致密砂巖逆向滲吸作用距離實驗研究1)

齊松超 于海洋,2) 楊海烽 汪 洋 楊正明

* (中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

? (中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

引言

隨著常規(guī)油氣資源的減少,致密油資源成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點[1-4],并且北美致密油開發(fā)已取得突破性進展[5-7].我國致密油資源豐富、分布廣泛,致密油地質(zhì)儲量為2.0 × 1010t,技術(shù)可采儲量為2.0 × 109～ 2.5 × 109t[8].我國多數(shù)致密油藏具有初始產(chǎn)油量低、產(chǎn)量遞減快、衰竭采收率低等特點,即使采用長水平井和多級體積壓裂技術(shù)開發(fā)致密油藏,但其衰竭采收率通常低于10%[9,10].致密油藏裂縫的存在雖然可以提高單井原油產(chǎn)量,但是也會使注入水優(yōu)先沿裂縫流動,形成水竄,導(dǎo)致波及效率差[11-13].由于致密儲層孔喉狹小和毛細管力較強,注水滲吸對于提高致密油藏的基質(zhì)波及效率和原油采收率發(fā)揮著重要作用[14-16].

滲吸是指在毛細管力作用下潤濕相置換非潤濕相的過程[17].許多學(xué)者針對多孔介質(zhì)的滲吸過程開展了理論和實驗研究,分析了滲吸機理及各種因素的影響,并建立了相應(yīng)的滲吸模型[18-21].目前,常用的滲吸實驗方法有質(zhì)量法[22]、體積法、核磁共振法[23-24]和CT 掃描法[25-26].質(zhì)量法和體積法實驗裝置簡單、操作方便,但存在測量誤差較大等缺點.核磁共振和CT 掃描方法能可視化分析巖心中流體分布和滲流規(guī)律,有利于進一步研究滲吸采油機理[27-29].

現(xiàn)有的滲吸研究主要針對致密油藏滲吸采收率評價及其影響因素分析[30-33],而對于表征致密油藏滲吸作用距離研究較少[34-35],并且滲吸作用距離的量化對于滲吸作用的評價具有重要意義.楊正明等[36]采用高壓大模型物理模擬系統(tǒng),建立了水驅(qū)油時滲吸作用的定量評價方法.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,測定注水吞吐的波及距離和逆向滲吸過程中的滲吸作用距離.結(jié)果表明:注水吞吐的滲吸作用距離要大于單純的逆向滲吸作用距離,且與滲透率和注入倍數(shù)呈正相關(guān).Hun 等[37]認為當前滲吸實驗主要研究巖心中滲吸量與時間的關(guān)系,然而并不能直觀地描述巖心中液體飽和度分布.因此,他們采用核磁共振技術(shù)獲得了露頭頁巖巖心滲吸過程中的含水飽和度分布曲線,可視化分析滲吸前緣延伸情況,分析了黏土礦物含量、礦化度和表面活性劑對含水飽和度分布曲線的影響.然而,此實驗使用核磁共振技術(shù)測試時,需將滲吸過程中的巖心取出進行測量,然后繼續(xù)滲吸.關(guān)于致密地層巖心注水滲吸過程中實時測量含水飽和度分布和滲吸作用距離的文獻較少,仍需進一步探索.

針對表征致密油藏滲吸作用距離及影響因素分析的實驗研究缺乏的現(xiàn)狀,本工作采用CT 在線掃描裝置,建立了致密巖心逆向滲吸作用距離量化方法,明確了逆向滲吸的作用范圍,進一步研究了流體壓力、含水飽和度、巖心滲透率和表面活性劑對逆向滲吸作用距離的影響,闡明了逆向滲吸作用距離與滲吸采收率的關(guān)系,為提高致密油藏采收率提供指導(dǎo).

