儲層油水兩相動態毛管力測試方法

謝志勤

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

毛管力是毛細管壓力的簡稱，是指毛細管中彎液面兩側兩種流體（非濕相流體與濕相流體）的壓力差［1］。油氣藏開發過程中，油藏中的流體流速往往大于發生動潤濕滯后的臨界流速，流體流動會造成孔隙中發生動潤濕滯后現象（流體流動速度大于三相周界移動速度引起的潤濕角改變）［2］，從而影響流體流動過程中毛管力的數值。滲流力學和油藏數值模擬過程中涉及到的毛管力，應當是與流體流動速度相關的動態毛管力。目前毛管力的測試方法主要是壓汞法、離心法和半滲透隔板法［3］，壓汞法測試速度快，離心法測試設備和計算方法復雜，半滲透隔板法測試時間長。同時，這3種毛管力測試方法都使用半封閉的巖心夾持器，實驗用巖心夾持器一端進入高壓流體，另一端封閉。整個實驗過程的壓力變化體現的是孔喉半徑的差異，測試過程中流體的流動方式與油藏條件下的流體流動方式截然不同。常規毛管力測試方法測得的數值實質是“靜態毛管力”，并非油藏條件下流體流動的毛管力。常規毛管力測試方法得到的毛管力僅與濕相飽和度相關，與濕相或者非濕相的流動速度無關。因此，常規毛管力測試方法無法滿足動態毛管力的測量要求。

水動力學領域動態毛管力研究成果較多［4-6］，但都是測試的氣、水兩相在填砂模型中的動態毛管力［7-9］，但是，流體力學領域動態毛管力測量裝置的實驗用模型是采用石英砂或土壤，孔隙度滲透率均較高。本文利用半滲透薄膜，制作了只能讓水通過不讓油通過的水相壓力傳感器，和只能讓油通過不讓水通過的油相壓力傳感器，測試得到了流體滲流過程中的油相壓力與水相壓力的差，即“動態毛管力”，為油藏工程研究和數值模擬工作提供了重要的原始數據。

1 動態毛管力實驗裝置

在流體力學研究領域，動態毛管力的研究已經相對成熟，已有眾多學者研發了動態毛管力測試裝置和測試方法［10］，根據實驗測試得到結果，也建立了多種動態毛管力計算模型［9，11］。圖1為Geremy測試得到的氣、水兩相的實驗結果［7］，從測試結果分析，靜態毛管力與動態毛管力存在明顯差異，可以推斷油、水兩相動態毛管力與靜態毛管力之間也應該存在較大差異。

筆者考慮到油藏條件下巖心膠結相對致密的特點，建立了可以測試油藏條件下巖心內部動態毛管力測試裝置。實驗裝置示意圖如圖2所示，主要由驅替動力裝置、動態毛管力測量裝置、人工膠結巖心等3部分構成。

圖1 氣水兩相的動態、靜態毛管力隨含水飽和度變化［7］Fig.1 Relationship of gas-water two-phase dynamic and static capillary forces vs.water saturation［7］

圖2 動態毛管力測試實驗裝置Fig.2 Dynamic capillary force test unit

動態毛管力測量裝置是在傳統壓力傳感器上面加裝一層半滲透薄膜，半滲透薄膜選用Polycarbonate油濕薄膜和Polycarbonate水濕薄膜，此類微孔薄膜厚度很小，僅約為6 mm，對流經流體的阻力很小，可以精確測量水相壓力與油相壓力。壓力傳感器在巖心上下兩端對稱放置，可以測量巖心內部4個位置的油相壓力和水相壓力。對應位置的油相壓力與水相壓力之差，即為需要測量的動態毛管力。人工膠結巖心用環氧樹脂包裹，在巖心上下兩側，分別對稱設置4個測壓點，包裹了油濕薄膜的壓力傳感器裝在巖心頂部4個測壓點位置，包裹了水濕薄膜的壓力傳感器裝在巖心底部的4個測壓點位置（圖3）。實驗用巖心、實驗用流體的具體參數見表1。

