致密-低滲透油藏兩相啟動(dòng)壓力梯度變化規(guī)律

鄒 劍， 周法元， 董明達(dá)， 張 華， 韓曉冬， 王弘宇

(1.中海油集團(tuán)天津分公司， 天津 300452； 2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

近年來(lái)，隨著中國(guó)致密-低滲透油藏的不斷開(kāi)發(fā)，致密基質(zhì)中油水兩相滲流規(guī)律逐漸成為研究的焦點(diǎn)[1-3]?，F(xiàn)階段注水開(kāi)采仍是致密-低滲油藏的主要開(kāi)發(fā)方式之一，但由于儲(chǔ)層基質(zhì)具有滲透性差、流體滲流阻力高等特點(diǎn)，導(dǎo)致注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中注入壓力普遍過(guò)高，同時(shí)易發(fā)生水井欠注等現(xiàn)象[4-5]。由于致密-低滲儲(chǔ)層孔喉尺寸較小，導(dǎo)致注水開(kāi)采過(guò)程中油水兩相滲流受到毛管力的影響較大，生產(chǎn)過(guò)程中注入水在儲(chǔ)層基質(zhì)流動(dòng)時(shí)存在兩相啟動(dòng)壓力梯度，又稱兩相啟動(dòng)壓力梯度[6-7]。鄧玉珍等[8]通過(guò)測(cè)試低滲和特低滲巖心注入不同比例油水時(shí)的滲流曲線得出了不同含水飽和度下油水兩相啟動(dòng)壓力梯度，結(jié)果表明兩相啟動(dòng)壓力梯度隨含水飽和度升高而降低。朱維耀等[9]向飽和油后的致密巖心中注入水并在出口端有流體流出時(shí)停泵，取出入口兩端壓差穩(wěn)定后的值為兩相啟動(dòng)壓力梯度，發(fā)現(xiàn)油水兩相啟動(dòng)壓力梯度與滲透率呈冪指數(shù)關(guān)系。李斌會(huì)等[10]采用與鄧玉珍相同的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了超低滲和致密巖心不同含水飽和度時(shí)的兩相啟動(dòng)壓力梯度，得出了兩相啟動(dòng)壓力梯度隨含水飽和度先升高后降低的結(jié)論。

以往的研究中主要通過(guò)改變注入油水比例來(lái)模擬含水飽和度的變化，最終確定不同含水飽和度下兩相啟動(dòng)壓力梯度值。本文通過(guò)測(cè)量水驅(qū)油過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)的臨界壓力梯度，最終得出致密-低滲巖心一維水驅(qū)油過(guò)程中平均含水飽和度與兩相啟動(dòng)壓力梯度之間的關(guān)系。同時(shí)，結(jié)合原油啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，將原油啟動(dòng)壓力梯度與兩相啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了兩相啟動(dòng)壓力梯度的形成原因。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

表1為實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中所使用的原油為長(zhǎng)慶油田某儲(chǔ)層所取脫氣原油，密度為0.823 6 g/cm3，在60 ℃時(shí)黏度為1.52 mPa·s。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持環(huán)境溫度為60 ℃，圍壓為3 MPa。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心的基本參數(shù)

圖1為原油啟動(dòng)壓力梯度和兩相啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試裝置示意圖。測(cè)試裝置主要分為三個(gè)部分：驅(qū)替部分、巖心固定部分及數(shù)據(jù)采集部分。驅(qū)替部分包括手搖泵、壓力容器、隔離容器、驅(qū)替容器和恒速恒壓泵，巖心固定部分為巖心夾持器，數(shù)據(jù)采集部分包括高精度壓差傳感器和微流量計(jì)量裝置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 原油啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量方法

目前測(cè)量單相流體啟動(dòng)壓力梯度主要采用壓差-流量法，該方法可以通過(guò)壓力梯度曲線的擬合得出工程意義上的擬啟動(dòng)壓力梯度。根據(jù)壓差-流量法可以將原油啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：①將巖心烘干24 h后測(cè)量巖心基本尺寸及氣測(cè)滲透率；②將巖心放入夾持器中抽真空同時(shí)飽和油，老化24 h后根據(jù)飽和油前后巖心重量差確定巖心孔隙體積；③按圖1所示連接儀器，注意保證在實(shí)驗(yàn)溫度下壓力容器中的壓力為一個(gè)大氣壓；④利用手搖泵略微壓縮壓力容器中氣體體積，待壓力平穩(wěn)后通過(guò)高精度壓差傳感器和微流量計(jì)量裝置測(cè)量巖心兩端壓差及出口端流量；⑤逐步緩慢地增加壓力容器中氣體的壓力，等待壓差和流量基本平穩(wěn)后讀取相應(yīng)值；⑥對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制原油滲流曲線并確定原油啟動(dòng)壓力梯度。

