低渗储层动静态渗吸采油效果实验研究

金智荣，张华丽，陈佳豪，吴飞鹏

(1.中石化江苏油田分公司，江苏 扬州，225009;2.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛，266580;3.非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580)

0 引言

随着能源需求增大及油气开发技术发展，低渗透油藏已成为我国油气资源的重要组成部分[1-3]。低渗透砂岩油藏常常为水湿油藏，以毛管力为主要驱动力的渗吸采油已成为该类低渗储集层的主要开发方式[4-7]。

目前，国内外诸多专家学者在低渗储层的渗吸驱油效果和渗吸驱油机理等方面已经取得了一系列有益的研究成果。王敬等[8-15]基于静态渗吸和动态渗吸实验结果分别明确了主控因素对渗吸采油的影响规律，为致密砂岩油藏渗吸实验分析及致密砂岩油藏采收率的提高提供了理论依据和参考；陈挺[16]和韩冬[17]分别研究了表面活性剂溶液对动态、静态渗吸驱油效果的影响，明确了表面活性剂影响下的渗吸驱油机理，为提高水湿砂岩岩心的渗吸采收率提供了借鉴和指导；吴润桐[18]基于致密油气储层基质室内渗吸实验结果分析，提出了新的致密油气储层基质的渗吸机理，为致密油气藏进一步的开发提供理论依据。但这些研究均未就同一影响因素在动、静态2种渗吸实验方法下渗吸驱油特征的差异性进行剖析对比，缺乏对渗吸驱油过程中渗吸-驱替作用的系统性认识。

该研究利用江苏地区高集油田古近系阜宁组低渗储层基质岩心，开展室内动、静态渗吸实验，跟踪不同参数下渗吸驱油过程，对比分析动、静态2种渗吸实验方法下各参数对渗吸驱油特征的影响，明确影响静、动态渗吸采油效果的主控因素敏感性，并揭示静、动态渗吸采油特征的差异及原因，为低渗储层渗吸采油方式优化提供一定借鉴。

1 实验方法

1.1 实验原理

渗吸作用发生在多孔介质中，是开采储层基质岩块和低渗储层原油的有效方法[19-22]。根据渗吸驱油过程的差异，渗吸可分为动态渗吸和静态渗吸2类[23]:

静态渗吸实验模拟的是基质系统外部液体为静止状态下的自发渗吸驱油过程，毛管力为主要驱动力，渗吸介质在毛管力的作用下被吸入小孔道中并将原油驱至大孔道中，原油最后经大孔道排出，这一过程如图1a所示。

动态渗吸实验模拟的是基质系统外部液体为流动状态下的自发渗吸驱油过程，渗吸动力除了毛管力之外，还存在驱替压力，整个渗吸过程包括渗吸作用和驱替作用，其更接近实际油藏开发条件，这一过程如图1b所示。

图1 渗吸驱油过程示意图Fig.1 Schematic diagram of oil displacement process by imbibition

1.2 实验装置及实验材料

1.2.1 实验装置

静态渗吸实验装置主要包括体积法Amott渗吸瓶，如图2所示。

图2 静态渗吸实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of static imbibition experimental device

动态渗吸实验装置主要包括真空饱和装置(沧州首科BHG型)、岩心快速洗油仪(江苏南通YC型)、岩心钻取机(南通飞宇YZ-1型)、电子天平(奥豪斯AX型)、烧杯、岩心切割工具(冰雪京安BX406E)和岩心渗吸驱替装置(主要包括平流泵、岩心夹持器、围压泵、中间容器、压力表、压力传感器和计量装置等)等。

1.2.2 实验材料

实验用表面活性剂溶液分别为HDSX-1，CTAB和OP-10，其界面张力分别为38 mN/m，35 mN/m和32 mN/m；实验用水为研究区块储层模拟地层水，矿化度约为16 700 mg/L，水型为NaHCO3；实验用油样选择与研究区块储层性质相近的脱水原油与实验室煤油按照1∶3的比例混合而成，室温下黏度为6.5 mPa·s，密度为0.834 g/cm3；实验用岩心为研究区块储层天然岩心，岩心表面原始润湿性均为水湿。

1.3 实验过程

1.3.1 岩心预处理

将标准的柱塞岩样利用洗油仪进行洗油处理，烘干后测量其孔隙度以及渗透率，然后对岩样抽真空并饱和地层水，接下来利用岩心的驱替装置以0.02 mL/min的流量向岩心注入模拟油，总注入量大于5 PV，至出液口流速稳定且不含水后，停泵，老化24 h以上备用。

