吸實驗理論與實驗

2.1 自然滲吸理論

（1）自然滲吸過程主要受到毛管力和重力的作用，對于低滲透巖石來說，毛管力要遠遠大于重力的作用，因此可以認(rèn)為低滲透砂巖巖心的自然滲吸過程只受到毛管力作用，而忽略重力的影響。毛管力的表達式為：

式中：Pc-毛管力，Pa；σ-界面張力，mN/m；θ-潤濕角，r-毛管半徑，mm。

（2）Aronofsky等人導(dǎo)出了自然滲吸驅(qū)油效率關(guān)系式[2]：

式中：R∞-t→∞，極限自然滲吸驅(qū)油效率；Rt-t時刻的自然滲吸驅(qū)油效率，λ-自然滲吸常數(shù)。

2.2 自然滲吸實驗

2.2.1 實驗巖心及流體 本次實驗采用勝利油田的天然裂縫性碳酸鹽巖巖心和人造低滲透砂巖巖心，采用的巖心都是親水巖心，基本參數(shù)（見表1），模擬地層油水粘度比配制實驗用油，實驗用水采用人造地層水，水型為Na2SO4型，礦化度9 554 mg/L。

表1 實驗用巖心基本參數(shù)

2.2.2 自然滲吸實驗 本次實驗采用的碳酸鹽巖心滲透率變化范圍0.13～1.65 mD，砂巖巖心的滲透率變化范圍1.40～21.67 mD，巖心先經(jīng)烘干后稱重,然后抽空100%飽和實驗用油，然后計量飽和巖心后的質(zhì)量。將巖心安裝在巖心固架上，進行自然滲吸實驗。滲吸過程為自吸水排油過程，實驗在恒溫箱中進行，用電子天平和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，不間斷地對巖樣進行稱量,并記錄質(zhì)量變化。由于水、油的密度差,巖樣吸水排油,因此質(zhì)量逐漸增加。自然滲吸驅(qū)油效率計算式為：

式中：R-自然滲吸驅(qū)油效率，小數(shù)；Δm-天平質(zhì)量變化量，g；ρo、ρw-實驗用油、水的密度，g/cm3；m1、m2-巖心飽和油重量和巖心干重，g。

3 自然滲吸實驗結(jié)果與分析

該文進行了兩組自然滲吸實驗研究，巖心自然滲吸實驗結(jié)果（見圖3、圖4），滲透率與驅(qū)油效率關(guān)系（見圖5、圖6）。

由不同自然滲吸實驗結(jié)果可知（圖3、圖4）：（1）由于碳酸鹽巖巖心的滲透率變化范圍不大（0.13～1.65 mD），碳酸鹽巖巖心的最終驅(qū)油效率相差不大；（2）在碳酸鹽巖巖心的自然滲吸實驗中，剛開始自然滲吸效果明顯，質(zhì)量變化大，當(dāng)達到一定滲吸階段后（約40 h），天平的質(zhì)量增加并不明顯，自然滲吸趨于穩(wěn)定，當(dāng)滲吸時間達到190 h左右天平質(zhì)量不再變化；（3）砂巖巖心的滲透率變化范圍為1.40～21.67 mD，最終驅(qū)油效率相差較大（5.62%～20.89%），說明滲透率對自然滲吸結(jié)果的影響較大；（4）與碳酸鹽巖巖心相同，砂巖巖心實驗開始階段滲吸驅(qū)油效率上升較快，然后有一個比較平穩(wěn)的上升階段，最后滲吸效率隨著時間延長逐漸保持在一個比較平穩(wěn)的水平不再變化；（5）砂巖滲吸的穩(wěn)定時間相差很大，滲透率越大自然滲吸達到穩(wěn)定的時間就越長。

