彭昱強(qiáng),何順利,郭尚平,韓 冬

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 2.中國(guó)石油大學(xué)氣體能源開(kāi)發(fā)技術(shù)教育部工程研究中心,北京 102249; 3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083)

巖心滲透率對(duì)親水砂巖滲吸的影響

彭昱強(qiáng)1,2,何順利1,2,郭尚平3,韓 冬3

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 2.中國(guó)石油大學(xué)氣體能源開(kāi)發(fā)技術(shù)教育部工程研究中心,北京 102249; 3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)露頭砂巖與Berea砂巖存在差異,分析國(guó)產(chǎn)露頭砂巖的滲吸特點(diǎn)和規(guī)律,研究親水砂巖滲透率對(duì)鹽水自發(fā)滲吸規(guī)律和采收率的影響,對(duì)比不同滲吸數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果.結(jié)果表明,滲透率低于800×10-3μm2時(shí),隨著砂巖滲透率增加,鹽水滲吸采收率逐漸升高,但是增速變慢;滲透率高于800×10-3μm2時(shí),滲吸采收率趨于穩(wěn)定或稍有下降.高滲條件下,毛管力對(duì)鹽水滲吸的貢獻(xiàn)變?nèi)?滲透率越小,滲吸采收率增速越快,低滲儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中應(yīng)注重發(fā)揮滲吸作用.由于滲吸過(guò)程的復(fù)雜性和多因素影響,已有滲吸數(shù)學(xué)模型不能較好地描述滲吸規(guī)律.

自發(fā)滲吸;露頭砂巖;滲透率;滲吸采收率;親水

0 引言

自發(fā)滲吸驅(qū)油是裂縫性油藏和多層非均質(zhì)油藏開(kāi)發(fā)中重要的驅(qū)油機(jī)理之一.影響自發(fā)滲吸驅(qū)油的因素較多,主要包括巖石物性,如滲透率、孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)等;巖心中多相流體的滲流性質(zhì),如束縛水飽和度、相對(duì)滲透率和潤(rùn)濕性等;油水性質(zhì),如油水黏度、密度、鹽水組成及礦化度等;外在條件,如邊界條件、溫度和巖心尺寸等,人們對(duì)它們進(jìn)行了廣泛研究[1-9],但是巖石物性對(duì)滲吸的影響規(guī)律有待深入研究.已有砂巖滲吸研究中,國(guó)外使用較多的露頭砂巖是Berea砂巖,而我國(guó)使用天然砂巖露頭巖心的不多,雖有研究但不夠深入.由于國(guó)產(chǎn)露頭砂巖與Berea砂巖存在一定差異,因此研究國(guó)產(chǎn)露頭砂巖的滲吸特點(diǎn)和規(guī)律,對(duì)于國(guó)內(nèi)油田采用滲吸技術(shù)具有重要的理論價(jià)值和參考意義.筆者采用國(guó)產(chǎn)均質(zhì)砂巖露頭巖心,研究了多孔介質(zhì)物性對(duì)其滲吸的影響規(guī)律和效果.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

(1)巖心.天然露頭砂巖由中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院開(kāi)發(fā),巖心長(zhǎng)度為4.34～6.11cm,直徑為2.43～2.58cm,孔隙度為12.9%～24.6%,空氣滲透率為(1.8～958.0)×10-3μm2.巖心孔隙度與滲透率具有較好的正相關(guān)關(guān)系,即滲透率隨著孔隙度的增加而增大.使用中性煤油和標(biāo)準(zhǔn)鹽水,按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5153-1999評(píng)價(jià)巖心潤(rùn)濕性,巖心的相對(duì)潤(rùn)濕指數(shù)為0.76～0.90,其潤(rùn)濕性屬于強(qiáng)親水.

(2)油.癸烷(C10H22),化學(xué)純,北京化學(xué)試劑公司生產(chǎn). (3)鹽水.1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))KCl溶液,使用蒸餾水配制.

1.2 巖心處理方法和滲吸方法

巖心處理方法、滲吸方法與滲吸裝置見(jiàn)文獻(xiàn)[1].文中全部使用鹽水進(jìn)行自發(fā)滲吸.

2 結(jié)果與討論

滲透率和孔隙度是描述巖石物性的重要參數(shù),對(duì)滲吸具有較大影響.本批巖心孔隙度與空氣滲透率具有較好的正相關(guān)關(guān)系,故研究滲透率對(duì)親水砂巖滲吸的影響規(guī)律,并對(duì)比油層實(shí)際束縛水飽和度和束縛水飽和度為0等2種條件下的巖心滲吸效果.

