致密砂巖儲(chǔ)層滲吸穩(wěn)定時(shí)間影響因素研究

周德勝，李 鳴，師煜涵，鄒 易，劉 順

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.西部低滲特低滲油田開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

區(qū)別于傳統(tǒng)的快速返排，大多數(shù)致密砂巖儲(chǔ)層單井壓裂后，通過(guò)悶井產(chǎn)生流體滲吸置換，可大幅提高原油采收率，悶井時(shí)間是壓裂返排制度優(yōu)化的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，分析研究致密砂巖儲(chǔ)層巖心滲吸穩(wěn)定時(shí)間有助于加深對(duì)壓裂后悶井時(shí)間的認(rèn)知，對(duì)提高單井產(chǎn)量有十分重要的意義。目前，大多研究主要集中于滲吸置換率影響因素的分析[1-13]，郭剛[14]實(shí)驗(yàn)研究了滲透率、原油黏度等對(duì)自發(fā)滲吸效率的影響，探索了影響壓裂液油水置換的關(guān)鍵因素；彭昱強(qiáng)[15]針對(duì)中國(guó)露頭砂巖，研究了滲透率對(duì)鹽水自發(fā)滲吸規(guī)律和采收率的影響，并對(duì)比了不同滲吸數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果；Zhou[16]基于質(zhì)量法滲吸實(shí)驗(yàn)研究了礦化度對(duì)滲吸的影響規(guī)律；李洪[17]、沈安琪[18]、蘇煜彬[19]通過(guò)室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)，研究了表面活性劑對(duì)滲吸驅(qū)油效率的影響，分析了自發(fā)滲吸機(jī)理；楊元明[20]引入竄流指數(shù)用以描述單位滲吸壓差下基質(zhì)-裂縫滲吸量，建立了竄流指數(shù)與產(chǎn)量、壓力關(guān)系式，但鮮有文獻(xiàn)對(duì)滲吸穩(wěn)定時(shí)間影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的探究。因此，基于對(duì)長(zhǎng)慶油田延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)分析統(tǒng)計(jì)，研究了滲透率、礦化度、模擬油黏度、界面張力對(duì)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：梅特勒高精度天平(萬(wàn)分之一)、TX500D系列旋轉(zhuǎn)滴超低界面張力儀。實(shí)驗(yàn)用油：優(yōu)質(zhì)煤油，室溫下黏度為1.87 mPa·s；原油，室溫下黏度為5.26 mPa·s；原油與煤油以1∶2體積比配制成模擬油，模擬油室溫下黏度為3.23 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水：蒸餾水，界面張力為10.7 mN/m，礦化度分別為15 000、25 000、45 000 mg/L的鹽水。實(shí)驗(yàn)用化學(xué)試劑：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的ZQ表面活性劑溶液，界面張力為0.04 mN/m；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%的ZQ表面活性劑溶液，界面張力為0.023 mN/m。實(shí)驗(yàn)巖心：長(zhǎng)慶油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層巖心12塊，巖心物性參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①標(biāo)準(zhǔn)天然巖心經(jīng)過(guò)洗油、清洗、烘干至恒重，記錄巖心干重，并測(cè)孔隙度、滲透率等參數(shù)；②用礦化度為25 000 mg/L的地層水飽和巖心，用煤油(模擬油或原油)驅(qū)替飽和巖心，再將飽和好的巖心取出放入煤油(模擬油或原油)中老化待用；③將浸沒(méi)在煤油(模擬油或原油)中的巖心取出，擦去表面浮油，利用質(zhì)量法進(jìn)行巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)，電腦采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄電子天平讀數(shù)；④重復(fù)步驟②和③。

表1 巖心的基本物性參數(shù)

2 影響因素分析

由于天然巖心屬性參數(shù)存在差異性，很難找到各參數(shù)相近的一組巖心進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)，洗油對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層潤(rùn)濕相影響很小。因此，采用同一巖心，基于單一控制變量法，重復(fù)洗油，研究不同參數(shù)對(duì)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的影響。

2.1 滲透率

研究滲透率對(duì)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的影響時(shí)，除了表1中的12塊巖心外，還統(tǒng)計(jì)了同一區(qū)塊另外16塊巖心的滲吸數(shù)據(jù)，巖心滲透率為0.011 5×10-3～0.387 1×10-3μm2，平均為0.098 0×10-3μm2，孔隙度為2.00%～10.86%，平均為5.92%。

