考慮黏土礦物影響的濕相-非濕相置換實驗

李靜鵬， 許冬進(jìn)*， 唐 昱， 石善志, 何小東

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100； 2.中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院， 克拉瑪依 834000)

隨著中國致密油藏的規(guī)?；_發(fā)，逐漸形成致密油藏“保護(hù)儲層、增滲增能、洗油驅(qū)油”的多維一體化開發(fā)思路[1-2]，協(xié)同長水平段水平井大規(guī)模儲層改造技術(shù)，取得了可觀的開發(fā)效益[3]。

致密油藏孔隙連通性較差，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層流動空間狹小，常規(guī)提高采收率方式在致密油儲層中難以應(yīng)用[4]。中外致密油藏開發(fā)經(jīng)驗顯示，水平井壓裂施工作業(yè)結(jié)束后悶井，壓裂液通過裂縫與儲層基質(zhì)發(fā)生滲吸作用，壓裂液滯留儲層并將原油從儲層基質(zhì)置換至人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，返排時通過大規(guī)模壓裂液注入的增能效果將原油采出地面，因此，體積壓裂后悶井返排工藝能起到有效提高原油采收率的作用，壓裂液的“增能作用”“滲吸作用”“儲層傷害”程度決定了悶井返排工藝的效果[5]。中國致密儲層中泥質(zhì)含量高達(dá)16%～21%[6],泥質(zhì)成分中混合層黏土礦物如蒙皂石和伊利石均具有較強(qiáng)的水敏性，悶井滲吸過程中水敏性黏土礦物與壓裂液接觸會產(chǎn)生黏土膨脹，堵塞致密巖石孔隙喉道，傷害儲層，油田現(xiàn)場在儲層改造時使用KCl作為防膨添加劑進(jìn)行儲層保護(hù)。前人對黏土礦物的研究大多集中于其對水敏、水鎖效應(yīng)的影響，如張關(guān)龍等[7]研究了黏土礦物總量與儲層水敏性的關(guān)系；曹維政等[8]研究發(fā)現(xiàn)儲層中含有少量黏土礦物時，該儲層表現(xiàn)出中等偏強(qiáng)的水敏性；而在壓裂液滲吸作用過程中考慮黏土礦物含量的研究較少。

致密巖心孔隙喉道半徑小且連通復(fù)雜，孔喉連通性和喉道迂曲度無法判定，傳統(tǒng)致密巖心滲吸實驗方法[9-10]如質(zhì)量法、體積法、計算機(jī)斷層掃描及核磁共振法無法直接反映巖心內(nèi)部流體流動情況，現(xiàn)不僅采用常規(guī)致密天然/人工巖心質(zhì)量法研究儲層巖心和人造巖心的滲吸采收率，還采用玻璃管填砂來模擬巖心[11]，以便于觀察出不同時刻填充介質(zhì)內(nèi)部濕相通過濕相-非濕相置換作用到達(dá)的位置(氣-液前緣)，同時通過量筒計量正/逆向濕相置換量，為滲吸置換機(jī)理研究和工程中防膨劑的使用提供理論參考。

1 實驗方法與實驗材料

1.1 質(zhì)量法巖心滲吸實驗材料及裝置

采用質(zhì)量法設(shè)計致密油動態(tài)滲吸實驗裝置，如圖1所示。選取新疆油田瑪湖致密油儲層鉆井過程的全直徑巖心作為實驗材料，利用線切割機(jī)將全直徑巖心切割成直徑2.5 cm，長度7.5 cm左右的標(biāo)準(zhǔn)小巖心A1、A2、A3；選取與天然巖心孔隙度、滲透率相似的人造巖心B1、B2、B3；巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實驗參數(shù)如表1所示。采用新疆油田原油配置模擬油，20 ℃ 黏度為3.234 mPa· s，密度為0.803 kg/m3，實驗用潤濕相為新疆油田現(xiàn)場壓裂液配方配置滑溜水壓裂液破膠液，壓裂液內(nèi)添加助排劑和不同含量防膨劑，黏度為8.234 mPa·s，油水界面張力為0.062 mN/m。

