低滲透油藏動態滲吸機理實驗研究及數字巖心模擬

王云龍， 胡淳竣， 劉淑霞， 王長權， 張海霞， 許詩婧， 梅 冬， 王晨晨， 喻高明*

(1.黑龍江省油層物理與滲流力學重點實驗室， 大慶 163712; 2.長江大學石油工程學院， 武漢 430100；3.長江大學非常規油氣省部共建協同創新中心， 武漢 430100)

低滲油氣資源雖難以完全開發，但由于其在世界范圍內豐富的資源儲量，各個國家已經著力于進行相應的研究。根據最新標準，低滲透性致密儲層包括低滲透油藏(基質滲透率為0.1～10 mD)和致密儲層(滲透率小于0.1 mD)[1]。中國的低滲透油氣資源有著廣泛的分布，截止到目前，已探明的低滲透油藏儲量占中國總原油地質儲量的54%[2-3]。如此廣闊的分布與巨大的占比注定了低滲透油氣資源舉足輕重的地位，并且其所占比例會隨著未來石油資源勘探技術的發展而繼續增大[4]，提高低滲油藏的有效開發亟待理論及技術支持。

因為低滲油藏在滲流機理等方面與中高滲油藏相比的顯著差異，決定了低滲油藏在開發過程中要面臨很多困難，存在著采收率難以提高、經濟效益差等問題。巖石物理特性的表征和滲流規律的研究是其研究的主要關鍵目標。在低滲油藏中一般存在裂縫，當基質-裂縫共生時，滲透率較小的基質扮演著儲油的角色，時常會伴有大量未采出的殘余油；而滲透率大的裂縫則扮演著導流的角色，對提高效益的需求亟待更先進的開發技術及工藝。更有研究表明裂縫的發育會導致油藏發生水竄，抑或是加重水淹現象，這些都對基質巖塊中殘余油的開采有著負面影響[5]。

滲吸過程定義為多孔介質自發吸入某潤濕相流體[6]。對于滲吸的機理、規律、影響因素等研究一直受到中外許多學者的關注，特別是對于低滲油藏的開發，許多學者將其視為一種能夠有效提高低滲油藏開發程度，提高經濟效益的關鍵方式[7-9]。在常規儲層中，影響滲吸的因素有界面張力、潤濕性、油黏度以及油水密度差。但是，在低滲致密油藏中，除了上述因素外，還應包括其他一些因素。在致密儲層中，天然微裂縫無處不在，對將油從基質中驅替出來起著關鍵作用，特別是在低滲油藏的注水開發過程中，若能加強滲吸作用，將原油從基質中置換出來，對低滲透油藏的注水開發效果、經濟效益等都能有顯著提升，由此，對滲吸作用的機理及其滲流規律進行研究至關重要[10-12]。

通過對滲吸作用機理與滲流理論的研究，并充分考慮重力與毛細管力的影響，王敬等[13]基于以上研究，通過數學方法建立起了一系列的數學模型并分析計算，得到了滲吸作用的采收率會隨著原油黏度的增加而降低這一結論，究其原因，為多孔介質中，原油流動時受到的阻力會隨其黏度的增大而增加。對于表面活性劑的研究表明，表面活性劑通過改變巖石潤濕性進而改善滲吸作用。在實驗中，巖心滲吸作用的強度規律表現為: 強水濕性巖心>中等水濕性巖心>弱水濕性巖心。因此，對于提高滲吸采收率，表面活性劑的應用有較大前景[14-19]。

目前，有不少關于致密/頁巖地層的納米孔和納米流體的相關研究。Leng等[20]使用微機算機掃描技術(micro computed tomography, Micro-CT)和Nano-CT研究了不同尺度致密儲層的孔隙結構。Zhong等[21]通過各種方法研究了致密儲層的孔隙結構特征。如果基質是強烈或部分水濕的，自發滲吸通常被認為是通過水驅或浸泡在具有低滲透性的天然裂縫儲層，從基質中取代油的重要機制。較低的滲透率意味著較大的毛細管力，這是滲吸的驅動力。對于低滲、特低滲油藏，甚至致密油藏而言，滲吸作用是采油的重要機理。目前中外對滲吸作用的研究均處在理論層面，由于低滲透多孔介質的復雜性，很難直接通過巖心實驗及數學模型反應實際地層情況。

