低渗透油藏渗吸开采机理研究

第1章 绪论 1.1 渗吸的概念 渗吸现象是一个非常复杂的现象，渗吸速度与强度受岩块的几何形态、物性特征（孔隙度、渗透率、润湿性和毛管力等）、流体的特性（密度、黏度、界面张力）、热动力条件、原始饱和度、边界条件、裂缝特性、注入速度等因素影响。油藏的岩石是亲水的，当水沿着次生孔隙系统侵入油藏时，依靠毛管自吸作用就能把油从低渗透基质中驱替出来。同时，水将沿着直径较小的孔隙侵入基质岩块中，然后油沿着较大的孔隙被驱替出来，驱替效率（原油采收率）取决于孔隙的空间结构、岩块大小及地层条件下原油和驱油的水的性质。当基质渗透率很低时，以毛管自吸作用为基础的油藏开发方式，从实践的观点来看是可行的。在裂缝-基质油层中，水沿裂缝朝前运动，结果是饱和油的基质被水包围，将发生多孔基质的三维毛管渗吸作用，如果这种油层的多孔基质不具有渗透性，此时的毛管自吸作用将起决定性的作用。另外随着渗吸的进行，岩心中饱和度发生变化，引起毛管力梯度变化，改变了渗吸速度，实际油层中在饱和度分布、非均质性、润湿性等多方面因素综合作用下产生毛管力梯度，从而引起对流吸渗过程。 岩石的润湿性和渗透率影响着基质排油的速度，而注入速度和裂缝渗透率则影响着渗吸排油的效率；不同润湿性的岩石，其渗吸排油能力也是不同的。对于亲水性较强的岩石，其渗吸排油能力较强、排油快，对这种岩石可以采用较快的采油速度进行开采；对于亲水性较弱的岩石，排油能力差、排油慢，为使渗吸排油尽可能充分，*好采用较慢的采油速度进行开采；对于渗透率较低的岩石，由于其渗吸排油速度慢，应适当降低采油速度；对渗透率较高的岩石，可适当加快采油速度，这样既可以获得较高的采收率，又能缩短开采时间。实验分析表明动态渗吸是一个连续过程，在不同的阶段各种作用力贡献率不同。 渗吸采油作为裂缝性油藏的重要二次采油机理是在20世纪50年代初在美国得克萨斯州的斯普拉柏雷油田砂岩粉砂岩裂缝性油田被首次发现的。该油田初期原油产量很高，但是油井产量很快急剧下降，油田原油一次采油采收率很低。因此，油田工程师开始研究可行的低渗透裂缝油藏二次采油措施，发展了采用渗吸驱替的采油方法。国内外油田开发实践表明，裂缝性油藏地层通常为水湿油层，充分发挥毛管力渗吸作用在一定条件下可成为一种开采这类油层的可能有效方式，对于水湿裂缝性储层，毛管力渗吸作用可以把原油从低渗透的基质岩块置换到高渗透裂缝中。 1.2 国内外渗吸研究进展 1958年，Aronofsky等[1]进行了岩心渗吸实验，他们将岩心浸泡于不同高度的油相中，并且分析了油水界面高度与渗吸采出程度之间的关系。单块岩心的原油采收率随时间呈指数下降关系，从而建立了Aronofsky渗吸模型。 1960年，Handy[2]基于砂岩渗吸动力学进行了分析与实验，研究在毛管力、浮力和黏性力控制下的渗吸极限及垂向上发生位移，研究发现可以用扩散型方程或正向推进方程来描述渗吸现象。 1962年，Mattax和Kyte[3]综合考虑了渗吸实验中流体性质和岩心参数对渗吸驱油效率的影响，提出了M-K自吸采出程度标定方程，定义了无因次渗吸时间，并表明无因次渗吸时间（TD1）取决于基质几何形状和流体的物性。 1978年，DuPrey[4]试验了重力和毛管力之间的平衡（基于表面张力的影响，他确定了一个无量纲量，即* ，其中B为邦德数，ρ为流体密度，r为毛管半径， 为界面张力），将毛管力（毛管入口压力的测量值）与重力（长度为H的重力压头）的比率称为 ，当 较大时，毛管力支配流动，当 接近0时，重力支配流动。 1990年，Cuiec等[5]使用白垩系样品对低渗透率多孔介质在不同界面张力值时对油的自然渗吸进行了大量试验研究。他们发现降低渗吸盐水相和油相间的界面张力减缓采油速度，符合Mattax和Kyte的理论，他们的试验结果表明随表面张力的降低，*终采收率升高。 1991年，Schechter等[6]通过实验数据与理论推导相结合，分析了毛管力作为主要驱动力时的自发渗吸与重力作为主要驱动力时的自发渗吸。在毛管力与重力交点处存在*佳的界面张力使得毛管力与重力同时贡献，此时基质渗吸达到*快渗吸速度；在低界面张力体系中重力控制下的顺向渗吸，由于节流机制的抑制，总采收率可能会很高；在高渗透砂岩中，通过降低界面张力可实现驱动力由毛管力向重力的转变；由于界面张力梯度的作用，非稳态渗吸或许可以极大地提升渗吸速度。 1992年，Cruz-Hernandez和Perez-Rosales[7]基于渗吸现象是一种扩散现象的假设，运用扩散方程建立了相应的解析模型，并在此基础上结合贝雷（Berea）砂岩实验验证了模型的准确性，该模型可有效预测裂缝性油藏注水开发效果。 1993年，Keijer和Vries[8]公布了用贝雷砂岩进行试验的结果。他们发现降低界面张力对*终采收率无影响，但对渗吸速度有一些影响。