稠油非線性滲流及其對采收率的影響

汪偉英，陶 杉，田文濤，馬 麗（長江大學石油工程學院，湖北荊州434023）

曉 春（新疆油田分公司錄井公司，新疆 克拉瑪依834000）

稠油非線性滲流及其對采收率的影響

汪偉英，陶 杉，田文濤，馬 麗（長江大學石油工程學院，湖北荊州434023）

曉 春（新疆油田分公司錄井公司，新疆 克拉瑪依834000）

稠油中含有大量的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的極性和表面活性很強，當它們與巖石顆粒表面接觸時，就表現(xiàn)出明顯的相互作用。這樣，在巖石顆粒表面就形成一個富含極性物質(zhì)的特殊液體層——邊界層。稠油邊界層的存在影響到稠油在地層中的流動，最終影響到水驅(qū)采收率。通過室內(nèi)試驗研究了稠油在多孔介質(zhì)中的滲流規(guī)律，并以此為基礎研究了注采壓差與采收率的關系。結果表明，稠油在多孔介質(zhì)中流動存在一啟動壓力，滲透率越低，啟動壓力越大，注水開發(fā)時注入壓力必須高于啟動壓力，在考慮防止指進的情況下適當提高注水壓力，降低邊界層的厚度，才能提高稠油的采收率。

稠油；非線性滲流；采收率；邊界層；啟動壓力

稠油是一種富含膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的多烴復雜混合物，由烷烴、芳烴、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)組成。稠油中的蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是高分子化合物，在石油中常以固態(tài)或半固態(tài)分散狀溶于原油中，它們對石油的粘度有較大影響。當石油中固體分散相的濃度很大時，石油具有明顯的膠體溶液性質(zhì)。這種石油呈現(xiàn)異常粘度，即粘度與剪切應力有關［1］，而且隨著流動速度的改變，粘度的變化范圍很大。該粘度異常是因固體質(zhì)點或高分子物質(zhì)在液體中形成結構引起的［1］。根據(jù)對國內(nèi)外文獻［1～5］的調(diào)研表明，稠油的流變特性、滲流特性和常規(guī)原油的有很大的差別，正確認識稠油的流變特性、滲流機理和特征，對稠油油藏開發(fā)方案的編制與實施是非常重要的。

1 稠油在多孔介質(zhì)中的滲流特征

滲流是流體在多孔介質(zhì)中的流動，滲流的特征取決于滲流三大要素的變化，即流體（主要是流體的組成和物理化學性質(zhì)）、多孔介質(zhì)（主要是多孔介質(zhì)的孔隙結構和物理化學特性）、流動狀況（主要是流動的環(huán)境、條件和流體－固體之間的相互作用），這三大因素決定著滲流的規(guī)律。

稠油油藏的主要特征是原油粘度高，油中富含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等高分子化合物，這些高分子化合物極性大、表面活性強，在多孔介質(zhì)中流動時固－液界面及液－液界面之間相互作用顯著。這些特點造成了稠油油藏滲流規(guī)律的復雜性。

1.1 稠油邊界層理論

當原油和巖石直接接觸時，在巖石的表面上選擇性地吸附原油的某些組分，使液體的某種成分在這里濃縮，形成一個其物理化學性質(zhì)有別于液體體相性質(zhì)的薄液體層，稱之為邊界層。此邊界層是直接緊貼著固體表面的液體層，其物理化學性質(zhì)與體相液體有顯著的不同。原油是多種烴類的混合物，主要是烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。原油中除了這些烴組分以外，還含有少量的氧、硫、氮非烴類化合物。含氧化合物有環(huán)烷酸、苯酚和脂肪酸等；含硫化合物有硫醇、硫醚和噻吩等；含氮化合物有吡咯、吡啶、卜啉等。原油的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)富含這類化合物，它們在原油中形成膠體結構。這些極性物質(zhì)對原油的許多性質(zhì)，如相對密度、粘度、界面張力等都有很大的影響。而儲層巖石屬于高能表面物質(zhì)，并具有發(fā)育的孔隙和大的比表面積，根據(jù)吸附原理——物質(zhì)總有使其界面能趨于最小的趨勢，所以儲層巖石對于原油具有吸附作用［6］。根據(jù)“極性相近原則”，組成巖石的礦物多是極性，而原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)也為極性吸附劑，因此這類極性分子優(yōu)先選擇性地吸附在巖石顆粒的表面上而形成邊界層。