1.3 兩相啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量方法

由于水驅(qū)油過(guò)程中巖心內(nèi)含水飽和度不斷變化，導(dǎo)致兩相啟動(dòng)壓力梯度也不斷變化，一定程度上是含水飽和度的函數(shù)。為了測(cè)量水驅(qū)油過(guò)程中不同含水飽和度下的臨界壓力梯度，在實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)恒速恒壓泵來(lái)改變巖心內(nèi)平均含水飽和度。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟。①將測(cè)量過(guò)原油啟動(dòng)壓力梯度后的巖心靜置一段時(shí)間，直至壓差計(jì)中示數(shù)降為0為止；②利用手搖泵逐漸略微壓縮壓力容器中氣體體積，等待2 h以上后觀察出口端微流量計(jì)量裝置中流量，當(dāng)流量大于0時(shí)記錄此時(shí)高精度壓差傳感器中對(duì)應(yīng)的壓差大?。虎弁ㄟ^(guò)恒速恒壓泵向巖心內(nèi)注入流體，當(dāng)注入量到達(dá)預(yù)計(jì)值后停泵，驅(qū)替過(guò)程中記錄產(chǎn)水量和產(chǎn)油量；④保持出口端閥門開(kāi)啟，等待壓差計(jì)中壓差降落直至為0后重復(fù)②、③，直至采出液中含水率到達(dá)98%為止；⑤更換巖心重復(fù)①～④，測(cè)量不同滲透率巖心中兩相啟動(dòng)壓力梯度隨平均含水飽和度變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 平均含水飽和度對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響

在實(shí)際水驅(qū)油過(guò)程中，由于油水滲流的非活塞性，巖心內(nèi)的沿程含水飽和度并不是一個(gè)定值，靠近注入端含水飽和度較高，靠近采出端含水飽和度較低。為了描述巖心內(nèi)含水飽和度的變化，引入平均含水飽和度的概念，即當(dāng)注入水到達(dá)一定量時(shí)，巖心內(nèi)的平均含水飽和度表示為

(1)

式(1)中:Swa為巖心內(nèi)平均含水飽和度，%；Qwi為入口端注入水總量，mL；Qwo為出口端采出水總量，mL；Vp為巖心孔隙體積，mL。

圖2 不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度和采出液含水率隨含水飽和度變化曲線Fig.2 The curve of two-phase threshold pressure gradient and water content of produced fluid changing with water saturation with different permeability

圖2為不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度和采出液含水率隨平均含水飽和度變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同滲透率的巖心中兩相啟動(dòng)壓力梯度均隨平均含水飽和度先上升后下降。這是由于隨著油水前緣的推進(jìn)油水界面數(shù)量不斷增加，毛管力的作用越來(lái)越強(qiáng)烈，從而使兩相啟動(dòng)壓力梯度在初期為上升趨勢(shì)。當(dāng)油水前緣運(yùn)移到一定位置后，油水接觸到達(dá)一定極限，隨著平均含水飽和度的升高注入水在巖心中形成連通的水流通道，巖心前段油水混合帶逐漸變?yōu)楦吆畢^(qū)域使巖心中油水混合帶范圍縮小，毛管力的作用逐漸減弱，最終導(dǎo)致兩相啟動(dòng)壓力梯度逐漸下降。同時(shí)，在水驅(qū)前緣到達(dá)出口端之前，靠近出口端的巖心部分僅存在原油的單相滲流，這部分原油的兩相啟動(dòng)壓力梯度可視為原油流動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)壓力梯度，這也是出口端采出液見(jiàn)水前兩相啟動(dòng)壓力梯度上升的原因之一。

對(duì)比不同巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度和采出液含水率曲線可以發(fā)現(xiàn)，除滲透率為1.14×10-3μm2的巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值對(duì)應(yīng)采出液含水率為16.6%外，其余巖心的兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值對(duì)應(yīng)采出液含水率均為0，當(dāng)采出液見(jiàn)水后巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度開(kāi)始下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面為巖心內(nèi)部油水兩相流動(dòng)過(guò)程中，在油水前緣到達(dá)采出端附近時(shí)油水接觸最為充分，毛管力對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響也最大；另一方面為當(dāng)油水前緣到達(dá)采出端時(shí)油水兩相混合區(qū)域范圍達(dá)到最大值，原油單相流動(dòng)區(qū)域完全消失，巖心沿程的驅(qū)動(dòng)條件全部為油水兩相區(qū)的驅(qū)動(dòng)條件，導(dǎo)致油水界面到達(dá)采出端時(shí)巖心兩端的兩相啟動(dòng)壓力梯度達(dá)到最大值。

