低渗透岩心自然渗吸实验新方法

钟家峻，杨小军，陈燕虎，唐 海，吕栋梁，张 媛

（1.西南石油大学，四川成都 610500；2.中石化西南石油工程有限公司四川钻井分公司，四川德阳 618000；3.中国石化股份胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营 257015）

低渗油藏中通常裂缝发育，在注水开发过程中，注入水首先沿裂缝推进，裂缝中的水在毛管力的作用下将基质中的原油驱替出来，这种在多孔介质中，润湿相流体依靠毛管压力作用自发进人岩石孔隙，将其中的非润湿相流体驱出的过程称为渗吸，它是毛管压力作用下的一种常见现象[1]。随着低渗油藏的大量开发与应用，渗吸作为低渗油藏的一个重要开采机理而备受关注。

国内外学者对低渗透岩心自然渗吸做了大量研究[1-13]。Aronofsky J S等人[2]首先导出了渗吸驱油指数关系式方程，Graham J W等人[3]和Mannon W等人[4]先后用三角形和方块模型完成了渗吸实验研究，Parson R W和Iffly R等人[5]用称重法和毛管法完成了淹没渗吸实验。裴柏林[6]等应用常规称重方法（去掉附在岩心壁面上油珠收集称重）研究渗吸曲线的测定，周凤军[7]、陈淦[8]、李士奎等[1]应用带简易的天平的实验仪器进行了低渗透岩心的自然渗吸实验，王锐等[9]进行了碳酸水对岩石润湿性及渗吸采收率的影响实验研究，李爱芬[10]应用吸水仪对裂缝性油藏低渗透岩心渗吸实验进行了研究，王家禄[11]，朱维耀[12]等进行了渗吸机理实验研究。

笔者通过调研，发现以前的渗吸实验仪器和方法存在不足之处，由此设计出新的自然渗吸实验仪器，依托新的自然渗吸实验仪器完成了低渗砂岩和碳酸盐岩岩心渗吸实验。

1 自然渗吸实验仪器

在前人的渗吸实验研究中，都是直接或者间接采用体积法和常规称重法进行自然渗吸实验研究，常规称重法的实验仪器过于简单[1,7]（见图1），测定渗吸实验的方法存在测定误差大的问题：常用的体积法，只能测量到渗出并已脱离岩样的油量，很难计量到渗出但附在岩样壁上的油珠的体积，其测定的自然渗吸驱油效率存在着较大的误差；常规的称重法是通过测定岩心在水中的质量变化来计算渗出油量。考虑到渗吸岩心体积有限，渗吸驱油效率低，渗吸过程中的质量或者体积变化量很微小，在实验的过程中振动或者温度的变化都会对实验结果造成很大的影响，再加之，水溶液的吸附，渗吸过程毛管力变化引起岩心内液体压缩程度变化等等以及一些不明因素。其中有的因素的影响难以消除，有的无法消除，这样使得常规的称重法具有较大的局限性[6]。所以常规的体积法和称重法误差很大，以致数据不能反应真实渗吸过程与渗吸驱油结果。

为了克服上述问题，笔者设计了一种新的实验仪器，其特点是渗吸实验在恒温箱中进行，精密电子天平计量质量变化，其计量精度达到0.000 1 g，实验仪器有数据自动记录系统，降低实验人员劳动强度。其装置简图（见图2）。

该自然渗吸实验仪器包括仪器柜、岩心室、岩心固架、精密电子天平、温度控制系统、储水恒温杯和数据采集系统组成（见图2）。

2 自然渗吸实验理论与实验

2.1 自然渗吸理论

（1）自然渗吸过程主要受到毛管力和重力的作用，对于低渗透岩石来说，毛管力要远远大于重力的作用，因此可以认为低渗透砂岩岩心的自然渗吸过程只受到毛管力作用，而忽略重力的影响。毛管力的表达式为：

式中：Pc-毛管力，Pa；σ-界面张力，mN/m；θ-润湿角，r-毛管半径，mm。

（2）Aronofsky等人导出了自然渗吸驱油效率关系式[2]：

式中：R∞-t→∞，极限自然渗吸驱油效率；Rt-t时刻的自然渗吸驱油效率，λ-自然渗吸常数。

2.2 自然渗吸实验

2.2.1 实验岩心及流体 本次实验采用胜利油田的天然裂缝性碳酸盐岩岩心和人造低渗透砂岩岩心，采用的岩心都是亲水岩心，基本参数（见表1），模拟地层油水粘度比配制实验用油，实验用水采用人造地层水，水型为Na2SO4型，矿化度9 554 mg/L。

表1 实验用岩心基本参数

2.2.2 自然渗吸实验 本次实验采用的碳酸盐岩心渗透率变化范围0.13～1.65 mD，砂岩岩心的渗透率变化范围1.40～21.67 mD，岩心先经烘干后称重,然后抽空100%饱和实验用油，然后计量饱和岩心后的质量。将岩心安装在岩心固架上，进行自然渗吸实验。渗吸过程为自吸水排油过程，实验在恒温箱中进行，用电子天平和数据采集系统相连，不间断地对岩样进行称量,并记录质量变化。由于水、油的密度差,岩样吸水排油,因此质量逐渐增加。自然渗吸驱油效率计算式为：

