致密油藏自發靜態滲吸實驗及影響因素

石立華, 薛穎, 崔鵬興, 汪桐羽, 侯玢池

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院, 西安 710065; 2.陜西省特低滲透油氣勘探開發工程技術研究中心, 西安 710065;3.西安思坦儀器股份有限公司, 西安 710065; 4.中國石油玉門油田分公司老君廟采油廠, 酒泉 735000)

致密油藏因其孔喉復雜,發育微裂縫,非均質性強,加之油井壓裂改造后形成的人工裂縫,致使油水滲流系統更加復雜[1-4],注入水易沿裂縫發生水竄、水淹,基質內原油無法有效動用,注水采收率低、開發效果差,利用水的自發滲吸作用驅油是一種經濟有效的開發手段,滲吸驅油是致密油藏水驅采油的重要機理[5-7]。目前,國內外學者在滲吸機理方面開展了大量研究。陳權[1]利用核磁共振揭示了滲吸與驅替作用下孔道中流體分布特征,定量表征了小孔道以吸水為主,大孔道以排油為主的滲吸特征。蔡建超等[2]指出了滲吸機理判別參數,系統總結了基于分形理論多孔介質自發滲吸研究進展;許長福等[3]、劉紅英等[4]利用核磁共振手段,揭示了中小孔隙以滲吸為主,大孔隙以驅替為主的微觀滲吸規律。王付勇等[5]、崔鵬興等[6]分析了驅替和滲吸雙重作用下驅油過程力學機制,明確了驅替壓力梯度、孔喉大小、潤濕性、油水黏度、界面張力等因素對驅油速度的影響,定量表征了驅替與滲吸對注水開發驅油速率的貢獻,建立了滲吸-驅替數學模型。石立華等[7-8]通過微流控實驗方法,研究了致密油藏微觀滲吸機理,建立了非等徑毛細管滲吸理論模型。黨海龍等[9]、Yang等[10]、黃興等[11]利用核磁共振手段,研究了影響滲吸驅油效果的主控因素, 明確了儲層微觀結構和巖石礦物學對致密儲層吸水特征,揭示了中小孔隙以滲吸為主,大孔隙以驅替為主的微觀滲吸規律;楊正明等[12]、谷瀟雨等[13]、崔鵬興等[14]對致密儲集層滲吸影響因素研究發現,滲吸方式不同,滲透率大小對滲吸速率影響不同,指出了裂縫能有效增大致密基質與滲吸液的基礎面積,提高滲吸采收率;金智榮等[15]、胡偉等[16]、張娟等[17]、王云龍等[18]研究了低滲-致密砂巖動靜滲吸增油機理,明確了影響動靜態滲吸效果的主控因素,實現了數字巖心模擬低滲儲層滲吸過程的突破。王振宇等[19]、董沅武等[20]、劉文強等[21]明確了潤濕性和界面張力滲吸體系對滲吸驅油效率的影響程度,探索了注水見效時間和合理注水強度等參數界限。

以上國內外學者通過理論研究、室內實驗等方法開展了滲吸方面的研究。但是,由于滲吸影響因素較多,致密儲層孔喉結構復雜,滲吸行為難以準確判斷,同時受實驗方法和條件的限制,致使致密油藏滲吸規律仍然不是十分清楚。主要表現在以下幾個方面:一是部分學者對滲吸驅油效率的研究,主要考慮滲透率的影響,但是對于致密儲層,滲透率不能完全反映儲層的本質特征,也不能真實地反映儲層微觀孔隙結構對滲吸驅油效率的影響;二是部分學者對滲吸在基質中作用能力及范圍的大小較少,特別是滲吸在基質中的作用強度及范圍研究較少;三是致密油藏儲層十分復雜,且不同的滲吸實驗測試方法都有其自身的局限性,不能真實而全面地反映致密儲層的滲吸規律。針對以上問題,現利用天然巖芯開展致密儲層自發靜態滲吸實驗,相比人造巖芯在孔隙結構上更接近于地下的油藏巖石,能夠真實反映孔隙結構對滲吸的影響,全面系統地研究了巖芯長度、孔隙度、滲透率、滲吸液礦化度、初始含水飽和度、界面張力及潤濕相等多種因素對滲吸驅油效率、滲吸驅油速度的影響規律,以期為致密油藏的注水開發提供實驗依據。

