滲吸實驗描述與方法適用性評價

王敉邦，蔣林宏，包建銀，張少青

（中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

通常把多孔介質(zhì)中在靠毛管力作用下潤濕相液體驅(qū)替非潤濕相液體的過程稱為滲吸[1]。對滲吸現(xiàn)象和規(guī)律的研究從20 世紀50 年代就已經(jīng)開始，而隨著石油需求的增加和勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提升，實驗的對象從傳統(tǒng)的中高滲砂巖走向低滲、特低滲油藏，以及開發(fā)熱點的致密砂巖、頁巖[2]等非常規(guī)油氣。開發(fā)對象的不同，造成滲吸實驗對象巖石物性上的差異逐漸擴大，宏觀上表現(xiàn)為滲透率、孔隙度、裂縫條數(shù)、潤濕性、含水飽和度等參數(shù)的不同，巖心滲透率變化最為明顯，從1 000 mD 到0.000 1 mD[3]的變化跨越了約七個數(shù)量級，這對實驗?zāi)康牡拇_立、實驗方案的制定和儀器的選擇提出了新的要求，特別是對實驗結(jié)果精確度的要求越來越高。

1 滲吸實驗研究內(nèi)容

根據(jù)實驗?zāi)康牟煌?，可以分為靜態(tài)（自然）滲吸實驗和動態(tài)滲吸實驗[4]；根據(jù)實驗邊界條件不同造成的潤濕相和非潤濕相宏觀上流動方向的差異，又可將滲吸分為同向滲吸和逆向滲吸[5]。

1.1 靜態(tài)滲吸與動態(tài)滲吸

可以把整個油藏看成由裂縫網(wǎng)絡(luò)分隔開的基質(zhì)與裂縫網(wǎng)絡(luò)組成。靜態(tài)滲吸實驗更多研究的是滲吸現(xiàn)象在基質(zhì)中的表現(xiàn)形式與規(guī)律。巖心的大小可以看成是由基巖-裂縫接觸面積決定，巖心所處的邊界條件（兩端開啟、側(cè)面開啟、全部開啟或復(fù)雜情況）可以看成基巖-裂縫接觸面的位置和裂縫的閉合程度等因素造成的差異。由于大部分原油是儲存在基質(zhì)中，因此除考慮上述因素影響外，巖心潤濕性、孔隙結(jié)構(gòu)、相對或絕對滲透率、油水重力差異、初始含水飽和度等因素對滲吸速度和滲吸采收率的影響也是研究的重點。

動態(tài)滲吸實驗主要研究裂縫網(wǎng)絡(luò)對滲吸作用的影響。在裂縫性儲層中，大部分的油被儲存在低滲透的基質(zhì)塊中，周圍是一個高滲透裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此，裂縫性油藏的生產(chǎn)取決于裂縫和基質(zhì)之間液體的交換效率，而這嚴重依賴于它們的相互作用，也就是滲吸。期間，驅(qū)替速度是最重要的研究內(nèi)容，這決定了裂縫中黏滯力與毛管力的強弱地位。研究結(jié)果表明[6-8]，低驅(qū)替速度毛管力作用強，高驅(qū)替流量下黏滯力增強，因此存在一個最佳注入速度。此速度下的毛管力與黏滯力能達到一個最佳的組合，滲吸到裂縫中的原油能很快在黏滯力作用下被水流驅(qū)替出來，滲吸速率達到最大。對動態(tài)滲吸實驗的研究，有助于評價注水開發(fā)或周期注水/注氣開發(fā)達到滲吸法驅(qū)油增產(chǎn)的可行性，對研究滲吸作用導(dǎo)致的壓裂液和鉆井液在儲層內(nèi)的滯留現(xiàn)象，減少壓裂液損失和地層污染十分關(guān)鍵。另外，潤濕性、油水黏度、初始含水飽和度對動態(tài)滲吸速度和效率的影響也在研究范圍之內(nèi)。

