致密砂巖動靜滲吸增油機(jī)理實驗研究

張娟，鄧波，張浩弋，李彥軍

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；2.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，成都 610000；3.長慶油田分公司第十二采油廠吉峴作業(yè)區(qū)，合水 745400；4.中國石油長慶油田第四采氣廠，烏審旗 017300)

非常規(guī)油藏開發(fā)引起越來越多學(xué)者的重視，已成為中外勘探開發(fā)的熱點話題[1-3]。鄂爾多斯盆地延長組長7段源內(nèi)非常規(guī)油藏儲量豐富，資源潛力4×109～6×109t。2019—2021年，在盆地隴東地區(qū)延長組長7層中、上砂巖段提交探明儲量超10 億t，成為原油上產(chǎn)的重要接替資源[4-6]。然而盆地長7深湖重力流沉積砂巖儲層的孔喉一般為納米到微米級，滲透率小于0.3 mD[7-9]，常規(guī)開采方式難以取得經(jīng)濟(jì)效益，通常采用長水平井大規(guī)模體積壓裂準(zhǔn)自然能量開發(fā)，開發(fā)前期試驗攻關(guān)及規(guī)模開發(fā)初期均取得了顯著成效[10-12]，但是水平井準(zhǔn)自然能量開發(fā)如何在開發(fā)初期儲蓄最大能量、開發(fā)后期如何補充能量等關(guān)鍵問題仍不明確，根據(jù)滲吸置換理論，文獻(xiàn)[13-15]提出了大規(guī)模體積壓裂后悶井滲吸、注水吞吐等蓄能與補能方式，但是針對盆地長7段致密砂巖儲層油水滲吸置換作用機(jī)理及效果研究較少，亟需開展研究。

致密儲層孔隙喉道狹小，毛管力作用強，當(dāng)儲層水濕的情況下，壓裂液或水在毛管力作用下，會在裂縫與基質(zhì)孔隙之間、大孔隙與小孔隙之間發(fā)生不同程度的滲吸置換，從而增加采收率[11,16-18]。近年來，諸多學(xué)者對油水滲吸機(jī)理及影響因素進(jìn)行了研究，實驗樣品滲透率多為0.04～1.0 mD，其中小于0.3 mD的致密儲層研究較少[19-20]，普遍認(rèn)為滲吸排油率效果明顯，可達(dá)5.24%～19.49%[21-23]。滲吸排油因素主要有溫度壓力[24-25]、界面張力[26]、邊界層吸附[27]、束縛水飽和度[28]、孔隙半徑及孔隙結(jié)構(gòu)[29-31]、潤濕性[32]、流體類型[33]等。雖然現(xiàn)階段在油水滲吸置換機(jī)理方面取得了一定認(rèn)識，但是以往的滲吸排油研究多采用靜態(tài)滲吸，忽略了在油田生產(chǎn)實際中，無論是壓裂悶井、注水吞吐、注水驅(qū)替等過程中都存在壓力驅(qū)替，真實油藏驅(qū)油是一個動態(tài)過程。在動態(tài)環(huán)境下，評價滲吸排油效率及影響因素分析至關(guān)重要[34-35]，但這方面的研究還較欠缺，動態(tài)驅(qū)油過程中的滲吸增油機(jī)理還不明確。壓裂后的儲層裂縫發(fā)育，滲吸排油是水驅(qū)增油的主要機(jī)理，然而以往的研究也多采用數(shù)值模擬的手段進(jìn)行裂縫油藏滲吸增油的影響因素研究[36]，利用真實裂縫巖心分析的較少。

鄂爾多斯盆地長7段儲層致密，多進(jìn)行壓裂造縫開發(fā)，然而針對壓裂液滲吸排油的作用效果研究還不完善。為此，選取長7段致密天然巖心，進(jìn)行了滲吸時間、界面張力、巖心滲透率等靜態(tài)滲吸影響因素分析，結(jié)合核磁共振對實驗結(jié)果進(jìn)行對比；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了驅(qū)替速度、燜井時間及巖心滲透率等動態(tài)滲吸影響因素實驗研究，通過核磁共振對實驗進(jìn)行深入解釋；最后針對致密儲層裂縫發(fā)育的特點，利用天然巖心制造人造裂縫，對含裂縫的天然巖心進(jìn)行了動態(tài)滲吸影響因素分析。以期為長7段致密儲層的壓裂開發(fā)過程中壓裂液的選擇和開發(fā)工藝參數(shù)設(shè)計提供參考和指導(dǎo)。

