致密砂巖儲層滲吸穩定時間影響因素研究

周德勝，李 鳴，師煜涵，鄒 易，劉 順

(1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.西部低滲特低滲油田開發與治理教育部工程研究中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

區別于傳統的快速返排，大多數致密砂巖儲層單井壓裂后，通過悶井產生流體滲吸置換，可大幅提高原油采收率，悶井時間是壓裂返排制度優化的一個至關重要的參數，分析研究致密砂巖儲層巖心滲吸穩定時間有助于加深對壓裂后悶井時間的認知，對提高單井產量有十分重要的意義。目前，大多研究主要集中于滲吸置換率影響因素的分析[1-13]，郭剛[14]實驗研究了滲透率、原油黏度等對自發滲吸效率的影響，探索了影響壓裂液油水置換的關鍵因素；彭昱強[15]針對中國露頭砂巖，研究了滲透率對鹽水自發滲吸規律和采收率的影響，并對比了不同滲吸數學模型的預測結果；Zhou[16]基于質量法滲吸實驗研究了礦化度對滲吸的影響規律；李洪[17]、沈安琪[18]、蘇煜彬[19]通過室內滲吸實驗，研究了表面活性劑對滲吸驅油效率的影響，分析了自發滲吸機理；楊元明[20]引入竄流指數用以描述單位滲吸壓差下基質-裂縫滲吸量，建立了竄流指數與產量、壓力關系式，但鮮有文獻對滲吸穩定時間影響因素進行系統的探究。因此，基于對長慶油田延長組致密砂巖儲層巖心自發滲吸實驗分析統計，研究了滲透率、礦化度、模擬油黏度、界面張力對滲吸穩定時間的影響。

1 實驗材料及步驟

1.1 實驗設備及材料

實驗設備：梅特勒高精度天平(萬分之一)、TX500D系列旋轉滴超低界面張力儀。實驗用油：優質煤油，室溫下黏度為1.87 mPa·s；原油，室溫下黏度為5.26 mPa·s；原油與煤油以1∶2體積比配制成模擬油，模擬油室溫下黏度為3.23 mPa·s。實驗用水：蒸餾水，界面張力為10.7 mN/m，礦化度分別為15 000、25 000、45 000 mg/L的鹽水。實驗用化學試劑：質量分數為0.15%的ZQ表面活性劑溶液，界面張力為0.04 mN/m；質量分數為0.30%的ZQ表面活性劑溶液，界面張力為0.023 mN/m。實驗巖心：長慶油田延長組長7致密砂巖儲層巖心12塊，巖心物性參數見表1。

1.2 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①標準天然巖心經過洗油、清洗、烘干至恒重，記錄巖心干重，并測孔隙度、滲透率等參數；②用礦化度為25 000 mg/L的地層水飽和巖心，用煤油(模擬油或原油)驅替飽和巖心，再將飽和好的巖心取出放入煤油(模擬油或原油)中老化待用；③將浸沒在煤油(模擬油或原油)中的巖心取出，擦去表面浮油，利用質量法進行巖心自發滲吸實驗，電腦采集系統實時記錄電子天平讀數；④重復步驟②和③。

表1 巖心的基本物性參數

2 影響因素分析

由于天然巖心屬性參數存在差異性，很難找到各參數相近的一組巖心進行對比分析，同時，洗油對致密砂巖儲層潤濕相影響很小。因此，采用同一巖心，基于單一控制變量法，重復洗油，研究不同參數對滲吸穩定時間的影響。

2.1 滲透率

研究滲透率對滲吸穩定時間的影響時，除了表1中的12塊巖心外，還統計了同一區塊另外16塊巖心的滲吸數據，巖心滲透率為0.011 5×10-3～0.387 1×10-3μm2，平均為0.098 0×10-3μm2，孔隙度為2.00%～10.86%，平均為5.92%。

