致密油藏動態(tài)滲吸排驅(qū)規(guī)律與機理

王秀宇 ，巨明霜 ，楊文勝 ，隋微波

（1.油氣資源與探測國家重點實驗室中國石油大學(xué)（北京），北京102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

世界上致密油資源非常豐富，經(jīng)濟價值巨大，中國致密油藏所占比例逐漸增加，高效開發(fā)這類油氣資源是石油領(lǐng)域的一項重要任務(wù)［1-2］。滲吸采油作為重要的采油機理出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代初之后，眾多學(xué)者開始把滲吸采油視為親水油藏高效開發(fā)的重要技術(shù)手段之一，并開展了大量的研究工作［3-8］。

地層內(nèi)的滲吸是由大小孔道間毛管壓力之差以及重力、界面張力等共同作用下發(fā)生的潤濕相驅(qū)替非潤濕相的過程。對于親水油藏，當(dāng)?shù)貙踊|(zhì)處于低滲透致密狀態(tài)時，毛管壓力很大，孔道內(nèi)的原油在毛管壓力作用下由于地層水的吸入而排出，這個過程就是自發(fā)滲吸。致密儲層的滲吸過程一般為：注入水通過孔喉進入儲層基質(zhì)，并在毛管壓力為主動力的作用下置換出儲層內(nèi)部的原油，置換出的原油經(jīng)孔喉流出基質(zhì)，進入裂縫，進而提高致密油藏開發(fā)效果。在滲吸過程中會受多種因素的影響，如基質(zhì)滲透率、潤濕性、流體界面張力和外界溫度及壓力等。滲吸過程中主要動力是毛管壓力［9-13］。

根據(jù)外部環(huán)境的影響，滲吸可分為動態(tài)滲吸和靜態(tài)滲吸兩類，靜態(tài)滲吸是指發(fā)生滲吸的外界條件是靜止的，即在靜止的液體環(huán)境下發(fā)生的自發(fā)滲吸；動態(tài)滲吸則是發(fā)生在外界液體為流動狀態(tài)下的自發(fā)滲吸（即水有一定的注入速度）。為此，選取新疆油田致密砂巖天然巖心和人造巖心，利用自行研制的高精度動態(tài)滲吸實驗裝置開展室內(nèi)物理模擬實驗，系統(tǒng)研究基質(zhì)滲透率、溫度、壓力、巖心尺寸和裂縫密度等因素對動態(tài)滲吸采出程度的影響程度和內(nèi)在原因等，以期為現(xiàn)場致密儲層開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 實驗器材與方法

實驗裝置 在總結(jié)以往實驗裝置優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計體積法動態(tài)滲吸裝置（圖1），通過磁力攪拌器帶動水的流動，模擬動態(tài)滲吸的實驗條件。實驗時，將致密巖心放在大網(wǎng)孔硬塑料擋板上，擋板對巖心底面的遮擋可忽略。該裝置可以高精度計量滲吸出油量，最小可讀體積為0.005 mL。為模擬地層條件，研制了高溫高壓動態(tài)滲吸實驗裝置（圖1b）。該裝置底部帶有旋轉(zhuǎn)攪拌器，用以模擬動態(tài)滲吸條件，承壓可達到20 MPa，耐溫可達到80℃。

實驗材料 實驗巖心采用直徑為2.5 cm的新疆油田致密砂巖天然巖心和人造巖心，圓柱體人造巖心編號前加R，長方體人造巖心加F。利用人造巖心的原因是現(xiàn)場致密巖心數(shù)量有限，且為了獲得更好的可對比性。實驗用油為煤油，室溫下其黏度為2.7 mPa·s，密度為0.792 g/cm3。實驗用水為模擬地層水，由蒸餾水與不同化學(xué)試劑配制而成，化學(xué)試劑包括氯化鈉、無水硫酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈣、氯化鎂和氯化鉀，其水型為碳酸氫鈉型，礦化度約為30 000 mg/L。

實驗方法 采用上述實驗裝置開展動態(tài)滲吸實驗。實驗中滲吸出的油滴在水流的帶動下被不斷剝離巖心表面，在油水密度差作用下向上運動，通過計量管計量不同時間下的出油量，從而得到滲吸排驅(qū)效率。具體實驗步驟包括：①測定巖心長度、直徑、干重、孔隙度和氣測滲透率等基本物性參數(shù)。②按照地層水礦化度配制模擬地層水，并對地層水抽真空。③將選好的干巖心抽真空飽和煤油。④將飽和好煤油的巖心放置于滲吸瓶中開展動態(tài)滲吸實驗。⑤記錄滲吸出油量，直至實驗結(jié)束。