1 實驗設備及流程

研究區地面原油密度為0.843～0.862 g/cm3,地面原油動力黏度為4.28～8.89 mPa·s,凝固點為-6～22 ℃,實驗用油選取白油,地層水為氯化鈣水型,總礦化度為91 338.4 mg/L、氯離子含量為26 739.8～66 012.5 mg/L,pH 6.53～7.37。實驗用滲吸液是根據現場實際情況配制的礦化度為91 g/L的地層水。實驗設備(圖1)主要有玻璃滲吸瓶、抽真空飽和裝置、烘箱、Brookfield流變儀、氣測滲透率裝置、電子天平、電子游標卡尺等。

圖1 實驗儀器設備Fig.1 Experimental instruments and equipment

將巖芯編號,經過兩段切平和洗油等處理,用游標卡尺對巖芯進行長度、直徑等外觀幾何數據的測量,用烘箱在80 ℃的溫度下對巖芯進行12 h以上的烘干處理,用錫紙包裹待其冷卻至室溫后用電子天平測量其質量,直到前后兩次的質量差小于0.01 g為止,同時取平均值記錄其干重后待用。實驗用油經過Brookfield流變儀測試黏度為3 mPa·s(20 ℃),密度為0.82 g/cm3(20 ℃),40 ℃下黏度為2 mPa·s,黏度、密度與地層原油接近,可以作為模擬油進行實驗。實驗主要采用體積法和質量法來測量巖芯自發滲吸過程的驅油效果,巖芯經過切平、洗油、烘干、稱重等處理后,利用抽真空飽和裝置將巖芯飽和模擬油,然后將巖芯放入裝有滲吸液的滲吸瓶中,進行自發滲吸過程,通過記錄不同時間點滲吸瓶中滲吸出來的油的體積來計算不同因素條件下滲吸驅油效率、滲吸驅油速度隨時間的變化關系曲線,從而研究不同因素對滲吸效果的影響,巖芯數據如表1所示。

表1 巖芯數據表

2 實驗結果及討論

2.1 滲吸速率與時間關系

為了更好了解巖芯滲吸過程中的滲吸規律,明確滲吸速率與時間關系,選取天然巖芯子(4),巖芯長度8.106 cm,孔隙度為10.59%,滲透率為 1.08 mD,滲吸液礦化度為91 g/L,實驗結果如圖2和圖3所示,滲吸速率隨時間的增加而減小,初始下降幅度較大,而后逐漸穩定最終達到平衡。自發滲吸初始階段,曲線斜率大,滲吸速度快,滲吸采收率迅速增加,隨著中等孔隙和小孔隙中含水飽和度的增大,滲吸速度逐漸減慢,滲吸采收率增幅變緩,到自發滲吸末期,滲吸速度逐漸趨于0,滲吸采收率不再升高,滲吸過程結束。

圖2 油水自發滲吸效率-時間關系曲線Fig.2 Oil water spontaneous imbibition efficiency time relationship curve

圖3 滲吸驅油速率-時間關系曲線Fig.3 Imbibition displacement rate time curve

2.2 巖芯長度對滲吸的影響

巖芯的大小可以看成是由基巖-裂縫接觸面積決定,大部分原油處于基質中,巖芯長度可看成基巖-裂縫接觸面積決定,巖芯長度尺寸對滲吸效果影響尤為重要。實驗采用自發滲吸瓶,通過不同時間下測量滲吸驅替出的油的體積,用不同長度的巖芯做對比實驗,得到長度因素對巖芯滲吸過程中的滲吸驅替效率和滲吸驅替速度的影響。實驗過程中選用的模擬油室溫下黏度為3 mPa·s,滲吸液為蒸餾水,實驗巖芯子(1)、子(2)、子(3)、子(4),實驗溫度環境為20 ℃,巖芯長度分別為2.540、4.000、6.884、8.106 cm,4塊巖芯滲吸過程中的滲吸液礦化度相同。實驗結果(圖4～圖6)表明,4塊不同長度的巖芯中長度越小,最終滲吸驅油效率越大,長度越小,早期滲流速度峰值越大,其滲吸前緣抵達非流動邊界的時間越短,越先達到穩定狀態,滲吸作用停止越早,滲吸驅油速率與滲吸驅油效率的倒

