致密儲集層滲吸影響因素分析與滲吸作用效果評價

楊正明 ，劉學(xué)偉 ，李海波 ，雷啟鴻，駱雨田 ，王向陽

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊 065007；3.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，西安 710018）

0 引言

致密油作為全球非常規(guī)石油勘探開發(fā)的亮點領(lǐng)域,已成為中國各大油區(qū)增儲上產(chǎn)的重要接替資源[1-2]。美國能源信息署在2013年預(yù)測全球致密油可采儲量為473×108t，預(yù)計到2035年致密油產(chǎn)量將占原油總產(chǎn)量的45%[3]。中國致密油資源豐富，初步預(yù)測中國陸上主要盆地致密油分布面積達(dá)50×104km2，地質(zhì)資源量大約為200×108t，技術(shù)可采資源量為（20～25）×108t[4]。目前，雖然利用水平井和體積壓裂改造技術(shù)實現(xiàn)了致密油的初期規(guī)模動用，但致密儲集層整體采出程度低于10%，急需研發(fā)新技術(shù)來有效開發(fā)致密儲集層資源[5-8]。長慶、大慶和吉林等油田開展了致密油注水吞吐礦場試驗，取得了一些進(jìn)展，同時也暴露出一些問題，這些問題的解決有賴于對致密儲集層滲吸機理的深入了解。致密儲集層微裂縫發(fā)育，通常通過大規(guī)模體積壓裂措施提高產(chǎn)能，使得孔隙、微裂縫、人工裂縫形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更為復(fù)雜，同時裂縫與基質(zhì)間滲流能力差異巨大，注入水極易沿裂縫發(fā)生水竄，導(dǎo)致基質(zhì)內(nèi)富集大量剩余油，注水開發(fā)效果差。如何有效發(fā)揮裂縫與基質(zhì)之間的滲吸作用，提高基質(zhì)內(nèi)原油的動用程度，已成為提高致密儲集層開發(fā)效果的重要問題[9-13]。

滲吸是通過毛細(xì)管力作用由潤濕相置換非潤濕相的過程，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。1952年，Brownscombe等[14]提出滲吸作用有利于油田提高原油產(chǎn)量，隨后國內(nèi)外多位學(xué)者[15-20]對多孔介質(zhì)自發(fā)滲吸過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了各種因素對自發(fā)滲吸的影響，并建立了相應(yīng)的滲吸模型。但這些研究很多基于裂縫性油藏，甚少研究致密儲集層，且對驅(qū)替過程中的滲吸作用及滲吸距離的研究涉及較少。

本文利用高壓大模型物理模擬系統(tǒng)和核磁共振等技術(shù)[21]，建立不同尺度巖心滲吸物理模擬實驗方法，分析滲透率、裂縫和潤濕性對致密巖心滲吸效果的影響，研究驅(qū)替和滲吸作用的大小及滲吸作用的傳播距離，揭示致密儲集層滲吸機理，探索致密儲集層高效開發(fā)的基礎(chǔ)理論。

1 致密儲集層逆向滲吸影響因素

逆向滲吸是指吸入方向和排出方向完全相反的一種滲吸現(xiàn)象。在注水吞吐過程中，逆向滲吸在致密儲集層裂縫和基質(zhì)的物質(zhì)傳輸中起重要作用。選用如表1所示的巖心，利用滲吸物理模擬實驗系統(tǒng)，研究滲透率、裂縫和潤濕性對致密巖心逆向滲吸效果的影響。

表1 實驗巖心基礎(chǔ)物性參數(shù)

1.1 滲透率

選取空氣滲透率為0.21×10-3μm2，1.52×10-3μm2和8.16×10-3μm2的3塊巖心（表1中的1號、2號、3號巖心）開展實驗。步驟為：①將巖心外表和一個端面用聚四氟乙烯材料密封，只保留巖心一個端面與外界相連通；②巖心抽真空后飽和原油樣品，置于實驗系統(tǒng)中，保證巖心與外界相連通的一端接觸水，但巖心中不產(chǎn)生壓力梯度；③通過毛細(xì)管力吸入水置換原油，并從進(jìn)水端采出，采出的油由蠕動泵導(dǎo)入油水分離器，記錄采油量。

實驗結(jié)果如圖1所示，其中滲吸采出程度為滲吸采出油量占原始總飽和油量的百分比。可以看出：巖心在逆向滲吸過程中，滲透率越低，滲吸平衡時間越長，采出程度越低，且油滴析出較晚；隨著滲透率的增大，滲吸速度、滲吸采出程度均同步提高。