1 滲吸作用距離量化實驗裝置與流程

1.1 實驗材料

1.1.1 地層巖心

本研究使用的致密巖心取自長慶油田A 區(qū)塊延長組長8 層位,致密儲層深度為2570 m.目標區(qū)塊儲層滲透率為0.027 mD～ 0.863 mD,孔隙度為5.47%～13.26%,為典型的致密砂巖油藏.使用PDP-200 孔滲測試儀測定實驗巖心的孔隙度和滲透率,具體實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1 所示.同時,為減小孔隙結(jié)構(gòu)特征的影響,采用核磁共振T2圖譜分析方法選擇孔隙結(jié)構(gòu)相似巖心開展逆向滲吸作用距離量化實驗.最后,選擇滲透率和孔隙結(jié)構(gòu)相近的4 塊巖心和1 塊滲透率較高的巖心作為實驗巖心,巖心的核磁共振實驗結(jié)果如圖1 所示.

圖1 巖心的核磁共振實驗結(jié)果Fig.1 Results of NMR experiment of cores

表1 實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of experimental core

1.1.2 實驗流體

使用Agilent 7890A 氣相色譜儀測定長慶地面脫氣原油,參考石油與天然氣行業(yè)標準SY/T 5779-2008 對脫水過濾后的原油進行組分測定,其結(jié)果如圖2 所示.在25 °C,大氣壓條件下,原油密度為0.79 g/cm3,原油黏度為15 mPa·s.

圖2 地面脫氣原油組分含量Fig.2 Component content of surface degassed crude oil

地層水的水型為CaCl2型,PH 值為6.2,呈弱酸性,總礦化度為49779 mg/L,其組分及性質(zhì)如表2 所示,根據(jù)其組分和性質(zhì)配制實驗用水.

表2 地層水組分及性質(zhì)Table 2 Composition and properties of formation water

1.2 實驗裝置

逆向滲吸作用距離量化實驗裝置由X-CT 系統(tǒng)和巖心驅(qū)替系統(tǒng)組成,如圖3 所示.X-CT 系統(tǒng)使用ACTIS420/600 型工業(yè)高分辨率X-CT 成像儀,如圖3所示,主要由計算機系統(tǒng)、CT 掃描儀和圖像存儲與顯示系統(tǒng)3 部分組成.計算機系統(tǒng)是將通過掃描物體斷層獲得的數(shù)據(jù)進行運算以及存儲.CT 掃描儀則主要由探測器,載物臺和射線源組成,射線源發(fā)出的X 射線可以穿透非金屬材料進行掃描,最后信號到達接收器.圖像存儲與顯示系統(tǒng)是將通過計算機系統(tǒng)處理和重建后的CT 圖像以二維或三維的形式進行顯示.巖心驅(qū)替系統(tǒng)位于可移動載物臺上,包括注入泵、圍壓泵、回壓泵、巖心夾持器和壓力傳感器.巖心夾持器采用特殊的PEEK 材料,使X 射線能夠順利通過并減小測量誤差.

圖3 逆向滲吸作用距離量化實驗裝置圖Fig.3 Schematic diagram of countercurrent imbibition distance quantification experiment

1.3 實驗原理及流程

CT 掃描技術(shù)能夠可視化巖心中兩相流體的分布特征和飽和度剖面的延伸情況,為分析滲吸前緣、確定滲吸作用距離提供直接依據(jù).假設(shè)巖石骨架和孔隙為剛體,真空處理巖心后孔隙完全被地層水飽和.在滲吸過程中,孔隙結(jié)構(gòu)和骨架形狀未發(fā)生變化,僅孔隙中的流體飽和度發(fā)生變化.

根據(jù)各截面CT 數(shù)據(jù),計算巖心各截面不同時間的含水飽和度,具體原理如下:

首先對干巖心進行CT 掃描,獲得其CT值

然后將巖心飽和原油,得到飽和油巖心CT值

其中,CTrock為巖石顆粒CT值,CTair為空氣CT值,CToil為原油CT值.