2.1 油層實(shí)際束縛水飽和度

在油層實(shí)際束縛水飽和度條件下,巖心物性和滲吸結(jié)果見(jiàn)表1、圖1和圖2.

表1 油層實(shí)際束縛水飽和度條件下巖心物性及滲吸效果

圖1 油層實(shí)際束縛水飽和度條件下巖心滲吸采收率與滲吸時(shí)間關(guān)系

圖2 油層實(shí)際束縛水飽和度條件下巖心滲吸采收率與滲透率關(guān)系

由圖1和圖2可知,在滲吸早期,高滲巖心和中滲巖心的滲吸速度很快,低滲巖心的滲吸速度較慢,到了滲吸中后期,滲吸速度均逐漸變慢.滲吸采收率與巖心滲透率關(guān)系表明,隨著滲透率增加,滲吸采收率逐漸升高,但是采收率增速變慢;滲透率達(dá)到800×10-3μm2左右后,滲吸采收率不再提高,趨于平穩(wěn),甚至稍有下降.高滲巖心最終采收率在35%～50%之間,中滲巖心最終采收率在30%～40%之間,低滲巖心最終采收率在12%～28%之間.由表1可知,滲吸采收率與巖心孔隙度的關(guān)系表明,隨著孔隙度增加,采收率逐漸增加,但是采收率增速逐漸變慢;孔隙度大于24.3%左右后,采收率趨于平穩(wěn),甚至稍有下降.因露頭砂巖的滲透率與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系,滲吸采收率與孔隙度的關(guān)系再次說(shuō)明孔隙度對(duì)滲吸的影響與滲透率對(duì)滲吸的影響行為相似.滲吸采收率隨巖心滲透率或孔隙度變化的原因可解釋為滲吸主要由毛細(xì)管力控制.由巖心內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的差異可知,隨著巖心滲透率的增加,巖心內(nèi)部孔隙增多且孔喉性質(zhì)逐漸變好,因此隨著滲透率增大,參與毛細(xì)管力滲吸的孔隙增多,毛管滲吸作用增強(qiáng),滲吸采收率越高.但是當(dāng)滲透率增大到一定程度后,孔喉直徑較大,毛管滲吸作用迅速減弱,主要靠重力滲吸.相對(duì)于毛細(xì)管力而言,重力滲吸只與油水之間的密度差相關(guān)且較弱,故滲透率達(dá)到一定程度后,滲吸采收率不再提高.滲吸采收率隨滲透率的變化規(guī)律表明,滲透率越小,滲吸采收率增加速度越顯著,可見(jiàn)低滲儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中應(yīng)該注重發(fā)揮滲吸作用.

通過(guò)對(duì)巖心滲透率與滲吸采收率數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為

式中:Rb為滲吸采收率;Ka為巖心空氣滲透率;A和B均為常數(shù),對(duì)于筆者使用的油水和露頭砂巖(滲透率小于800×10-3μm2),A=5.4491,B=7.9136.因此,在進(jìn)行具體研究時(shí),應(yīng)根據(jù)油田實(shí)際的地質(zhì)條件、儲(chǔ)層物性和油水性質(zhì)等確定經(jīng)驗(yàn)公式中的常數(shù),以便預(yù)測(cè)油田的滲吸采收率.

2.2 巖心物性及滲吸效果

束縛水飽和度等于0的理想條件下,巖心物性和滲吸結(jié)果見(jiàn)表2、圖3和圖4.

表2 束縛水飽和度為0條件下巖心物性及滲吸效果

圖3 束縛水飽和度為0條件下巖心滲吸采收率度與滲吸時(shí)間關(guān)系

圖4 束縛水飽和度為0條件下巖心滲吸采收率與滲透率關(guān)系

由圖3和圖4可知,隨著巖心滲透率增加,滲吸采收率增加,但是增速迅速下降,最后趨于平穩(wěn),甚至稍有下降,變化規(guī)律與油層實(shí)際束縛水飽和度條件相似.由表2可知,滲吸采收率與孔隙度的關(guān)系說(shuō)明孔隙度對(duì)滲吸的影響與滲透率對(duì)滲吸的影響行為相似.滲吸采收率隨巖心滲透率或孔隙度變化的原因與油層實(shí)際束縛水飽和度時(shí)相同.

