王晨光

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

引 言

充分挖掘致密儲層優(yōu)勢、發(fā)揮滲吸采油技術(shù)對提高致密油藏采收率具有重要意義[1-3]。毛細(xì)管壓力和油水密度差異而產(chǎn)生的重力作用是引發(fā)滲吸的兩個關(guān)鍵作用力，而影響滲吸效率高低的因素還包括流體黏度、潤濕性、邊界條件、儲層物性、孔隙結(jié)構(gòu)和界面張力等[4]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對自發(fā)滲吸開展了大量研究，也初步明確了其中部分因素的影響機理，但很少有學(xué)者對不同邊界條件下的滲吸特征進行研究。Yildiz等[8]和Mason等[9]認(rèn)為在AFO(全接觸滲吸)系統(tǒng)中存在三維逆流流動，并認(rèn)為在開發(fā)中要避免OEO(一端開放滲吸)邊界的出現(xiàn)。王向陽[10]和楊正明[11]通過實驗提出在巖心頂部同時存在逆流和順流兩種滲吸，而在底部只存在逆流滲吸，因而頂部的采收率更高。Lyu[12]等人觀察發(fā)現(xiàn)逆流滲吸速率比順流滲吸速率快，且逆流滲吸初期形成的殘余油較多。此外，由于受到實驗儀器及計量精度的限制，大多數(shù)關(guān)于滲吸機理的研究主要是針對常規(guī)砂巖和Berea砂巖，而很少有學(xué)者從微觀孔隙結(jié)構(gòu)方面對致密砂巖滲吸特征進行研究[13-15]。低場核磁共振技術(shù)的引入不但能夠直觀反映巖心孔隙中流體的分布狀況，還能從微觀孔隙尺度定量表征不同孔隙半徑(簡稱“孔徑”)孔隙中原油的動用程度，具有測量時間短、精度高、無損樣品等諸多優(yōu)點[16-17]。因此，筆者基于核磁共振T2譜在線掃描技術(shù)，輔以高壓壓汞實驗，以鄂爾多斯盆地姬塬油田長62儲層為研究對象，開展了5種邊界條件下的巖心滲吸實驗，從微觀孔隙尺度定量表征了不同孔徑孔隙中原油動用程度，對比了不同邊界條件下的滲吸特征，評價了不同邊界條件下滲吸采出程度與時間平方根的線性關(guān)系。取得的成果為改善致密砂巖油藏水驅(qū)開發(fā)效果提供指導(dǎo)和借鑒。

1 實驗原理

通常，巖石孔隙中賦存流體的橫向弛豫時間T2主要由3種弛豫時間控制[14-16]，分別為自由弛豫時間T2B、表面弛豫時間T2S和擴散弛豫時間T2D。T2表達(dá)式可以寫為

(1)

式中，T2B為巖石中流體的固有弛豫時間，ms；T2S為巖石表面的橫向弛豫時間，ms；T2D為流體擴散引起的橫向弛豫時間，ms。

在致密砂巖儲層中由于孔隙半徑為微米、納米級，巖石中流體的固有弛豫時間T2B的數(shù)值遠(yuǎn)大于巖石表面橫向弛豫時間T2S的數(shù)值，其倒數(shù)可以忽略不計。而流體擴散引起的橫向弛豫時間T2D也可以忽略不計。因此，影響橫向弛豫時間主要是巖石表面的橫向弛豫時間T2S，即式(1)又可以簡化為

(2)

(3)

式中，F(xiàn)s為孔隙形狀因子，與孔隙半徑有關(guān)，無量綱；r為孔隙半徑，μm。

由式(3)可知，橫向弛豫時間T2值與巖石孔隙半徑呈正比，即大孔隙中賦存流體對應(yīng)的橫向弛豫時間長，小孔隙中賦存流體對應(yīng)的橫向弛豫時間短。因此，T2譜分布中每個弛豫時間對應(yīng)的振幅強度代表了不同孔徑孔隙中流體的賦存量，通過求取T2譜曲線中弛豫時間對應(yīng)的幅值積分可以定量表征不同大小孔隙內(nèi)流體的賦存量[17-19]。根據(jù)巖心在滲吸前后的T2譜分布可以計算出某一孔徑孔隙的動用程度，即

