实际地层温度压力条件下的渗吸实验研究

曹庾杰，杨胜来，王君如，王梦雨，于家义，王敉邦

（1. 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，石油工程教育重点实验室，北京102249；2. 中国石油吐哈油田公司 勘探开发研究院，北京100083）

我国低渗透油藏地质储量丰富，但储层物性差及强非均质特征导致注入压力高、波及体积小、单井产量低、开发难度大［1-2］。为了有效开发低渗透油田，前人已尝试了超前注水[3]、整体压裂[4]等多种方法，但现场开发效果一般。近年来，多级压裂水平井注水吞吐被看作是开发低渗透油藏的一项潜力技术，而制约注水吞吐的重要因素是油水置换效率。渗吸作用主要依靠毛管力、重力和外加压力发生油水置换，可以有效采出较小孔隙中的原油，从而增加单井产量、提高采收率［5-11］。国内外学者已对渗吸进行了大量实验研究，但是大多数仅为常温常压渗吸实验，所谓的“动态渗吸”也只是研究了流体流动和一定温度压力状态下的渗吸过程［12-16］。本文采用自行研制的渗吸实验装置，模拟了实际地层温度压力条件下注水吞吐过程中的渗吸规律，并定量计算岩心渗吸深度范围，加深了对渗吸采油规律的认识。

1 常温常压渗吸规律研究

1.1 实验材料

实验岩心为三塘湖油田牛圈湖区块低渗砂岩油藏天然岩心，利用Temco OPP-1 高压孔渗仪、游标卡尺测试了岩心基本参数（见表1）。实验用水为牛圈湖区块低渗砂岩油藏实际地层水（见表2），实验用油由牛圈湖低渗砂岩油藏地层原油与煤油配制而成，模拟油20 ℃的黏度为20 mPa⋅s，密度为0.86 kg/m3。

表1 实验岩心物性参数Table 1 The physical property parameter of experimental core

表2 地层水各离子类型的质量浓度Table 2 Mass concentration of different ion types in for mation water mg/L

1.2 实验步骤及实验条件

岩心处理过程为：岩心编号→洗岩心→烘干→测试基础参数（尺寸、孔隙度和渗透率）→抽真空饱和地层水→水驱测水测渗透率→油驱至束缚水→浸泡在模拟油中老化15 d。利用浮力称重法测量不同渗吸时刻的质量变化，然后计算各岩心的渗吸效率。 实验温度为20 ℃，实验压力为大气压1.01×105Pa。

1.3 实验装置

图1 为常温常压渗吸实验装置。将岩心悬挂在高精度天平上，完全浸没在地层水中。该装置是恒压控制系统、数据自动录入系统、恒温控制系统及浮力悬挂称重法的综合运用，有效地降低了实验测量过程中的计量误差。由于渗吸过程为吸水排油，且油、水存在密度差，所以岩心质量逐渐增加，渗吸效率计算公式为：

式中，Vt为t时刻渗吸出油的体积，cm3；∆m为t时刻岩样质量的增加值，g；ρw为水的密度，g/cm3；ρo为模拟油的密度，g/cm3；V0为岩心初始饱和油的体积，cm3；η为渗吸效率，%。

1.4 实验结果及分析

图2 为常温常压自发渗吸效率与时间的关系。由图2 可知，岩心渗吸280 h 后的渗吸效率为18%～24%，平均为21%。实验期间可观察到油滴从岩心表面渗吸出来至脱离的完整过程，且前18 h 为岩心渗吸的主要阶段，可达到最终渗吸效率的40%～60%；18 h 之后岩心渗吸效率明显减慢，即认为渗吸前期是岩心快速出油的主要阶段，渗吸快速采油阶段主要发生在岩心表层。

图1 常温常压渗吸实验装置Fig.1 Imbibition experiments of normal temperaturepressure device

图2 常温常压自发渗吸效率与时间关系Fig.2 Graph of spontaneous imbibition efficiency over time at normal temperature and pressure

为了表示渗吸速率随时间的变化关系，定义渗吸速率表达式为：

式中，∆η为不同时刻渗吸效率变化量，%；η1、η2分别为t1、t2时刻渗吸效率，%；∆t为时间变化量，h；t2、t1为时刻值，h；v为渗吸速率，%/h。

图3 为渗吸速率与时间的关系。由图3 可知，渗吸速率与时间呈幂函数递减关系，前6 h 渗吸速率最快，为0.8～1.7 %/h；中期逐渐减缓，属于过渡阶段，渗吸速率为0.2～0.4 %/h；后期渗吸速率非常缓慢，约为0.02 %/h，渗吸速率变化很小。

图3 渗吸速率与时间的关系Fig.3 Relationship between imbibition rate and time

2 实际地层温度压力条件下的渗吸规律研究

2.1 实验材料

实验岩心为三塘湖油田牛圈湖区块低渗砂岩油藏天然岩心，岩心基本参数如表1 所示。实验用水和实验用油同1.1 部分。

2.2 实验装置及实验条件

为了模拟注水吞吐过程中的渗吸作用，自主设计了实际地层温度压力条件下的渗吸实验装置如图4 所示。

图4 实际地层温度压力条件下的渗吸实验装置Fig. 4 Imbibition experiments of actual reservior's tem⁃perature and pressure conditions device

