2018,
Vol. 42
2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西西安 710018;
3. 中国石油长庆油田分公司, 陕西西安 710018
2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields, Xi'an 710018, China;
3. Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi'an 710018, China
渗吸是一种水湿裂缝性油藏在受到水驱时重要的提高采收率的因素, 是注水吞吐过程中重要的采油机制之一[1-5]。在多孔介质中, 水渗吸依靠毛管力和重力等共同作用于流体, 使流体发生流动, 这些力使水从裂缝渗吸流入到水湿的、含油的基质岩石中, 引起原油从基质向裂缝渗流, 通过大量研究发现利用水渗吸获得的油藏采收率通常较低。关于渗吸理论的研究, 最早起源于对裂缝油藏采收率的研究中[6-8], 而在注水吞吐采油过程中的研究甚少[9-10]。目前对渗吸的研究已从传统的理论模型、数值模拟及试验研究基础上, 已发展到对储层孔隙结构和裂缝分布的分形理论研究阶段[11-22]。Lucas[23]和Washburn[24]通过分析单一毛细管和多孔介质中水的自吸现象, 最先研究建立了Lucas-Washburn(LW)自吸模型, 该模型为后续相关研究提供了理论基础, 此后Terzaghi[25]、Handy[26]、Li和Horne等[27-28]都在结合试验研究分析的基础上, 通过不同的条件假设推导出了不同的渗吸流动模型。其中, Al-Lawati等[29]较为完善地总结分析了试验中水渗吸的基本渗流规律, 论证分析了自发渗吸试验过程中3种不同的渗吸阶段, 同时通过对不同渗透率(大于2.6×10-3 μm2)、不同界面张力下的岩心渗吸试验分析, 获得了发挥最佳毛管力作用时的岩心渗吸条件。笔者在前人研究的基础上, 针对鄂尔多斯盆地长7致密油岩心(空气渗透率小于0.3×10-3 μm2)开展渗吸试验研究。
1 静态渗吸试验静态渗吸试验主要分析在没有外界压差作用情况下静止致密油岩心在不同渗吸溶液中的渗吸采收率。试验通过改变渗吸溶液中的油水界面张力, 获得不同毛管力作用下岩心渗吸结果。试验中静态渗吸仪结构与Allawati等[39]所采用仪器结构相同, 仪器示意图如图 1所示。试验借助于核磁共振仪对不同时间的岩心开展分析, 精确计算岩心中含油水饱和度变化, 继而有效减少静态渗吸仪中直观的刻度观察给渗吸结果带来的试验误差, 了解不同孔喉中油水饱和度动态变化和分布规律。
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图 1 渗吸仪示意图 Fig.1 Sketch map imbibition apparatus |
岩样核磁共振分析是利用氢原子核在外加磁场的作用下形成核磁共振现象的这一特性, 测量样品在不同处理阶段的核磁共振信号以及该样品的横向弛豫时间(T2)截止值, 从而可以准确地求取储层的可动流体饱和度[30-33]。
1.1 试验条件试验岩心取自鄂尔多斯盆地3口长7储层取心井, 在渗吸试验前首先测量岩心的孔隙度和渗透率, 同时将全直径岩心切割为直径和长度均约为2.5 cm的柱状体(表 1)。
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表 1 静态渗吸试验岩心基础数据 Table 1 Properties of experimental cores for static imbibition |
试验设备包括恒温箱、恒压恒速泵、静态渗吸仪以及纽迈科技生产的MicroMR23-025Ⅶ 23 MHz核磁共振分析仪。核磁测试基础参数为等待时间3 s、回波间隔0.251 ms、扫描次数16次、回波个数2 000个。整个静态渗吸试验温度为地层温度60 ℃。试验流体包括地层水(水型CaCl2、矿化度53.9 g/L、60 ℃下密度1 020.5 kg/m3、60 ℃下黏度0.523 mPa·s)、去氢核模拟油(氟氯平衡液、60 ℃下密度1 738.8 kg/m3, 60 ℃下黏度1.533 mPa·s与地层原油黏度相当, 详细信息参照文献[33])。去氢核模拟油在核磁中起屏蔽原油信号的作用。