(4)

式中，ER為原油采出程度，%；T2,min、T2,max為T2譜分布中不同孔徑孔隙對應(yīng)的最小和最大馳豫時間，ms；Ai,0為初始飽和油T2譜曲線對應(yīng)的振幅；Ai,d為滲吸后T2譜分布對應(yīng)的振幅。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗材料

實驗巖心來自鄂爾多斯盆地姬塬油田A83區(qū)塊長62段。根據(jù)X衍射實驗和掃描電鏡可知，取心段長62儲層主要為細(xì)-中粒巖屑質(zhì)長石砂巖，礦物組成中石英占比最大，平均值為41.5%，其次為長石，平均值為28.3%，而黏土礦物含量較低，僅為7.7%，其中以高嶺石為主，相對含量占到65.6%，其次為綠泥石，相對含量為22.1%，而伊/蒙混合層和伊利石平均含量分別為3.7%和8.6%。通過對巖心開展孔隙度、滲透率和高壓壓汞測試，在獲取巖心基本物性和孔隙結(jié)構(gòu)分布的基礎(chǔ)上，從中選取5塊孔隙度、滲透率及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)相近的巖心(表1)進行后續(xù)滲吸試驗。

表1 實驗巖心基本參數(shù)及實驗類型Tab.1 Basic parameters of experimental cores and experimental types

實驗開始前，分別對其中4塊巖心進行預(yù)處理，通過在巖心表面涂抹環(huán)氧樹脂來改變巖心滲吸邊界條件。將巖心2的頂面涂抹環(huán)氧樹脂封閉，模擬頂面封閉式滲吸；將巖心3的底面涂抹環(huán)氧樹脂封閉，模擬底面封閉式滲吸；將巖心4的側(cè)面涂抹環(huán)氧樹脂封閉，模擬側(cè)面封閉式滲吸；將巖心5的頂面和底面均涂抹環(huán)氧樹脂封閉，模擬頂?shù)酌娣忾]式滲吸。

實驗原油來自延長組長6段儲層的地面脫氣原油，通過脫水、過濾和沉降后，測得儲層溫度下(62℃)的脫氣原油密度為0.812×103kg/m3，黏度為2.75 mPa·s。實驗中所用滲吸液為重水(D2O)作為溶液配制的等礦化度地層水，地層水型為NaHCO3溶液，礦化度為21 100 mg/L，密度為1.03×103kg/m3，黏度為0.91 mPa·s。

2.2 實驗裝置及步驟

本套實驗裝置核心為滲吸池和核磁共振在線掃描儀。其中滲吸池為裝有模擬地層水的敞口杯，巖心通過掛繩豎直懸置于杯中，確保巖心不與四壁接觸(圖1)。核磁共振儀型號為MR12-150H-I，系統(tǒng)頻率2～5 MHz連續(xù)可調(diào)，磁感應(yīng)強度為0.094 0～0.117 5T，頻率精度為0.01 Hz。對核磁共振儀進行改進后可以實施在線掃描功能，掃描參數(shù)為回波間隔0.2 ms，等待時間1 500 ms，掃描數(shù)64，操作方法嚴(yán)格按照《巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范》[20]執(zhí)行。

實驗步驟如下：①將實驗巖心清洗烘干后測量其孔隙度和滲透率，然后將巖心放入高壓密閉夾持器中抽真空72 h，再在室溫24 ℃、高壓30 MPa下用配制的地層水飽和巖心，當(dāng)注入泵體積及巖心兩端壓力不再變化時，飽和水過程完成；②在溫24 ℃、高壓30 MPa下用實驗原油驅(qū)替巖心中地層水，當(dāng)巖心出口不再產(chǎn)水時，繼續(xù)注入原油5 PV后，飽和油過程完成；③降壓取出巖心后先對飽和油狀態(tài)下巖心進行T2譜采樣，再用環(huán)氧樹脂密封巖心表面，并將不同滲吸邊界條件的巖心懸置于滲吸池中央，升溫至62 ℃后開始滲吸實驗，每隔相同時間間隔將巖心取出進行T2譜采樣；④當(dāng)連續(xù)3次測得的T2譜分布不再變化時，實驗結(jié)束。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

