低滲儲層動靜態(tài)滲吸采油效果實驗研究

金智榮，張華麗，陳佳豪，吳飛鵬

(1.中石化江蘇油田分公司，江蘇 揚州，225009;2.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島，266580;3.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東 青島 266580)

0 引言

隨著能源需求增大及油氣開發(fā)技術(shù)發(fā)展，低滲透油藏已成為我國油氣資源的重要組成部分[1-3]。低滲透砂巖油藏常常為水濕油藏，以毛管力為主要驅(qū)動力的滲吸采油已成為該類低滲儲集層的主要開發(fā)方式[4-7]。

目前，國內(nèi)外諸多專家學(xué)者在低滲儲層的滲吸驅(qū)油效果和滲吸驅(qū)油機理等方面已經(jīng)取得了一系列有益的研究成果。王敬等[8-15]基于靜態(tài)滲吸和動態(tài)滲吸實驗結(jié)果分別明確了主控因素對滲吸采油的影響規(guī)律，為致密砂巖油藏滲吸實驗分析及致密砂巖油藏采收率的提高提供了理論依據(jù)和參考；陳挺[16]和韓冬[17]分別研究了表面活性劑溶液對動態(tài)、靜態(tài)滲吸驅(qū)油效果的影響，明確了表面活性劑影響下的滲吸驅(qū)油機理，為提高水濕砂巖巖心的滲吸采收率提供了借鑒和指導(dǎo)；吳潤桐[18]基于致密油氣儲層基質(zhì)室內(nèi)滲吸實驗結(jié)果分析，提出了新的致密油氣儲層基質(zhì)的滲吸機理，為致密油氣藏進一步的開發(fā)提供理論依據(jù)。但這些研究均未就同一影響因素在動、靜態(tài)2種滲吸實驗方法下滲吸驅(qū)油特征的差異性進行剖析對比，缺乏對滲吸驅(qū)油過程中滲吸-驅(qū)替作用的系統(tǒng)性認(rèn)識。

該研究利用江蘇地區(qū)高集油田古近系阜寧組低滲儲層基質(zhì)巖心，開展室內(nèi)動、靜態(tài)滲吸實驗，跟蹤不同參數(shù)下滲吸驅(qū)油過程，對比分析動、靜態(tài)2種滲吸實驗方法下各參數(shù)對滲吸驅(qū)油特征的影響，明確影響靜、動態(tài)滲吸采油效果的主控因素敏感性，并揭示靜、動態(tài)滲吸采油特征的差異及原因，為低滲儲層滲吸采油方式優(yōu)化提供一定借鑒。

1 實驗方法

1.1 實驗原理

滲吸作用發(fā)生在多孔介質(zhì)中，是開采儲層基質(zhì)巖塊和低滲儲層原油的有效方法[19-22]。根據(jù)滲吸驅(qū)油過程的差異，滲吸可分為動態(tài)滲吸和靜態(tài)滲吸2類[23]:

靜態(tài)滲吸實驗?zāi)M的是基質(zhì)系統(tǒng)外部液體為靜止?fàn)顟B(tài)下的自發(fā)滲吸驅(qū)油過程，毛管力為主要驅(qū)動力，滲吸介質(zhì)在毛管力的作用下被吸入小孔道中并將原油驅(qū)至大孔道中，原油最后經(jīng)大孔道排出，這一過程如圖1a所示。

動態(tài)滲吸實驗?zāi)M的是基質(zhì)系統(tǒng)外部液體為流動狀態(tài)下的自發(fā)滲吸驅(qū)油過程，滲吸動力除了毛管力之外，還存在驅(qū)替壓力，整個滲吸過程包括滲吸作用和驅(qū)替作用，其更接近實際油藏開發(fā)條件，這一過程如圖1b所示。

圖1 滲吸驅(qū)油過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of oil displacement process by imbibition

1.2 實驗裝置及實驗材料

1.2.1 實驗裝置

靜態(tài)滲吸實驗裝置主要包括體積法Amott滲吸瓶，如圖2所示。

圖2 靜態(tài)滲吸實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of static imbibition experimental device

動態(tài)滲吸實驗裝置主要包括真空飽和裝置(滄州首科BHG型)、巖心快速洗油儀(江蘇南通YC型)、巖心鉆取機(南通飛宇YZ-1型)、電子天平(奧豪斯AX型)、燒杯、巖心切割工具(冰雪京安BX406E)和巖心滲吸驅(qū)替裝置(主要包括平流泵、巖心夾持器、圍壓泵、中間容器、壓力表、壓力傳感器和計量裝置等)等。