式中：R-自然渗吸驱油效率，小数；Δm-天平质量变化量，g；ρo、ρw-实验用油、水的密度，g/cm3；m1、m2-岩心饱和油重量和岩心干重，g。

3 自然渗吸实验结果与分析

该文进行了两组自然渗吸实验研究，岩心自然渗吸实验结果（见图3、图4），渗透率与驱油效率关系（见图5、图6）。

由不同自然渗吸实验结果可知（图3、图4）：（1）由于碳酸盐岩岩心的渗透率变化范围不大（0.13～1.65 mD），碳酸盐岩岩心的最终驱油效率相差不大；（2）在碳酸盐岩岩心的自然渗吸实验中，刚开始自然渗吸效果明显，质量变化大，当达到一定渗吸阶段后（约40 h），天平的质量增加并不明显，自然渗吸趋于稳定，当渗吸时间达到190 h左右天平质量不再变化；（3）砂岩岩心的渗透率变化范围为1.40～21.67 mD，最终驱油效率相差较大（5.62%～20.89%），说明渗透率对自然渗吸结果的影响较大；（4）与碳酸盐岩岩心相同，砂岩岩心实验开始阶段渗吸驱油效率上升较快，然后有一个比较平稳的上升阶段，最后渗吸效率随着时间延长逐渐保持在一个比较平稳的水平不再变化；（5）砂岩渗吸的稳定时间相差很大，渗透率越大自然渗吸达到稳定的时间就越长。

由渗透率与驱油效率关系曲线可知（图5、图6）：（1）在一定渗透率变化范围内，碳酸盐岩岩心的自然渗吸驱油效率随着渗透率的增加而增加；（2）砂岩岩心驱油效率随着渗透率的增加而增大，但当渗透率达到一定数值后，驱油效率随着渗透率的增加而降低，即存在着最佳自然渗吸驱油效率对应的渗透率；（3）由自然渗吸数据回归得到碳酸盐岩岩心驱油效率与渗透率的关系式为R＝0.213k+3.113，砂岩岩心驱油效率与渗透率的关系式为R＝-0.06k2+2.103k+2.19。

由公式（2）回归出碳酸盐岩岩心和砂岩岩心自然渗吸驱油关系式（见表2、表3）。

表2 碳酸盐岩岩心自然渗吸驱油关系式

表3 砂岩岩心自然渗吸驱油关系式

利用碳酸盐岩岩心和砂岩自然渗吸实验数据可得到碳酸盐岩岩心和砂岩岩心的自然渗吸动态满足的衰竭规律分别为：

4 结论与认识

通过调研，发现以前的自然渗吸实验仪器存在着不足之处，在此基础上研发出具有恒温系统、高计量精度和数据自动记录的自然渗吸实验仪器。利用笔者研究的自然渗吸实验仪器进行了碳酸盐岩岩心和砂岩岩心的自然渗吸实验。

由自然渗吸实验结果得到：自然渗吸驱油效率和渗透率存在着正相关性，但当渗透率达到一定数值后，自然驱油效率随着渗透率的增加而降低，即存在着最佳自然渗吸驱油效率对应的渗透率。

碳酸盐岩岩心自然渗吸动态满足的衰竭规律为：

砂岩岩心的自然渗吸动态满足的衰竭规律为：

［1］李士奎，刘卫东，张海琴，等.低渗透油藏自发渗吸驱油实验研究［J］.石油学报，2007，28（2）：109-112.

［2］Aronofsky J S.A model for themechanism of oil recovery from the porousmatrix due to waterinvasion in fractured reservoir［J］.TransAIME，1958，（213）:17-19.

［3］Graham JW.Theory ang application of imbibition phenomena in recovery of oil［J］.Trans AIME，1958，2（16）:377-385.

［4］Mannon W.Experiments on effect of water injection rate on imbibition rate in fractured reservoir［C］.SPE4101，1992.

［5］Iffly R.Fundmental study of imbibition in fissured oil field［C］.SPE 4102，1992.

［6］裴柏林，彭克宗，黄爱斌.一种吸渗曲线测定新方法［J］.西南石油学院学报，1994，16（4）:46-50.

［7］周凤军，陈文明.低渗透岩心渗吸实验研究［J］.复杂油气藏，2009，2（1）:54-56.

［8］陈淦，宋志理.火烧山油田基质岩块渗吸特征［J］.新疆石油地质，1994，15（3）：268-275

［9］王锐，岳湘安，尤源，梁继文.裂缝性低渗油藏周期注水与渗吸效应实验［J］.西安石油大学学报，2007，22（6）:56-59.

［10］李爱芬，凡田友，赵琳.裂缝性油藏低渗透岩心自发渗吸实验研究［J］.油气地质与采收率，2011，18（5）:67-69.

［11］王家禄，刘玉章，陈茂谦，等.低渗透油藏裂缝动态渗吸机理实验研究［J］.石油勘探与开发，2009，36（1）:86-90.

［12］朱维耀，鞠岩，赵明，等.低渗透裂缝性砂岩油藏多孔介质渗吸机理研究［J］.石油学报，2002，23（6）:56-59.