由圖2可知，5塊實驗巖心飽和油后的T2譜分布基本一致，說明5塊巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)分布基本相似。從曲線形態(tài)上看，5塊巖心的T2譜分布均為典型的左峰高于右峰的連續(xù)型雙峰形態(tài)，說明5塊巖心物性較差，微納米級孔隙發(fā)育，且微納米孔隙體積占比較高；而左右峰之間連續(xù)且具有一定振幅，說明孔喉之間連通性較好。根據(jù)相關(guān)研究可知[14-16]，核磁共振T2譜分布和孔隙半徑分布(由壓汞實驗獲得)都是研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征的有效方法，且都能夠表征巖心內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)分布特征。孔隙半徑與馳豫時間T2之間呈正相關(guān)關(guān)系，能夠互相轉(zhuǎn)換。因此，通過將5塊巖心的T2譜分布和孔隙半徑分布繪制在同一對數(shù)坐標(biāo)系中(以巖心1為例，圖3)，可以計算出5塊巖心的平均換算系數(shù)為0.058 μm/ms。結(jié)合巖心飽和油后的T2譜分布形態(tài)

圖2 實驗巖心飽和油后T2譜分布Fig.2 T2 spectra of experimental cores after saturated by oil

圖3 1#巖心T2譜分布與孔隙半徑分布重疊圖Fig.3 Overlap graph of T2 spectrum and pore throat radius distribution of 1# core

可以將巖心的孔隙類型劃分為2種：小孔隙(弛豫時間0.03 ms

3.2 不同邊界條件下滲吸T2譜變化

圖4展示了5種邊界條件下巖心在滲吸過程中不同時間下的T2譜分布。由圖4可知，隨著滲吸時間的增加，除側(cè)面封閉巖心4的T2譜振幅變化幅度較小外(圖4(d))，其余4種邊界條件下左右兩波峰對應(yīng)的振幅均有明顯下降，且當(dāng)滲吸時間達(dá)到72 h時，4種邊界條件下的T2譜分布均由左峰高于右峰的雙峰形態(tài)變?yōu)樽笥覂煞逑喈?dāng)?shù)碾p峰形態(tài)，說明滲吸過程中小孔隙(1.74×10-3μm

圖4 5種邊界條件下巖心滲吸過程中T2譜分布Fig.4 T2 spectra in core imbibition process under five boundary conditions

根據(jù)巖心在滲吸過程中不同時間下的T2譜分布，結(jié)合式(4)可以計算出巖心在滲吸過程中原油采出程度隨時間的變化關(guān)系(圖5)。由圖5可知，72 h后，頂?shù)酌娣忾]式滲吸(巖心5)的采出程度最大，達(dá)到22.57%；其次為全接觸式滲吸(巖心1)，采出程度為21.28%；而側(cè)面封閉(巖心4)式滲吸的采出程度最低，僅為6.49%。從圖5中還可以看出，在滲吸開始后的36 h內(nèi)除側(cè)面封閉式滲吸外，其余4種邊界條件下的滲吸采出程度均快速增加，其中以全接觸式滲吸速率最大，采出程度增加最快，這主要是因為全接觸式滲吸與地層水的接觸面積最大，提高了單位時間內(nèi)的滲吸效率。但當(dāng)滲吸時間大于36 h后，4種邊界下的滲吸速率(曲線斜率)均逐漸降低，但頂?shù)酌娣忾]式滲吸的采出程度卻繼續(xù)逐漸增大，并超過全接觸式滲吸采出程度。這主要與兩種不同邊界條件下形成的不同滲吸特征有關(guān)。由于巖心垂直放置，在頂?shù)酌娣忾]式滲吸過程中，重力影響很小，基本可以忽略，滲吸特征主要為毛細(xì)管壓力作用下形成的徑向逆滲吸，滲吸特征較為單一。而全接觸式滲吸特征較為復(fù)雜，既有毛細(xì)管壓力作用下的徑向逆滲吸又有重力作用下的垂向順滲吸，雖然滲吸初期由于接觸面積較大，滲吸速率較快，但隨著滲吸時間的增加，兩種作用力控制下的滲吸產(chǎn)生的干擾越來越大，導(dǎo)致其最終滲吸采出程度偏低。