圖1為滲透率與滲吸穩定時間的關系。由圖1可知，滲吸穩定時間與滲透率成“V”字型關系，儲層滲透率小于0.2×10-3μm2時，滲吸穩定時間隨滲透率增大而減小，當儲層滲透率大于0.2×10-3μm2時，巖心滲吸始終未達到穩定狀態。圖2為滲透率大于0.2×10-3μm2的4塊巖心質量法歸一化質量差與滲吸時間關系曲線。其中，質量法歸一化質量差的定義為：

(1)

式中：m0為巖心未開始滲吸時的質量，g；mt為t時刻的巖心質量，g；m終為滲吸結束時的巖心質量，g；Δm為巖心t時刻與未開始滲吸時的質量差，g；Δmmax為巖心滲吸結束時與未開始滲吸時的質量差，g。

圖1 滲透率與滲吸穩定時間關系

圖2 滲吸時間與歸一化質量差的關系

由圖2可知：隨著滲吸進行，滲吸速率(圖2中曲線的斜率)變化不大，一直以某個速率滲吸，始終未達到穩定狀態。當滲透率小于0.2×10-3μm2時，孔喉半徑相對較小，毛管力作用較強，油水滲吸置換動力也相對較強，但滲吸排油的阻力較大，油水流動得非常緩慢，滲透率越小，阻力越大，進而導致了滲吸穩定時間較長；當滲透率大于0.2×10-3μm2時，滲透率越大，孔喉半徑越大，油水流動的阻力減小，但毛管力作用減弱，油水滲吸置換動力不足，滲吸實驗過程中巖心質量的變化不僅是由滲吸引起的，更多的是油水之間通過擴散及分異作用交換的結果，進而導致了滲吸穩定時間增長。

2.2 礦化度

圖3為不同滲透率巖心置換液礦化度與滲吸穩定時間的關系曲線。由圖3可知：滲透率為0.028 0×10-3μm2的巖心，蒸餾水滲吸穩定時間為72 h，當置換液礦化度為15 000 mg/L時，滲吸穩定時間增至120 h，是蒸餾水滲吸置換穩定時間的1.67倍，當置換液礦化度為45 000 mg/L時，滲吸穩定時間增至168 h，是蒸餾水滲吸置換穩定時間的2.33倍；滲透率為0.084 0×10-3μm2的巖心，蒸餾水滲吸穩定時間為48 h，當置換液的礦化度為15 000 mg/L時，滲吸穩定時間增至72 h，是蒸餾水滲吸置換穩定時間的1.50倍，置換液的礦化度為45 000 mg/L時，滲吸穩定時間增至144 h，是蒸餾水滲吸置換穩定時間的3.00倍；滲透率為0.136 6×10-3μm2的巖心，蒸餾水滲吸穩定時間為48 h，當置換液礦化度為15 000 mg/L時，滲吸穩定時間仍為48 h，基本無影響，當置換液礦化度為45 000 mg/L時，滲吸穩定時間增至124 h，是蒸餾水滲吸置換穩定時間的2.50倍。

圖3 礦化度與滲吸穩定時間關系

置換液礦化度越大，所需滲吸穩定時間越長。礦化度影響滲吸主要是通過滲透壓作用，由于巖心內外鹽濃度差異產生的壓差驅使水相由低礦化度區域流向高礦化度區域，置換液鹽濃度越高，對滲吸效果負作用越強，越不利于滲吸的發生。

2.3 模擬油黏度

圖4為不同模擬油黏度與滲吸穩定時間的關系曲線。由圖4可知：滲透率為0.037 3×10-3μm2的巖心，模擬油黏度為1.87 mPa·s時，滲吸穩定時間為96 h，當模擬油黏度增至3.23 mPa·s時，滲吸穩定時間增至168 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時滲吸穩定時間的1.75倍，繼續增加模擬油黏度至5.26 mPa·s時，滲吸穩定時間達到192 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時穩定時間的2.0倍；滲透率為0.059 8×10-3μm2的巖心，模擬油黏度為1.87 mPa·s時，滲吸穩定時間為72 h，當巖心內模擬油黏度增至3.23 mPa·s時，滲吸穩定時間增至96 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時滲吸穩定時間的1.33倍，繼續增加巖心內模擬油黏度至5.26 mPa·s時，滲吸穩定時間達到120 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時滲吸穩定時間的1.67倍；滲透率為0.076 2×10-3μm2的巖心，模擬油黏度為1.87 mPa·s時，滲吸穩定時間為20 h，當巖心內模擬油黏度增至3.23 mPa·s時，滲吸穩定時間增至72 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時滲吸穩定時間的3.60倍，繼續增加巖心內模擬油黏度至5.26 mPa·s時，滲吸穩定時間達到168 h，是模擬油黏度為1.87 mPa·s時滲吸穩定時間的8.40倍，滲吸穩定時間相差較大。