1.3.2 静态渗吸实验

将预处理后的岩心浸入装有渗吸介质(润湿相流体)的渗吸瓶中，由于油水密度的差异，岩样中被渗吸置换出来的原油会聚集在渗吸瓶上方带有刻度的细管处，通过记录每个时间段的出油量(为减小读数误差，读数前，轻微地摇晃渗吸瓶，使油滴脱离渗吸瓶壁面和岩心表面，上浮到刻度管中[24])，直至渗吸结束，进而计算每个阶段的渗吸采出程度。

1.3.3 动态渗吸实验

将预处理后的岩心装进岩心夹持器中，接通渗吸驱替装置，围压设置为20 MPa，使用渗吸介质以0.2 mL/min的流速驱替饱和模拟油的岩样，记录不同注入孔隙体积倍数后的渗吸驱油量，直至出口端不出油为止，进而计算每个阶段的渗吸采出程度。

2 实验结果分析

为研究分析动、静态实验方法下岩心的渗吸驱油特征差异，通过动、静态渗吸实验方法，分别评价不同参数(初始渗透率、孔隙结构、渗吸压力、边界条件及渗吸介质)对动、静态渗吸驱油过程的影响。

2.1 初始渗透率的影响

渗透率作为储层基本物性参数，其在一定程度上影响着原油在孔隙中的渗流能力。为了对比评价渗透率在2种实验方法下对渗吸驱油效果的影响，选用不同渗透率的标准岩样(见表1)分别进行静态、动态渗吸实验，测定不同阶段的采出程度，实验结果如图3所示。

表1 不同渗透率条件下的岩心基本参数Table 1 Basic core parameters under different permeability conditions

图3 不同初始渗透率对采出程度的影响Fig.3 Effect of different initial permeability on recovery degree

可以看出，渗透率在一定范围内，在岩心基础参数相近的情况下，随着初始渗透率的变大，动、静态渗吸采出程度及渗吸驱油速度均增大。分析原因认为，岩心渗透率越好，表明岩心内部孔喉性质越好，大孔喉数量增多，孔隙连通性好，原油流动的阻力越小，越容易运移出来，从而提高了渗吸驱油效率。

综上所述，岩心动、静态渗吸驱油效果均受其渗透率制约，在一定的渗透率变化范围内，随着初始渗透率的增大，渗吸驱油效果越好；在同一渗透率级别下，动态渗吸采收率明显要高于静态，说明渗吸-驱替效果要优于渗吸效果；此外，随着渗透率的变大，动、静态采收率之间的幅度从7.4%增大到10.36%，分析认为：渗透率越小，岩石内部小孔喉数量较多，平均孔喉半径较小，此时，毛管力越大，油水渗吸置换效果明显，渗吸作用对提高采收率的贡献率较大；而随着渗透率增大，大孔喉所占比例增加，孔隙连通性变好，渗吸作用对采收率的占比降低，渗吸介质依靠外界驱动力强制进入岩石孔隙并将原油驱出，驱替作用对提高采收率的贡献率变大，使得采收率增幅较大。

2.2 孔隙结构的影响

表2 不同孔隙结构条件下的岩心基本参数Table 2 Basic core parameters under different pore structure conditions

图4 不同孔隙结构对采出程度的影响Fig.4 Effect of different pore structure on recovery degree

可以看出，不同孔隙结构具有不同的渗吸规律，孔隙结构越好(储层品质指数越大)，初始渗吸速度保持时间越长，渗吸驱油效率越高。这是因为储层品质指数越大，孔隙结构越好，岩石内部大孔喉占比越高，岩石内部孔隙空间的弯曲程度、孔喉配置关系等综合性能变好，为渗吸置换和驱替渗流的发生提供了有利条件。

总体看来，在2种实验方法下，同一储层品质指数级别下的岩心渗吸驱油规律基本一致，不同的是2种实验方法下岩心的最终采出程度有所差别。在相同的储层品质指数级别下，动态渗吸采出程度明显高于静态渗吸采出程度；此外，随着储层品质指数增大，采收率升高幅度从10.36%增大到12.79%，分析原因认为：随着孔隙结构变好，岩石内部大孔喉占比越高，孔喉配置关系较好的区域所占比例升高，以驱替作用为主要采油机理的孔隙占比增大，形成了较高的驱替效率，使得岩心采收率增幅显著提高。