邊界層的厚度很大程度上決定著極限剪切應力τ0的大小。當流體經(jīng)受的剪切應力τ小于τ0時，流體只發(fā)生有限的塑性形變而不能流動。只有當流體經(jīng)受的剪切應力τ大于τ0時，流體才能發(fā)生連續(xù)的無限的形變即流動。

1.2 稠油滲流特征試驗研究

1）試驗條件及方法 試驗采用渤海SZ36－1油田的原油，原油粘度在61℃條件下為146mPa·s，油中膠質(zhì)含量13.08%，瀝青含量10.49%；試驗用巖樣采用一組滲透率與油田相近的人工膠結巖心。將巖心測定氣體滲透率后飽和試驗用原油，恒定24h后裝入巖心流動試驗裝置的夾持器中，測定原油開始流動的啟動壓力梯度以及在不同驅(qū)替壓力梯度時通過巖心的原油流量（單相流體的滲流規(guī)律曲線）。

2）試驗結果及討論 含瀝青質(zhì)稠油在多孔介質(zhì)中的滲流試驗結果見圖1和表1。圖1給出了原油在通過不同滲透率巖心時的滲流特征曲線。分析在各種條件下獲得的流量和壓力梯度的關系曲線，可歸納出含瀝青質(zhì)稠油在多孔介質(zhì)中滲流時具有如下特點：①在壓力梯度很低的范圍內(nèi)，滲流曲線不通過原點。也就是說，存在一個初始啟動壓力梯度，在低于啟動壓力梯度下基本不發(fā)生滲流。該初始啟動壓力梯度的大小與巖石性質(zhì)有關。②當壓力梯度在比較低的范圍時，滲流曲線呈非線性變化，滲流速度的增加呈上凹型非線性曲線，在此區(qū)間滲流速度隨壓力梯度的變化較小。滲流速度變化的強度決定于影響原油結構力學性質(zhì)的因素，如壓力，溫度等。③隨著壓力梯度的不斷增加，原油結構破壞，滲流速度增大，滲流速度與壓力梯度呈線性關系。因此，在滲流速度曲線上可找到一個相應于結構完全破壞的壓力梯度點。過渡到線性滲流規(guī)律的壓力梯度叫做臨界壓力梯度。

圖1 不同滲透率巖心滲流特征曲線

表1 滲流規(guī)律試驗數(shù)據(jù)

2 稠油非線性滲流特征與采收率的關系

稠油的特殊化學結構和非牛頓特征使得稠油在儲層巖石中的滲流受到影響，在壓力梯度較低的范圍內(nèi)，稠油流動速度很低，表現(xiàn)為非線性特征，并存在啟動壓力梯度。在注水過程中，當油藏注水壓力不能克服啟動壓力時，地層中的原油就不能流動。因此，稠油的滲流機理對稠油油藏剩余油分布的研究和注水生產(chǎn)壓差優(yōu)化設計是非常重要的。筆者以稠油的非牛頓特征以及在多孔介質(zhì)中的非線性滲流特征為理論依據(jù)，結合海上油田開采特點，研究注采壓力梯度對采收率的影響，為探索海上稠油油田提高采收率方法打下基礎。

2.1 試驗方法及條件

試驗首先測定不同滲透率巖心、不同粘度原油的單相滲流特征曲線，確定在不同條件下的啟動壓力梯度和非線性曲線段的壓力區(qū)間。然后取相同滲透率的一組巖心飽和地層水后用油驅(qū)水建立束縛水飽和度，分別以不同的驅(qū)替壓力對各巖心進行水驅(qū)油試驗，測定各巖心的無水采收率、最終采收率、在束縛水飽和度時的油相滲透率和殘余油飽和度下的水相滲透率、水驅(qū)油的累積時間。以此試驗結果來對比注采壓力梯度對剩余油分布的影響。試驗所用壓力梯度的選擇考慮啟動壓力梯度、油田實際注采壓力梯度以及非線性滲流段的壓力梯度。

試驗采用與SZ36－1油田滲透率級別相近的2組人工膠結巖心，滲透率等級500×10－3μm2；原油樣品取自SZ36－1油田B5井；地層水為人工配制的模擬地層水，水中各種離子含量及水的性質(zhì)與SZ36－1油田相同；注入水為SZ36－1油田館陶組地層水。試驗溫度61℃。流體性質(zhì)以及巖心物性數(shù)據(jù)見表2。