根據(jù)式(1)和式(2),巖心孔隙度計算為

在滲吸過程中,巖心內(nèi)部存在兩種流體,因此滲吸過程中巖心的CT值為

本實驗研究流體壓力、含水飽和度、巖心滲透率和表面活性劑對逆向滲吸作用距離的影響,實驗方案如表3 所示.實驗過程中注入流體僅與巖心一個平滑端面接觸而發(fā)生逆向滲吸,巖心的四周和出口是封閉的,因此基本沒有驅(qū)替壓差.滲吸過程中,逆向滲吸作用距離隨時間的增加而增加,當逆向滲吸作用距離幾乎不變時,近似認為逆向滲吸結(jié)束,具體實驗流程如下:

表3 逆向滲吸作用距離影響因素實驗方案Table 3 Experimental schemes for influencing factors of countercurrent imbibition distance (CID)

(1)在掃描電流為160 mA,掃描電壓為120 kV條件下,測量實驗壓力、常溫(25 °C)下空氣、原油和模擬地層水的CT值;

(2)選一塊烘干后的巖心置于巖心夾持器中,加壓至實驗圍壓,抽真空達到穩(wěn)定狀態(tài)(2 h 內(nèi)壓力無明顯變化),測量干巖心各截面的CT值(掃描層厚為1.25 mm,掃描層間隔為5 mm);

(3)使用實驗原油驅(qū)替飽和致密巖心,待出口端穩(wěn)定出液后,飽和過程結(jié)束.對飽和油巖心再次進行CT 掃描,測量巖心各截面的CT值;

(4)關(guān)閉巖心夾持器出口端閥門,入口端采用大液量迅速加壓至實驗壓力,隨后關(guān)閉入口端閥門,開始進行滲吸;

(5)實驗前期每隔10 min 進行一次CT 掃描,每次掃描初始位置確保一致,實驗后期可一天掃描3 次;

(6)進行數(shù)據(jù)處理,根據(jù)巖心各截面CT數(shù)據(jù),計算出不同時刻巖心各截面含水飽和度,找到含水飽和度近似為零的截面,確定逆向滲吸作用距離.

研究含水飽和度對逆向滲吸作用距離的影響時,需要先對實驗巖心A-3 建立初始含水飽和度,然后再開展?jié)B吸作用距離測定實驗.

2 逆向滲吸作用距離及影響因素研究

2.1 致密巖心逆向滲吸作用距離量化

致密巖心A-1 在5 MPa 流體壓力條件下的逆向滲吸作用距離量化實驗結(jié)果,如圖4 所示.隨著滲吸時間的增加,地層水逐漸從巖心右端向巖心滲吸,巖心入口端含水飽和度明顯增加,圖中表現(xiàn)為曲線右端明顯“上翹”.在地層水未達到的巖心左側(cè)區(qū)域,含水飽和度均值為零,其計算誤差為2%～ 3%.滲吸前期含水飽和度上升幅度相對較快,后期逐漸減緩并最終趨于穩(wěn)定.實驗過程中發(fā)現(xiàn),在滲吸60 h 后,含水飽和度曲線變化很小,所以根據(jù)滲吸72 h 測定的含水飽和度曲線可以確定,致密巖心A-1 逆向滲吸作用距離為1.375 cm.

圖4 在5 MPa 條件下逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果(A-1 巖心0.302 mD)Fig.4 Experimental results of CID under 5 MPa condition (A-1 core with 0.302 mD)

2.2 流體壓力的影響

為研究流體壓力對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響,在20 MPa 流體壓力條件下使用A-2 致密巖心開展逆向滲吸作用距離量化實驗,并與A-1 致密巖心(5 MPa)的實驗結(jié)果進行對比.

致密巖心A-2 的逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果,表明不同壓力下實驗結(jié)果的總體趨勢一致(圖5).根據(jù)滲吸72 h 測定的含水飽和度曲線可以確定,致密巖心A-2 逆向滲吸作用距離為1.625 cm.不同流體壓力下所測得的致密巖心最終入口端含水飽和度和逆向滲吸作用距離(表4)對比發(fā)現(xiàn),隨著流體壓力的增加,巖心入口端含水飽和度略有增加.較高的壓力促使更多的地層水進入巖心,相應(yīng)的逆向滲吸作用距離有所增加.對于巖心整體長度,逆向滲吸作用距離的增幅相對較小,表明流體壓力對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響較小.