1 實驗樣品

實驗所用巖心取自鄂爾多斯盆地延長組長7天然巖心，分別進(jìn)行靜態(tài)滲吸實驗、動態(tài)滲吸實驗和帶裂縫巖心動態(tài)滲吸實驗分析，巖心參數(shù)如表1～表3所示。實驗流體為地層水、模擬油(原油∶煤油=1∶1.19)及用于核磁中屏蔽原油信號的去氫核油(氟氯平衡液)。實驗所用表面活性劑為TOF-1(西安，長慶)，其濃度及界面張力參數(shù)如表4所示。

表1 靜態(tài)滲吸實驗天然巖心參數(shù)Table 1 Parameters of tight reservoir sandstone core for static imbibition

表2 動態(tài)滲吸實驗天然巖心參數(shù)Table 2 Parameters of tight reservoir sandstone core for dynamic imbibition

表3 動態(tài)滲吸實驗裂縫巖心參數(shù)Table 3 Parameters of core with fracture for dynamic imbibition

表4 表面活性劑濃度及界面張力參數(shù)Table 4 Parameters of surfactant concentration and interfacial tension

2 實驗方法

滲吸實驗設(shè)備由恒溫箱、恒壓恒速泵、巖心夾持器、MicroMR12核磁共振儀(蘇州紐邁分析儀器股份有限公司)組成，流程圖如圖1所示。致密儲層超低孔低滲，多采用壓裂造縫開發(fā)，因此儲層中會存在因滲透率低流體難以流動時的靜態(tài)滲吸，和注入水流動過程中的動態(tài)滲吸以及裂縫對滲吸的影響，因此本次實驗分析了鄂爾多斯盆地長7致密儲層巖心在靜態(tài)滲吸、動態(tài)滲吸下的影響因素，具體實驗過程如下：①將巖心洗油、烘干，測量巖心的重量；②氣測孔隙度、滲透率；③將巖心抽真空24 h至9.4×10-3Pa，并在30 MPa壓力下加壓飽和地層水3 d，測量巖心濕重并計算水測孔隙度；④將100%飽和模擬地層水的巖心置于核磁共振巖心分析儀中，進(jìn)行核磁共振測量，并反演計算出T2弛豫時間譜。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental devices

2.1 靜態(tài)滲吸實驗方法及流程

步驟1將巖心(參數(shù)如表1所示)放入巖心夾持器中，手動加環(huán)壓，先以小流速用去氫模擬油驅(qū)替至出水量不再增加，然后加大排量至某一最大注入壓力，驅(qū)替至地層條件下的束縛水飽和度后停泵卸壓。恒溫老化24 h后取出巖心進(jìn)行束縛水飽和度下巖心的核磁共振測試，從而得到巖心在束縛水狀態(tài)下的T2弛豫時間譜。

步驟2將巖心放入滲吸儀中，加入待測水溶液，每隔一段時間取出巖心，測其質(zhì)量及T2弛豫時間譜，直至質(zhì)量不再變化。

步驟3滲吸結(jié)束后，巖心重新洗油，抽真空飽和水，油驅(qū)水，換不同的滲吸液，重復(fù)步驟2。

步驟4分析飽和水狀態(tài)下、束縛水狀態(tài)下、滲吸至不同時間狀態(tài)下的T2弛豫時間譜，計算滲吸出油量及采收率。

2.2 動態(tài)滲吸實驗方法及流程

步驟1將巖心(參數(shù)及方案如表2所示)放入巖心夾持器中，分別以0.01、0.05、0.1 mL/min的速度驅(qū)替10 h，停泵取出巖心進(jìn)行核磁測量，確定最佳速度。