1.2 逆向滲吸和同向滲吸

理解逆向滲吸和同向滲吸的概念有助于理解微觀驅(qū)油機理。逆向滲吸是指吸入的潤濕相與被驅(qū)替的非潤濕相運動的方向相反；同向滲吸是指潤濕相與非潤濕相運動方向一致。兩者受邊界條件影響很大，當(dāng)把巖心全部浸沒在水中，常出現(xiàn)徑向滲吸，也就是逆向滲吸；當(dāng)把圓柱形巖樣的圓柱面密封，將一個端面與潤濕液接觸，潤濕相被吸入巖心而將其中的非潤濕相驅(qū)趕出來，這表現(xiàn)為同向滲吸，也稱為線性滲吸[9]。

逆向滲吸在低滲透和致密巖心中非常普遍，由于滲透率低、孔喉細小，毛管力作用強，作用距離遠，常忽略重力驅(qū)替的影響。同時由于孔喉粗細不同，造成同一界面上毛管力大小不同而產(chǎn)生壓力差。在單一毛細管內(nèi)由毛管力示意圖（見圖1）可知，因P1 處的毛管力大于P2 處而產(chǎn)生壓力差，潤濕相在沿孔喉較小的地方吸入，非潤濕相沿孔喉較大的地方流出。高滲巖心中，重力分異作用顯著，常在高滲巖心實驗中發(fā)現(xiàn)重力分異造成的擴散效應(yīng)而產(chǎn)生的滲吸前緣的變化。

圖1 單一毛細管內(nèi)逆向滲吸示意圖[10]

2 室內(nèi)物理實驗方法和適用性分析

近十多年，滲吸室內(nèi)物理實驗方法主要有體積法、稱重法和CT 掃描法。前兩種實驗方法主要側(cè)重于實驗結(jié)果的定性表征，研究巖心長度和滲透率、溫度、邊界條件、原油黏度、表面活性劑等相關(guān)參數(shù)對滲吸速度和滲吸效率的影響，國內(nèi)絕大多數(shù)實驗均采用這兩種方法，實驗對象主要是裂縫性低滲透巖心，滲透率在0.1 mD～100 mD，以靜態(tài)滲吸實驗為主。

CT 掃描法主要側(cè)重于實驗結(jié)果的定性描述，研究巖心內(nèi)部滲吸前緣的變化規(guī)律[11]，滲吸驅(qū)動力中毛管力與重力的主導(dǎo)性問題[12]，氣-液滲吸和液-液滲吸規(guī)律的差異[13]，巖心內(nèi)部非均質(zhì)性對液流分布規(guī)律的影響[14]。CT 掃描法在國外應(yīng)用較多，從中高滲砂巖到低滲、特低滲以及頁巖氣、致密油氣等非常規(guī)油氣巖心滲吸實驗中都有應(yīng)用。3 種實驗方法各有優(yōu)點，適用的巖心物質(zhì)條件和實驗原理各有不同。

2.1 體積法

同向滲吸體積法實驗的主要原理是用帶刻度的毛細管與裝有巖心的容器相連，通過觀察滲吸前后毛細管內(nèi)液面變化來測量巖心滲吸量的大小。逆向滲吸體積法實驗[15]是將巖心完全浸沒在液體里，由于滲吸作用巖心內(nèi)的非潤濕相被潤濕相驅(qū)替出來，在重力作用下匯聚在容器頂部的細管中，通過測量容器頂部的液體或氣體體積，得到滲吸采收率（見圖2）。

圖2 體積法滲吸裝置示意圖

兩種實驗方法都操作簡單，主要適用于高孔、高滲的巖石樣品，但對于低孔、低滲或致密巖樣，由巖石孔喉細小導(dǎo)致的滲吸量少、滲吸時間長，以及外界溫度、濕度變化引起的潤濕液體的蒸發(fā)、組分變化，會對實驗結(jié)果的準確性造成一定影響[5]。同時該方法受到刻度限制，滲吸速率的測定受到影響。