圖5 20 MPa 下A-2 巖心逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of CID for A-2 core under 20 MPa condition

表4 不同流體壓力下逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果Table 4 Experimental results of countercurrent imbibition distance under different fluid pressures

2.3 含水飽和度的影響

為研究含水飽和度對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響,在流體壓力為5 MPa、初始含水飽和度為31.66%的條件下,使用A-3 致密巖心開展逆向滲吸作用距離量化實驗,并與A-1 致密巖心(初始含水飽和度為零)的實驗結(jié)果進行對比.根據(jù)滲吸72 h測定的含水飽和度曲線可以確定,致密巖心A-3 逆向滲吸作用距離為1.25 cm (圖6).A-3 巖心的入口端含水飽和度由35.95%增加到46.88%,與A-1 巖心相比,入口端含水飽和度增加幅度略微減小,且逆向滲吸作用距離減小0.125 cm.初始含水飽和度不同的巖心的逆向滲吸作用距離差別很小,表明巖心初始含水飽和度對逆向滲吸作用距離的影響很小.在其他條件近似相同的情況下,初始含水飽和度增加,導(dǎo)致毛管壓力減小,可能是逆向滲吸作用距離略微減小的原因之一.

圖6 初始含水飽和度為31.66%的A-3 巖心的逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of CID for A-3 core with initial water saturation of 31.66%

2.4 巖心滲透率的影響

為研究巖心滲透率對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響,使用滲透率為0.784 mD 的A-4 巖心開展逆向滲吸作用距離量化實驗,并與0.302 mD 的A-1巖心的實驗結(jié)果進行對比.

致密巖心A-4 的逆向滲吸作用距離量化實驗結(jié)果,如圖7 所示,逆向滲吸作用距離為3.625 cm,入口端含水飽和度為24.89%.與A-1 巖心對比,A-4 巖心的逆向滲吸作用距離和入口端含水飽和度均明顯高于A-1 巖心,逆向滲吸作用距離增加了2.63 倍,入口端含水飽和度提高了9.73%.因此,滲透率對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響顯著.當巖心滲透率較大時,儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征發(fā)育較好,降低了滲吸排驅(qū)采油的流動阻力,且地層水更容易進入巖心內(nèi)部,則逆向滲吸作用距離也相應(yīng)增加.

圖7 A-4 巖心逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of CID for A-4 core

2.5 表面活性劑的影響

為研究表面活性劑對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響,使用A-5 巖心開展表面活性劑逆向滲吸作用距離量化實驗,并與A-1 巖心注水滲吸的實驗結(jié)果進行對比.

致密巖心A-5 的表面活性劑逆向滲吸作用距離量化實驗結(jié)果,如圖8 所示,受實驗條件和實驗巖心的限制,最終的逆向滲吸作用距離穿透實驗巖心,即表面活性劑逆向滲吸作用距離超過5 cm.通過含水飽和度剖面對比可以看出,表面活性劑逆向滲吸的整體含水飽和度分布明顯高于注水逆向滲吸,且?guī)r心入口端含水飽和度明顯“上翹”.這是由于巖心入口端表面活性劑濃度最高,表面活性劑濃度隨著在巖心中的運移而逐漸降低,所以入口端表面活性劑強化逆向滲吸的作用更顯著.同時,使用JY-PHB 接觸角測量儀,在表面活性劑滲吸實驗前后進行巖心潤濕性測量(圖9),表面活性劑滲吸實驗前巖心為弱油濕偏中性潤濕,表面活性劑滲吸實驗后巖心為水濕.在弱油濕偏中性潤濕情況下,巖心仍可能存在局部水濕,因此仍可發(fā)生滲吸[34],并且表面活性劑改善巖石潤濕性是提高滲吸距離的原因之一.

圖8 表面活性劑逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of CID by using surfactant

圖9 巖心潤濕性測試結(jié)果Fig.9 Core wettability test results

此實驗研究目的是探究表面活性劑能否增加逆向滲吸距離,進而揭示表面活性劑提高采收率的主要作用:表面活性劑不僅增加了逆向滲吸距離,而且提高了驅(qū)油效率.表面活性劑具有改善巖石潤濕性與流體流度、降低油水界面張力等綜合作用,涉及到巖石、流體等多個方面,機理研究復(fù)雜,目前大量的相關(guān)研究未能很好地綜合解釋和得到統(tǒng)一認識,關(guān)于表面活性劑滲吸機理后續(xù)有待深入研究.

