致密砂巖裂縫油藏滲吸機理及規律研究進展

曾德尚，陳新陽，裴向陽，戴湄

致密砂巖裂縫油藏滲吸機理及規律研究進展

曾德尚，陳新陽，裴向陽，戴湄

（長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100）

致密砂巖裂縫油藏具有致密、孔隙結構復雜、天然裂縫發育等特征，衰竭開采存在產量遞減快、能量補充困難的問題，基質賦存大量剩余油未動用，采出程度低。滲吸采油是改善致密砂巖裂縫油藏開發效果的重要方式。然而，滲吸過程存在機理不明確、規律認識復雜多樣的問題。因此，深入研究滲吸驅油機理和明確其滲吸規律，對于提高致密砂巖裂縫油藏采收率具有重要意義。綜述了致密砂巖裂縫油藏滲吸類型及其判別方法，運用體積法、質量法、核磁共振法及CT掃描法的滲吸機理研究手段，概括了巖石滲透率、油水界面張力和潤濕性對滲吸規律的影響。在分析當前國內研究進展的基礎上，提出了下一步致密砂巖裂縫油藏滲吸研究的方向。

致密砂巖；滲吸機理；滲吸規律；研究進展

隨著石油資源的進一步開采，低滲透致密砂巖儲層開采比例越來越大，成為21世紀最有希望而又最現實的重要油氣勘探領域之一。該類儲層與常規砂巖儲層相比，具有低孔、低滲，天然裂縫發育、注水開發易沿裂縫水竄、自然產能低且無法實現持續高效注水開發的問題，在裂縫中通常殘余有大量的剩余油，如何經濟高效的開發該類型油藏是目前急需解決的問題[1]。在注水開發油藏的過程中，滲吸能夠顯著改善致密砂巖油層的開發效果，因此研究滲吸的機理及規律顯得尤為重要。

探討致密砂巖油藏滲吸類型及其判別方法、滲吸機理研究手段和規律影響因素是研究滲吸作用不可缺少的內容。目前國內主要采用體積法、質量法、核磁共振法及CT掃描法設計實驗，研究滲吸規律的影響因素，不斷對未來致密砂巖油藏的高效開發提供理論依據[2]。

1 滲吸驅油機理

1.1 滲吸類型

根據油藏開發時巖石孔隙中潤濕相流體和非潤濕相流體的流動方向以及主要動力的不同，將滲吸分為正向滲吸和逆向滲吸；根據滲吸現象在基質和裂縫中的作用形式與規律，將滲吸分為靜態滲吸和動態滲吸[3]。

1.1.1 正向滲吸和逆向滲吸

根據油水在圓柱形巖樣端面處運動方向的不同，可以將滲吸類型分為正向滲吸和逆向滲吸。正向滲吸指吸入的潤濕相（水相）與被驅替的非潤濕相（油相）的運動方向相同，逆向滲吸指吸入的潤濕相（水相）與被驅替的非潤濕相（油相）的運動方向相反[4]（圖1）。

圖1 滲吸方式圖

1.1.2 靜態滲吸和動態滲吸

若將致密砂巖油藏看作由裂縫網格分隔開的基質與裂縫網格組成，則靜態滲吸發生在被裂縫網格分隔開的基質里[5]。巖心的不同邊界條件（兩端開啟、側面開啟、全部開啟或其他復雜情況）由基質與裂縫接觸部分的面積大小和裂縫的閉合程度等因素決定，將對靜態滲吸效果產生不同的影響[6]；巖心的大小由基巖與裂縫接觸部分的面積決定。動態滲吸在流動過程中只發生在裂縫網格里，主要研究的是裂縫網格對滲吸的影響[7]。由于致密砂巖油藏中裂縫的導流能力高，而大部分的原油富集在巖石基質中，因此致密裂縫性油藏的采出程度取決于基質和裂縫間流體的交換率，驅替速度成為影響動態滲吸效果的重要因素[8]。