2.2 質(zhì)量法

稱重法的基本原理是力臂力矩和杠桿原理，連桿一端連著裝有巖心的容器，另一端是放在電子天平上已知質(zhì)量的砝碼（見圖3）。將巖心一個端面與潤濕液接觸（同向滲吸）或?qū)r心全部浸沒在液體中（逆向滲吸為主），每隔一定時間記錄電子天平讀數(shù)，直到質(zhì)量不再增加為止，從而求得該時刻吸入的潤濕液量占總孔隙體積的百分數(shù)Et和滲吸體積Vwt（公式（1）與公式（2））[16]。

圖3 質(zhì)量法滲吸裝置示意圖

稱重法原理簡單，操作方便，精度較高，而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全自動電子滲吸儀器會自動記錄讀數(shù)，繪制出滲吸量隨時間的變化曲線，更加便利。但是針對頁巖巖心，其吸水膨脹會導(dǎo)致計量增加和微裂縫增多，對滲吸量的計量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實驗結(jié)果的不精確；對于致密砂巖巖心，由于存在“門檻跳躍”、“掛壁現(xiàn)象”等效應(yīng)以及孔隙度測量的不精確性，在計算過程中常會出現(xiàn)滲吸采收率超過100 %的情況。

2.3 CT 掃描技術(shù)

CT 掃描技術(shù)以BEERS 定理為基礎(chǔ)，通過測定X射線穿透物體時線性衰減系數(shù)（μ），從而獲得全巖心的三維圖像[17]。

CT 掃描技術(shù)最大的優(yōu)點是可以進行孔隙成圖，獲得較為精確的巖心孔隙度和液體在巖心內(nèi)部的分布規(guī)律，而這也是滲吸實驗最關(guān)注的方面，尤其對致密巖石和頁巖等非常規(guī)油氣。CT 掃描技術(shù)在滲吸定性分析方面具有很多優(yōu)點，例如分析巖心內(nèi)部滲吸前緣的變化規(guī)律，滲吸驅(qū)動力中毛管力與重力主導(dǎo)地位的變換關(guān)系，氣-液滲吸和液-液滲吸規(guī)律相同和不同之處，內(nèi)部非均質(zhì)性對潤濕相和非潤濕相在巖心內(nèi)部的分布規(guī)律，對于解決體積法和質(zhì)量法實驗中出現(xiàn)的掛壁效應(yīng)、門檻跳躍，研究添加表面活性劑后出現(xiàn)的馬朗格尼效應(yīng)具有很大作用，更適合于非常規(guī)巖石滲吸的研究和測量工作，對滲吸理論的研究具有重大貢獻。但CT 掃描技術(shù)花費時間長，費用昂貴，而且儀器自身精度對實驗結(jié)果影響很大。隨著分辨率的增加，巖石的非均質(zhì)性、孔隙度、滲透率和TOC 含量也會跟著變化[18]，同一區(qū)塊不同測量精度下結(jié)果不同，一些更細微的孔隙在高精度下會被發(fā)現(xiàn)。在CT 掃描技術(shù)的基礎(chǔ)上和質(zhì)量法配合使用形成一體化研究方法和思路具有突出優(yōu)勢（見表1）。

表1 滲吸實驗方法適用性評價

3 總結(jié)

（1）介紹了滲吸實驗中具有典型特點的靜態(tài)滲吸、動態(tài)滲吸、同向滲吸和逆向滲吸的基本概念，有助于理清滲吸實驗思路，加深對滲吸實驗機理和方法的理解。

（2）對以體積法、質(zhì)量法和CT 掃描技術(shù)為代表的3 種典型滲吸實驗方法進行剖析，介紹了3 種方法的實驗原理以及優(yōu)缺點。

（3）體積法和質(zhì)量法更適合于滲吸實驗的定量分析，CT 掃描技術(shù)更適合于滲吸實驗機理研究。結(jié)合了質(zhì)量法和CT 掃描技術(shù)優(yōu)點的一體化研究方法和思路具有突出優(yōu)勢，適合于當(dāng)前致密砂巖、頁巖的研究和分析工作。

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