因此，現提出運用數字巖心技術對油藏滲吸作用進行研究，對松遼盆地某區域巖心樣品通過綜合Micro-CT掃描、數字巖心三維重構，實現低滲儲層數字巖心滲吸過程的模擬，與實驗室巖心自發滲吸實驗對照，以期為油藏滲吸作用的機理研究提供新的思路，對實際油藏開發起到指導的作用。

1 研究方法

1.1 數字巖心模擬原理

目前致密油的主要開發方法是衰竭式開發。由于致密儲層的孔喉通常為微米-亞微米級，因此儲層壓力傳播速度甚至比傳統的中高滲透率油藏更快。致密油藏中的裂縫系統是油向井筒方向流動的主要流動通道，對儲層壓力的急劇變化更為敏感。同時，由于實驗儀器精度的限制，使用常規實驗方法不能精確地獲得致密油藏納米尺寸下的滲流參數。利用微米CT掃描獲取巖心三維孔隙結構并建立孔隙網絡模型，模擬了致密巖心的滲吸機理(圖1)。與室內巖心滲吸實驗相比較，驗證了數字巖心滲流模擬方法的準確性。利用數字巖心滲流模擬結果對常規油藏模型進行修正，新模型對預測致密油滲吸機理具有較高的置信度。

對于孔隙空間的研究，則是基于拓撲學的原理，通過最大球算法對其內部拓撲結構進行表征，對于圖像中孔隙空間中的每個體素，首先查找出以其為中心填充在孔隙空間中最大球。最大球定義為孔隙，相鄰連接的一系列球定義為喉道，將孔隙空間通過孔隙和喉道相連的網絡進行精確描述。進而可以計算每個網絡單元(孔隙或者喉道) 的特征參數，如半徑、體積、形狀因子等。通過網絡提取算法得到的孔隙網絡模型為接下來多相流動的快速和精確模擬提供基礎平臺。

圖1 基于CT掃描的數字巖心構建Fig.1 Digital core construction based on CT scan

在進行滲流模型模擬時，對模型作如下假設：①多孔介質中的流體不可壓縮且符合牛頓流體；②多相流體間不發生混相；③黏性壓力降很小、可以忽略不計；④流動由毛管力控制。由于該驅替過程發生在孔隙尺度上，因此通過活塞式驅替進行模擬。另外，由于考慮了潤濕滯后這一效應，使得模型對潤濕性的表征即使在孔隙尺度上也同樣有效。

驅替和自發吸入的滲吸過程，可以通過孔隙網絡模型模擬。只需將模型飽和某一流體，給定一個驅動壓差(PI-PO)，然后統計流體流量，由達西公式便可算得巖心的絕對滲透率，公式為

(1)

式(1)中：K為絕對滲透率，μm2；μi為i相流體的黏度，mPa·s；Qi為模型完全飽和i相流體時在模型所加壓差下的流量，cm3/s；A為模型截面積，cm2；L為長度，cm。

當確定了孔隙形狀與油水界面接觸角后，就可以計算出相應的毛細管力。由于數字巖心模型是通過規則的幾何形狀來表征孔隙空間的，因此對于各個孔隙孔喉，只需借助幾何知識進行計算求解便可得出其中油水分布的情況。計算模型整體的含水飽和度Sw則只需考慮所有孔隙孔喉，通過計算其中的油水量之后，可得

(2)

式(2)中：n為孔隙和孔喉的總數；Vi為i孔隙或孔喉的體積，cm3；Viw為對應的孔隙孔喉中含水的體積，cm3。

對于每一個孔隙，有流量守恒，即

(3)

式(3)中：Zi為與i孔隙相連的孔喉數，即配位數；qij為孔隙i和j之間的流量。

(4)

式(4)中：Lij為兩孔隙間的距離，cm；gij為兩孔隙間的總傳導率，它是兩孔隙和孔隙間孔喉的傳導系數的調和平均；Pi、Pj分別為由喉道相連的兩孔隙的壓力，MPa。

(5)

式(5)中：gij為i、j兩孔隙間的總傳導率，cm4/(MPa·s)；Lij為孔隙i和孔隙j間的距離，cm；Li、Lj、Lt分別為孔隙i、孔隙j和喉道t的長度，cm；gi、gj、gt分別為孔隙i、孔隙j和喉道t的傳導率，cm4/(MPa·s)。