步驟2在最佳驅(qū)替速度下，分別燜井48、60、72 h后取出巖心進(jìn)行核磁測量。

步驟3繼續(xù)以原速度驅(qū)替，直至出口端不再出油為止，停泵取出巖心進(jìn)行核磁測量。

2.3 含裂縫巖心動態(tài)滲吸實驗方法及流程

步驟1在巖心兩端面中心沿直徑畫直線，用鋸條沿兩端面上的直線鋸一條小縫。

步驟2將較細(xì)的鐵絲固定在巖心的小縫里，巖軸向或徑向加壓壓開裂縫，最后用寬膠帶粘起來。

步驟3將巖心(參數(shù)如表3所示)抽真空飽和模擬油，老化24 h。

步驟4以0.05 mL/min的恒定速度驅(qū)替巖心，記錄出油量，計算采收率。

步驟5恒溫恒壓燜井一段時間后，重復(fù)步驟4。

步驟6改變驅(qū)替速度0.1 mL/min的速度，分別燜井24、48、72 h，重復(fù)步驟1～步驟4。

步驟7比較不同驅(qū)替速度及燜井時間下的動態(tài)滲吸效果。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)滲吸影響因素

3.1.1 表活劑濃度及滲吸時間對采收率的影響

將M1-1放在不同濃度表面活性劑溶液中進(jìn)行吸水驅(qū)油實驗，通過核磁共振儀對比束縛水狀態(tài)、滲吸1、2、3、5、7、10 d的T2弛豫時間譜，如圖2所示?？梢钥闯觯`水狀態(tài)下T2弛豫時間譜呈現(xiàn)出雙峰狀態(tài)，且左峰高于右峰，這說明束縛水主要存在于小孔隙中。滲吸至不同時間時T2弛豫時間譜仍呈現(xiàn)雙峰、左峰高于右峰狀態(tài)，左右兩峰值較束縛水狀態(tài)均有增加，且左峰增加幅度更大，這說明實驗過程中大孔小孔均有滲吸現(xiàn)象發(fā)生，但主要發(fā)生在小孔隙內(nèi)。滲吸的主要動力為毛管力，根據(jù)毛管力計算公式可知，小孔隙的毛管力大，大孔隙的毛管力小，在這種不平衡毛管力差值作用下，小孔隙內(nèi)主要發(fā)生快速吸水排油，大孔隙中的油則被緩慢滲吸置換。

由圖2可知，雖然最終滲吸量與表活劑濃度相關(guān)性不強，但是滲吸1 d后小孔隙的滲吸量隨著表活劑濃度的升高而大幅增加，5%濃度增加最多，這說明高濃度表活劑溶液可以在短時間內(nèi)增加巖心滲吸量。大孔隙滲吸峰值分布由左逐漸右移，說明隨著時間的增加大孔隙的滲吸量也在不斷增加。其中表活劑濃度為0.05%時的T2弛豫時間譜小孔隙滲吸量與時間關(guān)系不大，可能存在實驗誤差，需要進(jìn)一步分析。

圖2 不同濃度表活劑吸水驅(qū)油實驗T2弛豫時間譜Fig.2 T2 relaxation time spectrum of water imbibition and oil displacement experiment with different concentration surfactant

通過滲吸量計算公式[35]，得到滲吸采收率與滲吸速度與滲吸時間的關(guān)系，如圖3(a)所示?？梢钥闯鰸B吸采收率隨著時間的增加而增加：以5%濃度為例，滲吸第1天采收率幾乎達(dá)到50%，滲吸第4天的滲吸量就達(dá)到了總滲吸量的85%。表活劑濃度越高，最終滲吸采收率先增加后降低，因此可以推測存在一個最佳表活劑濃度，也就是存在一個最佳界面張力，使采收率達(dá)到最大。滲吸速度實驗過程中不斷減小，滲吸初期滲吸速度減小很快，后期較平穩(wěn)；表活劑濃度越高，速度減小幅度越大。因此若要發(fā)揮滲吸驅(qū)油效果，最主要在滲吸前期，只是增加滲吸時間，并不會達(dá)到有效的增產(chǎn)效果。巖心L1-1及A1-1的實驗結(jié)果基本與M1-1一致，因此這里不再贅述，只呈現(xiàn)實驗結(jié)果[圖3(b)、圖3(c)]。

圖3 不同濃度表活劑下的滲吸采收率與滲吸速度Fig.3 Imbibition recovery and velocity under different surfactant concentration

