考慮潤(rùn)濕性的黏土膨脹模型研究及其應(yīng)用

姜建偉，于春生，周雨朦

(1.中國(guó)石化河南油田分公司科技處，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，3.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

考慮潤(rùn)濕性的黏土膨脹模型研究及其應(yīng)用

姜建偉1，于春生2，周雨朦3

(1.中國(guó)石化河南油田分公司科技處，河南南陽(yáng) 473132；2.中國(guó)石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，3.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

摘要：建立了考慮潤(rùn)濕性的黏土膨脹孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性，研究了不同潤(rùn)濕系統(tǒng)中黏土膨脹給儲(chǔ)集層滲透率帶來(lái)的傷害以及黏土膨脹體積對(duì)油水相對(duì)滲透率和水驅(qū)采出程度的影響。研究結(jié)果表明：在黏土吸附液相速率相同的情況下，隨著巖石親油性的增強(qiáng)，黏土膨脹對(duì)滲透率的傷害減輕；同一潤(rùn)濕系統(tǒng)中，膨脹體積越大束縛水飽和度越高，含水飽和度相同時(shí)，膨脹體積大的模型油相相對(duì)滲透率大于水相相對(duì)滲透率，這將在高膨脹體積模型中產(chǎn)生“低滲流速度竄流”現(xiàn)象，采出程度隨黏土膨脹體積的增大逐漸降低，說(shuō)明這種油相的相對(duì)滲流優(yōu)勢(shì)不會(huì)從根本上提高水驅(qū)采收率。

關(guān)鍵詞：黏土膨脹；儲(chǔ)集層傷害；油水相滲；網(wǎng)絡(luò)模型；潤(rùn)濕性

在油藏開發(fā)過(guò)程中，黏土礦物的影響不容忽視，尤其對(duì)注水開發(fā)的油田來(lái)說(shuō)，黏土礦物常常引起儲(chǔ)集層性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)和水驅(qū)油效率的改變[1-2]。巖石的潤(rùn)濕性影響著黏土礦物的膨脹能力[3]。由于潤(rùn)濕性是油藏孔隙中控制流體流動(dòng)和分布的主要因素，當(dāng)巖石孔隙表面具有油濕特性時(shí)，水與巖石孔隙表面接觸的面積大大減少，因而黏土礦物釋放到水中的量相應(yīng)減少，膨脹體積減小。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)描述多孔介質(zhì)中黏土膨脹的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)開展了一些研究，許青林[4]、鞠斌山[5]分別于1999年和2003年提出了彈性多孔介質(zhì)黏土膨脹的數(shù)學(xué)模型，但他們的模型都是以宏觀滲流方程為基礎(chǔ)，無(wú)法表征微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化，也沒(méi)有考慮黏土膨脹對(duì)油水相對(duì)滲透率的影響。FarukCivan[6-7]在1999年提出了黏土膨脹給孔滲帶來(lái)傷害的解析模型，該學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了巖石潤(rùn)濕性對(duì)黏土膨脹的影響，但是其解析模型沒(méi)有給出具體的表達(dá)式，只是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析。

本文從流體與巖石之間的接觸潤(rùn)濕機(jī)理出發(fā)，建立了考慮巖石潤(rùn)濕性的黏土膨脹孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。該模型彌補(bǔ)了孔隙網(wǎng)絡(luò)多相流模型無(wú)法描述黏土膨脹受潤(rùn)濕性影響的缺陷。應(yīng)用該模型研究了黏土膨脹對(duì)儲(chǔ)集層滲透率傷害、油水兩相相對(duì)滲透率以及水驅(qū)采出程度的影響。

1黏土膨脹模型的建立

黏土遇水膨脹的體積為[8]：

ΔV=Shωt=(ξ-1)Vc

(1)

式中：ΔV——黏土遇水的膨脹體積，m3；S——黏土與水接觸的面積，m2；h——黏土厚度，m；ω——單位體積巖土吸附液相的速率，m3/h；t——吸附時(shí)間，h；ξ——膨脹系數(shù)，無(wú)因次；Vc——黏土所占孔隙體積，m3。

(2)

式中：ξ*——不完全膨脹系數(shù)，無(wú)因次；ΔV——黏土遇水的膨脹體積，m3；ΔV*——黏土遇水的不完全膨脹體積，m3；R——液膜與黏土接觸面半徑，m；R*——液膜與黏土不完全接觸面半徑，m。

