致密油藏自发静态渗吸实验及影响因素

石立华, 薛颖, 崔鹏兴, 汪桐羽, 侯玢池

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 西安 710065; 2.陕西省特低渗透油气勘探开发工程技术研究中心, 西安 710065;3.西安思坦仪器股份有限公司, 西安 710065; 4.中国石油玉门油田分公司老君庙采油厂, 酒泉 735000)

致密油藏因其孔喉复杂,发育微裂缝,非均质性强,加之油井压裂改造后形成的人工裂缝,致使油水渗流系统更加复杂[1-4],注入水易沿裂缝发生水窜、水淹,基质内原油无法有效动用,注水采收率低、开发效果差,利用水的自发渗吸作用驱油是一种经济有效的开发手段,渗吸驱油是致密油藏水驱采油的重要机理[5-7]。目前,国内外学者在渗吸机理方面开展了大量研究。陈权[1]利用核磁共振揭示了渗吸与驱替作用下孔道中流体分布特征,定量表征了小孔道以吸水为主,大孔道以排油为主的渗吸特征。蔡建超等[2]指出了渗吸机理判别参数,系统总结了基于分形理论多孔介质自发渗吸研究进展;许长福等[3]、刘红英等[4]利用核磁共振手段,揭示了中小孔隙以渗吸为主,大孔隙以驱替为主的微观渗吸规律。王付勇等[5]、崔鹏兴等[6]分析了驱替和渗吸双重作用下驱油过程力学机制,明确了驱替压力梯度、孔喉大小、润湿性、油水黏度、界面张力等因素对驱油速度的影响,定量表征了驱替与渗吸对注水开发驱油速率的贡献,建立了渗吸-驱替数学模型。石立华等[7-8]通过微流控实验方法,研究了致密油藏微观渗吸机理,建立了非等径毛细管渗吸理论模型。党海龙等[9]、Yang等[10]、黄兴等[11]利用核磁共振手段,研究了影响渗吸驱油效果的主控因素, 明确了储层微观结构和岩石矿物学对致密储层吸水特征,揭示了中小孔隙以渗吸为主,大孔隙以驱替为主的微观渗吸规律;杨正明等[12]、谷潇雨等[13]、崔鹏兴等[14]对致密储集层渗吸影响因素研究发现,渗吸方式不同,渗透率大小对渗吸速率影响不同,指出了裂缝能有效增大致密基质与渗吸液的基础面积,提高渗吸采收率;金智荣等[15]、胡伟等[16]、张娟等[17]、王云龙等[18]研究了低渗-致密砂岩动静渗吸增油机理,明确了影响动静态渗吸效果的主控因素,实现了数字岩心模拟低渗储层渗吸过程的突破。王振宇等[19]、董沅武等[20]、刘文强等[21]明确了润湿性和界面张力渗吸体系对渗吸驱油效率的影响程度,探索了注水见效时间和合理注水强度等参数界限。

以上国内外学者通过理论研究、室内实验等方法开展了渗吸方面的研究。但是,由于渗吸影响因素较多,致密储层孔喉结构复杂,渗吸行为难以准确判断,同时受实验方法和条件的限制,致使致密油藏渗吸规律仍然不是十分清楚。主要表现在以下几个方面:一是部分学者对渗吸驱油效率的研究,主要考虑渗透率的影响,但是对于致密储层,渗透率不能完全反映储层的本质特征,也不能真实地反映储层微观孔隙结构对渗吸驱油效率的影响;二是部分学者对渗吸在基质中作用能力及范围的大小较少,特别是渗吸在基质中的作用强度及范围研究较少;三是致密油藏储层十分复杂,且不同的渗吸实验测试方法都有其自身的局限性,不能真实而全面地反映致密储层的渗吸规律。针对以上问题,现利用天然岩芯开展致密储层自发静态渗吸实验,相比人造岩芯在孔隙结构上更接近于地下的油藏岩石,能够真实反映孔隙结构对渗吸的影响,全面系统地研究了岩芯长度、孔隙度、渗透率、渗吸液矿化度、初始含水饱和度、界面张力及润湿相等多种因素对渗吸驱油效率、渗吸驱油速度的影响规律,以期为致密油藏的注水开发提供实验依据。