由滲透率與驅(qū)油效率關(guān)系曲線可知（圖5、圖6）：（1）在一定滲透率變化范圍內(nèi)，碳酸鹽巖巖心的自然滲吸驅(qū)油效率隨著滲透率的增加而增加；（2）砂巖巖心驅(qū)油效率隨著滲透率的增加而增大，但當(dāng)滲透率達到一定數(shù)值后，驅(qū)油效率隨著滲透率的增加而降低，即存在著最佳自然滲吸驅(qū)油效率對應(yīng)的滲透率；（3）由自然滲吸數(shù)據(jù)回歸得到碳酸鹽巖巖心驅(qū)油效率與滲透率的關(guān)系式為R＝0.213k+3.113，砂巖巖心驅(qū)油效率與滲透率的關(guān)系式為R＝-0.06k2+2.103k+2.19。

由公式（2）回歸出碳酸鹽巖巖心和砂巖巖心自然滲吸驅(qū)油關(guān)系式（見表2、表3）。

表2 碳酸鹽巖巖心自然滲吸驅(qū)油關(guān)系式

表3 砂巖巖心自然滲吸驅(qū)油關(guān)系式

利用碳酸鹽巖巖心和砂巖自然滲吸實驗數(shù)據(jù)可得到碳酸鹽巖巖心和砂巖巖心的自然滲吸動態(tài)滿足的衰竭規(guī)律分別為：

4 結(jié)論與認(rèn)識

通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以前的自然滲吸實驗儀器存在著不足之處，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出具有恒溫系統(tǒng)、高計量精度和數(shù)據(jù)自動記錄的自然滲吸實驗儀器。利用筆者研究的自然滲吸實驗儀器進行了碳酸鹽巖巖心和砂巖巖心的自然滲吸實驗。

由自然滲吸實驗結(jié)果得到：自然滲吸驅(qū)油效率和滲透率存在著正相關(guān)性，但當(dāng)滲透率達到一定數(shù)值后，自然驅(qū)油效率隨著滲透率的增加而降低，即存在著最佳自然滲吸驅(qū)油效率對應(yīng)的滲透率。

碳酸鹽巖巖心自然滲吸動態(tài)滿足的衰竭規(guī)律為：

砂巖巖心的自然滲吸動態(tài)滿足的衰竭規(guī)律為：

［1］李士奎，劉衛(wèi)東，張海琴，等.低滲透油藏自發(fā)滲吸驅(qū)油實驗研究［J］.石油學(xué)報，2007，28（2）：109-112.

［2］Aronofsky J S.A model for themechanism of oil recovery from the porousmatrix due to waterinvasion in fractured reservoir［J］.TransAIME，1958，（213）:17-19.

［3］Graham JW.Theory ang application of imbibition phenomena in recovery of oil［J］.Trans AIME，1958，2（16）:377-385.

［4］Mannon W.Experiments on effect of water injection rate on imbibition rate in fractured reservoir［C］.SPE4101，1992.

［5］Iffly R.Fundmental study of imbibition in fissured oil field［C］.SPE 4102，1992.

［6］裴柏林，彭克宗，黃愛斌.一種吸滲曲線測定新方法［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，1994，16（4）:46-50.

［7］周鳳軍，陳文明.低滲透巖心滲吸實驗研究［J］.復(fù)雜油氣藏，2009，2（1）:54-56.

［8］陳淦，宋志理.火燒山油田基質(zhì)巖塊滲吸特征［J］.新疆石油地質(zhì)，1994，15（3）：268-275

［9］王銳，岳湘安，尤源，梁繼文.裂縫性低滲油藏周期注水與滲吸效應(yīng)實驗［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報，2007，22（6）:56-59.

［10］李愛芬，凡田友，趙琳.裂縫性油藏低滲透巖心自發(fā)滲吸實驗研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2011，18（5）:67-69.

［11］王家祿，劉玉章，陳茂謙，等.低滲透油藏裂縫動態(tài)滲吸機理實驗研究［J］.石油勘探與開發(fā)，2009，36（1）:86-90.

［12］朱維耀，鞠巖，趙明，等.低滲透裂縫性砂巖油藏多孔介質(zhì)滲吸機理研究［J］.石油學(xué)報，2002，23（6）:56-59.