3.1.2 界面張力及滲透率對滲吸采收率的影響

不同表面活性劑濃度溶液與模擬油的界面張力不一，綜合實驗結(jié)果計算不同滲透率巖心在不同界面張力下的最終滲吸采收率如圖4所示?？梢钥闯?，滲吸采收率隨著界面張力的增加先增加后減小，存在最佳界面張力是滲吸采收率達(dá)到最大：當(dāng)表面活性劑濃度為0.5%，與模擬油界面張力為1.18 mN/m時，滲吸采收率最大達(dá)到33%。分析原因在于隨著界面張力的減小，溶液在巖心孔隙表面的附著功降低，使得脫附油在孔喉中的運移更加順暢，從而增加滲吸采收率；然而界面張力與毛管力成正比，隨著界面張力的減小，作為滲吸主要動力的毛管力也在不斷減小，因此降低了滲吸采收率。由此可見，選擇表活劑時，要同時考慮上述兩個方面，不能只追求低油水界面張力[36]。從圖4中還可以看出，當(dāng)界面張力較低時，滲透率大的巖心最終滲吸采收率大，這是由于滲透率大的巖心內(nèi)部孔隙連通性較好，因此孔隙中的油越容易被驅(qū)出，滲吸采收率高。當(dāng)界面張力較大時，滲透率對滲吸采收率的影響不明顯，這是由于界面張力大、滲吸動力強，巖心孔隙中的油主要依靠毛管力被驅(qū)出，因此滲透率影響不大。

圖4 不同滲透率巖心在不同界面張力下的滲吸采收率Fig.4 Imbibition recovery of cores with different permeability under different interfacial tension

3.2 動態(tài)滲吸影響因素

3.2.1 驅(qū)替速度

分析束縛水狀態(tài)天然巖心分別以不同的驅(qū)替速度驅(qū)替10 h(驅(qū)替1結(jié)束)、燜井48 h(滲吸結(jié)束)、驅(qū)替7 h(驅(qū)替2結(jié)束)的T2弛豫時間譜并計算滲吸采收率，如圖5(a)～圖5(c)所示。由圖5可知，驅(qū)替過程水主要作用于大孔隙中，大孔隙中的原油動用程度比小孔隙多。這是由于大孔隙內(nèi)滲流阻力小，在外加驅(qū)動壓力作用下驅(qū)替作用較強。由圖5(d)可知，在不同驅(qū)替速度下，驅(qū)替1階段采收率上升速度均較快，燜井滲吸階段提高采收率值均較小(1.09%～2.38%)，對驅(qū)替采收率的貢獻(xiàn)較小。驅(qū)替速度越大，動態(tài)滲吸采收率越高；隨著驅(qū)替燜井再驅(qū)替過程的進(jìn)行，滲透率增加幅度減小。當(dāng)驅(qū)替速度為0.1 mL/min時，驅(qū)替2過程有大幅度的滲吸采收率提高，這是由于滲吸的主要作用力是毛管力，當(dāng)驅(qū)替速度較低時水流動緩慢，從而有更多的時間與小孔隙中原油發(fā)生滲吸置換作用。燜井滲吸階段小孔隙中的大量原油被滲吸置換到大孔隙中，因此后續(xù)的驅(qū)替階段就將這部分原油驅(qū)替出來，大幅增加了采收率[37]。

3.2.2 燜井時間

選擇最佳驅(qū)替速度0.1 mL/min分析不同燜井時間對動態(tài)滲吸采收率的影響，如圖5(e)所示。可以看出，隨著燜井時間的增加，滲吸采收率并不是正相關(guān)線性增長或者負(fù)相關(guān)線性減小，而是波動的。波動的原因筆者認(rèn)為是天然巖心內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分布的不同，還需進(jìn)一步分析。