圖4 模擬油黏度與滲吸穩定時間關系

飽和模擬油黏度越大，所需滲吸穩定時間越長。分析可知，模擬油黏度越大，流體流動性越差，越不利于滲吸置換的發生，達到滲吸平衡狀態所需的滲吸穩定時間越長。

2.4 界面張力

圖5為不同界面張力與滲吸穩定時間的關系曲線。由圖5可知：滲透率為0.075×10-3μm2的巖心在蒸餾水中的滲吸穩定時間為206 h，當置換液變為質量分數為0.15%的ZQ表面活性劑溶液時，滲吸穩定時間變為132 h，比在蒸餾水中穩定時間縮短了36%，當置換液變為質量分數為0.30%的ZQ表面活性劑溶液時，滲吸穩定時間降至102 h，比在蒸餾水中穩定時間縮短了50%；滲透率為0.144×10-3μm2的巖心在蒸餾水中的滲吸穩定時間為168 h，當置換液變為質量分數為0.15%的ZQ表面活性劑溶液時，滲吸穩定時間變為72 h，比在蒸餾水中穩定時間縮短了57%，當置換液變為質量分數為0.30%的ZQ表面活性劑溶液時，滲吸穩定時間降至48 h，比在蒸餾水中穩定時間縮短了71%。

圖5 界面張力與滲吸穩定時間關系

界面張力越小，滲吸穩定時間越短，降低界面張力減弱了毛管力作用強度，極大地改善了流體的流動性，更有利于滲吸排油，使滲吸穩定時間得以縮短。

3 主控因素分析

基于影響因素分析，統計計算了各參數影響水平及級差。表2為各參數的參數水平，表3為各參數水平對應的滲吸穩定時間。

表2 影響滲吸的主要因素及水平

表3 影響滲吸采收率的關鍵因素分析

表3中極差表示在該因素下滲吸穩定時間的變化程度，誰的變化程度大，誰就是主控因素，各參數對滲吸穩定時間的影響程度所占比例排序從大到小依次為滲透率(36%)、界面張力(24%)、原油黏度(21%)、礦化度(19%)。可見，滲透率是影響滲吸穩定時間的主控因素，滲透率在一定程度上可反映巖心內部孔喉結構特征，滲透率越低，孔喉連通性越差，滲吸排油的阻力越大，悶井時間越長；除儲層滲透率外其他3個因素是可控因素。可基于滲吸穩定時間與滲透率關系曲線確定某一特定儲層最優悶井時間，一方面能結合界面張力、礦化度、模擬油黏度數值對最優悶井時間進行校正，另一方面，也可通過添加表面活性劑、降低壓裂液的礦化度或者增溫降黏來縮短單井悶井時間。

4 結 論

(1) 滲吸穩定時間與滲透率成“V”字型關系。滲透率小于0.2×10-3μm2時，滲吸穩定時間隨滲透率增大而減小，滲透率大于0.2×10-3μm2時，巖心由于孔喉結構的影響始終未能達到滲吸穩定狀態。

(2) 置換液礦化度越高，由于鹽濃度差的影響，滲吸穩定時間越長；飽和模擬油黏度越高，越不利于流體滲吸置換，滲吸穩定時間越長；置換液與飽和模擬油界面張力越小，滲吸穩定時間越短。

(3) 影響滲吸穩定時間因素排序從大到小依次為滲透率、界面張力、原油黏度、礦化度。

[1] MAKHANOV K，DEHGHANPOUR H，KURU E.An experimental study of spontaneous imbibition in Horn River Shales[C]// Society of Petroleum Engineers.SPE Canadian Unconventional Resources conference held in calgary.Canada：Alverta，2012：45-47.