滲透率相近時(shí),束縛水飽和度為0時(shí)巖心的滲吸采收率均大于油層實(shí)際束縛水飽和度時(shí)巖心的采收率,增加4%～18%;滲透率越大,滲吸采收率增加幅度越小.差異原因可解釋為束縛水為0時(shí)巖心中全部孔隙充滿油,進(jìn)行滲吸時(shí)連通孔隙都參與到滲吸過(guò)程中,毛細(xì)管滲吸發(fā)揮充分,因此滲吸采收率高;而巖心中存在束縛水時(shí),部分孔隙中由于束縛水影響,總體上毛細(xì)管力滲吸作用減弱,因此滲吸采收率下降.

通過(guò)對(duì)巖心滲透率與滲吸采收率數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸,得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為

式中:C和D均為常數(shù),對(duì)于筆者使用的油水和露頭砂巖(滲透率小于800×10-3μm2),C=5.6054,D= 18.239.

對(duì)比經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(1)和式(2),可知2個(gè)關(guān)系式形式相同,表明滲吸采收率與巖心滲透率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系.這2個(gè)經(jīng)驗(yàn)式的截距相差較大,是由束縛水差異引起的.

2.3 天然露頭巖心與人造巖心滲吸對(duì)比

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),Al-LawatiS等[3]研究了不同滲透率Berea砂巖使用癸烷和蒸餾水條件下的滲吸特點(diǎn),一種條件是巖心孔隙度為21.1%,滲透率為293.5×10-3μm2,束縛水飽和度為0,蒸餾水滲吸采收率約為57%;另一種條件是巖心孔隙度為16.3%,平均滲透率為2.6×10-3μm2,束縛水飽和度為0,蒸餾水滲吸采收率約為42%.與Al-Lawati等的結(jié)果相比,在滲透率相近的情況下,本文使用的中滲砂巖的滲吸采收率約小9%,但是中滲砂巖巖心孔隙度在18%～19%之間,而且使用的是1.2%KCl鹽水,滲吸采收率略有下降屬正常變化.巖心的滲吸結(jié)果與Berea砂巖巖心的滲吸結(jié)果基本一致,但是與人造巖心的滲吸結(jié)果相差較大.

劉衛(wèi)東等[10]利用人造巖心進(jìn)行滲吸研究,其條件是:人造高滲巖心(滲透率為556×10-3μm2,孔隙度為34.6%),大慶第五采油廠模擬油,黏度為6.7mPa·s;大慶油田注入水,總礦化度約為5000mg/L;驅(qū)替法建立人造低滲巖心(滲透率為4.1×10-3μm2,孔隙度為24.9%),巖心潤(rùn)濕性為親水;大慶油田束縛水飽和度,文獻(xiàn)[10]中沒(méi)有給出束縛水飽和度數(shù)值;在室溫(22℃)和常壓條件下進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn).注入水滲吸結(jié)果表明,人造高滲巖心滲吸采收率為52.7%,人造低滲巖心滲吸采收率為16.2%,數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

研究發(fā)現(xiàn),在露頭巖心為親水和油相為癸烷的條件下,高滲砂巖在滲透率為530×10-3μm2、束縛水飽和度為33%條件下,滲吸采收率約為35%;低滲砂巖滲透率為1.8×10-3μm2,束縛水飽和度為51.5%時(shí),滲吸采收率為12.9%.油相對(duì)滲吸的影響結(jié)果表明,在相同條件下不同黏度的油的滲吸采收率基本相同.人造高滲巖心的滲吸采收率超過(guò)露頭巖心的18%,人造低滲巖心的滲吸采收率超過(guò)露頭巖心的5%,可見(jiàn)人造巖心滲吸采收率明顯大于天然露頭巖心的,這種差異可解釋為2種巖心物理化學(xué)性質(zhì)差異較大造成的.

2.4 滲吸模型的應(yīng)用

由文獻(xiàn)[11-12]知,只要巖石類型和形狀相同,即使巖心尺寸、形狀、邊界條件和油水黏度比等方面各不相同,使用式(3)或式(4)能將滲吸采收率與無(wú)因次滲吸時(shí)間tD進(jìn)行歸一,即不同巖心的滲吸曲線能夠基本重合.

使用實(shí)用單位,將式(4)改寫為式(5),即

HandyLL[13]認(rèn)為,只要是毛細(xì)管力滲吸,巖心的吸水量或者滲吸采收率與滲吸時(shí)間的平方根成正比,相應(yīng)的滲吸曲線應(yīng)該為直線.HandyLL提出的數(shù)學(xué)模型為

式中:Qw為t時(shí)間的累計(jì)吸入水量;pc為毛細(xì)管力;Sw為含水飽和度;Kw為鹽水滲透率.以采收率R代替累計(jì)吸入水量Qw,式(6)的等價(jià)關(guān)系式[14]為

式中:c為常數(shù).