1.2.2 實驗材料

實驗用表面活性劑溶液分別為HDSX-1，CTAB和OP-10，其界面張力分別為38 mN/m，35 mN/m和32 mN/m；實驗用水為研究區(qū)塊儲層模擬地層水，礦化度約為16 700 mg/L，水型為NaHCO3；實驗用油樣選擇與研究區(qū)塊儲層性質(zhì)相近的脫水原油與實驗室煤油按照1∶3的比例混合而成，室溫下黏度為6.5 mPa·s，密度為0.834 g/cm3；實驗用巖心為研究區(qū)塊儲層天然巖心，巖心表面原始潤濕性均為水濕。

1.3 實驗過程

1.3.1 巖心預(yù)處理

將標(biāo)準(zhǔn)的柱塞巖樣利用洗油儀進行洗油處理，烘干后測量其孔隙度以及滲透率，然后對巖樣抽真空并飽和地層水，接下來利用巖心的驅(qū)替裝置以0.02 mL/min的流量向巖心注入模擬油，總注入量大于5 PV，至出液口流速穩(wěn)定且不含水后，停泵，老化24 h以上備用。

1.3.2 靜態(tài)滲吸實驗

將預(yù)處理后的巖心浸入裝有滲吸介質(zhì)(潤濕相流體)的滲吸瓶中，由于油水密度的差異，巖樣中被滲吸置換出來的原油會聚集在滲吸瓶上方帶有刻度的細(xì)管處，通過記錄每個時間段的出油量(為減小讀數(shù)誤差，讀數(shù)前，輕微地?fù)u晃滲吸瓶，使油滴脫離滲吸瓶壁面和巖心表面，上浮到刻度管中[24])，直至滲吸結(jié)束，進而計算每個階段的滲吸采出程度。

1.3.3 動態(tài)滲吸實驗

將預(yù)處理后的巖心裝進巖心夾持器中，接通滲吸驅(qū)替裝置，圍壓設(shè)置為20 MPa，使用滲吸介質(zhì)以0.2 mL/min的流速驅(qū)替飽和模擬油的巖樣，記錄不同注入孔隙體積倍數(shù)后的滲吸驅(qū)油量，直至出口端不出油為止，進而計算每個階段的滲吸采出程度。

2 實驗結(jié)果分析

為研究分析動、靜態(tài)實驗方法下巖心的滲吸驅(qū)油特征差異，通過動、靜態(tài)滲吸實驗方法，分別評價不同參數(shù)(初始滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)、滲吸壓力、邊界條件及滲吸介質(zhì))對動、靜態(tài)滲吸驅(qū)油過程的影響。

2.1 初始滲透率的影響

滲透率作為儲層基本物性參數(shù)，其在一定程度上影響著原油在孔隙中的滲流能力。為了對比評價滲透率在2種實驗方法下對滲吸驅(qū)油效果的影響，選用不同滲透率的標(biāo)準(zhǔn)巖樣(見表1)分別進行靜態(tài)、動態(tài)滲吸實驗，測定不同階段的采出程度，實驗結(jié)果如圖3所示。

表1 不同滲透率條件下的巖心基本參數(shù)Table 1 Basic core parameters under different permeability conditions

圖3 不同初始滲透率對采出程度的影響Fig.3 Effect of different initial permeability on recovery degree

可以看出，滲透率在一定范圍內(nèi)，在巖心基礎(chǔ)參數(shù)相近的情況下，隨著初始滲透率的變大，動、靜態(tài)滲吸采出程度及滲吸驅(qū)油速度均增大。分析原因認(rèn)為，巖心滲透率越好，表明巖心內(nèi)部孔喉性質(zhì)越好，大孔喉數(shù)量增多，孔隙連通性好，原油流動的阻力越小，越容易運移出來，從而提高了滲吸驅(qū)油效率。

綜上所述，巖心動、靜態(tài)滲吸驅(qū)油效果均受其滲透率制約，在一定的滲透率變化范圍內(nèi)，隨著初始滲透率的增大，滲吸驅(qū)油效果越好；在同一滲透率級別下，動態(tài)滲吸采收率明顯要高于靜態(tài)，說明滲吸-驅(qū)替效果要優(yōu)于滲吸效果；此外，隨著滲透率的變大，動、靜態(tài)采收率之間的幅度從7.4%增大到10.36%，分析認(rèn)為：滲透率越小，巖石內(nèi)部小孔喉數(shù)量較多，平均孔喉半徑較小，此時，毛管力越大，油水滲吸置換效果明顯，滲吸作用對提高采收率的貢獻率較大；而隨著滲透率增大，大孔喉所占比例增加，孔隙連通性變好，滲吸作用對采收率的占比降低，滲吸介質(zhì)依靠外界驅(qū)動力強制進入巖石孔隙并將原油驅(qū)出，驅(qū)替作用對提高采收率的貢獻率變大，使得采收率增幅較大。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)的影響