2.2 試驗結果及討論

對一組滲透率相近的巖心分別測試了在不同驅(qū)替壓差下的無水采收率、最終采收率，試驗結果見表2。表2中的試驗數(shù)據(jù)反映了壓力梯度對水驅(qū)采收率的影響。試驗結果表明，當壓力梯度大于啟動壓力梯度時，在壓力梯度較低的范圍內(nèi)，采收率隨壓力梯度增加而上升；當壓力梯度增加到一定值時，再增大壓力梯度，采收率有所下降。這一試驗現(xiàn)象可以用原油邊界吸附層理論和非均質(zhì)孔隙介質(zhì)中毛管數(shù)理論來解釋。

滲流特征試驗已經(jīng)表明，稠油在多孔介質(zhì)中流動時有吸附層存在，其吸附層厚度隨壓力梯度的增加而減小；在壓力梯度較低的范圍內(nèi)，吸附層厚度大，滲流速度很小。因此，在水驅(qū)油的過程中部分細毛管中的油不能被采出，而粗毛管中的油雖然能流動，但將留下很厚的原油吸附層。隨著壓力梯度的增加，原油吸附層厚度減小，更多的原油被驅(qū)動、采出。當壓力梯度增大到一定值時，吸附層厚度雖然減小，但指進現(xiàn)象更加嚴重，并成為影響采收率的主要因素，此時采收率隨壓力梯度的增加而下降。因此，對稠油油藏注采壓差的設計必須考慮啟動壓力及吸附層厚度對采收率的影響。

表2 相同滲透率不同壓力梯度的巖心水驅(qū)油采收率數(shù)據(jù)

3 結 論

1）稠油中富含的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等高分子化合物具有極性大表面活性強的特點，在多孔介質(zhì)中流動時固液界面產(chǎn)生相互作用，形成邊界層，并對滲流產(chǎn)生影響。

2）由于邊界層原油的特殊結構力學特征，使得稠油在流動時具有啟動壓力梯度，滲流規(guī)律不符合達西定律，表現(xiàn)為非線性滲流特征，且滲透率越低非線性越強，啟動壓力梯度越大。

3）稠油油藏注水開發(fā)時，注水壓力的設計必須克服啟動壓力，減小邊界層厚度，但也必須考慮指進的影響。

［1］杰夫里卡莫夫.異常石油［M］.王傳禹 譯.北京：石油工業(yè)出版社，1983.8～10.

［2］楊文新，胡玫.稠油油藏注水滲流特性與改善開發(fā)效果研究［J］.江漢石油職工大學學報，2008，21（2）：3～6.

［3］鄭惠光.非牛頓原油滲流流變特性及其在油田開發(fā)中的應用［J］.江漢石油學院學報，2003，25（3）：90～91.

［4］李克文，沈平平.原油與漿體流變學［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［5］張方禮，劉其成.稠油開發(fā)試驗技術與應用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［6］賀承祖，華明琪.油氣藏物理化學［M］.成都：電子科技大學出版社，1995.

Nonlinear Percolation of Heavy Oil and Its Impact on Oil Recovery Factors

WANG Wei－ying，TAO Shan，TIAN Wen－tao，MA Li（College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）
XIAO Chun（Well Log Company，Xinjiang Oilfield Company，CNPC，Karamay834000，Xinjiang，China）

There were plenty of gums and asphaltene containing heavy oil，whose polarity and surface activity were strong，when they were in contact with rock particle surface，it presented obvious interaction and formed a special liquid layer（boundary layer）containing rich polar substances in the rock particle surface.Viscous boundary layer existed in the formation would affect the flow of heavy oil，it ultimately affected water displacement recovery.The percolation law of heavy oil in porous media was studied in a laboratory experiment，and it was used as a basis for studying the relationship between injection－production pressure and oil recovery.The result shows that heavy oil flow in the porous media exists a starting pressure，the lower the permeability is，the higher starting pressure is，thus the injection pressure must be higher than that of starting pressure and the injection pressure should be maximized to reduce the boundary layer thickness to enhance oil recovery in the case of preventing fingering.

heavy oil；nonlinear flow；recovery；boundary layer；starting pressure

TE311

A

1000－9752（2010）05－0115－03

2010－08－11

國家科技重大專項（2008ZX05024－004）。

汪偉英（1959－），女，1982年華東石油學院畢業(yè)，碩士，教授，現(xiàn)主要從事采油工程和油層物理的教學和科研工作。

［編輯］ 蕭 雨