圖1 體積法動態(tài)滲吸裝置Fig.1 Diagram of volumetric dynamic imbibition device

表1 致密砂巖巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table1 Basic parameters of tight sandstone cores

2 動態(tài)滲吸排驅(qū)規(guī)律與機理

2.1 滲透率對致密儲層動態(tài)滲吸的影響

選取巖心長度相近，滲透率不同的6塊巖心，巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。實驗結(jié)果（圖2）表明：當(dāng)巖心滲透率為0.031，0.053和0.059 mD時，滲吸采出程度分別為20.8%，18.7%和15.8%。說明當(dāng)滲透率小于0.1 mD時，巖心滲透率越低，滲吸采出程度越高。當(dāng)巖心滲透率為0.278，0.363和0.474 mD時，滲吸采出程度分別為19.7%，20.7%和22.4%。說明當(dāng)滲透率略大（滲透率為0.1～0.5 mD）時，致密巖心的動態(tài)滲吸采出程度隨著滲透率的增加而有所增加。這與滲透率小于0.1 mD時的實驗結(jié)論相反。

巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)是一個錯綜復(fù)雜、互相影響的整體，應(yīng)綜合考慮巖心孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)物性進行研究，故引入儲層品質(zhì)指數(shù)（RQI）。儲層品質(zhì)指數(shù)是目前儲層分類評價過程中常常用到的指標(biāo)，其值為 K φ［14］。由圖3可以看出，動態(tài)滲吸采出程度隨儲層品質(zhì)指數(shù)的增大而增大。這說明，儲層品質(zhì)指數(shù)可以更好地表征巖心的孔隙品質(zhì)。當(dāng)儲層品質(zhì)指數(shù)較高時，巖心在滲透率、孔隙半徑和孔隙迂曲度等方面的綜合特性較好。

圖2 不同滲透率下致密人造巖心的動態(tài)滲吸采出程度Fig.2 Dynamic imbibition recovery of tight artificial cores with different permeability

圖3 儲層品質(zhì)指數(shù)與巖心動態(tài)滲吸采出程度關(guān)系Fig.3 Relationship between RQI and dynamic imbibition recovery

綜上所述，在一定的滲透率級別范圍內(nèi)，動態(tài)滲吸采出程度既有可能與巖心滲透率呈正相關(guān)，也有可能呈負(fù)相關(guān)，但從整體看，致密油藏的滲透率與動態(tài)滲吸采出程度之間的相關(guān)性較差，這說明致密巖心滲透率僅僅是綜合衡量巖心內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的指標(biāo)之一，與其滲吸效果并無必然聯(lián)系。

2.2 溫度對致密儲層動態(tài)滲吸的影響

分別選取2組物性相近的致密天然巖心，開展溫度對動態(tài)滲吸采出程度的影響實驗。巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表2所示。第1組實驗，將3塊物性相近巖心2-3，2-4和2-5分別在實驗溫度為75，50和25℃下進行動態(tài)滲吸實驗。實驗結(jié)果表明，動態(tài)滲吸采出程度隨實驗溫度的升高而增加（圖4a）。第2組實驗，將物性相近的2塊巖心3-6和3-7分別在50和25℃下開展動態(tài)滲吸實驗，當(dāng)巖心基本不再出油時，將2塊巖心的實驗溫度升至75℃，繼續(xù)使其發(fā)生滲吸。實驗結(jié)果表明，在溫度升高一段時間后，巖心表面又滲吸出油珠，滲吸采出程度分別提高了4.52%和2.84%（圖4b）。

表2 溫度影響實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table2 Basic core data of experiment to analyze temperature effect

圖4 2組不同溫度下的動態(tài)滲吸采出程度實驗結(jié)果Fig.4 Dynamic imbibition recovery degree at different temperatures for two groups

溫度對滲吸的影響機理主要包括原油黏度的降低以及原油的膨脹等［15］。因巖石、地層水、原油受熱膨脹系數(shù)不同，溫度變化相同時，原油體積變化最大，增加的體積差使原油離開巖石表面向外運動；而且，溫度升高，原油中活性成分受熱分解，膠體層厚度減小，增加了流體在孔隙中的流動通道，為滲吸的發(fā)生提供有利的條件。