對上述式子組成的線性方程組可用于網絡模型中所有的孔隙求解，進而算出各個孔隙間的壓力及流量。

1.2 室內滲吸實驗測試

滲吸實驗裝置主要包括巖心室、電子天平、巖心固定裝置、溫控系統、數據采集系統、升降臺(圖2)。實驗巖心通過巖心固架與精密電子天平相連，同時將電子天平所獲取的數據傳入數據采集系統，巖心和巖心固架位于巖心室內，巖心室、燒杯放置于帶有溫度控制系統的恒溫箱中。

圖2 儀器裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment

實驗過程如下。

(1)將選用的巖心對半切割重新測量長度、直徑、孔隙度及滲透率后，使用抽真空飽和實驗裝置抽真空并加壓飽和地層水，隨后置入巖心夾持器中，通過氣驅建立束縛水，通過稱量氣驅前后巖心質量計算束縛水飽和度及巖心中的飽和油量Vo。然后用模擬地層油飽和，飽和完畢老化24 h。

(2)用細銅絲纏繞巖心并將其懸掛在實驗裝置的天平正下方掛鉤上，并在其正下方的升降臺上放置裝有地層水的燒杯，通過調節銅絲長度和升降臺高度保持實驗時巖心完全浸泡在液體中部而不接觸杯壁。

(3)用秒表從巖心浸入液體的瞬間開始計時進行自吸實驗。記錄實驗時間與對應的巖心質量的變化情況，直至無油析出且巖心質量恒定則實驗結束。計算巖心的滲吸速度、滲吸采收率、自吸采油量，分別繪制其與時間的關系曲線。

采收率的計算公式為

(6)

式(6)中：m為巖心質量，g;ρw為巖心中束縛水的密度，g/cm3;ρo為巖心中飽和油的密度，g/cm3；Vo為巖心中飽和油量，mL；R為滲析采收率。

2 實驗結果與分析

2.1 數字巖心分析結果

選取松遼盆地某油田5塊巖心樣品掃描CT建立三維數字巖心模型(圖3)，并提取相應的孔隙網絡模型(圖4)?；跀底謳r心和孔隙網絡模型，可以對巖心的結構特征進行分析，如表1所示。

圖3 不同樣品的數字巖心模型Fig.3 Digital core models for different samples

圖4 不同樣品的孔隙網絡模型Fig.4 Pore network model of different samples

表1 樣品的物性參數Table 1 Physical parameters of samples

基于孔隙網絡模型，可以進行滲流模擬，孔隙空間中不同相流體之間的驅替可半解析地進行計算，通過表達式計算出不同形狀因子和尺寸的孔隙/喉道的毛管壓力閾值，給網絡單元分配不同的接觸角用來模擬不同的潤濕性。

對孔隙網絡中進行油水兩相滲流模擬，步驟如下：①設置模型，將其孔隙內充滿水，此時模型飽和水，模型強親水；②對模型油驅水至束縛水飽和度，過程中網絡模型的潤濕性會發生改變；③設置模型四周充滿水，模擬實驗室內的巖心浸泡自發滲吸實驗。在油驅水和水驅油過程中可計算油水驅替相對滲透率曲線和吸吮相對滲透率曲線。通過局部毛管力平衡，每一步驅替一個孔隙和喉道，進而計算出兩相或三相流中任意的飽和度變化。實驗中5個樣品計算出的束縛水飽和度，殘余油飽和度及滲吸采收率如表2所示。

2.2 室內滲吸實驗結果

孔隙度通過波義耳定律法測得，滲透率通過軸向流，巖心柱塞穩態法測得。滲吸實驗設定為地層溫度(60 ℃)，實驗流體為地層水與模擬地層原油(10.02、18.36 mPa·s)。實驗測定了該區塊的5塊天然巖心的孔隙度和滲透率。實驗結果如表3所示。

表2 樣品三維巖心模型計算結果Table 2 Calculation results of 3D core model of sample

由表3可知，地層溫度下的巖心自發滲吸采收率高于常溫條件下的巖心自發滲吸采收率，這主要是在高溫條件下，巖心的水濕性增強，巖心自吸水排油的能力增強，且巖心滲透率較高，孔喉較大，自吸水排油受到的阻力較小。

