致密砂巖動靜滲吸增油機理實驗研究

張娟，鄧波，張浩弋，李彥軍

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

非常規油藏開發引起越來越多學者的重視，已成為中外勘探開發的熱點話題[1-3]。鄂爾多斯盆地延長組長7段源內非常規油藏儲量豐富，資源潛力4×109～6×109t。2019—2021年，在盆地隴東地區延長組長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]，常規開采方式難以取得經濟效益，通常采用長水平井大規模體積壓裂準自然能量開發，開發前期試驗攻關及規模開發初期均取得了顯著成效[10-12]，但是水平井準自然能量開發如何在開發初期儲蓄最大能量、開發后期如何補充能量等關鍵問題仍不明確，根據滲吸置換理論，文獻[13-15]提出了大規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，會在裂縫與基質孔隙之間、大孔隙與小孔隙之間發生不同程度的滲吸置換，從而增加采收率[11,16-18]。近年來，諸多學者對油水滲吸機理及影響因素進行了研究，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]，普遍認為滲吸排油率效果明顯，可達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]、孔隙半徑及孔隙結構[29-31]、潤濕性[32]、流體類型[33]等。雖然現階段在油水滲吸置換機理方面取得了一定認識，但是以往的滲吸排油研究多采用靜態滲吸，忽略了在油田生產實際中，無論是壓裂悶井、注水吞吐、注水驅替等過程中都存在壓力驅替，真實油藏驅油是一個動態過程。在動態環境下，評價滲吸排油效率及影響因素分析至關重要[34-35]，但這方面的研究還較欠缺，動態驅油過程中的滲吸增油機理還不明確。壓裂后的儲層裂縫發育，滲吸排油是水驅增油的主要機理，然而以往的研究也多采用數值模擬的手段進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，多進行壓裂造縫開發，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，進行了滲吸時間、界面張力、巖心滲透率等靜態滲吸影響因素分析，結合核磁共振對實驗結果進行對比；在此基礎上進行了驅替速度、燜井時間及巖心滲透率等動態滲吸影響因素實驗研究，通過核磁共振對實驗進行深入解釋；最后針對致密儲層裂縫發育的特點，利用天然巖心制造人造裂縫，對含裂縫的天然巖心進行了動態滲吸影響因素分析。以期為長7段致密儲層的壓裂開發過程中壓裂液的選擇和開發工藝參數設計提供參考和指導。

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，分別進行靜態滲吸實驗、動態滲吸實驗和帶裂縫巖心動態滲吸實驗分析，巖心參數如表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如表4所示。

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

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

表3 動態滲吸實驗裂縫巖心參數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Table 4 Parameters of surfactant concentration and interfacial tension

2 實驗方法

滲吸實驗設備由恒溫箱、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，因此儲層中會存在因滲透率低流體難以流動時的靜態滲吸，和注入水流動過程中的動態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滲吸、動態滲吸下的影響因素，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 靜態滲吸實驗方法及流程

步驟1將巖心(參數如表1所示)放入巖心夾持器中，手動加環壓，先以小流速用去氫模擬油驅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，測其質量及T2弛豫時間譜，直至質量不再變化。

步驟3滲吸結束后，巖心重新洗油，抽真空飽和水，油驅水，換不同的滲吸液，重復步驟2。

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

2.2 動態滲吸實驗方法及流程

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

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

步驟3繼續以原速度驅替，直至出口端不再出油為止，停泵取出巖心進行核磁測量。

2.3 含裂縫巖心動態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，重復步驟4。

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

步驟7比較不同驅替速度及燜井時間下的動態滲吸效果。

3 結果與討論

3.1 靜態滲吸影響因素

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行吸水驅油實驗，通過核磁共振儀對比束縛水狀態、滲吸1、2、3、5、7、10 d的T2弛豫時間譜，如圖2所示。可以看出，束縛水狀態下T2弛豫時間譜呈現出雙峰狀態，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弛豫時間譜仍呈現雙峰、左峰高于右峰狀態，左右兩峰值較束縛水狀態均有增加，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象發生，但主要發生在小孔隙內。滲吸的主要動力為毛管力，根據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，小孔隙內主要發生快速吸水排油，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系不大，可能存在實驗誤差，需要進一步分析。