[2] 韋青，李治平，王香增，等.裂縫性致密砂巖儲層滲吸機理及影響因素——以鄂爾多斯盆地吳起地區長8儲層為例[J].油氣地質與采收率，2016，23(4)：102-107.

[3] 濮御，王秀宇，濮玲.致密儲層靜態滲吸實驗[J].大慶石油地質與開發，2016，35(6)：159-163.

[4] 李帥，丁云宏，孟迪，等.考慮滲吸和驅替的致密油藏體積改造實驗及多尺度模擬[J].石油鉆采工藝，2016，38(5)：678-683.

[5] TAYFUN Babadagli，IRAJ Ershaghi.Imbibition assisted two-phase flow in natural fractures[C]// Society of Petroleum Engineers.Western regional meeting.California：Bakersfield，1992：63-67.

[6] SHABIR Al-Lawati，PDO Oman，SAAD Saleh.Oil recovery in fractured oil reservoirs by low IFT imbibition process[C]// Society of Petroleum Engineers.SPE Annual Technical Conference and Exhibition held in Denver.USA：Colorado，1996：6-9.

[7] AKBARABADI M，SARAJI S，PIRI M，et al.Spontaneous imbibition of fracturing fluid and oil in mudrock[C]// Unconventional Resources Technology Conference.Unconventional resources technology conference held in San Antonio.USA：Texas，2015：26-29.

[8] 王家祿，劉玉章，陳茂謙，等.低滲透油藏裂縫動態滲吸機理實驗研究[J].石油勘探與開發，2009，36(1)：86-90.

[9] 李士奎，劉衛東，張海琴，等.低滲透油藏自發滲吸驅油實驗研究[J].石油學報，2007，28(2)：109-112.

[10] 魏銘江.裂縫性油藏基質巖心自然滲吸實驗研究[D].四川：西南石油大學，2015.

[11] 崔鵬興，劉雙雙，黨海龍.低滲透油藏滲吸作用及其影響因素研究[J].非常規油氣，2017，4(1)：88-93.

[12] 王敬，劉慧卿，劉月田，等.裂縫性油藏滲吸采油機理數值模擬[J].石油勘探與開發，2017，44(5)：1-10.

[13] 谷瀟雨，蒲春生，黃海，等.滲透率對致密砂巖儲集層滲吸采油的微觀影響機制[J].石油勘探與開發，2017，44(6)：1-7.

[14] 郭鋼，薛小佳，李楷，等.壓裂液存留液對致密油儲層滲吸替油效果的影響[J].鉆井液與完井液，2016，33(6)：121-126.

[15] 彭昱強，何順利，郭尚平，等.巖心滲透率對親水砂巖滲吸的影響[J].大慶石油學院學報，2010，34(4)：51-56.

[16] ZHOU Z，ABASS H，LI X，et al.Mechanisms of imbibition during hydraulic fracturing in shale formations[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2016，141：125-132.

[17] 李洪，李治平，王香增，等.表面活性劑對低滲透油藏滲吸敏感因素的影響[J].石油鉆探技術，2016，44(5)：100-103.

[18] 沈安琪，劉義坤，邱曉惠，等.表面活性劑提高致密油藏滲吸采收率研究[J].油田化學，2016，33(4)：696-699.

[19] 蘇煜彬，林冠宇，韓悅，等.表面活性劑對致密砂巖儲層自發滲吸驅油的影響[J].斷塊油氣田，2017，24(5)：691-694.

[20] 楊元明，李治平，賴楓鵬，等.低滲透裂縫性油藏水驅油滲吸竄流指數研究[J].科學技術與工程，2014，14(26)：37-40.