圖1 不同滲透率巖心滲吸效果對比

逆向滲吸的這種現(xiàn)象是由油藏的物理性質(zhì)-力學(xué)機理控制的。逆向滲吸包含兩個過程：①水吸入過程，該過程主要取決于毛細(xì)管力的大小，在潤濕性不變的情況下，毛細(xì)管半徑越小，滲透率越小，毛細(xì)管力越大，水滲入的距離越大；②油排出過程，該過程中，油排出的阻力有單相油的啟動壓力和油水兩相流阻力。這些力與滲透率有直接關(guān)系，即滲透率越大，阻力越小，越有利于油的排出，因而巖心的滲透率越大，逆向滲吸采出程度越高。

1.2 裂縫

為了分析裂縫對巖心滲吸效果的影響，選取表1中的4號、5號巖心（基質(zhì)空氣滲透率均為0.22×10-3μm2），將其中一塊沿軸線切成兩部分，隨后將兩部分拼合起來構(gòu)造一條人工裂縫（見圖2），代表裂縫性巖心，另一塊代表基質(zhì)巖心開展?jié)B吸對比實驗。

圖2 巖心人工制造裂縫示意圖

裂縫的存在不僅擴大了致密基質(zhì)與水接觸的滲吸面積和滲吸前緣的范圍，而且還減小了油排出的阻力，提高了滲吸速度和采出程度（見圖3）。因此，對致密儲集層進(jìn)行大規(guī)模體積壓裂改造和注水吞吐，利用逆向滲吸的吸水排油機理，可提高滲吸排油速度和采出程度，改善開發(fā)效果。

圖3 裂縫性巖心和基質(zhì)巖心滲吸效果對比

1.3 潤濕性

選擇表1中的6—9號4塊基質(zhì)巖心進(jìn)行逆向滲吸實驗，其空氣滲透率均為0.26×10-3μm2，但具有不同潤濕性（強親水、弱親水、中性和強親油）。測試結(jié)果如表2所示，可以看出：強親水巖心的逆向滲吸驅(qū)油效率最高，為19.12%；強親油巖心的逆向滲吸驅(qū)油效率最低，為2.82%，比強親水巖心的驅(qū)油效率低16.30%。因此，致密儲集層的注水吞吐開發(fā)，可以通過改變儲集層潤濕性來提高開發(fā)效果。

表2 不同潤濕性巖心的滲吸驅(qū)油效果

2 水驅(qū)油時滲吸作用的定量評價方法

親水油藏水驅(qū)油過程中，毛細(xì)管力是滲吸的主要動力，水驅(qū)油微觀圖像[22]證實毛細(xì)管力主要排驅(qū)大孔道壁面附近和小孔道內(nèi)的原油，而驅(qū)替壓力主要驅(qū)動大孔道中部的原油，如何定量評價滲吸作用的大小，目前未見相關(guān)文獻(xiàn)。因此，本文結(jié)合核磁共振圖譜和水驅(qū)油物理模擬實驗，構(gòu)建水驅(qū)油時滲吸作用大小的定量評價方法。

核磁共振圖譜中的橫向馳豫時間（T2）是流體傳遞能量大小的特征參數(shù)，在小孔道和大孔道壁面處的流體T2值小，而在大孔道中部的流體T2值大，可以用一個T2截止值把核磁共振圖譜分開[21]，左邊部分表示小孔道和大孔道壁面處的流體信號，右邊部分表示大孔道中部的流體信號。選取巖心進(jìn)行驅(qū)油實驗，并測試飽和水、束縛水、水驅(qū)油結(jié)束等狀態(tài)下的核磁共振信號，作出相應(yīng)的核磁共振圖譜（見圖4），計算滲吸采出量和驅(qū)替采出量，進(jìn)而定量評價滲吸和驅(qū)替作用的大小。

實驗步驟：①將烘干的巖心抽真空飽和水，完成第1次核磁共振圖譜測試，得到整個巖心的流體分布（飽和水狀態(tài)）；②將飽和水的巖心用去氫模擬油（核磁共振中沒有信號）驅(qū)替，建立束縛水飽和度，完成第2次核磁共振圖譜（飽和油后束縛水狀態(tài)）測試，第1次和第2次所得兩條核磁測試曲線所包圍的面積為飽和油的分布狀態(tài)；③再用水驅(qū)替模擬油至不產(chǎn)油，得到殘余油飽和度場，完成第3次核磁共振圖譜（水驅(qū)油最終狀態(tài)）測試。由實驗過程可知，第3次和第2次核磁共振圖譜的差值即為采出油（圖4中黃色和蘭色部分面積之和），T2截止值的右邊為大孔道中部采出的流體，是通過驅(qū)替作用采出的；T2截止值的左邊為小孔道和大孔道壁面處采出的流體，是通過滲吸作用采出的，可見通過核磁共振圖譜可定量評價驅(qū)替采出程度和滲吸采出程度。