试验用表面活性剂为长庆油田压裂用TOF-1, 实测的TOF-1质量分数分别为5%、0.5%、0.05%和0.005%, 对应的不同地层水溶液下油水界面张力分别为0.290、1.183、3.750和10.436 mN/m。
1.2 试验步骤(1) 将切割好的岩心洗油, 烘干, 测其干重及尺寸。
(2) 气测孔隙度、渗透率。
(3) 将岩心抽真空24 h至9.4 mPa, 加压至30 MPa下饱和地层水3 d, 并称其湿重, 计算水测孔隙度。
(4) 将100%饱和模拟地层水的岩心置于核磁共振岩心分析仪中, 进行核磁共振测量, 并反演计算出T2弛豫时间谱。
(5) 将岩心放入岩心夹持器中(试验仪器及流程如图 2所示), 加环压, 先以小流速用去氢模拟油驱替至出水量不再增加, 然后加大排量至某一最大注入压力驱至地层条件下的束缚水饱和度, 停泵卸压, 恒温老化24 h。取出岩心进行束缚水饱和度下岩心的核磁共振测试, 得到束缚水状态下的T2弛豫时间谱。
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图 2 试验装置示意图 Fig.2 Schematic of imbibition exprement |
(6) 将取出的岩心放入静态渗吸仪中, 加入待测水溶液(为了增加试验的准确性, 将配制好的溶液及吸水仪都先放到恒温箱中恒温0.5 h), 每隔一定的时间取出岩心, 测其质量及T2弛豫时间谱(核磁测试总时间约5 min), 直至质量不发生变化为止(根据测试结果统一试验时间为10 d)。
(7) 渗吸结束后, 岩心重新洗油, 抽真空饱和水, 油驱水造束缚水(重复步骤(2)~(5)), 然后换用不同的渗吸液, 重复试验步骤(6)。
2 动态渗吸试验为了更加详细分析对比出动态渗吸驱替与静态渗吸之间的区别, 此次研究采用恒速水驱的办法对渗吸试验进行研究, 主要目的是模拟地层原油在压差作用产生流动条件下的渗吸过程。
2.1 试验准备动态渗吸驱替试验岩心与静态渗吸试验中的M2 1-2岩心来自同一口井和同一个长7层段, 如表 2所示。动态驱替试验与静态渗吸试验所用试验设备基本相同, 且试验中均采用相同的地层水和模拟油。试验条件均一致, 试验中驱替流程与静态试验中造束缚水流程一致(图 2)。
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表 2 动态渗吸驱替试验岩心基础数据 Table 2 Properties of experimental cores for dynamic displacement |
试验改变进入端的压差, 以某个恒定速度(0.05、0.01和0.1 mL/min)进行驱替, 通过核磁共振分析其驱替结束时(时间10 h)的油水饱和度分布。
2.2 试验步骤在动态渗吸驱替试验中, 其前(1)~(5)步与静态渗吸试验相同, 步骤(6)更改为以试验设计的某个恒定速度(0.01、0.05以及0.1 mL/min)驱替10 h至稳定, 停泵取出岩心进行核磁共振测试, 得到最终驱替状态下的T2弛豫时间谱。
3 试验结果分析 3.1 静态渗吸试验结果通过静态渗吸仪与核磁共振分析, 对不同时刻的饱和度变化进行测量, 在60 ℃试验温度下, 渗吸结束(10 h)时的驱油效率见表 3。
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表 3 不同岩心、不同渗吸水溶液中驱油效率 Table 3 Experimental results of displacement efficiency under different imbibition water system with different expremental cores |
从表 3中可以看出, 在0.5%TOF-1溶液中, 即油水界面张力为1.183 mN/m条件下的最终渗吸驱油效率最高(大于30%)。
在静态渗吸过程中, Duprey[34]提出渗吸采出程度与Bond数的倒数相关, 即用NB-1表征毛管力和重力的比值:
| $ {N_{{\rm{B}} - 1}} = C\frac{{\sigma \sqrt {\varphi /k} }}{{\Delta \rho gH}}. $ | (1) |
式中, C为常数(毛管束模型中C=0.4);σ为界面张力, mN/m; φ为孔隙度; k为渗透率, 10-3 μm2; ρ为密度差, kg/m3; g为自由落体加速度, m/s2; H为岩心高度, m。
从式(1)定义可以看出, 当NB-1很大时, 毛管力在流动中占主导; 同时当NB-1为0时, 重力占主导。本次试验也主要采用该研究方法对试验结果进行分析, 其基本思路与Allawati等的分析思路相同。Allawati等采用试验方法, 对不同渗透率(2.6×10-3、293.5×10-3、1 190×10-3和1 910×10-3 μm2)岩心开展静态渗吸试验, 得出界面张力具有一个临界值, 使渗吸出的原油采出程度大幅度增加, 这个临界条件值NB-1约等于1。为更清晰地分析静态渗吸NB-1与采出程度之间的关系, 将本次岩心静态试验结果和Allawati等的试验结果进行对比, 如图 3所示。
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图 3 静态渗吸试验结果与Allawati试验结果 Fig.3 Results of static imibibition with Allawati's experimental results in same plot |
根据图 3中此次试验的结果和Allawati等试验结果曲线对比, 可以看出:较低油水界面张力的流体会减小毛管力, 明显增加最终采收率; 岩心渗透率越低, 渗吸采收率越低, 这与Allawati等的研究结果相一致。
受核磁分析对试验流体要求的影响, 在重力对油水分异较弱的情况下, 即NB-1 < 1时, 原油的渗吸采收率并未像Allawati等的试验结果一样持续大幅度增加, 而相对较低。分析其主要原因是此次试验受流体密度和岩心长度的影响。试验中去氢核油密度为1 738.8 kg/m3(大于地层水溶液密度1 020.5 kg/m3, 受当前技术条件限制该模拟油仅能配制为该密度), 而Allawati等采用的是正癸烷, 其密度接近于地层原油密度。同时试验岩心的垂向高度受此次核磁共振分析设备的要求, 约为2.5 cm(小于Allawati的试验岩心高度13 cm)。这些因素共同使此次岩心静态渗吸过程中重力作用力相对较弱。
静态渗吸试验过程中不同渗吸溶液下的采出程度与时间之间关系曲线如图 4所示。由图 4可以看出:当NB-1=0.5时(图 4(a)), 重力作用在渗吸流动中占主导, 渗透率越低、孔隙越细小, 在相同的界面张力条件下, 毛管力越大, 初期采出程度越高; 当NB-1=2.1时(图 4(b)), 岩心渗吸采收率最高(3块不同渗透率岩心的最终渗吸驱替采收率均大于30%); 在较大的界面张力下(0.005%TOF-1, 油水界面张力FIFT=10.436 mN/m), 毛管力占主导作用, 渗透率越低, 初期渗吸采出程度相对较低, 但曲线上升斜率增大、渗吸速率越高, 最终的采出程度相对于较低毛管力作用下的原油采出程度更低。
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图 4 静态渗吸时间与渗吸采收率间的关系 Fig.4 Relationship of imbibition time and recovery in static imbibition exprements |
试验采用核磁共振饱和度分析技术, 根据基质岩心动态渗吸核磁T2谱曲线, 以最终驱替曲线两峰凹点为界(称为T2凹点), T2凹点左边为小孔喉, T2凹点右侧为大孔喉[35-36]。根据试验岩心A2 5-2核磁共振分析的结果, 绘制孔隙度分量图, 如图 5所示。
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图 5 A2 5-2不同TOF-1含量下的静态渗吸核磁共振结果 Fig.5 NMR results of A2 5-2 core with different TOF-1 concentration |