表2 不同孔隙結(jié)構(gòu)條件下的巖心基本參數(shù)Table 2 Basic core parameters under different pore structure conditions

圖4 不同孔隙結(jié)構(gòu)對采出程度的影響Fig.4 Effect of different pore structure on recovery degree

可以看出，不同孔隙結(jié)構(gòu)具有不同的滲吸規(guī)律，孔隙結(jié)構(gòu)越好(儲層品質(zhì)指數(shù)越大)，初始滲吸速度保持時間越長，滲吸驅(qū)油效率越高。這是因為儲層品質(zhì)指數(shù)越大，孔隙結(jié)構(gòu)越好，巖石內(nèi)部大孔喉占比越高，巖石內(nèi)部孔隙空間的彎曲程度、孔喉配置關(guān)系等綜合性能變好，為滲吸置換和驅(qū)替滲流的發(fā)生提供了有利條件。

總體看來，在2種實驗方法下，同一儲層品質(zhì)指數(shù)級別下的巖心滲吸驅(qū)油規(guī)律基本一致，不同的是2種實驗方法下巖心的最終采出程度有所差別。在相同的儲層品質(zhì)指數(shù)級別下，動態(tài)滲吸采出程度明顯高于靜態(tài)滲吸采出程度；此外，隨著儲層品質(zhì)指數(shù)增大，采收率升高幅度從10.36%增大到12.79%，分析原因認(rèn)為：隨著孔隙結(jié)構(gòu)變好，巖石內(nèi)部大孔喉占比越高，孔喉配置關(guān)系較好的區(qū)域所占比例升高，以驅(qū)替作用為主要采油機理的孔隙占比增大，形成了較高的驅(qū)替效率，使得巖心采收率增幅顯著提高。

2.3 滲吸壓力的影響

實際地層中存在著一個壓力場，儲層中的流體就在這個壓力系統(tǒng)的控制和支配下流動。為了對比評價壓力系統(tǒng)在2種實驗方法下對巖石滲吸驅(qū)油規(guī)律的影響，選用物性參數(shù)相近的標(biāo)準(zhǔn)巖樣(見表3)分別進行靜態(tài)、動態(tài)滲吸實驗，明確滲吸壓力對滲吸效果的作用規(guī)律?？紤]到實驗過程中設(shè)備儀器均在高壓環(huán)境下，靜態(tài)滲吸實驗使用的普通玻璃滲吸瓶難以滿足需要，故選擇在高壓反應(yīng)釜里進行靜態(tài)滲吸實驗，每塊巖心只能得到最終的采收率；對于動態(tài)滲吸實驗，分別設(shè)定注入壓力為5 MPa,10 MPa和15 MPa開展對比實驗，測定不同階段的采出程度，實驗結(jié)果如圖5 所示。

表3 不同滲吸壓力條件下的巖心基本參數(shù)Table 3 Basic core parameters under different imbibition pressures

圖5 不同滲吸壓力對采出程度的影響Fig.5 Effect of different imbibition pressure on recovery degree

可以看出，隨著滲吸壓力的增大，靜態(tài)滲吸采出程度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而動態(tài)滲吸采出程度隨著滲吸壓力的升高而增大。

靜態(tài)滲吸實驗中存在一個最佳的滲吸壓力值，實驗方法下約為4 MPa。當(dāng)滲吸壓力低于此值時，隨著壓力升高，滲吸介質(zhì)更多地進入巖心基質(zhì)，從而提高了滲吸置換采出程度；當(dāng)滲吸壓力高于此值時，巖石基質(zhì)系統(tǒng)外部的高壓環(huán)境對基質(zhì)內(nèi)原油外排的抑制作用加劇，導(dǎo)致滲吸采出程度開始降低。

動態(tài)滲吸實驗中滲吸采出程度、滲吸驅(qū)油速度與滲吸壓力呈正相關(guān)趨勢。分析原因認(rèn)為：一方面，對滲吸介質(zhì)施加一定壓力，可以使巖心更加深入到巖石基質(zhì)系統(tǒng)從而擴大滲吸置換區(qū)域；另一方面，提高滲吸壓力增強了大孔道的驅(qū)替滲流能力，及時將滲吸置換出的原油帶走，同時擴大了驅(qū)替動用程度，從而提高滲吸驅(qū)油效果。