5塊巖心滲吸速度和滲吸采收率與時間的關系曲線如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，垂直懸掛的巖心最終自吸采收率比水平懸掛的巖心高，原因在于垂直放置時軸向滲透率大于切向滲透率，滲吸發生時軸向主要起到的重力分異作用明顯，產出油量大，采出程度高；水平放置的巖樣，水平滲透率大于垂向滲透率，這樣滲吸后排出油的方向只能由側向出，但不容易實現。在實驗過程中也發現，垂直懸掛的巖心原油主要從巖心頂端和側面析出，這主要是毛管力和重力分異的共同作用；水平懸掛的巖心原油主要從兩端和上部析出，這主要是毛管力的作用。

表3 巖心浸泡自發滲吸實驗Table 3 Core soaking spontaneous imbibition experiment

注：樣品(1)、樣品(2)均為原樣品對半切割；樣品1～樣品3為常溫下數據；樣品4、樣品5為60 ℃時數據。

圖5 樣品1～3巖心滲吸采收率與滲吸時間關系曲線(常溫)Fig.5 Relation curve between imbition oil recovery and imbibition time of core samples 1 to 3(room temperature)

圖6 樣品4、樣品5巖心滲吸采收率與滲吸時間關系曲線(60 ℃)Fig.6 Relation curve between EOR and imbibition time of core sample 4 and sample 5(60 ℃)

通過對比數字巖心結果與實驗結果可以看出：實驗室測量的孔隙度、滲透率略小于通過CT掃描所建立的數字巖心模型的孔隙度、滲透率，這種差異是由于實驗室測量時孔隙度為有效連通孔隙，而數字巖心所建立的模型為全部孔隙空間，包括一些死孔隙?？紤]滲透率時，數字巖心模型較實際巖心實驗更為理想，因而兩者皆略有差異。在計算滲吸過程后，數字巖心模型的滲吸采收率也略大于實驗組，誤差可能是由于數字巖心模擬滲吸過程沒有考慮老化時間對巖心的影響，而實際實驗室實驗中老化過程導致巖心潤濕性有一定改變。然而通過對比，仍可以認為數字巖心技術能較為準確地模擬巖心滲吸過程，這對于實際油藏考慮滲吸作用開發具有重要意義。通過數字巖心的建立，可以發現該油田巖石孔隙喉道多且細小，單純的水驅開發無法將孔隙中的殘余油采出，實驗中共做了5組巖心樣品對照，可以看出通過自發滲吸采油的采收率結果相近，綜合對比，與預期中該油田通過滲吸作用開發可有效增加產量相符合。

3 結論

(1)影響滲吸效率的因素復雜，各種因素起作用的條件各不相同，其中敏感性因素主要是巖石物性、原油性質、介質類型、溫度等。在自發滲吸過程的初期，由毛細管力占據主導影響因素，而重力作用對滲吸影響較小，但隨著自發滲吸過程的進行，重力作用的影響反而更加顯著。

(2)相同條件下，滲透率越低，毛管力越大，滲吸動力越強，但滲吸效率受巖塊大小、界面張力、黏滯阻力影響顯著。巖塊越小、原油黏度越低，滲吸采收率越高。毛細管壓力和重力是滲吸的主要驅動力，對于中高滲巖樣，毛管力較小，但重力分異作用發揮更充分。對低滲特低滲儲層在有利條件下(高角度裂縫)可獲得更高的采收率。

(3)數字巖心作為一種新型技術，研究表明對致密油藏的滲流機理研究有一定的運用潛力。模擬得到的滲透率、孔隙度參數與實驗室測量結果誤差較小，并且數字巖心技術提取的孔隙網絡模型與真實巖心相近，綜合推斷出數字巖心實驗的兩相滲流模擬結果較為真實可信。

(4)實驗結果與數字巖心模擬結果同時表明，自發滲吸作用效果受致密砂巖的孔喉半徑影響?？缀戆霃皆叫?，導致毛管力越大，因而滲吸時間增長，滲吸量增大。該結論對于研究油藏滲吸作用的機理有著重要意義，并為油田的增產開發提供思路。

(5)將低滲油藏作為研究對象，通過實驗室自發滲吸實驗與數字巖心技術的結合，研究低滲油藏的滲吸特性。由于低滲油藏大多存在自發滲吸作用，因此對于實際的開發現場，建議進行較長時間的悶井作業以促進滲吸作用，進而提高采收率。