因?yàn)槭?3)和式(4)的計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)相同,只使用式(5)計(jì)算無(wú)因次滲吸時(shí)間,對(duì)滲吸采收率與無(wú)因次滲吸時(shí)間作圖,其結(jié)果見(jiàn)圖5(a)和圖5(c).使用Handy模型的等價(jià)式(7)對(duì)采收率與滲吸時(shí)間的平方根作圖,其結(jié)果見(jiàn)圖5(b)和圖5(d).

由圖5(a)和圖5(c)可知,無(wú)論是否存在束縛水飽和度,除2塊低滲巖心數(shù)據(jù)基本重合外,不同滲透率巖心的滲吸曲線呈分散狀態(tài),即式(5)不能將不同滲透率巖心的滲吸數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一.出現(xiàn)這種差異可解釋為砂巖滲吸受多方面因素的影響,現(xiàn)有模型不能較好地模擬滲吸變化規(guī)律,需要研究新型滲吸數(shù)學(xué)模型.雖然各曲線不能重合,但是采收率與無(wú)因次滲吸時(shí)間的關(guān)系能夠清楚反映不同巖心在不同滲吸階段滲吸速度的快慢.曲線斜率越大,滲吸越快,圖5(a)和5(c)的變化趨勢(shì)比圖1或圖3更加明顯地反映了滲吸速度變化特征.

由圖5(b)和圖5(d)可知,各滲吸曲線在早期基本呈直線變化,但是后期曲線逐漸偏右,說(shuō)明滲吸已經(jīng)從毛細(xì)管力滲吸占主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓B吸占主導(dǎo),這與實(shí)驗(yàn)觀察得到的認(rèn)識(shí)相一致.

圖5 滲吸采收率與滲吸時(shí)間或者滲吸時(shí)間平方根的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)滲透率低于800×10-3μm2時(shí),隨著滲透率增加,鹽水滲吸采收率逐漸升高,但增速變慢;滲透率高于800×10-3μm2以后,滲吸采收率趨于穩(wěn)定或稍有下降.鹽水滲吸采收率與巖心滲透率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系.

(2)高滲條件下,毛管力對(duì)滲吸的貢獻(xiàn)變?nèi)?滲透率越小,鹽水滲吸采收率增速越快.低滲儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中應(yīng)注重發(fā)揮滲吸作用.天然露頭巖心與人造巖心的滲吸結(jié)果存在較大差異,這是由2種巖心物理化學(xué)性質(zhì)差異較大造成的.

致謝:

感謝中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院張祖波高級(jí)工程師提供天然露頭砂巖巖石,感謝中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部對(duì)實(shí)驗(yàn)工作的支持.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部的郁魯彬參加了本項(xiàng)研究工作.

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Effect of permeability of porous medium on spontaneous imbibition in water-wet sandstone/2010,34(4):51 -56

PENG Yu-qiang1,2,HE Shun-li1,2,GUO Shang-ping3,HAN Dong3
(1.MOE Key L aboratory ofPetroleumEngineering in China University ofPetroleum,Beijing 102249,China;2.Engineering Research Center ofGas Energy Sources DevelopmentTechnology, Ministry ofEducation,Beijing102249,China;3.Institute ofPetroleum Ex ploration and Development,PetroChina,Beijing100083,China)

Spontaneous imbibition behavior and recovery was studied in brine with different permeability of outcrop sandstones which were water-wet so that imbibition law of Chinese outcrop could be learn because it is different from Berea sandstone,and forecast results were compared with different imbibition mathematical models.It was shown that the brine imbibition recovery increases with the increase of permeability,however the incremental rate is slow down when the permeability is lower than about 800× 10-3μm2.oil recovery tends to stable or even declines slightly when the permeability is higher than about 800×10-3μm2.Capillary dominated imbibition is growing minor in brine when matrix permeability is high,however,spontaneous imbibition is prominent when matrix permeability is low,thus it is suggested that spontaneous imbibition should be utilized in low permeability reservoir exploitation.The known imbibition mathematical models couldn’t preferable scale imbibition behavior of core samples because imbibition is complexity and affected simultaneously by many factors.

spontaneous imbibition;outcrop sandstone;permeability;imbibition recovery;water-wet

book=4,ebook=351

TE312

A

1000-1891(2010)04-0051-06

2010-05-12;審稿人:張繼成;編輯:關(guān)開(kāi)澄

國(guó)家“973”重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2005CB221300)

彭昱強(qiáng)(1975-),男,博士后,工程師,主要從事油藏工程和提高采收率方面的研究.