1 实验设备及流程

研究区地面原油密度为0.843～0.862 g/cm3,地面原油动力黏度为4.28～8.89 mPa·s,凝固点为-6～22 ℃,实验用油选取白油,地层水为氯化钙水型,总矿化度为91 338.4 mg/L、氯离子含量为26 739.8～66 012.5 mg/L,pH 6.53～7.37。实验用渗吸液是根据现场实际情况配制的矿化度为91 g/L的地层水。实验设备(图1)主要有玻璃渗吸瓶、抽真空饱和装置、烘箱、Brookfield流变仪、气测渗透率装置、电子天平、电子游标卡尺等。

图1 实验仪器设备Fig.1 Experimental instruments and equipment

将岩芯编号,经过两段切平和洗油等处理,用游标卡尺对岩芯进行长度、直径等外观几何数据的测量,用烘箱在80 ℃的温度下对岩芯进行12 h以上的烘干处理,用锡纸包裹待其冷却至室温后用电子天平测量其质量,直到前后两次的质量差小于0.01 g为止,同时取平均值记录其干重后待用。实验用油经过Brookfield流变仪测试黏度为3 mPa·s(20 ℃),密度为0.82 g/cm3(20 ℃),40 ℃下黏度为2 mPa·s,黏度、密度与地层原油接近,可以作为模拟油进行实验。实验主要采用体积法和质量法来测量岩芯自发渗吸过程的驱油效果,岩芯经过切平、洗油、烘干、称重等处理后,利用抽真空饱和装置将岩芯饱和模拟油,然后将岩芯放入装有渗吸液的渗吸瓶中,进行自发渗吸过程,通过记录不同时间点渗吸瓶中渗吸出来的油的体积来计算不同因素条件下渗吸驱油效率、渗吸驱油速度随时间的变化关系曲线,从而研究不同因素对渗吸效果的影响,岩芯数据如表1所示。

表1 岩芯数据表

2 实验结果及讨论

2.1 渗吸速率与时间关系

为了更好了解岩芯渗吸过程中的渗吸规律,明确渗吸速率与时间关系,选取天然岩芯子(4),岩芯长度8.106 cm,孔隙度为10.59%,渗透率为 1.08 mD,渗吸液矿化度为91 g/L,实验结果如图2和图3所示,渗吸速率随时间的增加而减小,初始下降幅度较大,而后逐渐稳定最终达到平衡。自发渗吸初始阶段,曲线斜率大,渗吸速度快,渗吸采收率迅速增加,随着中等孔隙和小孔隙中含水饱和度的增大,渗吸速度逐渐减慢,渗吸采收率增幅变缓,到自发渗吸末期,渗吸速度逐渐趋于0,渗吸采收率不再升高,渗吸过程结束。

图2 油水自发渗吸效率-时间关系曲线Fig.2 Oil water spontaneous imbibition efficiency time relationship curve

图3 渗吸驱油速率-时间关系曲线Fig.3 Imbibition displacement rate time curve

2.2 岩芯长度对渗吸的影响

岩芯的大小可以看成是由基岩-裂缝接触面积决定,大部分原油处于基质中,岩芯长度可看成基岩-裂缝接触面积决定,岩芯长度尺寸对渗吸效果影响尤为重要。实验采用自发渗吸瓶,通过不同时间下测量渗吸驱替出的油的体积,用不同长度的岩芯做对比实验,得到长度因素对岩芯渗吸过程中的渗吸驱替效率和渗吸驱替速度的影响。实验过程中选用的模拟油室温下黏度为3 mPa·s,渗吸液为蒸馏水,实验岩芯子(1)、子(2)、子(3)、子(4),实验温度环境为20 ℃,岩芯长度分别为2.540、4.000、6.884、8.106 cm,4块岩芯渗吸过程中的渗吸液矿化度相同。实验结果(图4～图6)表明,4块不同长度的岩芯中长度越小,最终渗吸驱油效率越大,长度越小,早期渗流速度峰值越大,其渗吸前缘抵达非流动边界的时间越短,越先达到稳定状态,渗吸作用停止越早,渗吸驱油速率与渗吸驱油效率的倒