1.2 滲吸類型的判別方法

Δ—油水兩相密度之差，g·cm-3；

—重力加速度，cm·s-2；

—巖層高度，cm；

—與巖石幾何尺寸相關的常數，對于圓形毛細管，其值約等于0.4。

姚同玉[11-12]等發現重力或毛細管力雖然是滲吸驅油的必要條件，但并不能決定滲吸作用是否發生，因此在判別參數公式中仍要考慮潤濕性的影響，即將潤濕角引入滲吸類型判別參數的概念中，對滲吸機理的判別進行進一步修正，使修正后的參數首先表明滲吸作用能否發生，然后再說明滲吸作用中重力和毛細管力的相對重要性，從而判斷滲吸類型。定義如下：

式中：—接觸角，(°)。

楊勝來[13]等提出了層滲吸理論，該理論消除了對不同條件下同向、逆向滲吸類型難以正確辨別的問題，將致密油藏儲層基質滲吸分為兩大類型：表層滲吸和深層滲吸。靜態滲吸條件下油氣在基質表層孔隙喉道中富集，水在毛管壓力作用下從吼道一端進入，將表層中的油氣驅替出來；表層滲吸結束后，深層基質中的油氣也將在毛管壓力的作用下進入到表層的孔隙喉道中，不會將表層吼道完全充滿，但會使表層孔隙中含油段和含水段界面張力不平衡，從而持續推動原油向前運移，最終滲吸排出。該滲吸機理主要驅動力來源于毛管壓力和驅動速度差。

2 滲吸機理研究手段

2.1 巖心尺度實驗分析法

2.1.1 體積法

體積法的原理是利用毛細計量管的高度變化來確認不同時間下巖心滲吸或置換的油量。其實驗裝置為一個上端連接刻度毛細計量管，下端連接透明玻璃瓶的滲吸儀器。實驗方法為提前將飽和油樣的巖心完全浸泡于滲吸液的玻璃瓶中，隨著時間變化讀取刻度計量管上的刻度變化，確定滲吸率及采出程度[14]。

該方法簡單易于操作，但是由于致密砂巖低孔低滲導致排油量少，滲吸出的油量容易吸附在巖心表面，同時，還受到頂端毛細計量管刻度的限制，影響實驗結果。

2.1.2 質量法

質量法是根據巖心的重量變化來判斷滲吸結果的一種方法。質量法的原理是在體系中潤濕與非潤濕兩相在滲吸過程中發生了置換現象，而兩相的密度不一致故導致巖心的質量發生了變化。實驗器材為高精度電子天平、電腦、吊鉤、魚線。實驗方法為將高精度電子天平與電腦相連接，并把天平一端連接魚線與吊鉤，將巖心連接起來，再將巖心浸潤在潤濕液中，利用數據采集系統實時監控著數據變化，方便快捷地得出實驗結果[14]。該方法原理比較簡單，易操作，精度較高。但對于致密砂巖巖心，由于“掛壁現象”的存在，容易出現計算結果超過100%。

2.2 孔隙尺度實驗分析法

2.2.1 核磁共振法

KLEINBERG[15]發表核磁共振理論，該理論提出在均勻磁場中，快擴散范圍內的體弛豫和表面弛豫主要是由孔隙介質中流體的核磁共振縱向弛豫T1和橫向弛豫T2 構成：

—與孔隙介質屬性相關的表面弛豫率。

利用一階近似的方法模擬擴散方程，可以將一段時間空間內的磁化矢量平均值計算出來，從而得到核磁共振二維弛豫譜，找出表面潤濕性對弛豫圖譜的影響。在模擬過程中，匯總所有動態交換氫核弛豫可以得到表面弛豫衰減曲線。此方法可以用來模擬和預測吸附在孔隙表面流體分子的核磁共振弛豫特征。