表3 巖心長度影響實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table3 Basic core data of experiment to analyze core length effect

圖5 不同巖心長度比下的動態(tài)滲吸采出程度對比結(jié)果Fig.5 Comparison of dynamic imbibition recovery at different core length ratio

2.3 巖心長度對致密儲層動態(tài)滲吸的影響

選取物性相近，長度比分別為1∶2，1∶3和1∶4的3組人造巖心進行實驗。巖心數(shù)據(jù)如表3所示。實驗結(jié)果（圖5）表明，動態(tài)滲吸采出程度隨巖心長度的增加而增加，且隨著巖心長度比的增加，采出程度的增加幅度提高。

為進一步找出巖心長度對動態(tài)滲吸采出程度的影響規(guī)律，以巖心長度為橫坐標(biāo)，以動態(tài)滲吸采出程度為縱坐標(biāo)繪制曲線，結(jié)果（圖6）表明，致密巖心動態(tài)滲吸采出程度與巖心長度呈負(fù)相關(guān)，巖心長度越短，動態(tài)滲吸采出程度越高。這說明，致密儲層中裂縫發(fā)育越完善，細(xì)小、短裂縫越多，越有利于致密儲層發(fā)生動態(tài)滲吸作用。

圖6 巖心長度與動態(tài)滲吸采出程度的關(guān)系Fig.6 Relationship between dynamic imbibition recovery and core length

表4 壓力影響實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table4 Basic core data of experiment to analyze pressure effect

圖7 動態(tài)滲吸采出程度與壓力的關(guān)系Fig.7 Relationship between dynamic imbibition recovery and pressure

2.4 壓力對致密儲層動態(tài)滲吸的影響

常溫25℃下，將飽和過煤油的巖心放置于動態(tài)滲吸裝置中，分別設(shè)定實驗壓力為2.5，5，7.5，10，12.5和15 MPa進行實驗。巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表4所示。分析3塊巖心在不同壓力下的最終動態(tài)滲吸采出程度（圖7）發(fā)現(xiàn)，對液體施加壓力能夠促進滲吸的進行，且壓力為5～7 MPa時的動態(tài)滲吸采出程度最大。隨著壓力的進一步增加，滲吸采出程度基本不再變化。這說明在中低壓力下，巖心壓敏性受到影響較大，滲透率降低范圍大，一定程度上增大了滲吸的動力（毛管壓力）。由圖7亦可看出，巖心1-3，1-4和 R7-3的滲透率分別為 0.378，0.107和0.097 mD，動態(tài)滲吸采出程度最大增幅分別為1.4%，1.2%和0.6%，說明對于致密巖心，巖心滲透率越大，壓力對滲吸采出程度的影響也越明顯。

為進一步研究壓力的影響，對巖心1-3和R7-3開展壓力敏感性實驗。將實驗巖心在洗油、烘干、稱重后放入巖心夾持器，通過設(shè)定不同上覆壓力，測定各個壓力下的滲透率。由圖8可見，當(dāng)有效壓力為0～10 MPa時，巖心滲透率降幅明顯，繼續(xù)增加有效壓力，滲透率的降幅變小。滲透率的下降，一定程度上增加了滲吸的動力（毛管壓力）［16］。同時，巖心外部壓力的作用促進了地層水向巖心內(nèi)部流動。此外，還可以看出，巖心1-3在加壓5 MPa時的滲透率改變量為15%，而R7-3在相同壓力下的滲透率改變量僅為7%。這說明巖心滲透率越大，受壓力影響也越大［17］。這與巖心1-3的動態(tài)滲吸采出程度受壓力影響比巖心R7-3更加明顯的實驗結(jié)果相符。

圖8 巖心滲透率隨有效壓力的變化Fig.8 Permeability changes with effective pressure

2.5 裂縫密度對致密儲層動態(tài)滲吸的影響

為模擬裂縫密度的影響，采用XB-Q型輕便巖石切割機，在單塊長方形巖心上切割寬度為1 mm的裂縫，裂縫不完全貫穿巖心，以保證巖心的整體性。將4塊尺寸為2 cm×2 cm×5 cm的巖心，分別處理為無縫、單縫、雙縫和四縫，相對應(yīng)的裂縫密度分別為0，0.2，0.4和0.8條/cm，進行滲吸實驗對比，巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 裂縫密度影響實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table5 Basic core data of experiment to analyze fracture density effect