恒温箱加热至45 ℃，将岩心放在渗吸釜铁丝网支架上，加压至20 MPa 进行渗吸，然后计量渗吸出油的体积，并取出岩心进行称重，同时利用式（1）、（2）计算岩心的渗吸效率。

2.3 实验步骤

岩心处理过程与2.2 相同。实际地层温度压力条件下的渗吸实验共进行7 个轮次，具体实验步骤为：

（1）将渗吸釜加热到45 ℃，称量饱和油岩心在45 ℃下的初始质量，把岩心放入渗吸釜中，加压到20 MPa；渗吸5 h，降压至大气压力，计量渗吸出油的体积，然后打开釜盖取出岩心，称量岩心在45 ℃下的质量（第1 轮次）。

（2）将岩心重新放入渗吸釜中，加压到20 MPa；渗吸12 h，计量渗吸出油的体积和称量岩心在45 ℃下的质量（第2 轮次）。

（3）将岩心重新放入渗吸釜中，加压到20 MPa；渗吸24 h，计量渗吸出油的体积和称量岩心在45 ℃下的质量（第3 轮次），依次进行4、5、6、7 轮次实验。

2.4 实验结果及分析

图5 为实际地层温度压力条件下渗吸效率与时间、渗吸速率与渗吸轮次的关系。

由图5（a）可知，岩心渗吸135 h（7 轮次）后的渗吸效率为24%～31%，平均为27%。前2 轮次为岩心渗吸的主要阶段，可达到最终渗吸效率的40%～60%；第3 轮次开始渗吸速率逐渐减慢，即认为渗吸前期是岩心快速出油的主要阶段，实际地层温度压力条件下的渗吸快速采油阶段主要发生在岩心表层。由图5（b）可知，渗吸速率与时间呈幂函数递减关系，第1 轮次渗吸速率最快，为2.6～3.6 %/h；中期逐渐减缓，属于过渡阶段，渗吸速率为0.1～0.5 %/h；后期渗吸速率非常缓慢，约为0.04 %/h，渗吸速率变化很小。

图5 渗吸效率和渗吸速率时间与渗吸轮次的关系Fig. 5 The relationship between imbibition efficiency and imbibition cycle,imbibition rate and imbibition cycle

3 实际地层温度压力条件下渗吸与常温常压渗吸实验对比

图6 为实际地层温度压力条件下渗吸与常温常压渗吸对比关系曲线。由图6 可知，实际地层温度压力条件下渗吸效率比常温常压渗吸效率提升了5%～7%，且其渗吸速率也明显高于常温常压渗吸速率。分析认为，在高压环境下，渗吸不止受到毛管力、重力作用，还受到外加压力作用，从而更有助于油水发生渗吸置换；在高温环境下，流体更易于流动，可在一定程度上有效减小油水置换阻力。即实际地层温度压力条件下渗吸可以有效增加渗吸动力、减小渗吸阻力，实际地层温度压力条件下渗吸采油效果明显优于常温常压渗吸采油效果。

图6 渗吸与常温常压渗吸对比关系Fig.6 The comparison of imbibition and normal temperature,normal pressure imbibition

4 渗吸深度计算

根据前人提出“层渗吸理论”[17-18]，认为前期渗吸快速采油阶段主要发生在岩心表层。由此建立了计算渗吸深度的理想数学模型（见图7），定量计算了岩心的渗吸深度。

图7 岩心渗吸深度示意Fig.7 Schematic diagram of core's imbibition depth

具体计算过程为：设岩心渗吸深度为x，半径为r，长度为h，孔隙度为Φ，初始含油饱和度为Si，残余油饱和度为Sor，渗吸效率为Es，则满足方程：

经化简可得到：

根据式（4）、（5），分别计算了各岩心不同渗吸时间下的渗吸深度（据研究区相渗曲线取残余油饱和度Sor=0.35）。

图8 为渗吸深度随时间的变化。由图8 可知，渗吸深度随着时间的增加不断增加；当岩心渗吸140 h 后渗吸效率为17%～31%，渗吸深度为0.25～0.63 cm，占岩心半径的20%～50%。即认为前期快速渗吸采油阶段进入的深度属于厘米级范围，实际地层温度压力条件下渗吸深度大于低温低压渗吸深度。

图8 渗吸深度随时间的变化Fig.8 Change of imbibition depth with time

5 结 论

（1）通过岩心实际地层温度压力条件下渗吸和常温常压渗吸实验，得出实际地层温度压力条件下渗吸效率平均为27%，常温常压渗吸效率平均为21%，前者与后者相比渗吸效率可提升约6%。分析认为，较高温度压力条件下渗吸可以有效增加渗吸动力、减小渗吸阻力，有助于发生油水置换，使其渗吸效率明显优于常温常压渗吸效率。故提高地层压力可在一定程度上提升渗吸效率。

（2）实际地层温度压力条件下渗吸在第1 轮次渗吸速率最快，为2.6～3.6 %/h；常温常压渗吸在前6 h 渗吸速率最快，为0.8～1.7 %/h，即实际地层温度压力条件下渗吸速率明显高于常温常压渗吸速率。

（3）利用建立的渗吸深度理论计算模型，计算了各岩心不同渗吸时间的渗吸深度，得出岩心渗吸深度为0.25～0.63 cm。认为前期快速渗吸阶段进入的深度属于厘米级范围，故对油藏储集层进行大面积压裂（增加渗吸面积）是提升渗吸置换效率的有效途径。