2.3 渗吸压力的影响

实际地层中存在着一个压力场，储层中的流体就在这个压力系统的控制和支配下流动。为了对比评价压力系统在2种实验方法下对岩石渗吸驱油规律的影响，选用物性参数相近的标准岩样(见表3)分别进行静态、动态渗吸实验，明确渗吸压力对渗吸效果的作用规律。考虑到实验过程中设备仪器均在高压环境下，静态渗吸实验使用的普通玻璃渗吸瓶难以满足需要，故选择在高压反应釜里进行静态渗吸实验，每块岩心只能得到最终的采收率；对于动态渗吸实验，分别设定注入压力为5 MPa,10 MPa和15 MPa开展对比实验，测定不同阶段的采出程度，实验结果如图5 所示。

表3 不同渗吸压力条件下的岩心基本参数Table 3 Basic core parameters under different imbibition pressures

图5 不同渗吸压力对采出程度的影响Fig.5 Effect of different imbibition pressure on recovery degree

可以看出，随着渗吸压力的增大，静态渗吸采出程度呈现先增大后减小的趋势，而动态渗吸采出程度随着渗吸压力的升高而增大。

静态渗吸实验中存在一个最佳的渗吸压力值，实验方法下约为4 MPa。当渗吸压力低于此值时，随着压力升高，渗吸介质更多地进入岩心基质，从而提高了渗吸置换采出程度；当渗吸压力高于此值时，岩石基质系统外部的高压环境对基质内原油外排的抑制作用加剧，导致渗吸采出程度开始降低。

动态渗吸实验中渗吸采出程度、渗吸驱油速度与渗吸压力呈正相关趋势。分析原因认为：一方面，对渗吸介质施加一定压力，可以使岩心更加深入到岩石基质系统从而扩大渗吸置换区域；另一方面，提高渗吸压力增强了大孔道的驱替渗流能力，及时将渗吸置换出的原油带走，同时扩大了驱替动用程度，从而提高渗吸驱油效果。

由此，在2种实验方法下，渗吸压力对渗吸驱油效果的影响存在明显差异，经过论证分析，认为动态渗吸实验更能反映实际油藏开发环境，其既能表征渗吸置换机理，又能模拟实际油藏开发条件下动态渗流环境。因此，认为动态渗吸实验下的压力影响效果更具有指导意义。

2.4 边界条件及裂缝的影响

为了对比评价边界条件及裂缝在2种实验方法下对渗吸效果的影响，选用物性相近的标准岩样，分别对岩心进行相应的密封或造缝处理，如图6所示，波浪线代表裂缝，绿色区域代表密封处理后的岩心表面，灰色区域代表未密封处理的岩心表面，实验岩心具体参数见表4；接下来分别进行静态、动态渗吸实验，测定不同阶段的采出程度，实验结果如图7所示。

图6 不同边界条件下的岩心示意图Fig.6 Schematic diagram of core under different boundary conditions

表4 不同边界条件下的岩心基本参数Table 4 Basic core parameters under different boundary conditions

图7 不同边界条件对采出程度的影响Fig.7 Influence of different boundary conditions on recovery degree

可以看出，不同的边界条件及裂缝的存在会导致岩心采收率发生明显变化。静态渗吸实验中4种边界条件对应的岩心采出程度由高到低分别为：“裂缝+全部裸露”“全部裸露”“裂缝壁面裸露”“两端裸露”。可以发现，岩心渗吸最终采收率与渗吸表面积的大小呈正相关趋势；“裂缝+全部裸露”和“全部裸露”边界条件下的岩心各表面未进行密封处理，渗吸介质与各表面产生有效接触，为渗吸置换的发生提供更多的通道；而其他边界条件下的岩心只有部分表面能够有效接触到渗吸介质，从而降低了渗吸驱油效率。

同样，动态渗吸实验中“裂缝+全部裸露”边界条件对应的岩心采收率明显高于“裂缝壁面裸露”边界条件对应的岩心。分析原因认为：相比于“裂缝壁面裸露”边界条件对应的岩心，“裂缝+全部裸露”边界条件对应的岩心端面处于开放状态，渗吸介质在驱替压差的作用下从岩心端面渗入并向深部基质系统推进，扩大了渗吸-驱替作用区域；同时，岩心端面的开启能够有效提高岩心端面处基质系统的波及体积和洗油效率。