2.2 滲透率對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響

圖3為不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度的最大值和最小值變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩相啟動(dòng)壓力梯度的最大值和最小值與滲透率均存在良好的冪函數(shù)關(guān)系，滲透率從52.17×10-3μm2降低至5.42 ×10-3μm2，兩相啟動(dòng)壓力梯度的最大值和最小值分別上升了0.353 MPa/m和0.221 MPa/m，而滲透率從5.42×10-3μm2變?yōu)?.12×10-3μm2時(shí)兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值上升了2.57 MPa/m，最小值上升了0.94 MPa/m，兩條曲線在滲透率為5×10-3μm2附近存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn)。

圖3 不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度的最大值和最小值曲線Fig.3 Maximum and minimum curves of two-phase threshold pressure gradient in cores with different permeability

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要為滲透率越低巖心孔喉尺寸越小，油水間毛管力越大，從而對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響也越大。同時(shí)，孔喉尺寸越小導(dǎo)致了單相啟動(dòng)壓力梯度越大，從另一方面增大了兩相啟動(dòng)壓力梯度。兩相啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Gh=0.862k-0.709

(2)

Gl=0.45k-0.634

(3)

式中:Gh為兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值，MPa/m；Gl為兩相啟動(dòng)壓力梯度最小值，MPa/m；k為巖心氣測(cè)滲透率，10-3μm2。

為了進(jìn)一步研究不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度隨平均含水飽和度變化的幅度，定義不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值與最小值對(duì)應(yīng)值之比為兩相啟動(dòng)壓力梯度極差，其物理意義為特定滲透率巖心平均含水飽和度對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響程度。表達(dá)式為

(4)

式(4)中:ms為水驅(qū)油臨界壓力梯度極差。水驅(qū)油臨界壓力梯度極差越大說(shuō)明巖心水驅(qū)油臨界壓力梯度受含水飽和度的影響也越大，反之則越小。

圖4為不同滲透率巖心的兩相啟動(dòng)壓力梯度極差，可以明顯看出隨著滲透率降低兩相啟動(dòng)壓力梯度極差逐漸升高，說(shuō)明滲透率越低的巖心含水飽和度對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響程度越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是隨著滲透率下降毛管力對(duì)油水兩相滲流影響所占比重增加，導(dǎo)致不同含水飽和度下兩相啟動(dòng)壓力梯度的變化幅度增加。滲透率越低的巖心中孔喉尺寸通常也越小，導(dǎo)致油水兩相滲流時(shí)毛管力的影響越大。油水前緣運(yùn)移至采出端附近時(shí)，滲透率越低的巖心油水毛管力的作用越強(qiáng)，而采出液含水率到達(dá)98%時(shí)毛管力對(duì)兩相滲流的影響基本可以忽略。因此，隨著滲透率的增大，兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值的增大幅度高于采出液含水率98%時(shí)兩相啟動(dòng)壓力梯度的增大幅度，最終表現(xiàn)為兩相啟動(dòng)壓力梯度極差隨巖心降低而升高。

圖4 不同滲透率巖心的兩相啟動(dòng)壓力梯度極差Fig.4 Two-phase threshold pressure gradient range of cores with different permeability

2.3 兩相啟動(dòng)壓力梯度形成機(jī)理分析

為了分析兩相啟動(dòng)壓力梯度的產(chǎn)生原因，必須將其形成機(jī)理與原油啟動(dòng)壓力梯度的形成機(jī)理區(qū)別開(kāi)來(lái)。前人通過(guò)大量研究[11-15]發(fā)現(xiàn)，邊界層流體是產(chǎn)生啟動(dòng)壓力梯度的主要原因，即低滲透油藏由于孔喉尺寸較小，邊界層流體厚度較大，導(dǎo)致壓力梯度較小時(shí)流體參與流動(dòng)的部分遠(yuǎn)低于常規(guī)油藏，在宏觀上則表現(xiàn)為啟動(dòng)壓力梯度。圖5為不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值和原油啟動(dòng)壓力梯度對(duì)比，可知，滲透率為0.12×10-3μm2的巖心中原油擬啟動(dòng)壓力梯度為0.345 MPa/m，而兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值為2.98 MPa/m，二者之間相差2.63 MPa/m，而滲透率為20.41×10-3μm2的巖心中二者之差為0.072 MPa/m，這說(shuō)明在油水兩相滲流中毛管力是兩相啟動(dòng)壓力梯度的主要形成原因，同時(shí)巖心滲透率越低毛管力對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響越強(qiáng)。