根據(jù)上述方法，測試了長慶油田長7致密儲集層32塊巖心的水驅(qū)油核磁共振圖譜（見圖5），其中滲透率大于1.0×10-3μm2的巖心2塊，（0.3～1.0）×10-3μm2的巖心4塊，（0.1～0.3）×10-3μm2的巖心11塊，小于0.1×10-3μm2的巖心15塊。從圖中可以看出，驅(qū)替采出程度隨滲透率的降低而降低，滲吸采出程度隨滲透率的降低而增大，說明水驅(qū)油條件下，滲透率越低，滲吸作用越明顯。

圖4 水驅(qū)油時滲吸作用定量評價原理示意圖

應(yīng)該指出的是，水驅(qū)油條件下的滲吸是順向滲吸，而不是注水吞吐條件下的逆向滲吸。順向滲吸的作用主要表現(xiàn)為水的滲入能力，即滲透率越小，毛細(xì)管半徑越小，毛細(xì)管力越大，滲吸作用越強，滲吸采出程度越高。

3 滲吸作用的傳播距離

滲吸作用傳播的距離是反映滲吸作用強弱的一個重要參數(shù)。本文采用自主研發(fā)的高壓大模型實驗系統(tǒng)[23]設(shè)計了2個高壓大模型物理模擬實驗：①高壓大模型注水吞吐實驗，實驗系統(tǒng)由注入系統(tǒng)（Quizix驅(qū)替泵）、采集系統(tǒng)（調(diào)速型蠕動泵和油水分離計量裝置）、監(jiān)測系統(tǒng)（壓力傳感器）和封裝好的露頭巖樣4部分組成（見圖6），按照“注—悶—采”的流程進(jìn)行實驗。即首先開啟裂縫端的6號和12號閥門，注入地層水（注入壓力20 MPa）模擬地下注水補充地層能量過程；然后關(guān)閉6號和12號閥門，在恒定壓力下放置15 h模擬地下悶井流體滲吸置換過程；最后再開啟6號和12號閥門模擬地下采油過程；②高壓大模型逆向滲吸實驗，采用圖6所示的實驗系統(tǒng)，設(shè)計注入速度0.5 mL/min，從6號閥門不斷注水，由12號閥門不斷采出。其中連接6號和12號閥門的裂縫為無限導(dǎo)流能力裂縫，兩個閥門之間無滲流阻力，確保了逆向滲吸實驗中水在裂縫面上只發(fā)生逆向滲吸。

圖6 大模型注水吞吐實驗系統(tǒng)

測試滲吸距離的原理：通過對比高壓大模型注水吞吐和逆向滲吸實驗前、后模型壓力場的變化規(guī)律，判斷注水吞吐過程中注入水波及距離和逆向滲吸過程中的滲吸作用距離。

選擇空氣滲透率（約為0.2×10-3μm2）十分相近的2塊的露頭巖樣（尺寸40 cm×10 cm×2.7 cm）分別進(jìn)行逆向滲吸和注水吞吐實驗。露頭巖樣滲透率低，體積大，常規(guī)抽真空飽和流體的方法難以滿足實驗要求，為解決該瓶頸問題，根據(jù)文獻(xiàn)[19]研發(fā)了大模型多點抽真空飽和流體的方法：①在大模型的①—⑤注采口抽真空，保證該處處于真空狀態(tài)；②從注采口⑥—?飽和水（50 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)鹽水，避免注入淡水對巖樣的傷害）；③當(dāng)露頭巖樣整體真空度恢復(fù)到大氣壓力時，測試各個方向的電阻率，確保模型完全飽和水；④將飽和水的露頭巖樣放置到高壓大模型夾持器內(nèi)進(jìn)行飽和油（真空泵油和煤油按一定的比例配制黏度為1.48 mPa·s的模擬油），即先采用排狀注采方式飽和模擬油，然后在交叉注采口再進(jìn)行飽和；⑤測試各個方向的電阻率變化，確保模型達(dá)到地層原始含油飽和度狀態(tài)。