圖4 巖芯子(1)滲吸實驗過程Fig.4 Process of core (1) imbibition experiment

圖5 巖芯長度對滲吸驅油效率的影響Fig.5 Effect of core length on imbibition displacement efficiency

圖6 巖芯長度對滲吸驅油速度的影響Fig.6 Effect of core length on imbibition displacement rate

數呈現較好的線性關系。

2.3 孔隙度對滲吸的影響

實驗過程中使用自發滲吸瓶,不同孔隙度的巖芯做對比實驗,得到孔隙度因素對巖芯滲吸過程中的滲吸驅替效率和滲吸驅替速度的影響,實驗模擬油室溫黏度為3 mPa·s,滲吸液為蒸餾水,實驗溫度20 ℃,實驗巖芯為B-12、D-1(人造巖芯),巖芯長度分別為7.010 cm和7.090 cm,兩塊巖芯長度及滲透率相近,實驗滲吸液礦化度相同(蒸餾水)。實驗結果(圖7和圖8)表明,巖芯D-1在168 h左右達到穩定,最大滲吸驅油效率為44.26%;巖芯B-66孔隙度,60 h左右達到穩定,最大滲吸驅油效率為37.76%。巖芯孔隙度越大,最終滲吸驅油效率越大,早期滲吸驅油速度越小,達到穩定時間越長;巖芯孔隙度越小,最終滲吸驅油效率越小,早期滲吸驅油速度越大,達到穩定時間越短,滲吸作用停止早。

圖7 不同孔隙度滲吸驅油效率對比Fig.7 Comparison of oil displacement efficiency by imbibition under different porosity

圖8 不同孔隙度滲吸驅油速度對比圖Fig.8 Comparison of imbibition and displacement rates with different porosity

為了更好地了解天然巖芯的孔隙度因素對滲吸過程的影響,實驗巖芯為七(9)、子(12)、子(13)、子(14)、子(15)、子(16)共6塊巖芯,滲吸液礦化度相同(地層水),巖芯孔隙度分別為11.02%、9.57%、8.53%、7.56%、5.22%、3.54%。實驗結果如圖9～圖11所示,6塊不同孔隙度的巖芯中孔隙度越大,其最終滲吸驅油效率越大,滲吸早期的滲吸速度越大;孔隙度越小,其最終滲吸驅油效率越小,滲吸早期的滲流速度越小,孔隙度大小與最終滲吸驅油效率有較好的負相關性,6塊不同孔隙度的巖芯在滲吸過程中,滲吸驅油速率與滲吸驅油效率的倒數呈現較好的線性關系。由于致密砂巖儲層孔隙結構十分復雜,天然巖芯在孔隙度大致相同的情況下,滲透率卻存在很大差異,因此造成滲吸效果差異較大。

圖9 不同孔隙度下滲吸驅油效率-時間關系Fig.9 Relationship between time and imbibition displacement efficiency under different porosity

圖10 滲吸驅油效率-孔隙度關系圖Fig.10 Permeation displacement efficiency porosity relationship diagram

圖11 不同孔隙度下滲吸驅油速度-時間關系Fig.11 Relationship between imbibition displacement velocity and time under different porosity