图4 岩芯子(1)渗吸实验过程Fig.4 Process of core (1) imbibition experiment

图5 岩芯长度对渗吸驱油效率的影响Fig.5 Effect of core length on imbibition displacement efficiency

图6 岩芯长度对渗吸驱油速度的影响Fig.6 Effect of core length on imbibition displacement rate

数呈现较好的线性关系。

2.3 孔隙度对渗吸的影响

实验过程中使用自发渗吸瓶,不同孔隙度的岩芯做对比实验,得到孔隙度因素对岩芯渗吸过程中的渗吸驱替效率和渗吸驱替速度的影响,实验模拟油室温黏度为3 mPa·s,渗吸液为蒸馏水,实验温度20 ℃,实验岩芯为B-12、D-1(人造岩芯),岩芯长度分别为7.010 cm和7.090 cm,两块岩芯长度及渗透率相近,实验渗吸液矿化度相同(蒸馏水)。实验结果(图7和图8)表明,岩芯D-1在168 h左右达到稳定,最大渗吸驱油效率为44.26%;岩芯B-66孔隙度,60 h左右达到稳定,最大渗吸驱油效率为37.76%。岩芯孔隙度越大,最终渗吸驱油效率越大,早期渗吸驱油速度越小,达到稳定时间越长;岩芯孔隙度越小,最终渗吸驱油效率越小,早期渗吸驱油速度越大,达到稳定时间越短,渗吸作用停止早。

图7 不同孔隙度渗吸驱油效率对比Fig.7 Comparison of oil displacement efficiency by imbibition under different porosity

图8 不同孔隙度渗吸驱油速度对比图Fig.8 Comparison of imbibition and displacement rates with different porosity

为了更好地了解天然岩芯的孔隙度因素对渗吸过程的影响,实验岩芯为七(9)、子(12)、子(13)、子(14)、子(15)、子(16)共6块岩芯,渗吸液矿化度相同(地层水),岩芯孔隙度分别为11.02%、9.57%、8.53%、7.56%、5.22%、3.54%。实验结果如图9～图11所示,6块不同孔隙度的岩芯中孔隙度越大,其最终渗吸驱油效率越大,渗吸早期的渗吸速度越大;孔隙度越小,其最终渗吸驱油效率越小,渗吸早期的渗流速度越小,孔隙度大小与最终渗吸驱油效率有较好的负相关性,6块不同孔隙度的岩芯在渗吸过程中,渗吸驱油速率与渗吸驱油效率的倒数呈现较好的线性关系。由于致密砂岩储层孔隙结构十分复杂,天然岩芯在孔隙度大致相同的情况下,渗透率却存在很大差异,因此造成渗吸效果差异较大。

图9 不同孔隙度下渗吸驱油效率-时间关系Fig.9 Relationship between time and imbibition displacement efficiency under different porosity

图10 渗吸驱油效率-孔隙度关系图Fig.10 Permeation displacement efficiency porosity relationship diagram

图11 不同孔隙度下渗吸驱油速度-时间关系Fig.11 Relationship between imbibition displacement velocity and time under different porosity

