考慮潤濕性的黏土膨脹模型研究及其應用

2016-06-28 10:00:35姜建偉于春生周雨朦

石油地質與工程 2016年2期

姜建偉，于春生，周雨朦

(1.中國石化河南油田分公司科技處，河南南陽 473132；2.中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，3.西安石油大學石油工程學院)

考慮潤濕性的黏土膨脹模型研究及其應用

姜建偉1，于春生2，周雨朦3

(1.中國石化河南油田分公司科技處，河南南陽 473132；2.中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，3.西安石油大學石油工程學院)

摘要：建立了考慮潤濕性的黏土膨脹孔隙網絡模型，通過與實驗數據對比，驗證了模型的正確性，研究了不同潤濕系統中黏土膨脹給儲集層滲透率帶來的傷害以及黏土膨脹體積對油水相對滲透率和水驅采出程度的影響。研究結果表明：在黏土吸附液相速率相同的情況下，隨著巖石親油性的增強，黏土膨脹對滲透率的傷害減輕；同一潤濕系統中，膨脹體積越大束縛水飽和度越高，含水飽和度相同時，膨脹體積大的模型油相相對滲透率大于水相相對滲透率，這將在高膨脹體積模型中產生“低滲流速度竄流”現象，采出程度隨黏土膨脹體積的增大逐漸降低，說明這種油相的相對滲流優勢不會從根本上提高水驅采收率。

關鍵詞：黏土膨脹；儲集層傷害；油水相滲；網絡模型；潤濕性

在油藏開發過程中，黏土礦物的影響不容忽視，尤其對注水開發的油田來說，黏土礦物常常引起儲集層性質、孔隙結構和水驅油效率的改變[1-2]。巖石的潤濕性影響著黏土礦物的膨脹能力[3]。由于潤濕性是油藏孔隙中控制流體流動和分布的主要因素，當巖石孔隙表面具有油濕特性時，水與巖石孔隙表面接觸的面積大大減少，因而黏土礦物釋放到水中的量相應減少，膨脹體積減小。

國內外學者對描述多孔介質中黏土膨脹的數學模型已經開展了一些研究，許青林[4]、鞠斌山[5]分別于1999年和2003年提出了彈性多孔介質黏土膨脹的數學模型，但他們的模型都是以宏觀滲流方程為基礎，無法表征微觀孔隙結構的變化，也沒有考慮黏土膨脹對油水相對滲透率的影響。FarukCivan[6-7]在1999年提出了黏土膨脹給孔滲帶來傷害的解析模型，該學者已經認識到了巖石潤濕性對黏土膨脹的影響，但是其解析模型沒有給出具體的表達式，只是對實驗數據進行了回歸分析。

本文從流體與巖石之間的接觸潤濕機理出發，建立了考慮巖石潤濕性的黏土膨脹孔隙網絡模型。該模型彌補了孔隙網絡多相流模型無法描述黏土膨脹受潤濕性影響的缺陷。應用該模型研究了黏土膨脹對儲集層滲透率傷害、油水兩相相對滲透率以及水驅采出程度的影響。

1黏土膨脹模型的建立

黏土遇水膨脹的體積為[8]：

ΔV=Shωt=(ξ-1)Vc

(1)

式中：ΔV——黏土遇水的膨脹體積，m3；S——黏土與水接觸的面積，m2；h——黏土厚度，m；ω——單位體積巖土吸附液相的速率，m3/h；t——吸附時間，h；ξ——膨脹系數，無因次；Vc——黏土所占孔隙體積，m3。

(2)

式中：ξ*——不完全膨脹系數，無因次；ΔV——黏土遇水的膨脹體積，m3；ΔV*——黏土遇水的不完全膨脹體積，m3；R——液膜與黏土接觸面半徑，m；R*——液膜與黏土不完全接觸面半徑，m。

在液膜總體積不變的情況下，我們認為圖1b中液膜半徑R與圖1c中液膜弧長S近似相等，由此，可以得到潤濕性發生改變后的液膜與黏土接觸面半徑R*、R和潤濕接觸角q三者之間的關系：

(3)

式中：θ——潤濕接觸角。

黏土不完全膨脹系數在潤濕接觸角不同取值區間的表達式：

(4)

圖1　不同潤濕性黏土表面與液膜接觸示意圖

在網絡模型中，總孔隙體積=凈孔隙體積+黏土所占孔隙體積，黏土的膨脹將使凈孔隙體積減小。黏土發生膨脹前，三角形截面的孔隙、喉道初始滲流半徑為：

(5)

式中：r——孔隙、喉道初始滲流半徑，m；Vn——凈孔隙體積，m3；L——孔隙長度，m；G——界面形狀因子，無因次。

黏土發生膨脹后，凈孔隙體積的減小量等于黏土的膨脹量，則此時的孔隙、喉道滲流半徑為：

1980年，美國著名管理學大師邁克爾·波特提出的“鉆石模型”與旅游產業競爭力分析的要素基本相符。該模型認為，某一產業在應范圍內的競爭力取決于生產要素，國內需求，相關和支持產業，以及產業的戰略、結構和競爭狀態這四大核心條件的表現。除此之外，該競爭力還受到政府和機會兩個外部輔助因素的影響，但是由于政策條件和外部機會兩個因素不可控太強。目前，在“冬奧會”和“兩山理論”的契機下，吉林省開展冰雪旅游的政策紅利和市場機會都非常好。因此本文主要運用該模型的四個條件對吉林省冰雪旅游產業競爭力進行分析，進而提出促進吉林省冰雪旅游產業競爭力的對策。