圖1為滲透率與滲吸穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系。由圖1可知，滲吸穩(wěn)定時(shí)間與滲透率成“V”字型關(guān)系，儲(chǔ)層滲透率小于0.2×10-3μm2時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間隨滲透率增大而減小，當(dāng)儲(chǔ)層滲透率大于0.2×10-3μm2時(shí)，巖心滲吸始終未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖2為滲透率大于0.2×10-3μm2的4塊巖心質(zhì)量法歸一化質(zhì)量差與滲吸時(shí)間關(guān)系曲線。其中，質(zhì)量法歸一化質(zhì)量差的定義為：

(1)

式中：m0為巖心未開(kāi)始滲吸時(shí)的質(zhì)量，g；mt為t時(shí)刻的巖心質(zhì)量，g；m終為滲吸結(jié)束時(shí)的巖心質(zhì)量，g；Δm為巖心t時(shí)刻與未開(kāi)始滲吸時(shí)的質(zhì)量差，g；Δmmax為巖心滲吸結(jié)束時(shí)與未開(kāi)始滲吸時(shí)的質(zhì)量差，g。

圖1 滲透率與滲吸穩(wěn)定時(shí)間關(guān)系

圖2 滲吸時(shí)間與歸一化質(zhì)量差的關(guān)系

由圖2可知：隨著滲吸進(jìn)行，滲吸速率(圖2中曲線的斜率)變化不大，一直以某個(gè)速率滲吸，始終未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)滲透率小于0.2×10-3μm2時(shí)，孔喉半徑相對(duì)較小，毛管力作用較強(qiáng)，油水滲吸置換動(dòng)力也相對(duì)較強(qiáng)，但滲吸排油的阻力較大，油水流動(dòng)得非常緩慢，滲透率越小，阻力越大，進(jìn)而導(dǎo)致了滲吸穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)滲透率大于0.2×10-3μm2時(shí)，滲透率越大，孔喉半徑越大，油水流動(dòng)的阻力減小，但毛管力作用減弱，油水滲吸置換動(dòng)力不足，滲吸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖心質(zhì)量的變化不僅是由滲吸引起的，更多的是油水之間通過(guò)擴(kuò)散及分異作用交換的結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致了滲吸穩(wěn)定時(shí)間增長(zhǎng)。

2.2 礦化度

圖3為不同滲透率巖心置換液礦化度與滲吸穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖3可知：滲透率為0.028 0×10-3μm2的巖心，蒸餾水滲吸穩(wěn)定時(shí)間為72 h，當(dāng)置換液礦化度為15 000 mg/L時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至120 h，是蒸餾水滲吸置換穩(wěn)定時(shí)間的1.67倍，當(dāng)置換液礦化度為45 000 mg/L時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至168 h，是蒸餾水滲吸置換穩(wěn)定時(shí)間的2.33倍；滲透率為0.084 0×10-3μm2的巖心，蒸餾水滲吸穩(wěn)定時(shí)間為48 h，當(dāng)置換液的礦化度為15 000 mg/L時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至72 h，是蒸餾水滲吸置換穩(wěn)定時(shí)間的1.50倍，置換液的礦化度為45 000 mg/L時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至144 h，是蒸餾水滲吸置換穩(wěn)定時(shí)間的3.00倍；滲透率為0.136 6×10-3μm2的巖心，蒸餾水滲吸穩(wěn)定時(shí)間為48 h，當(dāng)置換液礦化度為15 000 mg/L時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間仍為48 h，基本無(wú)影響，當(dāng)置換液礦化度為45 000 mg/L時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至124 h，是蒸餾水滲吸置換穩(wěn)定時(shí)間的2.50倍。

圖3 礦化度與滲吸穩(wěn)定時(shí)間關(guān)系

置換液礦化度越大，所需滲吸穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。礦化度影響滲吸主要是通過(guò)滲透壓作用，由于巖心內(nèi)外鹽濃度差異產(chǎn)生的壓差驅(qū)使水相由低礦化度區(qū)域流向高礦化度區(qū)域，置換液鹽濃度越高，對(duì)滲吸效果負(fù)作用越強(qiáng)，越不利于滲吸的發(fā)生。

2.3 模擬油黏度

圖4為不同模擬油黏度與滲吸穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖4可知：滲透率為0.037 3×10-3μm2的巖心，模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間為96 h，當(dāng)模擬油黏度增至3.23 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至168 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的1.75倍，繼續(xù)增加模擬油黏度至5.26 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到192 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)穩(wěn)定時(shí)間的2.0倍；滲透率為0.059 8×10-3μm2的巖心，模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間為72 h，當(dāng)巖心內(nèi)模擬油黏度增至3.23 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至96 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的1.33倍，繼續(xù)增加巖心內(nèi)模擬油黏度至5.26 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到120 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的1.67倍；滲透率為0.076 2×10-3μm2的巖心，模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間為20 h，當(dāng)巖心內(nèi)模擬油黏度增至3.23 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間增至72 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的3.60倍，繼續(xù)增加巖心內(nèi)模擬油黏度至5.26 mPa·s時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到168 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時(shí)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的8.40倍，滲吸穩(wěn)定時(shí)間相差較大。