2.2.2 CT掃描法

CT掃描法結合BEERS定理，用 X 射線對巖心進行穿透，測量并計算該過程中射線的衰減系數，最終繪制出整個巖心的三維立體圖像。該方法在致密巖石和頁巖等非常規油氣巖心滲吸實驗中都有應用，能夠進行孔隙成圖并且得出比較精準的巖心孔隙度值和巖心內部的分布規律。CT掃描法強調定性描述實驗結果，適用于研究儲層巖心內滲吸前緣變化規律，滲吸作用主要驅動動力類型及變換情況，不同介質間滲吸規律異同點，巖石非均質性影響孔隙中潤濕、非潤濕相分布的程度等問題，能夠避免體積法和質量法實驗中的掛壁效應、門檻跳躍、馬朗格尼效應等。但是CT掃描法費用昂貴，實驗花費時間長，且儀器自身的精度對實驗結果會產生巨大影響，通常與質量法配合進行實驗研究會得到更好的實驗結果[16]。

王敉邦[6]等利用CT掃描法研究了巖心內部滲吸前緣的動態變化規律以及滲吸過程中主要的動力問題，得到致密巖層較為精確的孔隙度和內部分布規律。同時CT掃描法能夠解決體積法和質量法測試實驗中出現的掛壁效應、門檻效應的問題，對非常規儲層滲吸理論的研究具有重大意義，因此認為CT掃描技術更適用于滲吸實驗機理研究。同時結合質量法和CT掃描技術的優點進行了一體化研究，得出CT法適用于致密砂巖的定性分析的結論。

3 滲吸規律影響因素

3.1 靜態滲吸規律影響因素

3.1.1 巖石滲透率

何夢瑩[16]通過實驗選取幾塊致密砂巖油藏中具有不同滲透率（分別位于0.01~0.1 mD、0.1~1 mD區間）的巖心在常壓下進行自發滲吸實驗，將巖樣浸沒在配置好的地層水中，采用質量法的實驗原理，觀察并記錄巖心重量隨滲吸時間的變化情況，最終得出結論：巖石滲透率是致密砂巖儲層自發滲吸速度的重要影響因素，且巖層滲透率越高滲吸速度相對降低。

潘少杰[17]針對鄂爾多斯盆地長6致密儲層，在溫度為50 ℃的恒溫箱中采用體積法進行了靜態滲吸實驗，記錄驅油體積隨時間的變化關系。實驗準備過程中，為了更接近實際油藏情況，將所取巖樣進行了人工造縫，且實驗巖心所處的液體環境為KCl質量分數為8%的滲吸儀。試驗結果表明，隨滲透率的升高，滲吸采收率不斷提高。

3.1.2 界面張力

魏一興[18]使用毛細計量管來計算巖心實時滲吸吸入或置換出的非潤濕相的體積，從而得到滲吸采收率。結果表明，界面張力影響了滲吸過程中表面活性劑的作用效果，進一步影響了油藏開發的最終采收率。對于具有不同密度不同結構性質的儲層，始終存在一個界面張力值使得該儲層巖心的滲吸作用達到最佳狀況[19]，而一旦界面張力超過這個最優值，表面活性劑的作用效果將顯著下降，油藏的滲吸效果不會隨著界面張力的繼續增大而有所改變。

3.1.3 潤濕性

朱維耀[5]等用重水驅替模擬油，進行了核磁共振實驗，研究驅替過程中滲吸的滲流機理。實驗結果表明，多孔介質潤濕性影響滲吸作用效果。一般來說，不同類型巖心滲吸程度高低順序為強水濕大于中等水濕巖心，大于弱水濕巖心。

梁燦[20]等選用玻璃制巖石孔隙介質模型和目標油藏儲層巖石樣品作為實驗材料，以蒸餾水和正十二烷來模擬不同的孔隙流體，利用核磁共振原理，結合二維弛豫譜，分析潤濕性對儲層滲吸驅替作用的影響。結果表明，當巖石飽和雙向流體時，孔隙中潤濕相的T1/T2比值高于飽和非潤濕相流體，對照擴散-弛豫圖譜，判別不同條件的巖石的潤濕性特征。對比該儲層巖心微觀驅替效率，可知強水濕巖心滲吸效果高于弱水濕巖心。