在液膜總體積不變的情況下，我們認(rèn)為圖1b中液膜半徑R與圖1c中液膜弧長(zhǎng)S近似相等，由此，可以得到潤(rùn)濕性發(fā)生改變后的液膜與黏土接觸面半徑R*、R和潤(rùn)濕接觸角q三者之間的關(guān)系：

(3)

式中：θ——潤(rùn)濕接觸角。

黏土不完全膨脹系數(shù)在潤(rùn)濕接觸角不同取值區(qū)間的表達(dá)式：

(4)

圖1　不同潤(rùn)濕性黏土表面與液膜接觸示意圖

在網(wǎng)絡(luò)模型中，總孔隙體積=凈孔隙體積+黏土所占孔隙體積，黏土的膨脹將使凈孔隙體積減小。黏土發(fā)生膨脹前，三角形截面的孔隙、喉道初始滲流半徑為：

(5)

式中：r——孔隙、喉道初始滲流半徑，m；Vn——凈孔隙體積，m3；L——孔隙長(zhǎng)度，m；G——界面形狀因子，無(wú)因次。

黏土發(fā)生膨脹后，凈孔隙體積的減小量等于黏土的膨脹量，則此時(shí)的孔隙、喉道滲流半徑為：

1980年，美國(guó)著名管理學(xué)大師邁克爾·波特提出的“鉆石模型”與旅游產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力分析的要素基本相符。該模型認(rèn)為，某一產(chǎn)業(yè)在應(yīng)范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力取決于生產(chǎn)要素，國(guó)內(nèi)需求，相關(guān)和支持產(chǎn)業(yè)，以及產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略、結(jié)構(gòu)和競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)這四大核心條件的表現(xiàn)。除此之外，該競(jìng)爭(zhēng)力還受到政府和機(jī)會(huì)兩個(gè)外部輔助因素的影響，但是由于政策條件和外部機(jī)會(huì)兩個(gè)因素不可控太強(qiáng)。目前，在“冬奧會(huì)”和“兩山理論”的契機(jī)下，吉林省開展冰雪旅游的政策紅利和市場(chǎng)機(jī)會(huì)都非常好。因此本文主要運(yùn)用該模型的四個(gè)條件對(duì)吉林省冰雪旅游產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行分析，進(jìn)而提出促進(jìn)吉林省冰雪旅游產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的對(duì)策。

(6)

式中：r*——孔隙、喉道滲流半徑，m。

聯(lián)立式(5)和(6)，將式(4)代入到聯(lián)立方程中，就得了滲流半徑在潤(rùn)濕接觸角不同取值區(qū)間的表達(dá)式：

(7)

式中：φn——凈孔隙度，無(wú)因次；φc——為黏度所占孔隙度，無(wú)因次。

在四邊形和圓形截面的孔隙、喉道中可得到相同的表達(dá)式。

室內(nèi)巖心滲透率傷害評(píng)價(jià)是以吸附時(shí)間不同評(píng)價(jià)傷害程度的，由于不同類型黏土吸附液相的速率不同，單位時(shí)間對(duì)巖石帶來(lái)的傷害程度也就不同。黏土對(duì)儲(chǔ)集層的傷害歸根結(jié)底是由黏土膨脹造成的，無(wú)論何種黏土，相同的膨脹體積將帶來(lái)近似的傷害程度。本文研究將黏土吸附液相的時(shí)間轉(zhuǎn)化為黏土膨脹系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層傷害程度，將流體在黏土中的自吸和擴(kuò)散也作為了膨脹系數(shù)的函數(shù)，因此，該模型適合于任何類型黏土對(duì)地層造成傷害的規(guī)律性研究。

2模擬計(jì)算結(jié)果及分析

2.1模型檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文模型的正確性，選取了王正波等[9]膨潤(rùn)土膨脹率對(duì)巖心滲透率影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吸附時(shí)間轉(zhuǎn)化為膨脹系數(shù)后與本文模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。表1給出了網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，滲透率通過(guò)擬合巖心壓汞曲線得到。對(duì)比結(jié)果如圖2所示，圖中實(shí)驗(yàn)值和模擬值滲透率傷害率變化趨勢(shì)基本相同，證明采用本文模型進(jìn)行微觀模擬研究的可行性。