圖5 不同邊界條件下滲吸采出程度與時間的關(guān)系Fig.5 Relationships between imbibition recovery degree and time under different boundary conditions

通過對比頂?shù)酌娣忾]式滲吸與側(cè)面封閉式滲吸的采出程度之和(圖5中粉色線)與全接觸式滲吸采出程度(圖5中黃色線)也可以看出，雖然巖心4和巖心5的總滲吸面積與巖心1的滲吸面積相等，但它們對應(yīng)采出程度隨時間的變化卻存在較大差異。在滲吸開始后的18 h內(nèi)，巖心1的全接觸式滲吸采出程度明顯高于巖心4和巖心5采出程度之和，這說明在滲吸初期動用的主要是巖心表面孔隙中的原油，巖心滲吸面積越大，單位時間內(nèi)的采出程度越大。雖然巖心4和巖心5的總滲吸面積與巖心1相等，但單獨每塊巖心的滲吸效率卻低于1#巖心，造成巖心4和巖心5的總采出程度相對較小。而當(dāng)滲吸時間大于18 h后，巖心4和巖心5的總采出程度超過全接觸式滲吸，并繼續(xù)增大，最終總采出程度達(dá)到29.6%，比巖心1的最終采出程度高出8.32%。這主要是因為在巖心1中隨著滲吸距離的增加，毛管壓力和重力雙重作用下的徑向逆滲吸和垂向順滲吸之間發(fā)生了相互干擾，造成孔隙內(nèi)部受力分散，導(dǎo)致滲吸效率下降。而巖心4和巖心5只存在一種主導(dǎo)作用力，雖然單獨每塊巖心的滲吸效率較小，但隨著時間的增加，采出程度卻在不斷增大。此外，通過進一步對比頂?shù)酌娣忾]式滲吸采出程度與側(cè)面封閉式滲吸采出程度可以看出，在毛細(xì)管壓力為主導(dǎo)的徑向逆滲吸的采出程度遠(yuǎn)高于重力為主導(dǎo)的垂向順滲吸采出程度，詳細(xì)分析將在后續(xù)展開。

3.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)對滲吸效率的影響

通過對比5種滲吸邊界條件下小孔隙和大孔隙的采出程度(圖6)可知，除側(cè)面封閉式滲吸的小孔隙采出程度小于大孔隙外，其余4種滲吸邊界條件下的小孔隙采出程度均大于大孔隙，其中以頂?shù)酌娣忾]式滲吸的小孔隙和大孔隙采出程度最大，說明在單一毛細(xì)管壓力作用下的徑向逆滲吸能夠最大程度提高小孔隙和大孔隙的動用程度。而隨著重力影響程度的增加，大、小孔隙的采出程度均不斷降低，當(dāng)重力成為滲吸主導(dǎo)作用力時(側(cè)面封閉式滲吸)，大、小孔隙采出程度降至最低。這主要是因為當(dāng)毛細(xì)管壓力為主導(dǎo)作用力時，地層水會在毛細(xì)管壓力和潤濕性的雙重作用下，逐步以孔壁表面水膜加厚的形式被“吸”入孔喉中，并驅(qū)替原油進入阻力較小的大孔隙中，隨著水相持續(xù)“吸”入，油滴在大孔隙中間匯聚并在孔隙四周水膜擠壓力的作用下克服毛管壓力排出孔隙。根據(jù)核磁成像結(jié)果顯示(圖7(b))，毛管壓力作用下的徑向逆滲吸為對稱式滲吸過程。而當(dāng)重力成為主導(dǎo)作用力時，巖心頂部上面的水相會在重力作用下進入原本僅在毛細(xì)管壓力作用下無法進入的大孔隙，并在重力作用下向下驅(qū)替部分原油向巖心中下部運動，導(dǎo)致原油在中下部聚集(圖7(c))，聚集底部的原油會從阻力較小的大孔隙中排出，使得小孔隙采出程度低于大孔隙采出程度。由圖7(c)可知，重力作用下垂向順滲吸為非對稱式滲吸過程，雖然也會伴隨逆向滲吸，但毛細(xì)管壓力作用較弱，導(dǎo)致整體采出程度較低。