根据图 5中核磁共振分析结果得出:相同的岩心(A2 5-2)在不同的油水界面张力渗吸地层水中, 小孔喉内的去氢核油均快速被水所置换, 当NB-1=0.5时(图 5(a)), 在相同的时间内(1 d), 大孔喉中充满渗吸流体程度较大, 重力作用占主导; 而当NB-1较大时(图 5(b)), 界面张力较大, 毛管力占主导作用, 随着静态渗吸时间的增加, 地层水不断渗入到大孔喉中, 大孔喉的充满程度与时间呈比例关系。对于中间值的NB-1, 在重力和毛管力综合作用下渗吸作用力最强, 此时重力引起较大的油水分离, 而毛管力也足够促使流体发生反向渗流, 渗吸速率比毛管力占主导或重力占主导时的流动速率更高。
3.2 动态渗吸试验结果动态渗吸驱替试验主要是通过加压以恒定的流速将地层水注入束缚水条件下饱和去氢核油的岩心内, 实现动态注水驱替与静态水渗吸相结合的水驱油过程。真实反映储层中油水在压差作用下流入井底的过程与基质中渗吸作用下的含油饱和度变化。
此次试验采用与M2 1-2同井、同一层位的3块岩心, 分别开展不同的注入速度进行动态渗吸驱替的试验。岩心动态渗吸驱替试验时间为10 h, 分别在驱替前束缚水饱和度、驱替后剩余油饱和度条件下进行核磁共振分析。动态渗吸最终采收率如表 4所示。由试验结果可知，随着驱替速度的降低, 采收率降低。
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表 4 动态渗吸驱替最终采收率 Table 4 Recovery of dynamic dispalcement and imbibition |
为更加清晰地了解驱替结束时孔喉中含水饱和度分布的区别, 3块岩心驱替结束时核磁共振NMR曲线如图 6所示。由图 6可以看出, 大孔喉(T2凹点右峰)中的含水饱和度(即含水孔隙度分量)随着驱替速度的增大而增大, 小孔喉中的含水饱和度基本一致。说明驱替使大孔喉中的原油大量被置换, 最终采收率的区别主要由大孔喉中含水饱和度决定。
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图 6 动态渗吸驱替结束时核磁共振NMR结果 Fig.6 NMR results in dynamic displacement |
此外, 针对静态渗吸与动态驱替结束时的核磁共振分析结果, 将M2 1-2和M2 2-1两块岩心的T2谱进行对比分析, 结果如图 7所示。对比分析得:同井、同层位的两块岩心物性相当、孔隙结构空间一致的情况下(束缚水特征相同), M2 1-2岩心静态渗吸结束时左峰较高(图 7(a)), 说明小孔隙是主要的储集空间, 渗吸置换主要发生在小孔隙中; M2 2-1岩心动态渗吸驱替结束时右峰较高(图 7(b)), 分析其原因是可能在受外力下, 驱替增强了大孔喉中油水饱和度的变化, 而小孔喉中油水饱和度与静态渗吸小孔吼中饱和度分布基本一致。
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图 7 静态渗吸与动态渗吸驱替核磁共振T2谱 Fig.7 T2 spectrum in static imbibition and dynamic displacement |
(1) 鄂尔多斯盆地长7致密储层依靠渗吸获得的采收率较低, 一般为30%~35%。
(2) 长7致密油岩心静态渗吸获得最大渗吸采收率时的最佳NB-1临界值约为1。油水界面张力越大、毛管力越大, 渗吸采收率越低; 在较大的界面张力条件下, 岩心渗透率越低、渗吸采收率越低。
(3) 在较小的油水界面张力条件下(NB-1 < 1), 渗吸初期大孔喉中流体受重力作用充满渗吸流体程度较大; 在较大的油水界面张力条件下(NB-1较大时), 毛管力占主导作用, 大孔喉的充满程度随着渗吸时间的增加而成比例增大。
(4) 原油最终驱替效率随驱替速度的降低而降低。动态渗吸驱替受外力作用, 增强了大孔喉中的原油置换程度, 最终原油采收率主要由大孔喉中含水饱和度变化决定。
(5) 静态渗吸至结束时小孔喉是主要的储集空间, 渗吸置换主要发生在小孔喉中; 动态渗吸驱替结束时T2谱右峰值较大, 可能外压驱替作用增强了大孔喉中油水饱和度的变化。
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