2.4 矿化度对渗吸的影响

研究区地层水主要为氯化钙(CaCl2)水型,总矿化度为91 338.4 mg/L,氯离子含量26 739.8～66 012.5 mg/L,pH 6.53～7.37,实验岩芯为子(5)、子(6)、子(7)、子(8)、子(9)、子(10),渗吸液矿化度为地层水的0、1/4、1/2、1、3/2、2倍,即0、22.75、45.5、91、136.5、182 g/L。实验结果如图12和图13所示,0 g/L渗吸液中的岩芯,18 h左右达到稳定状态,最大渗吸驱油效率为25.53%;182 g/L渗吸液中的岩芯用了67 h达到稳定状态,最大渗吸驱油效率为24.77%;6块岩芯最终渗吸驱油效率相差不大,保持在25.5%～27%,渗吸液矿化度较小,渗吸驱油速度较大,越先达到稳定状态;矿化度的增加会导致渗吸采收率、渗吸速率降低,抑制渗吸过程,矿化度对渗吸速率的影响较大,致密砂岩储层自发渗吸过程受地层水矿化度影响,降低地层水矿化度有助于增大毛细管自吸的速率,提高渗吸采收率,置换液矿化度越大,渗吸速度降低,所需渗吸稳定时间越长。

图12 不同矿化度下渗吸驱油效率Fig.12 Oil displacement efficiency of imbibition under different salinity

图13 不同矿化度下无因次驱油效率Fig.13 Dimensionless oil displacement efficiency under different salinity

2.5 渗透率对渗吸的影响

渗透率是影响渗吸效果的主要参数,研究区储层的渗透率为0.03～9.24 mD,渗透率主要分布区间为0.16～3.1 mD。实验岩芯选取七(9)、子(12)、子(13)、子(14)、子(15)、子(16),渗透率分别为0.812 1、0.502 6、0.212 3、0.110 2、0.051 7、0.010 7 mD,均为致密性储层岩芯,岩芯均放置在等量的渗吸液(蒸馏水)中。由实验(图14～图17)可知,整体上渗吸驱油效率与渗透率成正相关关系,最小渗吸驱油效率仅为5.6%,最大渗吸驱油效率为27.5%,渗透率越大,渗吸平衡时间越短,驱油效率和渗吸驱油速度均随着渗透率的增大而增大。因此,开发过程中应尽量增加裂缝发育程度,提高基质与裂缝的接触面积和程度,从而提高渗吸采效率。

图14 不同渗透率岩芯渗吸驱油效率Fig.14 Oil displacement efficiency of core imbibition with different permeability

图15 不同渗透率岩芯渗吸速度-时间关系Fig.15 Relationship between imbibition velocity and time of cores with different permeability

图16 无因次驱油效率-无因次时间变化关系Fig.16 Dimensionless displacement efficiency dimensionless time relationship

图17 渗吸驱油效率-渗透率关系图Fig.17 Osmotic displacement efficiency permeability relationship diagram

2.6 初始含水饱和度对渗吸的影响

致密砂岩储层具有较高的束缚水饱和度和低含气饱和度,初始含水饱和度影响着渗吸驱油效果,实验选用岩芯B-1、B-2、B-3、B-5、B-7、B-8、B-10、B-11,其束缚水饱和度分别为30%、25.7%、20%、14.8%、9.6%、5.8%、1.6%、0.5%。实验结果如图18和图19所示,束缚水饱和度由0.5%～30%变化时,渗吸采收率降低2.19%,当初始含水饱和度为0.5%～9.6%时,渗吸采收率随着束缚水饱和度的增加而增加,在9.6%～30%时,渗吸采收率随着束缚水饱和度的增加而降低;随着束缚水饱和度的增加,渗吸效率降低,渗吸速度减小,较快达到稳定状态;束缚水饱和度越小,渗吸效率越大,渗吸速度越大,所需稳定时间越长。

图18 束缚水饱和度-渗吸驱油效率变化关系 Fig.18 Relationship between irreducible water saturation and imbibition displacement efficiency

图19 不同束缚水下渗吸效率-时间关系曲线Fig.19 Osmotic efficiency time curve under different bound water