圖6 不同邊界條件下小孔隙和大孔隙的采出程度對比Fig.6 Comparison of recovery degree of small and large pores under different imbibition boundary conditions

圖7 不同邊界條件下滲吸前后核磁共振成像Fig.7 Nuclear magnetic resonance images of core before and after imbibition under different boundary conditions

此外，全接觸式滲吸也表現(xiàn)出頂?shù)撞粚ΨQ現(xiàn)象(圖7(d))，接近巖心頂面的含油飽和度幾乎為零，而底部附近的含油飽和度仍然很大，但由于全接觸滲吸中也伴隨徑向逆滲吸，相比于頂?shù)酌娣忾]滲吸和側(cè)面封閉滲吸，全接觸滲吸頂面含油飽和度下降更為明顯，這主要是因為全接觸式滲吸過程中存在頂面吸水、側(cè)面排油的順向滲吸，這也進一步說明重力作用能夠提高頂面滲吸效率，降低底面滲吸效率。

為了進一步描述不同孔徑孔隙內(nèi)原油采出程度的變化，結(jié)合滲吸前后(0 h和72 h)的T2譜分布，通過式(4)計算出不同邊界條件下不同孔徑孔隙的采出程度(圖8)。由圖8可知，除側(cè)面封閉式滲吸外，其余4種邊界條件下不同孔徑孔隙采出程度的變化規(guī)律基本相似，即波谷對應(yīng)孔徑的孔隙采出程度很低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，而當(dāng)孔徑減小或增大時，對應(yīng)采出程度快速增加，其中左峰中值對應(yīng)孔徑0.017 4 μm的孔隙采出程度均值為47.74%，左峰對應(yīng)孔徑0.031 9 μm的孔隙采出程度均值為40.47%，右峰對應(yīng)孔徑1.16 μm的孔隙采出程度均值為38.78%，右峰中值對應(yīng)孔徑6.96 μm的孔隙采出程度均值為56.52%。說明當(dāng)孔隙分布于左峰附近時，孔隙半徑越小，滲吸效率越高；而當(dāng)孔隙分布于右峰附近時，孔隙半徑越大，滲吸效率也越高。這主要是因為在左峰附近的小孔隙，孔隙半徑越小，毛細(xì)管壓力也越大，導(dǎo)致滲吸作用越強。而在右峰附近的大孔隙由于孔隙半徑越大，孔喉間的連通性越好，原油流動所受阻力越小，采出程度也越高。而在波谷附近的孔隙由于屬于連通喉道，一方面孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在孔喉連通處由于孔徑的突變，造成原油阻力的增加，另一方面此類喉道連通于大、小孔隙之間，導(dǎo)致其內(nèi)一直存在流動的原油，因而采出程度較低。此外，由側(cè)面封閉式滲吸中不同孔徑孔隙采出程度的變化可以看出，當(dāng)孔徑由0.203 μm(波谷對應(yīng)孔隙)向左減小時，左峰附近小孔隙的采出程度變化較小，而左峰小孔隙采出程度主要受毛細(xì)管壓力的影響，也就是說在側(cè)面封閉式滲吸過程中，毛細(xì)管壓力對采出程度的影響較小，這也進一步驗證了前面所得到的結(jié)論。