圖3 動態毛管力測量裝置示意圖Fig.3 Sketch of dynamic capillary force test unit

表1 實驗巖心和實驗用油、水的基礎參數Table 1 Basic parameters of laboratory core, oil and water

2 實驗方法

（1）連接實驗裝置，檢查管線連接和壓力傳感器連接的密封性。

（2）按照一定比例將實驗用油和水混合。

（3）固定泵的驅替速度，恒速將一定比例的油水混合液體注入巖心中，待驅替穩定后，記錄不同位置的油相壓力和水相壓力。

（4）重復實驗步驟（1）、（2）、（3），改變步驟（2）的油水混合比例。

10月28日-29日還將有冷空氣影響中東部地區，大部地區將有4℃-6℃、局地8℃左右的降溫；內蒙古東北部、東北地區大部將出現明顯雨雪天氣。

（5）重復實驗步驟（1）、（2）、（3）、（4），改變步驟（3）的驅替速度，記錄不同驅替速度條件下的油相壓力、水相壓力和飽和度變化。

3 實驗結果與討論

測試裝置中設置了4對測壓點，一次驅替實驗可以測試得到4組動態毛管力結果，以驅替速度為0.01 mL/min時的動態毛管力曲線為例（圖4），驗證實驗的可靠性與可重復性。從圖4可以看出，4對測壓點測試得到的動態毛管力曲線非常接近，相差幾乎可以忽略，說明此實驗裝置較為可靠，得到的測試結果可重復性較強。同時，不同流動速度下的動態毛管力曲線，可由4對測試點測試得到的動態毛管力曲線進行數值平均后得到。

圖4 驅替速度0.01 mL/min時動態毛管力隨含油飽和度的變化Fig.4 Change of dynamic capillary force with oil saturation at the displacement rate of 0.01 mL/min

研究分別采用 0.01 mL/min、0.08 mL/min、0.25 mL/min等3個驅替速度，開展了水驅過程的動態毛管力測試，具體測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，驅替速度對動態毛管力曲線的影響較為敏感，驅替速度越大，動態毛管力數值越大，在束縛水飽和度附近和殘余油飽和度附近，不同驅替速度下的動態毛管力數值差別較小，在兩相共滲區的中間段，不同驅替速度下的動態毛管力數值差別較大。

圖5 不同驅替速度下的動態毛管力隨含油飽和度的變化Fig.5 Change of dynamic capillary force with oil saturation at different displacement rates

常規數值模擬計算過程中，用到的毛管力為靜態毛管力，如果將靜態毛管力替換為動態毛管力，會對數值模擬結果帶來較大影響。在分流率方程中，含水率的表達形式為

式中，fw為含水率ρ；λw為水的流度，mD/（mPa·s）；λo為油的流度，mD/（mPa·s）；A為巖心橫截面積，m2；pc為毛管力，MPa；Sw為含水飽和度；qt為油水總體積流量，m3/s；ρo為油的密度，g/cm3；ρw為水的密度，g/cm3。

從式（1）中可以看出，含水率與毛管力曲線的斜率相關。根據圖5中實驗結果分別計算3種驅替速度條件下的毛管力曲線斜率，結果見圖6，可以看出，不同驅替速度條件下的動態毛管力曲線斜率在不同的飽和度區間，體現出了不同的特征，在低飽和度區間（19%～29%），驅替速度越大，動態毛管力曲線斜率越大，在高飽和度區間（29%～38%），驅替速度越大，動態毛管力曲線斜率越小。從計算結果可以看出，數值模擬計算過程中，動態毛管力隨著驅替速度的變化，會對數值模擬計算的結果帶來一定的影響，含水率隨著動態毛管力曲線形態的改變程度，還取決于相對滲透率曲線的形態。

圖6 動態毛管力曲線斜率Fig.6 Slope of dynamic capillary force curve

4 結論

（1）設計和制作了動態毛管力測試裝置。利用半滲透薄膜制作了單獨測量油相壓力的傳感器和單獨測量水相壓力的傳感器，在人工膠結巖心兩個表面對稱制作了8個壓力測試點，采用環氧樹脂將4對油相壓力傳感器與水相壓力傳感器緊密固定在人工膠結巖心上。

（2）采用動態毛管力測試裝置，對人造膠結巖心的動態毛管力數值進行了測量，4對壓力傳感器測試得到的動態毛管力曲線基本一致，表明測試裝置可以得到準確和可靠的動態毛管力測試結果。

（3）分析了毛管力在計算含水率時的作用，對比了不同驅替速度毛管力曲線導數的差異，說明動態毛管力在不同的含水階段，對含水率的影響程度是不同的。

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