2.4 礦化度對滲吸的影響

研究區地層水主要為氯化鈣(CaCl2)水型,總礦化度為91 338.4 mg/L,氯離子含量26 739.8～66 012.5 mg/L,pH 6.53～7.37,實驗巖芯為子(5)、子(6)、子(7)、子(8)、子(9)、子(10),滲吸液礦化度為地層水的0、1/4、1/2、1、3/2、2倍,即0、22.75、45.5、91、136.5、182 g/L。實驗結果如圖12和圖13所示,0 g/L滲吸液中的巖芯,18 h左右達到穩定狀態,最大滲吸驅油效率為25.53%;182 g/L滲吸液中的巖芯用了67 h達到穩定狀態,最大滲吸驅油效率為24.77%;6塊巖芯最終滲吸驅油效率相差不大,保持在25.5%～27%,滲吸液礦化度較小,滲吸驅油速度較大,越先達到穩定狀態;礦化度的增加會導致滲吸采收率、滲吸速率降低,抑制滲吸過程,礦化度對滲吸速率的影響較大,致密砂巖儲層自發滲吸過程受地層水礦化度影響,降低地層水礦化度有助于增大毛細管自吸的速率,提高滲吸采收率,置換液礦化度越大,滲吸速度降低,所需滲吸穩定時間越長。

圖12 不同礦化度下滲吸驅油效率Fig.12 Oil displacement efficiency of imbibition under different salinity

圖13 不同礦化度下無因次驅油效率Fig.13 Dimensionless oil displacement efficiency under different salinity

2.5 滲透率對滲吸的影響

滲透率是影響滲吸效果的主要參數,研究區儲層的滲透率為0.03～9.24 mD,滲透率主要分布區間為0.16～3.1 mD。實驗巖芯選取七(9)、子(12)、子(13)、子(14)、子(15)、子(16),滲透率分別為0.812 1、0.502 6、0.212 3、0.110 2、0.051 7、0.010 7 mD,均為致密性儲層巖芯,巖芯均放置在等量的滲吸液(蒸餾水)中。由實驗(圖14～圖17)可知,整體上滲吸驅油效率與滲透率成正相關關系,最小滲吸驅油效率僅為5.6%,最大滲吸驅油效率為27.5%,滲透率越大,滲吸平衡時間越短,驅油效率和滲吸驅油速度均隨著滲透率的增大而增大。因此,開發過程中應盡量增加裂縫發育程度,提高基質與裂縫的接觸面積和程度,從而提高滲吸采效率。

圖14 不同滲透率巖芯滲吸驅油效率Fig.14 Oil displacement efficiency of core imbibition with different permeability

圖15 不同滲透率巖芯滲吸速度-時間關系Fig.15 Relationship between imbibition velocity and time of cores with different permeability

圖16 無因次驅油效率-無因次時間變化關系Fig.16 Dimensionless displacement efficiency dimensionless time relationship

圖17 滲吸驅油效率-滲透率關系圖Fig.17 Osmotic displacement efficiency permeability relationship diagram

2.6 初始含水飽和度對滲吸的影響

致密砂巖儲層具有較高的束縛水飽和度和低含氣飽和度,初始含水飽和度影響著滲吸驅油效果,實驗選用巖芯B-1、B-2、B-3、B-5、B-7、B-8、B-10、B-11,其束縛水飽和度分別為30%、25.7%、20%、14.8%、9.6%、5.8%、1.6%、0.5%。實驗結果如圖18和圖19所示,束縛水飽和度由0.5%～30%變化時,滲吸采收率降低2.19%,當初始含水飽和度為0.5%～9.6%時,滲吸采收率隨著束縛水飽和度的增加而增加,在9.6%～30%時,滲吸采收率隨著束縛水飽和度的增加而降低;隨著束縛水飽和度的增加,滲吸效率降低,滲吸速度減小,較快達到穩定狀態;束縛水飽和度越小,滲吸效率越大,滲吸速度越大,所需穩定時間越長。

圖18 束縛水飽和度-滲吸驅油效率變化關系 Fig.18 Relationship between irreducible water saturation and imbibition displacement efficiency

圖19 不同束縛水下滲吸效率-時間關系曲線Fig.19 Osmotic efficiency time curve under different bound water