圖5 不同滲透率巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度和原油擬啟動(dòng)壓力梯度對(duì)比Fig.5 Two-phase threshold pressure gradient comparing with TPG of crude oil with different permeability

毛管力是油水在巖石潤(rùn)濕性影響下在界面處產(chǎn)生的壓力差，其方向?yàn)橹赶蛴退缑娴陌枷颍浯笮∈艿浇缑鎻埩?、巖石潤(rùn)濕性和孔隙半徑的影響。在水驅(qū)油過(guò)程中，毛管力主要分為以下幾種：

(1)連續(xù)毛管力：連續(xù)毛管力的形成條件為孔喉內(nèi)水相和油相都是連續(xù)的，僅在油水界面處存在毛管力，如圖6(a)所示。這種毛管力在親水油藏中是驅(qū)油動(dòng)力，而在親油油藏中則是驅(qū)油阻力。由于致密-低滲巖心中孔喉尺寸較小，所以此類毛管力在水驅(qū)油初期起到較大作用。

(2)附加毛管力：由于致密-低滲儲(chǔ)層中毛管網(wǎng)絡(luò)極為復(fù)雜且相互連通，各孔喉之間的半徑不同導(dǎo)致注入水優(yōu)先進(jìn)入阻力較小的孔喉，所以在水驅(qū)油過(guò)程中很難存在連續(xù)的水相和油相，通常情況下孔隙中原油都被截?cái)喑纱蠖蔚挠椭Ｓ退诘葟降挠H水毛管中典型分布如圖6(b)所示，油柱兩端沒(méi)有驅(qū)動(dòng)壓差時(shí)，油柱兩側(cè)界面所受的毛管力相等，油柱靜止于毛管中。當(dāng)在油柱左端的水開(kāi)始流動(dòng)時(shí)，油柱兩端產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)壓差導(dǎo)致兩側(cè)油水界面發(fā)生形變，由于潤(rùn)濕滯后使得兩側(cè)油水界面的形變程度不同，即θ1<θ2，所以油柱兩端界面受到的毛管力大小不同，其合力指向水流動(dòng)的相反方向。即當(dāng)親水巖心中油柱開(kāi)始運(yùn)移時(shí)會(huì)受到附加毛管力的影響，此時(shí)毛管力為驅(qū)油阻力。

(3)賈敏效應(yīng)：由于致密-低滲儲(chǔ)層中孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)孔喉之間尺寸相差較大，所以當(dāng)油珠通過(guò)不同尺寸孔喉連接處的窄口時(shí)會(huì)產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，如圖6(c)所示。油柱通過(guò)窄口時(shí)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)形變過(guò)程，而使油珠發(fā)生形變需要一個(gè)附加的力，這個(gè)力的大小等于油珠變形后的毛管力與變形前產(chǎn)生的毛管力之差。在親水油藏中，油珠從大孔喉進(jìn)入小孔喉時(shí)會(huì)發(fā)生賈敏效應(yīng)，而對(duì)于親油油藏，油珠從小孔喉進(jìn)入大孔喉也會(huì)產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，所以對(duì)于親水和親油油藏，賈敏效應(yīng)都是驅(qū)油阻力。

圖6 油水毛管力主要類型Fig.6 Main types of oil and water capillary forces

基于原油啟動(dòng)壓力梯度和兩相啟動(dòng)壓力梯度測(cè)量結(jié)果可知，原油啟動(dòng)壓力梯度和兩相啟動(dòng)壓力梯度的形成機(jī)理完全不同。在油水兩相滲流過(guò)程中必須單獨(dú)考慮毛管力對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響，不能將單相流體啟動(dòng)壓力梯度的形成原因完全套用在油水兩相流動(dòng)中。

3 結(jié)論

(1)致密-低滲巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度隨平均含水飽和度先上升后下降，在采出液見(jiàn)水時(shí)達(dá)到最大值，之后隨采出液含水率上升而下降。

(2)滲透率越低的巖心兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值越高，同時(shí)兩相啟動(dòng)壓力梯度極差也越大。兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值與巖心氣測(cè)滲透率呈良好的冪函數(shù)關(guān)系，滲透率越低兩相啟動(dòng)壓力梯度最大值上升速度越快。

(3)致密-低滲儲(chǔ)層油水兩相滲流中油水間毛管力是兩相啟動(dòng)壓力梯度的主要形成原因，同時(shí)巖心滲透率越低毛管力對(duì)兩相啟動(dòng)壓力梯度的影響越強(qiáng)。