圖1 致密油動態(tài)滲吸實驗裝置Fig.1 Experimental device for dynamic imbibition of dense oil

表1 實驗巖心參數(shù)Table 1 The experimental core parameters

1.2 質(zhì)量法巖心滲吸實驗步驟

為研究巖心內(nèi)黏土礦物含量及壓裂液中防膨劑含量對壓裂液滲吸作用的影響，以質(zhì)量法為實驗手段，實驗步驟如下。

(1)將切割制樣、編號完成的巖心洗油兩周后烘干至恒重，測量各巖心的基本參數(shù)。

(2)將巖心抽真空，加壓飽和模擬油。飽和完成后將巖心放入模擬油中，在75 ℃ 烘箱內(nèi)放置3周老化。

(3)按照黏度要求將現(xiàn)場獲取的原油與煤油按一定比例配置模擬油；按照新疆油田現(xiàn)場體積壓裂施工使用壓裂液體系配方配制壓裂液。按照現(xiàn)場施工程序?qū)毫岩哼M(jìn)行交聯(lián)、破膠，之后對其進(jìn)行過濾，得到濾液用于滲吸實驗。

(4)巖心稱濕重，通過懸掛桿掛于反應(yīng)釜中，與壓裂液充分接觸，通過傳感器和軟件實時獲取巖心質(zhì)量與時間的關(guān)系，處理實驗數(shù)據(jù)。實驗溫度為25 ℃,實驗壓力為0.1 MPa。

利用質(zhì)量法測定滲吸采收率時，考慮巖心浮力等因素，結(jié)合受力分析方法推導(dǎo)出滲吸采收率公式為

(1)

式(1)中：E為滲吸采收率，%；α為巖心物性經(jīng)驗相關(guān)系數(shù)，0.119；ρw為壓裂液密度，1.03 g/cm3；ρ0為模擬油密度， 0.8 g/cm3；V0為模擬油的體積，mL;Δm為質(zhì)量變化量，g。

1.3 玻璃管填砂實驗材料及裝置

玻璃管填砂實驗氣-水系統(tǒng)裝置圖如圖2所示。實驗所用玻璃管內(nèi)徑為2.5 cm，長度為40 cm。盛水容器1為20 cm×20 cm×20 cm上不封口玻璃缸，側(cè)面有孔，孔徑和玻璃管外徑相同(3 cm)。盛水容器2為廣口瓶。實驗裝置出口使用橡皮塞連接導(dǎo)管，接入量筒2收集氣體。量筒1和量筒2在實驗開始前裝滿水倒扣在玻璃管上方來收集滲析作用被驅(qū)出的氣體。氣-液系統(tǒng)實驗中，逆向置換的空氣從填充玻璃管左側(cè)排出，進(jìn)入量筒1。正向排出的空氣通過導(dǎo)管進(jìn)入量筒2。為了排出重力對潤濕相運(yùn)移的影響，實驗中保證盛水容器1的液面與填充玻璃管的上端持平。

圖2 氣-水系統(tǒng)實驗裝置圖Fig.2 Gas-water system experimental device diagram

實驗所用固體顆粒為300目石英砂，密度為2.65 g/cm3，表現(xiàn)為強(qiáng)水濕性。黏土礦物中蒙脫石的膨脹性最強(qiáng)，因此填充黏土礦物選擇蒙脫石粉末，密度為2 g/cm3，實驗用樣如表2所示。實驗采用空氣作為非濕相，去離子水、20 g/L KCl溶液和40 g/L KCl溶液作為濕相。