由圖9可以看出，動態(tài)滲吸采出程度隨裂縫條數(shù)的增加而增加。從曲線的間隔可以看出，與無縫巖心對比，動態(tài)滲吸采出程度的增幅與裂縫條數(shù)基本呈線性正相關(guān)。這是因為，裂縫可以為滲吸的發(fā)生提供更多的通道，外界流體的流動可以及時將從大孔道滲吸置換出的油攜帶走，提高滲吸作用［18］；其次，單位體積致密巖心裂縫越多，巖心內(nèi)各小巖塊的體積越小，油滴滲吸的過流面積也越小，可以降低滲吸阻力，提高滲吸效率［19］。對于裂縫性油藏，裂縫越發(fā)育，越有利于滲吸作用。

圖9 裂縫密度對致密儲層動態(tài)滲吸采出程度的影響Fig.9 Effect of fracture density on dynamic imbibition recovery of tight reservoirs

2.6 致密儲層動態(tài)滲吸無因次時間模型

為更好地將室內(nèi)實驗結(jié)果與實際生產(chǎn)相結(jié)合，為油田現(xiàn)場生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)，須建立無因次時間與動態(tài)滲吸采出程度歸一化模型。目前應(yīng)用廣泛的是MA等所提出的模型［20-28］，其表達式為：

式中：Rr為相對采出程度；γ為經(jīng)驗常數(shù)；tD為無因次時間；α為系數(shù)；K為滲透率，m2；φ為巖石孔隙度；σ為界面張力，N/m；t為滲吸時間，s；μw為地面水黏度，Pa·s；Lc為巖心特征長度，m。

利用本次研究中2-3等巖心的動態(tài)滲吸實驗數(shù)據(jù)與Ma模型進行對比，發(fā)現(xiàn)Ma模型擬合度較低（圖10a）。說明Ma模型不適用于動態(tài)滲吸實驗規(guī)律研究。需要對動態(tài)滲吸實驗數(shù)據(jù)采用反推得到新的方程。具體方法為：由已知的實驗數(shù)據(jù)計算出相對采出程度，并用1-Rr為縱坐標(biāo)，同時計算出相對采出程度對應(yīng)的無因次時間，并以此為橫坐標(biāo)進行繪圖，對曲線進行擬合即可得到不同巖心的擬合公式（圖10b）。求取各個巖心擬合公式系數(shù)的平均數(shù)，最終得到新的動態(tài)滲吸采出程度歸一化方程，其表達式為：

圖10 利用Ma模型無因次化處理及改進的動態(tài)滲吸實驗擬合結(jié)果Fig.10 Dimensionless results of dynamic imbibition experiment estimated with Ma model andnormalized model

改進的歸一化擬合方程與Ma模型的形式相比，在底數(shù)e前面增加了系數(shù)。在相同的無因次時間下，新方程得到的相對采出程度較Ma模型偏大，與動態(tài)滲吸實驗得到的規(guī)律相吻合。

3 結(jié)論

動態(tài)滲吸采出程度與滲透率相關(guān)性較差，與儲層品質(zhì)指數(shù)相關(guān)性較好。致密巖心越短，滲吸的阻力越小，越有利于滲吸的發(fā)生。對應(yīng)于實際致密儲層，裂縫越發(fā)育，動態(tài)滲吸采油效果越好。

溫度和壓力升高均有利于滲吸的進行。壓力主要通過改變巖心滲透率來影響動態(tài)滲吸采出程度。壓力的影響存在一個最佳范圍，對于本次研究所用的巖心，其值為5～7 MPa。在現(xiàn)場可通過提高地層壓力來提高動態(tài)滲吸采油效果。動態(tài)滲吸采出程度隨裂縫條數(shù)的增加而線性增加。對于實際致密油藏，裂縫發(fā)育越好，可提供的滲吸通道越多，滲吸的過流面積也越小，阻力降低，可有效提高動態(tài)滲吸采出程度。研究所得到的動態(tài)滲吸采出程度歸一化方程擬合程度高，適用于動態(tài)滲吸的研究，可為致密儲層的開發(fā)提供理論依據(jù)。