圖8 不同滲吸邊界條件下不同孔徑孔隙采出程度的變化Fig.8 Change of recovery degree of five characteristic pores under different imbibition boundary conditions

圖9為5種邊界條件下累積采出程度與孔隙半徑的變化曲線。從圖中可知，除側(cè)面封閉式滲吸外，其余4種邊界條件下累積采出程度隨孔徑的變化規(guī)律基本相似，即當(dāng)孔徑達(dá)到臨界滲吸孔徑5.8×10-3μm(弛豫時間0.1 ms)時，累積采出程度隨著孔徑的增大快速增加；當(dāng)孔徑達(dá)到145×10-3μm (弛豫時間2.5 ms)時，累積采出程度增幅變緩，主要原因是波谷附近孔隙采出程度低下。當(dāng)孔徑達(dá)到754×10-3μm(弛豫時間13 ms)時，累積采出程度又快速增加，此階段主要是大孔隙中的原油開始被動用；最終當(dāng)孔徑達(dá)到最大滲吸半徑8.12 μm(弛豫時間140 ms)時，累積采出程度停止增加。但在側(cè)面封閉式滲吸中，臨界滲吸孔隙半徑為29×10-3μm(弛豫時間0.5 ms)，累積采出程度并未出現(xiàn)明顯的停滯段，最終采出程度較低。產(chǎn)生差異的原因主要是其余4種邊界條件下圓柱側(cè)面并未被封閉，雖然有的邊界存在重力的影響，但由于圓柱側(cè)面滲吸面積大(相對頂?shù)酌?，因而在這4種邊界條件下毛細(xì)管壓力都是滲吸的主導(dǎo)作用力，而重力則居于次要。當(dāng)毛細(xì)管壓力為主導(dǎo)作用力時能夠提高小孔隙動用程度，進而提高巖心總采出程度。而當(dāng)重力成為主導(dǎo)作用力時，阻力較小的大孔隙動用程度相對增加，而毛細(xì)管壓力作用下的滲吸會受到抑制，導(dǎo)致小孔隙動用程度差，進而降低巖心總采出程度，這點也與前面的研究結(jié)論一致。

圖9 不同邊界條件下累積采出程度與孔隙半徑的變化曲線Fig.9 Relation curves of cumulative recovery degree and pore radius under different imbibition boundary conditions

4 結(jié) 論

(1)低場巖心核磁共振技術(shù)不但能夠從微觀孔隙尺度反映巖心孔隙中飽和流體量，還能解決由于計量儀器精度限制導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計量致密巖心微小滲吸量的問題，定量表征不同孔徑孔隙中原油的動用程度，降低實驗誤差。

(2)頂?shù)酌娣忾]式滲吸采出程度最大，其次為全接觸式、頂面封閉式和底面封閉式，而側(cè)面封閉式滲吸采出程度最低。在滲吸初期全接觸式滲吸采出程度最大，但隨著滲吸時間和滲吸距離的增加，毛管壓力作用下的徑向逆滲吸與重力作用下的垂向順滲吸之間會發(fā)生相互干擾，降低滲吸效率。

(3)在單一毛細(xì)管壓力作用下的徑向逆滲吸能夠最大程度提高大、小孔隙的動用程度，而隨著重力影響程度的增加，大、小孔隙的采出程度均不斷降低。毛細(xì)管壓力為主導(dǎo)的對稱式徑向逆滲吸采出程度遠(yuǎn)高于重力為主導(dǎo)的非對稱式垂向順滲吸采出程度。

(4)T2譜分布中雙峰附近的孔隙不僅是初始飽和油狀態(tài)下的原油富集區(qū)，而且還是優(yōu)勢滲吸區(qū)，而波谷附近孔隙的滲吸效率差，滲吸效率隨左峰附近孔隙半徑的減小而增大，隨右峰附近孔隙半徑的增大而增大。