表2 實驗用樣Table 2 Experimental samples

1.4 玻璃管填砂濕相-非濕相置換實驗方法及步驟

傳統(tǒng)的室內(nèi)靜態(tài)滲吸實驗中存在一些無法避免的誤差和局限性。相比于天然巖心或人工巖心，填砂玻璃管中孔喉連通性良好且不存在盲道，玻璃管透明可直接觀察潤濕相前緣運(yùn)移距離并通過量筒計算濕相置換量，通過控制黏土礦物含量和防膨添加劑含量研究黏土礦物對濕相運(yùn)移的影響，通過量筒1和量筒2測量正向/逆向置換空氣體積研究非濕相運(yùn)移規(guī)律。實驗步驟如下。

(1)將烘干處理后的石英砂和不同比例的蒙脫石填充玻璃管，玻璃管內(nèi)填充的砂柱長度為36.5 cm，填充物質(zhì)量為270 g。

(2)將填充好的玻璃管兩端用橡膠塞+玻璃膠密封，待玻璃膠干燥后連接氣瓶和皂膜流量計，測定填充管滲透率。

(3)按照圖2連接實驗裝置。在盛水容器1和2中緩緩倒入濕相，將盛滿濕相的量筒倒置固定好。觀察出不同時刻填充介質(zhì)內(nèi)部濕相到達(dá)的位置(氣-液前緣)，同時通過量筒2和量筒1計量正/逆向濕相置換量的體積。

由于非濕相為空氣，所以采出程度計算式中的油相用氣相代替，濕相置換率計算公式為

(2)

式(2)中：R為t時刻玻璃管填充介質(zhì)的濕相置換率，%；ΔV為t時刻置換排出的氣體總體積，mL；V為總孔隙體積，mL。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 巖心滲吸實驗

滲吸實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。如圖3所示，天然巖心實驗結(jié)果中，滲吸液中添加防膨劑的巖心(A2、A3)滲吸采收率明顯高于滲吸液中無防膨劑含量時巖心的(A1)滲吸采收率，20 g/L KCl滲吸液的滲吸采收率比無防膨劑滲吸液采收率提高18.5%，40 g/L KCl滲吸液的滲吸采收率比20 g/L KCl滲吸液的滲吸采收率提高2.6%。

圖3 不同防膨劑含量天然巖心滲吸實驗Fig.3 The results of natural core imbibition experiment with different contents of anti-swelling agents

圖4 不同防膨劑含量人工巖心滲吸實驗Fig.4 The results of artificial core imbibition experiment with different contents of anti-swelling agents

如圖4所示，人工巖心實驗結(jié)果中，不同防膨劑含量的滲吸液的滲吸采收率變化不明顯，原因為人工巖心礦物組成中沒有黏土礦物。因此，多孔介質(zhì)中的黏土礦物對自發(fā)滲吸存在負(fù)面影響。

2.2 玻璃管填砂實驗

如圖5所示，當(dāng)其他條件不變時，5%黏土礦物含量的填充物置換均速為2%黏土礦物含量的填充物的0.4倍。表明黏土礦物含量越高，濕相-非濕相置換速度越慢。

圖5 1～4號填砂管氣-液前緣距離隨時間的關(guān)系Fig.5 The relationship between the gas-liquid front distance and time of No.1～4 sand filling pipe

如圖6所示，由于黏土礦物的膨脹性，孔隙中黏土礦物顆粒在接觸濕相時膨脹，導(dǎo)致氣-液界面的部分孔隙被堵住，非濕相難以被濕相置換出來，且隨著黏土礦物含量的增加，盲管越來越多，氣-液通道連通性變差。如表3所示，當(dāng)填充物為純石英砂時，逆向置換非濕相量可達(dá)到8 mL。但含有黏土礦物的填充介質(zhì)中，逆向置換非濕相量都在1.5 mL以下。

表3 不同黏土礦物含量時正/逆向濕相置換量Table 3 Positive/reverse wet phase displacement at different clay contents

Qg為非濕相的置換量；Qw為濕相的置換量圖6 孔隙中黏土礦物顆粒膨脹對濕相運(yùn)移方式的影響Fig.6 Effect of expansion of clay mineral particles in pores on the migration of wet phase