表1　網(wǎng)絡(luò)模擬參數(shù)

圖2　滲透率傷害實(shí)驗(yàn)與微觀模擬結(jié)果對(duì)比

2.2模擬結(jié)果

首先研究了不同潤(rùn)濕系統(tǒng)中黏土膨脹對(duì)滲透率的傷害。研究表明，巖石潤(rùn)濕性影響著黏土膨脹對(duì)儲(chǔ)集層滲透率的傷害程度，不考慮潤(rùn)濕性的模型滲透率傷害程度大于考慮潤(rùn)濕性的模型，且隨著潤(rùn)濕接觸角的增大傷害程度逐漸降低(圖3)。

圖3　滲透率傷害模擬結(jié)果

油水相對(duì)滲透率曲線形態(tài)(圖4)表明，黏土膨脹體積越大，束縛水飽和度越高，這是由于黏土膨脹所吸附的水相成為無(wú)法流動(dòng)的束縛水造成的。在相同含水飽和度情況下，膨脹系數(shù)越大，油相相對(duì)滲透率越高，水相相對(duì)滲透率越低，這種現(xiàn)象稱之為“低滲流速度竄流”現(xiàn)象。油水兩相滲流時(shí)，由于滲流通道變窄，流動(dòng)阻力增強(qiáng)，滲流速度會(huì)下降，而滲流過(guò)程中黏土?xí)揭欢康目蓜?dòng)水，使可動(dòng)油相飽和度增大，增加油相滲流能力，因此，產(chǎn)生了“低滲流速度竄流”現(xiàn)象。上述相滲曲線表現(xiàn)出來(lái)的特征與彭仕宓等人[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，進(jìn)一步證明了本文模型的正確性。

圖4　黏土膨脹對(duì)油水兩相滲流的影響

圖5　黏土膨脹對(duì)水驅(qū)采出程度的影響

在孔隙空間中，喉道大小是控制流體流動(dòng)時(shí)的流通路徑和流動(dòng)能力的決定性因素，從表2可以看出，同一潤(rùn)濕系統(tǒng)中，膨脹系數(shù)越大，喉道半徑越小，水驅(qū)油所需克服的毛管壓力越高，發(fā)生活塞式驅(qū)替喉道數(shù)越少，無(wú)法侵入和發(fā)生卡斷的喉道數(shù)越多。無(wú)法侵入的細(xì)小喉道和盲端孔隙降低了水驅(qū)油的洗油效率，卡斷圈閉起來(lái)的含油孔隙和喉道，降低了注入水的波及效率。上述原因是造成低采出程度的根本原因(圖5)。

表2　模型中發(fā)生不同驅(qū)替方式的孔喉個(gè)數(shù)對(duì)比

3結(jié)論

(1)建立了考慮潤(rùn)濕性的黏土膨脹模型，該模型實(shí)現(xiàn)了從孔隙尺度滲流機(jī)理研究黏土膨脹和油藏潤(rùn)濕性對(duì)儲(chǔ)集層傷害、油水相對(duì)滲透率和水驅(qū)采出程度的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。

(2)巖石潤(rùn)濕性影響著黏土膨脹對(duì)儲(chǔ)集層滲透率的傷害程度，在黏土吸附液相速率相同的情況下，隨著潤(rùn)濕接觸角的增大，由黏土膨脹造成的儲(chǔ)集層傷害程度逐漸減輕。

(3)黏土膨脹對(duì)油水相對(duì)滲透率的影響表現(xiàn)為：在同一潤(rùn)濕系統(tǒng)中，膨脹體積越大束縛水飽和度越高，含水飽和度相同時(shí)，膨脹體積大的模型油相相對(duì)滲透率大于水相相對(duì)滲透率，這將在高膨脹體積模型中產(chǎn)生“低滲流速度竄流”現(xiàn)象，采出程度隨黏土膨脹體積的增大逐漸降低，說(shuō)明這種油相的相對(duì)滲流優(yōu)勢(shì)不會(huì)從根本上提高水驅(qū)采收率。

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編輯：吳官生

文章編號(hào)：1673-8217(2016)02-0087-04

收稿日期：2015-10-13

作者簡(jiǎn)介：姜建偉，高級(jí)工程師，1969年生，1992年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院開發(fā)地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油田開發(fā)技術(shù)工作。

中圖分類號(hào)：TE31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A