3.2 動態滲吸規律影響因素

王家祿[21]等根據低滲透油藏裂縫與基質間動態滲吸作用的物理模型（圖2），設計實驗分析驅替速度對致密砂巖裂縫性油藏動態滲吸效果的影響。在該類型油藏中，水相在壓力梯度的作用下流動于巖石裂縫間，同時受毛管力作用進入巖石基質內驅替原油，被驅替到裂縫中的原油再次被注入水驅替到出口端，形成裂縫與基質之間的動態滲吸。該實驗將強親水、連通性較差的巖心飽和原油處理后，在其中部加工了一條裂縫，控制進口端注入水單向流動，出口端最終為油水兩相流動。將水淹沒巖心，連接真空加壓裝置飽和一段時間，然后放入巖心加持器，以一定的驅替速度進行水驅，同時測量水相的滲透率。實驗結果表明，存在一個最佳驅替速度和最高滲吸效率，即在一定的驅替速度范圍內，由于毛細管力與黏性力的共同作用，滲吸效果能夠達到最佳。

圖2 低滲透油藏裂縫與基質動態滲吸模型示意圖

王秀宇[22-23]等針對新疆油田致密砂巖儲層通過磁力攪拌器帶動水的流動，模擬動態滲吸的實驗條件，研究動態滲吸的影響因素。實驗結果表明，滲透率對動態滲吸的影響較小，儲層品質指數對其影響較大，致密巖心越短，滲吸越容易發生；裂縫發育越好，動態滲吸效果越好。動態滲吸還與壓力與溫度成正相關，其中壓力還存在一個最佳值，使動態滲吸效果達到最佳。

4 結束語

當前我國經濟快速發展，對油氣資源的需求量日益增長，在常規油氣田勘探開發步伐緩慢的當前局勢下，非常規油氣儲層的開發尤為重要[24]。縱觀全球油氣資源勘探開發的局勢，目前油氣資源的開發正從常規油氣向非常規油氣過渡，為了確保能源產出和儲量安全，我國也必須大力發展以致密油氣儲層為主要針對目標的非常規油氣勘探開發[25]。

當前階段我國對致密砂巖儲層滲吸機理及規律的研究取得了一定量的成果，但要能在低滲甚至致密油藏中更好地發揮滲吸作用的效果，今后仍要結合多領域開展綜合研究工作，其發展方向有如下幾點建議：

1）進一步完善對滲吸類型的判斷。

2）采用更加豐富的研究手段研究致密油藏的滲吸機理，加大力度探討滲吸作用與采收率和滲吸速度之間的定量關系。

3）進一步明確靜態、動態滲吸規律的影響因素；

4）開創滲吸作用與其他開發方式相結合的新型技術。地層的滲吸作用通常較為緩慢，不足以滿足實際生產開發的需要，要試圖尋求與其他開發方式相結合的新思路，最終發揮其提高致密巖層油氣產量的效果[26]。

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Research Progress of the Mechanism and Law of Imbibition in Tight Fractured Sandstone Reservoirs

,,,

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei 430100, China）

Fractured tight sandstone reservoirs have the characteristics of tightness, complex pore structure and development of natural fractures. Depleted production has the problems of rapid decline in production and difficulty in energy supplementation. The matrix has a large amount of remaining oil that has not been used, and the degree of recovery is low. The imbibition oil recovery is an important way to improve the development effect of tight fractured sandstone reservoirs. However,the imbibition process has the problems of unclear mechanism and complex and diverse rules. Therefore,in-depth study of imbibition displacement mechanism and clarification of imbibition law is really important for improving the recovery factor of tight sandstone fractured reservoirs. In this paper, the types and identification methods of imbibition in tight fractured sandstone reservoirs were summarized. Volumetric method, mass method,nuclear magnetic resonance method and CT scanning method were used to study the imbibition mechanism.And the effect of rock permeability,oil-water interfacial tension and wettability on the imbibition law was summarized. Based on the analysis of the current domestic research progress,the direction of the next study on the imbibition of tight sandstone fractured reservoirs was proposed.

Tight sandstone; Imbibition mechanism; Imbibition law; Research progress

長江大學第十二批大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：2019295）。

2020-05-11

曾德尚（1999-），男，湖北省荊州市人。

TE357.46

A

1004-0935（2020）11-1433-05