2.7 界面張力對滲吸的影響

實驗巖芯為七(1)、七(2)、七(3)、七(4)、七(5)、七(6)、七(7)、七(8)共8塊巖芯,放置在不同濃度的表面活性劑溶液中,根據界面張力儀測定結果顯示質量濃度-界面張力的關系。實驗結果(圖20～圖23)表明,隨著表面活性劑質量濃度的增加,界面張力先急劇下降,而后保持緩慢下降,當質量濃度為0.1%時,此時界面張力最小,之后緩慢上升;界面張力越小,巖芯最終滲吸采收率越大,滲吸驅油速度越大,界面張力最小時,最終滲吸采收率最高(41.36%),為蒸餾水條件下的兩倍(19.52%)。因此,降低界面張力有利于油水滲吸過程,提高滲吸采收率;自吸速率與氣體采收率倒數呈線性關系,直線不過原點,且與自吸速率所對應的坐標軸交點為負值。主要是由于自發滲吸過程受毛管壓力和重力分異作用同時作用,毛管力隨著界面張力的增大而增加,界面張力過大會阻礙重力分異的作用,使得吸水排油阻力增大。因此,合理的界面張力有利于滲吸過程的進行。

圖20 界面張力-質量濃度關系曲線Fig.20 Interfacial tension mass concentration curve

圖21 不同界面張力下滲吸驅油效率Fig.21 Oil displacement efficiency of imbibition under different interfacial tension

圖22 界面張力與滲吸驅油效率關系曲線Fig.22 Relation curve between interfacial tension and imbibition displacement efficiency

圖23 不同界面張力下滲吸驅油速度Fig.23 Imbibition displacement velocity under different interfacial tension

2.8 潤濕性對滲吸的影響

實驗巖芯為七(1)、七(2)、七(3)、七(4)、七(5)、七(6)、七(7)、七(8)共8塊巖芯,放置在不同濃度的表面活性劑溶液中,不同濃度的表面活性劑溶液其對應的油-水-固潤濕角不同。實驗結果(圖24～圖28)表明,當質量濃度在0～0.15%時,油水潤濕角隨著表面活性劑質量濃度的增加而顯著降低,當質量濃度為0.15%時,油水潤濕角最低(10.8°),最終滲吸驅油效率最高(40.05%),潤濕角為58.3°的條件下最終滲吸驅油效率(19.52%)的2.05倍。0.15%的質量濃度降低潤濕角的能力最強;潤濕角越小,最終滲吸采收率越高,滲吸速度越大,親水性有利于油水滲吸過程,提高滲吸采收率。

圖24 不同濃度表面活性劑滲吸液中潤濕角Fig.24 Wetting angle in different concentrations of surfactant leachate

圖25 潤濕角-質量濃度關系曲線Fig.25 Wetting angle mass concentration curve

圖26 潤濕角-滲吸驅油效率關系曲線Fig.26 Wetting angle imbibition displacement efficiency relation curve

圖27 不同潤濕角下的滲吸驅油效率Fig.27 Imbibition displacement efficiency under different wetting angles

圖28 不同潤濕角下的滲吸驅油速度Fig.28 Imbibition displacement velocity under different wetting angles

3 結論

(1)巖芯長度對滲吸速度有明顯的影響,但是對巖芯的滲吸驅油效率影響不大。當其他條件(包括巖芯的直徑)一定時,巖芯的長度越大,巖芯的滲吸驅油速度越大,達到穩定狀態越快;巖芯滲透率、孔隙度越大,滲吸驅油效率越大,滲吸速度越快,滲吸采收率越大;滲吸液礦化度對巖芯滲吸具有較大的影響,礦化度對滲吸過程具有抑制作用,礦化度越大,滲吸驅油效率越小,滲吸驅油速度越小;界面張力越小,滲吸驅油速度越大,滲吸驅油效率越大,滲吸采收率與界面張力(實驗區間內)一定程度上呈反比關系;潤濕角越小,親水性越強,油水滲吸采收率越大,油水滲吸速率越快,親水性有利于油水滲吸過程;束縛水飽和度的越大,巖芯滲吸效率越低、滲吸速度越小。

(2)通過靜態自發滲吸實驗,研究了儲層巖心長度、邊界條件、巖心孔隙度、巖心滲透率、礦化度、界面張力、潤濕性、含水飽和度對滲吸驅油效率的影響,分析了這些因素對驅油作用影響的強弱,影響滲吸驅油的主要因素是潤濕性、巖芯孔隙度,滲透率、界面張力、初始含水飽和度次之,巖心長度及礦化度對滲吸驅油效率的影響最弱,為致密儲層開展注水開發提供一定的理論基礎。