實驗步驟為：①采用模擬油從大模型無裂縫端驅(qū)替，記錄模型不同時刻各測點的壓力變化；②分別進(jìn)行注水吞吐（3個輪次，周期注入量為5 mL）和逆向滲吸實驗；③用模擬油從大模型無裂縫端再次驅(qū)替巖樣，記錄模型不同時刻各測點的壓力變化。

圖7為滲透率為0.2×10-3μm2的露頭巖樣逆向滲吸實驗中滲吸前、后模型各測點的壓力變化，可以看出：①模型在逆向滲吸實驗前，各測點壓力隨驅(qū)替時間的延長而逐漸上升，驅(qū)替至4 000 s時，各測點的壓力基本穩(wěn)定，說明模型內(nèi)部阻力梯度一定，體現(xiàn)了模型單相滲流規(guī)律；②模型在逆向滲吸實驗后，用模擬油驅(qū)替時，各測點的壓力隨時間的延長先上升后降落，再趨于平行。這種現(xiàn)象是因為模型在逆向滲吸的作用下，水進(jìn)入基質(zhì)，形成油水兩相過渡帶，而未被水波及的區(qū)域依然只有油相，從而導(dǎo)致兩個區(qū)域的滲流阻力不同。各測點在時間為3 100 s時，壓力達(dá)到最大值。對比實驗前后的壓力數(shù)值，可以看出逆向滲吸實驗后，驅(qū)替壓力明顯上升。除裂縫端的測點外，其他5個測點滲吸后的壓力要比滲吸前的壓力高0.7～2.0 MPa，表明逆向滲吸以后，存在兩相區(qū)，滲流阻力增大。

注水吞吐實驗前后各測點的壓力曲線與逆向滲吸實驗一樣，注水吞吐后的驅(qū)替壓力要大于注水吞吐前的驅(qū)替壓力。

圖7 滲透率為0.2×10-3 μm2的露頭巖樣逆向滲吸前后反向驅(qū)替壓力隨時間的變化關(guān)系

通過對比注水吞吐和逆向滲吸實驗前后滲流壓力隨距離的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲線中壓力出現(xiàn)拐點時，該點所對應(yīng)的距離即為注水吞吐和逆向滲吸過程中水的波及距離（見圖8）?？梢钥闯觯鹤⑺掏碌臐B吸距離為22.8 cm，逆向滲吸的滲吸距離為7.6 cm。注水吞吐的滲吸距離要大于逆向滲吸的滲吸距離，主要原因是因為在注水吞吐過程中，“吞”的階段有一部分水在壓力（壓差）作用下，擠入基質(zhì)，“吐”的階段有一部分油依靠基質(zhì)與裂縫間壓差的“驅(qū)動”采出，所以采出的油不能全部視為“滲吸”的貢獻(xiàn)，其波及距離也不完全是“滲吸”的作用，而是壓差與滲吸共同作用的結(jié)果，水相可進(jìn)入更深的基質(zhì)前緣。

圖8 滲透率為0.2×10-3 μm2的露頭巖樣注水吞吐和逆向滲吸實驗中驅(qū)替壓力隨距離的變化關(guān)系

按照上述實驗方法，注水吞吐過程中，注入水體積增加1倍時，測得的滲吸距離為40.0 cm，說明致密儲集層開采過程中，注入體積越大，滲吸距離也越大。

采用相同的實驗方法，對滲透率為2.0×10-3μm2的露頭巖樣進(jìn)行實驗，測得注水吞吐的滲吸距離為30.4 cm，逆向滲吸的滲吸距離為10.0 cm（見圖9），結(jié)果表明，低滲儲集層滲透率越大，滲吸距離越大。

圖9 滲透率為2.0×10-3 μm2的露頭巖樣注水吞吐和逆向滲吸實驗中驅(qū)替壓力隨距離的變化關(guān)系

4 結(jié)論

逆向滲吸過程中，滲透率越低，油滴析出越晚，滲吸平衡時間越長，采出程度越低；裂縫可有效擴大致密基質(zhì)與水接觸的滲吸面積和滲吸前緣的范圍，減小油排出的阻力，提高滲吸速度和采出程度；巖石越親水，巖樣的滲吸速度和采出程度越高。

順向滲吸過程中，滲透率越低，滲吸作用越明顯；驅(qū)替采出程度與滲透率呈正相關(guān)，而滲吸采出程度與滲透率呈負(fù)相關(guān)。

注水吞吐的滲吸距離要大于單純的逆向滲吸距離，滲透率和注入倍數(shù)越大，滲吸距離越大。致密儲集層大規(guī)模體積壓裂與改變儲集層潤濕性、注水吞吐相結(jié)合有利于提高致密儲集層的滲吸效果。