如表4所示，填砂管填充物為純石英砂時，多孔介質(zhì)均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙連通性好，濕相-非濕相置換率可達(dá)到88.96%。如圖7所示，從濕相置換率上看，黏土礦物含量為5%時，所需要的置換時間為純石英砂的2.29倍，濕相置換率為純石英砂的77.8%。

表4 不同黏土礦物含量填充物的濕相置換率和平均速度Table 4 Wet phase displacement ratio and average speed of fillers with different clay contents

圖7 不同黏土含量下濕相置換率Fig.7 Wet phase displacement in different clay contents

如圖8所示，比較2～7號填砂管可知，濕相由去離子水變?yōu)?0 g/L KCl溶液時，含黏土礦物填砂管濕相置換率明顯提高。4號填砂管的濕相置換率為69.22%，在20 g/L KCl溶液中，其濕相置換率可提高至85.2%。在濕相為20 g/L KCl溶液中，無論是濕相置換非濕相速度還是濕相置換率，都明顯高于濕相為去離子水時的值。

圖8 20 g/L KCl溶液對黏土礦物膨脹的抑制效果Fig.8 Inhibition effect of 20 g/L KCl solution on clay swelling

如圖9所示，填砂管4、7、8進(jìn)行比較，在濕相為40 g/L KCl溶液與20 g/L KCl溶液實驗結(jié)果顯示，濕相置換率提高3.3%，表明20 g/L KCl溶液無法完全抑制黏土礦物膨脹，在40 g/L濃度KCl溶液中，5%黏土礦物填砂管的濕相置換率為88.5%，與純石英砂填砂管相差0.46%。

圖9 不同濃度KCl溶液對5%黏土礦物含量填充介質(zhì)濕相置換率的影響Fig.9 The effect of different concentrations of KCl solution on the wet phase replacement rate of 5% clay mineral content filled medium

3 Lucas-Washburn(LW)滲吸模型及其擬合

在水平毛細(xì)管中，濕相液體吸入的速率依賴于毛細(xì)管力，吸入實際長度隨時間的變化關(guān)系為

(3)

式(3)中：hf為毛細(xì)管吸入長度，cm；λ為毛細(xì)管直徑，cm；σ為潤濕液體表面張力，N/m；t為時間，s；θ為接觸角，(°)。μw為濕潤液體黏度，Pa·s。

式(3)為LW模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12]，對式(3)進(jìn)行對數(shù)變換得

(4)

(5)

由式(5)可知，LW模型在對數(shù)變換后，變量lghf與自變量lgt滿足斜率為0.5的線性關(guān)系。在填砂管模型中，由于填充介質(zhì)為純石英砂，相比于儲層基質(zhì)來說，有更好的均質(zhì)性，可看作毛細(xì)管束模型，對填砂管3濕相運(yùn)移前緣隨時間的關(guān)系利用式(5)進(jìn)行對數(shù)變換后進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，填砂管3線性擬合方程斜率為0.483 4，與LW毛細(xì)管滲吸模型的斜率0.5相比，滲吸規(guī)律擬合較好。

圖10 填砂管3濕相運(yùn)移前緣與時間的對數(shù)關(guān)系Fig.10 Logarithmic relationship between the front edge of the wet phase migration of sand-filled pipe 3 and time

4 結(jié)論

(1)通過人工巖心和天然巖心滲吸實驗結(jié)果可知，黏土礦物含量與壓裂液滲吸采收率呈負(fù)相關(guān)，防膨劑含量與壓裂液滲吸采收率呈正相關(guān)，20 g/L KCl防膨劑添加量即可有效抑制黏土礦物膨脹。

(2)通過玻璃管填砂實驗可知，非濕相逆向排出只發(fā)生在實驗初期，且逆向排出量占總排出量比例極小。黏土礦物遇水膨脹會阻礙非濕相運(yùn)移，潤濕前緣突進(jìn)速度變慢，總采收率減少。

(3)LW毛管束模型能夠較好擬合填砂管實驗潤濕前緣運(yùn)移結(jié)果，表明填砂管實驗滿足LW模型的約束條件。