圖4 模擬油黏度與滲吸穩(wěn)定時(shí)間關(guān)系

飽和模擬油黏度越大，所需滲吸穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。分析可知，模擬油黏度越大，流體流動(dòng)性越差，越不利于滲吸置換的發(fā)生，達(dá)到滲吸平衡狀態(tài)所需的滲吸穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。

2.4 界面張力

圖5為不同界面張力與滲吸穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖5可知：滲透率為0.075×10-3μm2的巖心在蒸餾水中的滲吸穩(wěn)定時(shí)間為206 h，當(dāng)置換液變?yōu)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的ZQ表面活性劑溶液時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間變?yōu)?32 h，比在蒸餾水中穩(wěn)定時(shí)間縮短了36%，當(dāng)置換液變?yōu)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%的ZQ表面活性劑溶液時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間降至102 h，比在蒸餾水中穩(wěn)定時(shí)間縮短了50%；滲透率為0.144×10-3μm2的巖心在蒸餾水中的滲吸穩(wěn)定時(shí)間為168 h，當(dāng)置換液變?yōu)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的ZQ表面活性劑溶液時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間變?yōu)?2 h，比在蒸餾水中穩(wěn)定時(shí)間縮短了57%，當(dāng)置換液變?yōu)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%的ZQ表面活性劑溶液時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間降至48 h，比在蒸餾水中穩(wěn)定時(shí)間縮短了71%。

圖5 界面張力與滲吸穩(wěn)定時(shí)間關(guān)系

界面張力越小，滲吸穩(wěn)定時(shí)間越短，降低界面張力減弱了毛管力作用強(qiáng)度，極大地改善了流體的流動(dòng)性，更有利于滲吸排油，使?jié)B吸穩(wěn)定時(shí)間得以縮短。

3 主控因素分析

基于影響因素分析，統(tǒng)計(jì)計(jì)算了各參數(shù)影響水平及級(jí)差。表2為各參數(shù)的參數(shù)水平，表3為各參數(shù)水平對(duì)應(yīng)的滲吸穩(wěn)定時(shí)間。

表2 影響滲吸的主要因素及水平

表3 影響滲吸采收率的關(guān)鍵因素分析

表3中極差表示在該因素下滲吸穩(wěn)定時(shí)間的變化程度，誰(shuí)的變化程度大，誰(shuí)就是主控因素，各參數(shù)對(duì)滲吸穩(wěn)定時(shí)間的影響程度所占比例排序從大到小依次為滲透率(36%)、界面張力(24%)、原油黏度(21%)、礦化度(19%)?？梢?jiàn)，滲透率是影響滲吸穩(wěn)定時(shí)間的主控因素，滲透率在一定程度上可反映巖心內(nèi)部孔喉結(jié)構(gòu)特征，滲透率越低，孔喉連通性越差，滲吸排油的阻力越大，悶井時(shí)間越長(zhǎng)；除儲(chǔ)層滲透率外其他3個(gè)因素是可控因素?？苫跐B吸穩(wěn)定時(shí)間與滲透率關(guān)系曲線確定某一特定儲(chǔ)層最優(yōu)悶井時(shí)間，一方面能結(jié)合界面張力、礦化度、模擬油黏度數(shù)值對(duì)最優(yōu)悶井時(shí)間進(jìn)行校正，另一方面，也可通過(guò)添加表面活性劑、降低壓裂液的礦化度或者增溫降黏來(lái)縮短單井悶井時(shí)間。

4 結(jié) 論

(1) 滲吸穩(wěn)定時(shí)間與滲透率成“V”字型關(guān)系。滲透率小于0.2×10-3μm2時(shí)，滲吸穩(wěn)定時(shí)間隨滲透率增大而減小，滲透率大于0.2×10-3μm2時(shí)，巖心由于孔喉結(jié)構(gòu)的影響始終未能達(dá)到滲吸穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 置換液礦化度越高，由于鹽濃度差的影響，滲吸穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)；飽和模擬油黏度越高，越不利于流體滲吸置換，滲吸穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)；置換液與飽和模擬油界面張力越小，滲吸穩(wěn)定時(shí)間越短。

(3) 影響滲吸穩(wěn)定時(shí)間因素排序從大到小依次為滲透率、界面張力、原油黏度、礦化度。

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