圖5 動態(tài)滲吸結(jié)果Fig.5 Dynamic imbibition results

3.2.3 巖心滲透率

為了分析滲透率值大小對動態(tài)滲吸采收率的影響，選取了三塊天然巖心進(jìn)行驅(qū)替實驗，計算滲吸采收率如圖5(f)所示?？梢钥闯?，當(dāng)巖心滲透率較大時，驅(qū)替1過程是驅(qū)油提高采收率的主要階段；當(dāng)巖心滲透率較小時，燜井滲吸為驅(qū)油提高采收率的主要階段。這是由于滲透率較大時，孔隙中的原油容易被驅(qū)動，在燜井前靠驅(qū)替作用的動態(tài)滲吸過程已經(jīng)較為完全，因此燜井滲吸提高采收率效果甚微；當(dāng)滲透率較小時，孔隙中的原油不容易被驅(qū)動，在燜井前靠驅(qū)替作用的動態(tài)滲吸過程已經(jīng)不完全，燜井滲吸過程中小孔隙中的大量原油被滲吸置換到大孔隙中，動燜井后的動態(tài)滲吸提高采收率效果顯著。

3.2.4 滲吸對采收率的貢獻(xiàn)

利用動態(tài)滲吸飽和水狀態(tài)和驅(qū)替2結(jié)束的T2弛豫時間譜，可將動態(tài)滲吸過程采油量分為兩個部：滲吸采油量和驅(qū)替采油量(圖6)。結(jié)合積分法[36]可以算出動態(tài)滲吸過程中滲吸對總采收率的貢獻(xiàn)率約為15%～40%(表5)。可見動態(tài)滲吸采收率對總采收率較高，因此致密儲層滲吸作用增油不容忽視。

圖6 動態(tài)滲吸實驗T2譜Fig.6 T2 relaxation time spectrum of dynamic imbibition test

表5 動態(tài)滲吸實驗結(jié)果Table 5 Results of dynamic imbibition test

3.3 含裂縫巖心動態(tài)滲吸影響因素

3.3.1 驅(qū)替速度

利用天然巖心人造裂縫后對比分析不同驅(qū)替速度下的動態(tài)滲吸采收率，如表6所示?？梢钥闯觯龎K巖心隨著驅(qū)替速度的增加，驅(qū)替1過程采收率均有所增加，但是滲透率較大的巖心采收率增加幅度小于滲透率小的巖心，類似的不同驅(qū)替速度下的總采收率也呈現(xiàn)出這種變化。這是由于滲透率小的巖心滲透率極差小[38]，部分水可以進(jìn)入基質(zhì)采油，而滲透率大的巖心在較大滲透率極差下，更多的水沿裂縫竄流，隨著驅(qū)替速度的越大，采收率增加幅度并不大。統(tǒng)計三塊巖心發(fā)現(xiàn)燜井后采收率能提高10%～15%，因此滲吸采油不可忽視。

表6 不同驅(qū)替速度下的動態(tài)滲吸采收率Table 6 Dynamic imbibition recovery in different displacement velocity

3.3.2 燜井時間

在燜井前驅(qū)替采收率基本一致的情況下，隨著燜井時間的增加，燜井后增加采收率不斷增加，總采收率不斷提高，但是增幅不斷減小(圖7)。這是由于燜井時間越長，滲吸作用過程進(jìn)行的越完全，能夠?qū)⒏嘈】紫吨械挠椭脫Q出來；但是由于燜井中后期能量的消耗，滲吸進(jìn)程變緩，從而增油效果變差。

圖7 不同燜井時間的滲吸采收率Fig.7 Imbibition recovery in different soaking time

4 結(jié)論

(1)靜態(tài)滲吸置換過程主要發(fā)生在小孔隙內(nèi)，大孔隙為主要滲流通道；滲吸采收率隨著時間的增加而增加。

(2)動態(tài)滲吸驅(qū)替過程主要發(fā)生在大孔隙內(nèi)，驅(qū)替采收率與驅(qū)替速度正相關(guān)。

(3)動態(tài)滲吸采油量分為滲吸和驅(qū)替兩部分，其中滲吸對總采收率的貢獻(xiàn)范圍為15%～40%；動態(tài)滲吸采收率約為靜態(tài)滲吸采收率2倍。

(4)含裂縫巖心動態(tài)滲吸驅(qū)替1采收率與驅(qū)替速度正相關(guān)，且滲透率越小，采收率增加越顯著，受驅(qū)替速度的影響較大。燜井時間越長，總采收率越高，但是隨著燜井時間的增加，采收率增加趨緩。