由此，在2種實驗方法下，滲吸壓力對滲吸驅(qū)油效果的影響存在明顯差異，經(jīng)過論證分析，認(rèn)為動態(tài)滲吸實驗更能反映實際油藏開發(fā)環(huán)境，其既能表征滲吸置換機理，又能模擬實際油藏開發(fā)條件下動態(tài)滲流環(huán)境。因此，認(rèn)為動態(tài)滲吸實驗下的壓力影響效果更具有指導(dǎo)意義。

2.4 邊界條件及裂縫的影響

為了對比評價邊界條件及裂縫在2種實驗方法下對滲吸效果的影響，選用物性相近的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，分別對巖心進行相應(yīng)的密封或造縫處理，如圖6所示，波浪線代表裂縫，綠色區(qū)域代表密封處理后的巖心表面，灰色區(qū)域代表未密封處理的巖心表面，實驗巖心具體參數(shù)見表4；接下來分別進行靜態(tài)、動態(tài)滲吸實驗，測定不同階段的采出程度，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同邊界條件下的巖心示意圖Fig.6 Schematic diagram of core under different boundary conditions

表4 不同邊界條件下的巖心基本參數(shù)Table 4 Basic core parameters under different boundary conditions

圖7 不同邊界條件對采出程度的影響Fig.7 Influence of different boundary conditions on recovery degree

可以看出，不同的邊界條件及裂縫的存在會導(dǎo)致巖心采收率發(fā)生明顯變化。靜態(tài)滲吸實驗中4種邊界條件對應(yīng)的巖心采出程度由高到低分別為：“裂縫+全部裸露”“全部裸露”“裂縫壁面裸露”“兩端裸露”?？梢园l(fā)現(xiàn)，巖心滲吸最終采收率與滲吸表面積的大小呈正相關(guān)趨勢；“裂縫+全部裸露”和“全部裸露”邊界條件下的巖心各表面未進行密封處理，滲吸介質(zhì)與各表面產(chǎn)生有效接觸，為滲吸置換的發(fā)生提供更多的通道；而其他邊界條件下的巖心只有部分表面能夠有效接觸到滲吸介質(zhì)，從而降低了滲吸驅(qū)油效率。

同樣，動態(tài)滲吸實驗中“裂縫+全部裸露”邊界條件對應(yīng)的巖心采收率明顯高于“裂縫壁面裸露”邊界條件對應(yīng)的巖心。分析原因認(rèn)為：相比于“裂縫壁面裸露”邊界條件對應(yīng)的巖心，“裂縫+全部裸露”邊界條件對應(yīng)的巖心端面處于開放狀態(tài)，滲吸介質(zhì)在驅(qū)替壓差的作用下從巖心端面滲入并向深部基質(zhì)系統(tǒng)推進，擴大了滲吸-驅(qū)替作用區(qū)域；同時，巖心端面的開啟能夠有效提高巖心端面處基質(zhì)系統(tǒng)的波及體積和洗油效率。

總體看來，在2種實驗方法下，對于裂縫存在且處于同一邊界條件的情況，巖心滲吸驅(qū)油規(guī)律基本一致，不同的是動態(tài)滲吸采收率明顯高于靜態(tài)；此外，隨著巖心端面開放程度增加，采收率升高幅度顯著增大。分析原因認(rèn)為：裂縫的存在以及邊界條件開放程度決定了滲吸介質(zhì)與巖石表面的有效接觸面積；雖然裂縫的存在為滲吸置換的發(fā)生提供了更多的通道[23]，但由于巖心端面處于密封狀態(tài)，無法為驅(qū)替流體提供滲流通道，導(dǎo)致滲吸介質(zhì)只能從裂縫內(nèi)滲流，一定程度上限制了滲吸介質(zhì)的過流斷面，使得驅(qū)替作用強度減弱，降低了基質(zhì)原油動用量，很大程度上影響了采收率的提高。

2.5 滲吸介質(zhì)的影響

滲吸介質(zhì)的不同影響著界面張力的大小，較低的界面張力會增強原油的流動性，而較高的界面張力更有利于滲吸作用的發(fā)生，因此，選擇合適的滲吸介質(zhì)對提高滲吸驅(qū)油效果尤為重要。為了對比評價不同滲吸介質(zhì)在2種實驗方法下對滲吸效果的影響，選用物性相近的標(biāo)準(zhǔn)巖樣(見表5)分別使用不同的滲吸介質(zhì)進行靜態(tài)、動態(tài)滲吸實驗，測定不同階段的采出程度，實驗結(jié)果如圖8所示。