3 逆向滲吸采收率

通過CT 掃描獲得的滲吸含水飽和度曲線可以計算出滲吸采收率.假設(shè)巖心孔隙被流體完全飽和,初始飽和流體的體積近似等于巖心孔隙體積.滲吸采收率等于滲吸體積與初始含油體積之比,等價于兩者飽和度沿x方向的積分之比,如公式(8)所示,因此可通過含水飽和度分布曲線計算滲吸采收率,如圖10 所示.

初始含油體積為

其中,xmax為巖心長度,Sw(x)為含水飽和度分布函數(shù),A為有效截面面積.

該方法計算滲吸采收率的核心是獲得含水飽和分布,進而使用數(shù)學(xué)形式的積分來計算含水飽和度變化面積,但當含水飽和度分布函數(shù)復(fù)雜時,計算難度較大.根據(jù)CT 掃描實驗結(jié)果,逆向滲吸過程中含水飽和度的分布近似為線性,因此本實驗結(jié)果可使用線性區(qū)域面積簡化計算(圖10),公式(8)可簡化為

圖10 逆向滲吸采收率分析圖Fig.10 Diagram of countercurrent imbibition recovery

其中,Xf為滲吸作用距離,Swinj為入口端含水飽和度.

不同巖心逆向滲吸采收率結(jié)果表明,在滲吸初期,逆向滲吸采收率迅速提高;在滲吸后期,隨著時間的增加,逆向滲吸采收率增幅逐漸變緩,直至采收率基本不發(fā)生變化(圖11).滲透率為0.3 mD 的致密巖心的逆向滲吸采收率較低,約2%～ 3%;而基質(zhì)滲透率的增加可提高逆向滲吸采收率,約9.0%.表面活性劑逆向滲吸采收率約為15.8%,表面活性劑不僅可以顯著增加逆向滲吸距離,而且可以提高波及范圍的驅(qū)油效率,從而強化逆向滲吸作用.

圖11 不同巖心的逆向滲吸采收率結(jié)果Fig.11 Results of countercurrent imbibition recovery for different cores

由逆向滲吸作用距離與采收率的關(guān)系看出,逆向滲吸作用距離是滲吸采收率表征的重要參數(shù),決定了逆向滲吸作用的波及范圍.同時,逆向滲吸作用距離實驗結(jié)果為提高致密油藏滲吸采收率提供一定指導(dǎo):(1)注入流體中加入表面活性劑等輔助措施可增加逆向滲吸作用距離,從而提高逆向滲吸采收率.(2)若油藏尺度逆向滲吸作用距離有限,可采取體積壓裂、重復(fù)壓裂等人工改造措施增加滲吸接觸面積,改善滲吸波及范圍,從而提高滲吸采收率.

4 結(jié)論與認識

(1)滲透率為0.3 mD 的致密巖心逆向滲吸作用距離尺度僅為1.25～ 1.625 cm;5 MPa 條件下滲透率為0.302 mD 的巖心逆向滲吸作用距離為1.375 cm.

(2)在本實驗條件下,流體壓力和初始含水飽和度對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響不明顯.當流體壓力為20 MPa 時,逆向滲吸作用距離僅增加0.25 cm;而初始含水飽和度為31.66%的致密巖心逆向滲吸作用距離比飽和油巖心降低了0.125 cm.

(3)滲透率和表面活性劑對致密巖心逆向滲吸作用距離的影響顯著.0.784 mD 的巖心逆向滲吸作用距離相較于0.302 mD 的巖心提高2.63 倍;表面活性劑逆向滲吸作用距離超過5 cm.

(4)逆向滲吸作用距離是滲吸采收率表征的重要參數(shù),決定了逆向滲吸作用的波及范圍,增加逆向滲吸作用距離可能是提高逆向滲吸采收率的重要途徑.關(guān)于滲吸作用機理研究復(fù)雜(尤其是表面活性劑滲吸機理),仍有待綜合研究.