(6)

式中：r*——孔隙、喉道滲流半徑，m。

聯立式(5)和(6)，將式(4)代入到聯立方程中，就得了滲流半徑在潤濕接觸角不同取值區間的表達式：

(7)

式中：φn——凈孔隙度，無因次；φc——為黏度所占孔隙度，無因次。

在四邊形和圓形截面的孔隙、喉道中可得到相同的表達式。

室內巖心滲透率傷害評價是以吸附時間不同評價傷害程度的，由于不同類型黏土吸附液相的速率不同，單位時間對巖石帶來的傷害程度也就不同。黏土對儲集層的傷害歸根結底是由黏土膨脹造成的，無論何種黏土，相同的膨脹體積將帶來近似的傷害程度。本文研究將黏土吸附液相的時間轉化為黏土膨脹系數來評價儲集層傷害程度，將流體在黏土中的自吸和擴散也作為了膨脹系數的函數，因此，該模型適合于任何類型黏土對地層造成傷害的規律性研究。

2模擬計算結果及分析

2.1模型檢驗

為了驗證本文模型的正確性，選取了王正波等[9]膨潤土膨脹率對巖心滲透率影響的實驗數據，將該實驗數據吸附時間轉化為膨脹系數后與本文模擬結果進行了對比分析。表1給出了網絡模型參數，滲透率通過擬合巖心壓汞曲線得到。對比結果如圖2所示，圖中實驗值和模擬值滲透率傷害率變化趨勢基本相同，證明采用本文模型進行微觀模擬研究的可行性。

表1　網絡模擬參數

圖2　滲透率傷害實驗與微觀模擬結果對比

2.2模擬結果

首先研究了不同潤濕系統中黏土膨脹對滲透率的傷害。研究表明，巖石潤濕性影響著黏土膨脹對儲集層滲透率的傷害程度，不考慮潤濕性的模型滲透率傷害程度大于考慮潤濕性的模型，且隨著潤濕接觸角的增大傷害程度逐漸降低(圖3)。

圖3　滲透率傷害模擬結果

油水相對滲透率曲線形態(圖4)表明，黏土膨脹體積越大，束縛水飽和度越高，這是由于黏土膨脹所吸附的水相成為無法流動的束縛水造成的。在相同含水飽和度情況下，膨脹系數越大，油相相對滲透率越高，水相相對滲透率越低，這種現象稱之為“低滲流速度竄流”現象。油水兩相滲流時，由于滲流通道變窄，流動阻力增強，滲流速度會下降，而滲流過程中黏土會吸附一定量的可動水，使可動油相飽和度增大，增加油相滲流能力，因此，產生了“低滲流速度竄流”現象。上述相滲曲線表現出來的特征與彭仕宓等人[10]的實驗結果相同，進一步證明了本文模型的正確性。

圖4　黏土膨脹對油水兩相滲流的影響

圖5　黏土膨脹對水驅采出程度的影響

在孔隙空間中，喉道大小是控制流體流動時的流通路徑和流動能力的決定性因素，從表2可以看出，同一潤濕系統中，膨脹系數越大，喉道半徑越小，水驅油所需克服的毛管壓力越高，發生活塞式驅替喉道數越少，無法侵入和發生卡斷的喉道數越多。無法侵入的細小喉道和盲端孔隙降低了水驅油的洗油效率，卡斷圈閉起來的含油孔隙和喉道，降低了注入水的波及效率。上述原因是造成低采出程度的根本原因(圖5)。

表2　模型中發生不同驅替方式的孔喉個數對比

3結論

(1)建立了考慮潤濕性的黏土膨脹模型，該模型實現了從孔隙尺度滲流機理研究黏土膨脹和油藏潤濕性對儲集層傷害、油水相對滲透率和水驅采出程度的影響，并與實驗結果進行了對比，驗證了模型的正確性。

(2)巖石潤濕性影響著黏土膨脹對儲集層滲透率的傷害程度，在黏土吸附液相速率相同的情況下，隨著潤濕接觸角的增大，由黏土膨脹造成的儲集層傷害程度逐漸減輕。

(3)黏土膨脹對油水相對滲透率的影響表現為：在同一潤濕系統中，膨脹體積越大束縛水飽和度越高，含水飽和度相同時，膨脹體積大的模型油相相對滲透率大于水相相對滲透率，這將在高膨脹體積模型中產生“低滲流速度竄流”現象，采出程度隨黏土膨脹體積的增大逐漸降低，說明這種油相的相對滲流優勢不會從根本上提高水驅采收率。

參考文獻

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[5]鞠斌山, 馬明學, 邱曉燕. 彈性多孔介質黏土膨脹和微粒運移的數學模擬方法[J].水動力學研究進展A, 2003, 18(1): 8-15.

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[10]彭仕宓, 尹旭, 張繼春,等. 注水開發中黏土礦物及其巖石敏感性的演化模式[J].石油學報, 2006, 27(4): 71-75.

編輯：吳官生