圖2 不同濃度表活劑吸水驅油實驗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系，如圖3(a)所示。可以看出滲吸采收率隨著時間的增加而增加：以5%濃度為例，滲吸第1天采收率幾乎達到50%，滲吸第4天的滲吸量就達到了總滲吸量的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；表活劑濃度越高，速度減小幅度越大。因此若要發揮滲吸驅油效果，最主要在滲吸前期，只是增加滲吸時間，并不會達到有效的增產效果。巖心L1-1及A1-1的實驗結果基本與M1-1一致，因此這里不再贅述，只呈現實驗結果[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。可以看出，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到最大：當表面活性劑濃度為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部孔隙連通性較好，因此孔隙中的油越容易被驅出，滲吸采收率高。當界面張力較大時，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 動態滲吸影響因素

3.2.1 驅替速度

分析束縛水狀態天然巖心分別以不同的驅替速度驅替10 h(驅替1結束)、燜井48 h(滲吸結束)、驅替7 h(驅替2結束)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。這是由于大孔隙內滲流阻力小，在外加驅動壓力作用下驅替作用較強。由圖5(d)可知，在不同驅替速度下，驅替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%)，對驅替采收率的貢獻較小。驅替速度越大，動態滲吸采收率越高；隨著驅替燜井再驅替過程的進行，滲透率增加幅度減小。當驅替速度為0.1 mL/min時，驅替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，當驅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，因此后續的驅替階段就將這部分原油驅替出來，大幅增加了采收率[37]。

3.2.2 燜井時間

選擇最佳驅替速度0.1 mL/min分析不同燜井時間對動態滲吸采收率的影響，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線性增長或者負相關線性減小，而是波動的。波動的原因筆者認為是天然巖心內部孔隙結構分布的不同，還需進一步分析。

圖5 動態滲吸結果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滲吸采收率的影響，選取了三塊天然巖心進行驅替實驗，計算滲吸采收率如圖5(f)所示。可以看出，當巖心滲透率較大時，驅替1過程是驅油提高采收率的主要階段；當巖心滲透率較小時，燜井滲吸為驅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動，在燜井前靠驅替作用的動態滲吸過程已經較為完全，因此燜井滲吸提高采收率效果甚微；當滲透率較小時，孔隙中的原油不容易被驅動，在燜井前靠驅替作用的動態滲吸過程已經不完全，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，動燜井后的動態滲吸提高采收率效果顯著。

3.2.4 滲吸對采收率的貢獻

利用動態滲吸飽和水狀態和驅替2結束的T2弛豫時間譜，可將動態滲吸過程采油量分為兩個部：滲吸采油量和驅替采油量(圖6)。結合積分法[36]可以算出動態滲吸過程中滲吸對總采收率的貢獻率約為15%～40%(表5)。可見動態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 動態滲吸實驗T2譜Fig.6 T2 relaxation time spectrum of dynamic imbibition test

表5 動態滲吸實驗結果Table 5 Results of dynamic imbibition test

3.3 含裂縫巖心動態滲吸影響因素

3.3.1 驅替速度

利用天然巖心人造裂縫后對比分析不同驅替速度下的動態滲吸采收率，如表6所示。可以看出，三塊巖心隨著驅替速度的增加，驅替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，類似的不同驅替速度下的總采收率也呈現出這種變化。這是由于滲透率小的巖心滲透率極差小[38]，部分水可以進入基質采油，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，隨著驅替速度的越大，采收率增加幅度并不大。統計三塊巖心發現燜井后采收率能提高10%～15%，因此滲吸采油不可忽視。

表6 不同驅替速度下的動態滲吸采收率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，滲吸作用過程進行的越完全，能夠將更多小孔隙中的油置換出來；但是由于燜井中后期能量的消耗，滲吸進程變緩，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 結論

(1)靜態滲吸置換過程主要發生在小孔隙內，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)動態滲吸驅替過程主要發生在大孔隙內，驅替采收率與驅替速度正相關。

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

(4)含裂縫巖心動態滲吸驅替1采收率與驅替速度正相關，且滲透率越小，采收率增加越顯著，受驅替速度的影響較大。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。