总体看来，在2种实验方法下，对于裂缝存在且处于同一边界条件的情况，岩心渗吸驱油规律基本一致，不同的是动态渗吸采收率明显高于静态；此外，随着岩心端面开放程度增加，采收率升高幅度显著增大。分析原因认为：裂缝的存在以及边界条件开放程度决定了渗吸介质与岩石表面的有效接触面积；虽然裂缝的存在为渗吸置换的发生提供了更多的通道[23]，但由于岩心端面处于密封状态，无法为驱替流体提供渗流通道，导致渗吸介质只能从裂缝内渗流，一定程度上限制了渗吸介质的过流断面，使得驱替作用强度减弱，降低了基质原油动用量，很大程度上影响了采收率的提高。

2.5 渗吸介质的影响

渗吸介质的不同影响着界面张力的大小，较低的界面张力会增强原油的流动性，而较高的界面张力更有利于渗吸作用的发生，因此，选择合适的渗吸介质对提高渗吸驱油效果尤为重要。为了对比评价不同渗吸介质在2种实验方法下对渗吸效果的影响，选用物性相近的标准岩样(见表5)分别使用不同的渗吸介质进行静态、动态渗吸实验，测定不同阶段的采出程度，实验结果如图8所示。

表5 不同渗吸介质条件下的岩心基本参数Table 5 Basic core parameters under different imbibition media

图8 不同渗吸介质对采出程度的影响Fig.8 Influence of different imbibition media on recovery degree

可以看出，相较于模拟地层水，表面活性剂溶液可以有效提高动、静态渗吸采收率，这是因为表面活性剂溶液能够有效降低油水界面张力，改变岩石表面润湿性，使得一部分不可动用油变为可动用油，增强了油滴运移能力。而渗吸采收率增幅及渗吸驱油速度却因表面活性剂体系不同而存在差异，在3种表面活性剂溶液中，0.2%浓度HDSX-1溶液体系的岩心采收率更高，而0.2%浓度的OP-10溶液体系下的初始渗吸驱油速度更高，其内在机理是表面活性剂溶液界面张力双重作用的结果：渗吸前期，油水界面张力越小，油滴变形能力越强，流动过程中更容易穿过微小孔喉，使岩心内部大孔道中的原油更容易运移出来；随着渗吸过程的不断进行，以毛管力为主要驱动力的渗吸驱油作用开始为渗吸采出程度的提高作出贡献，此时，毛管力越大，渗吸驱油效果越好。另外，不能一味的追求过高的界面张力而忽略油滴运移难度问题，应优选最佳界面张力的表面活性剂溶液(在此次实验条件下，界面张力为31 mN/m的0.2%浓度HDSX-1溶液体系驱油效果最好)。

总体来看，动、静态2种实验方法的岩心渗吸驱油规律基本相同。不同的是动态渗吸采收率明显高于静态；此外，随着表面活性剂溶液的界面张力变大，动、静态采收率之间的提升幅度降低，这是由于相比于低界面张力的表面活性剂，较高的界面张力虽然增强了渗吸效果，但同时增强了油滴的运移难度，容易加剧贾敏效应带来的危害，一定程度上降低了驱替作用对采收率的贡献程度。

3 结论

1)在静态渗吸实验方法下，渗吸采收率及渗吸驱油速度随初始渗透率的增大而增大；孔隙结构越好，较高的初始渗吸速度保持时间越长，渗吸驱油效率越高；随着渗吸压力的增大，渗吸采出程度呈现先增大后减小的趋势；随着渗吸表面积及界面张力的变大，渗吸最终采收率呈上升趋势。

2)在动态渗吸实验方法下，渗吸采出程度、渗吸驱油速度与渗吸压力呈正相关趋势；其余因素(初始渗透率、孔隙结构、裂缝、边界条件及界面张力)对岩心渗吸驱油效果的影响趋势与静态渗吸实验方法基本一致。

3)相较于静态采收率，动态采收率在渗吸-驱替的协同作用下明显更高；并且随着实验条件的变化，渗吸作用和驱替作用对采收率贡献程度是不同的，具体表现如下：随着渗透率的增大及孔隙结构复杂程度的降低，大孔喉所占比例增加，孔喉配置关系变好，渗吸作用相对趋于平缓，驱替作用对采收率贡献增大；随着渗吸压力的增大，驱替动用程度逐渐提高，驱替作用逐渐占据支配地位；虽然裂缝的存在为渗吸置换的发生提供了更多的通道，但由于岩心端面处于密封状态，导致渗吸介质只能从裂缝内渗流，一定程度上限制了渗吸介质驱替过程中的过流断面，驱替作用对采收率贡献减弱；随着表面活性剂溶液界面张力的变大，虽然增强了渗吸效果，但同时增强了油滴的运移难度，容易加剧贾敏效应带来的危害，一定程度上降低了驱替作用对采收率的贡献程度。