表5 不同滲吸介質(zhì)條件下的巖心基本參數(shù)Table 5 Basic core parameters under different imbibition media

圖8 不同滲吸介質(zhì)對采出程度的影響Fig.8 Influence of different imbibition media on recovery degree

可以看出，相較于模擬地層水，表面活性劑溶液可以有效提高動、靜態(tài)滲吸采收率，這是因為表面活性劑溶液能夠有效降低油水界面張力，改變巖石表面潤濕性，使得一部分不可動用油變?yōu)榭蓜佑糜?，增強了油滴運移能力。而滲吸采收率增幅及滲吸驅(qū)油速度卻因表面活性劑體系不同而存在差異，在3種表面活性劑溶液中，0.2%濃度HDSX-1溶液體系的巖心采收率更高，而0.2%濃度的OP-10溶液體系下的初始滲吸驅(qū)油速度更高，其內(nèi)在機理是表面活性劑溶液界面張力雙重作用的結(jié)果：滲吸前期，油水界面張力越小，油滴變形能力越強，流動過程中更容易穿過微小孔喉，使巖心內(nèi)部大孔道中的原油更容易運移出來；隨著滲吸過程的不斷進行，以毛管力為主要驅(qū)動力的滲吸驅(qū)油作用開始為滲吸采出程度的提高作出貢獻，此時，毛管力越大，滲吸驅(qū)油效果越好。另外，不能一味的追求過高的界面張力而忽略油滴運移難度問題，應(yīng)優(yōu)選最佳界面張力的表面活性劑溶液(在此次實驗條件下，界面張力為31 mN/m的0.2%濃度HDSX-1溶液體系驅(qū)油效果最好)。

總體來看，動、靜態(tài)2種實驗方法的巖心滲吸驅(qū)油規(guī)律基本相同。不同的是動態(tài)滲吸采收率明顯高于靜態(tài)；此外，隨著表面活性劑溶液的界面張力變大，動、靜態(tài)采收率之間的提升幅度降低，這是由于相比于低界面張力的表面活性劑，較高的界面張力雖然增強了滲吸效果，但同時增強了油滴的運移難度，容易加劇賈敏效應(yīng)帶來的危害，一定程度上降低了驅(qū)替作用對采收率的貢獻程度。

3 結(jié)論

1)在靜態(tài)滲吸實驗方法下，滲吸采收率及滲吸驅(qū)油速度隨初始滲透率的增大而增大；孔隙結(jié)構(gòu)越好，較高的初始滲吸速度保持時間越長，滲吸驅(qū)油效率越高；隨著滲吸壓力的增大，滲吸采出程度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；隨著滲吸表面積及界面張力的變大，滲吸最終采收率呈上升趨勢。

2)在動態(tài)滲吸實驗方法下，滲吸采出程度、滲吸驅(qū)油速度與滲吸壓力呈正相關(guān)趨勢；其余因素(初始滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)、裂縫、邊界條件及界面張力)對巖心滲吸驅(qū)油效果的影響趨勢與靜態(tài)滲吸實驗方法基本一致。

3)相較于靜態(tài)采收率，動態(tài)采收率在滲吸-驅(qū)替的協(xié)同作用下明顯更高；并且隨著實驗條件的變化，滲吸作用和驅(qū)替作用對采收率貢獻程度是不同的，具體表現(xiàn)如下：隨著滲透率的增大及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的降低，大孔喉所占比例增加，孔喉配置關(guān)系變好，滲吸作用相對趨于平緩，驅(qū)替作用對采收率貢獻增大；隨著滲吸壓力的增大，驅(qū)替動用程度逐漸提高，驅(qū)替作用逐漸占據(jù)支配地位；雖然裂縫的存在為滲吸置換的發(fā)生提供了更多的通道，但由于巖心端面處于密封狀態(tài)，導(dǎo)致滲吸介質(zhì)只能從裂縫內(nèi)滲流，一定程度上限制了滲吸介質(zhì)驅(qū)替過程中的過流斷面，驅(qū)替作用對采收率貢獻減弱；隨著表面活性劑溶液界面張力的變大，雖然增強了滲吸效果，但同時增強了油滴的運移難度，容易加劇賈敏效應(yīng)帶來的危害，一定程度上降低了驅(qū)替作用對采收率的貢獻程度。