2.7 界面张力对渗吸的影响

实验岩芯为七(1)、七(2)、七(3)、七(4)、七(5)、七(6)、七(7)、七(8)共8块岩芯,放置在不同浓度的表面活性剂溶液中,根据界面张力仪测定结果显示质量浓度-界面张力的关系。实验结果(图20～图23)表明,随着表面活性剂质量浓度的增加,界面张力先急剧下降,而后保持缓慢下降,当质量浓度为0.1%时,此时界面张力最小,之后缓慢上升;界面张力越小,岩芯最终渗吸采收率越大,渗吸驱油速度越大,界面张力最小时,最终渗吸采收率最高(41.36%),为蒸馏水条件下的两倍(19.52%)。因此,降低界面张力有利于油水渗吸过程,提高渗吸采收率;自吸速率与气体采收率倒数呈线性关系,直线不过原点,且与自吸速率所对应的坐标轴交点为负值。主要是由于自发渗吸过程受毛管压力和重力分异作用同时作用,毛管力随着界面张力的增大而增加,界面张力过大会阻碍重力分异的作用,使得吸水排油阻力增大。因此,合理的界面张力有利于渗吸过程的进行。

图20 界面张力-质量浓度关系曲线Fig.20 Interfacial tension mass concentration curve

图21 不同界面张力下渗吸驱油效率Fig.21 Oil displacement efficiency of imbibition under different interfacial tension

图22 界面张力与渗吸驱油效率关系曲线Fig.22 Relation curve between interfacial tension and imbibition displacement efficiency

图23 不同界面张力下渗吸驱油速度Fig.23 Imbibition displacement velocity under different interfacial tension

2.8 润湿性对渗吸的影响

实验岩芯为七(1)、七(2)、七(3)、七(4)、七(5)、七(6)、七(7)、七(8)共8块岩芯,放置在不同浓度的表面活性剂溶液中,不同浓度的表面活性剂溶液其对应的油-水-固润湿角不同。实验结果(图24～图28)表明,当质量浓度在0～0.15%时,油水润湿角随着表面活性剂质量浓度的增加而显著降低,当质量浓度为0.15%时,油水润湿角最低(10.8°),最终渗吸驱油效率最高(40.05%),润湿角为58.3°的条件下最终渗吸驱油效率(19.52%)的2.05倍。0.15%的质量浓度降低润湿角的能力最强;润湿角越小,最终渗吸采收率越高,渗吸速度越大,亲水性有利于油水渗吸过程,提高渗吸采收率。

图24 不同浓度表面活性剂渗吸液中润湿角Fig.24 Wetting angle in different concentrations of surfactant leachate

图25 润湿角-质量浓度关系曲线Fig.25 Wetting angle mass concentration curve

图26 润湿角-渗吸驱油效率关系曲线Fig.26 Wetting angle imbibition displacement efficiency relation curve

图27 不同润湿角下的渗吸驱油效率Fig.27 Imbibition displacement efficiency under different wetting angles

图28 不同润湿角下的渗吸驱油速度Fig.28 Imbibition displacement velocity under different wetting angles

3 结论

(1)岩芯长度对渗吸速度有明显的影响,但是对岩芯的渗吸驱油效率影响不大。当其他条件(包括岩芯的直径)一定时,岩芯的长度越大,岩芯的渗吸驱油速度越大,达到稳定状态越快;岩芯渗透率、孔隙度越大,渗吸驱油效率越大,渗吸速度越快,渗吸采收率越大;渗吸液矿化度对岩芯渗吸具有较大的影响,矿化度对渗吸过程具有抑制作用,矿化度越大,渗吸驱油效率越小,渗吸驱油速度越小;界面张力越小,渗吸驱油速度越大,渗吸驱油效率越大,渗吸采收率与界面张力(实验区间内)一定程度上呈反比关系;润湿角越小,亲水性越强,油水渗吸采收率越大,油水渗吸速率越快,亲水性有利于油水渗吸过程;束缚水饱和度的越大,岩芯渗吸效率越低、渗吸速度越小。

(2)通过静态自发渗吸实验,研究了储层岩心长度、边界条件、岩心孔隙度、岩心渗透率、矿化度、界面张力、润湿性、含水饱和度对渗吸驱油效率的影响,分析了这些因素对驱油作用影响的强弱,影响渗吸驱油的主要因素是润湿性、岩芯孔隙度,渗透率、界面张力、初始含水饱和度次之,岩心长度及矿化度对渗吸驱油效率的影响最弱,为致密储层开展注水开发提供一定的理论基础。