他们发现把界面张力降低为原来的1/12，表面活性剂溶液以1/2水渗吸速度吸渗，把界面张力降低到原来的1/3000，表面活性剂溶液以1/5水渗吸速度被渗吸。这表明驱动力与界面张力不呈一定的比例关系。在分析低界面张力流动时大多忽略了重力驱动流动的影响。 1994年，Schechter等[9]研究表明，当界面张力和 适度低时，重力和毛管力都是重要的，并且在油/水/乙醇体系中，当 被减小时，存在一种从毛管力控制的流动到重力控制的流动的过渡。他们研究表明，对具有低渗透率（15×10?3μm2）且润湿相和非润湿相之间的界面张力高的试验，毛管作用启动对流渗吸并且从侧面产出油，在中等界面张力时，发现油滴即从侧面、顶面排出岩心。尽管发生渗吸更缓慢，*终采收率略高于高界面张力时的情形。在低界面张力时，总产油量存在实质性提高，但完成渗吸需要比高或中等界面张力流体渗吸更长时间。 1994年，Babadagli[10]通过将室内实验与数值模拟技术相结合，确定了渗吸的注入速度以及毛管力的大小。裂缝形态成为基质饱和分布的有效参数，然而随着速率的降低，无论裂缝形态如何变化，裂缝-基质系统都将表现出均质性。 1995年，Zeybek等[11]采用数值模拟技术研究了渗透率、润湿性及非均质性对逆向、顺向渗吸效果的影响，并强调了流动状态以及边界条件的重要性。 1995年，Zhou等[12]研究了原油的搁置时间和温度对水渗吸驱油及*终采收率的影响，发现随搁置时间的增加和温度的升高，短期渗吸速率出现系统性减小；实验原油的轻烃蒸发以后，原油改变*初水湿砂岩润湿性的能力有轻微提高；对弱水湿岩心来说，可以观察到由长期自然渗吸而引起的高采收率。 1996年，Al-Lawati和Saleh[13]研究了由自然渗吸和重力分离所引起的减小的界面张力对采收率的影响。一方面，由表面活性剂溶液渗吸过程控制的静态渗吸通过降低油和渗吸流体的表面力采出残余油；另一方面，通过降低界面张力，导致渗吸的毛管力减小。试验中基质岩块被渗吸流体所包围，静态渗吸实验结果表明，提高*终采收率需要*小的邦德数。然而，界面张力的减小可以提高或降低渗吸速度实质上取决于毛管力和重力的相对贡献。用四种不同的表面活性剂溶液（不同的界面张力）在三个渗透率范围内进行试验的结果表明，在三种不同的状态时发生吸渗：毛管力占支配地位，重力占支配地位，两种都影响渗吸过程。 1996年和1997年，Zhang等[14]和Ma等[15]在考虑边界条件、黏度等影响因素的情况下，使用无因次渗吸时间tD取代了渗吸时间t，从而提出了无因次采出模型： ， 为无因次采收率，tD无因次时间， 为产油量递减常数。 1998年，傅秀娟和阎存章[16]利用美国SSI公司的COMP模拟软件，研究了润湿性、基质渗透率、裂缝渗透率和注入速度对渗吸排油过程的影响。研究结果表明，岩石的润湿性和渗透率影响着基质排油的速度，而注入速度和裂缝渗透率则影响着渗吸排油的效率；不同润湿性的岩石，其渗吸排油能力也是不同的。对于亲水性较强的岩石，其渗吸排油能力较强、排油快，对这种岩石可以采用较快的采油速度进行开采：对于亲水性较弱的岩石，排油能力差，为使渗吸排油尽可能地充分，*好采用较慢的采油速度进行开采；对于渗透率较低的岩石，由于其渗吸排油速度慢，应适当降低采油速度；对渗透率较高的岩石，可适当加大采油速度，这样既可以获得较高的采收率，又能缩短开采时间。但傅秀娟和阎存章没有给出有关采油速度的临界值。 1998年，鄢捷年[17]在尽可能消除其他影响因素的情况下，在前人工作的基础上，采用更为合理的实验条件，使用Amott方法定量地评价了贝雷砂岩的润湿性对注水过程中驱油效率的影响，进一步确认油藏岩石的润湿性与油井注水过程中驱油效率的关系。研究结果表明，贝雷砂岩原有的强亲水性随原油沥青质吸附量的增加而逐渐减弱；对于经原油沥青质吸附的弱水湿岩样，其*终驱油效率明显高于强水湿岩样，当Amott润湿指数在0.2左右时，可获得*高的*终驱油效率。 1999年，张红玲[18]对裂缝性油藏建立了以毛管自吸为主要采油机理的数学模型，并对影响裂缝性油藏采出程度的敏感参数进行研究，通过计算得出渗吸模型的输入参数对采出程度影响的敏感程度排序为：表面温度、裂缝密度、毛管力曲线指数、渗透率、原油黏度和相渗关系。对于等温渗流过程，裂缝密度是影响采出程度的主要因素，裂缝密度越大，基质岩块的体积越小，流体渗吸过流断面减小，渗吸速度加快，因此裂缝系统比较发育的碳酸盐岩油藏，采出程度较高。 1999年，Lee和Kang[19]对具有变化孔径的裂缝中的对流渗吸采收率进行了试验研究，利用统计参数，如平均数、变化系数、斜率和各项异性比率来描述裂缝的形态。结果表明，裂缝的形态与水注入速度一样对采收率有显著影响。当变化系数和斜率升高时，总的采油效率下降。各向异性比率与变化系数一样显著影响注入水的突破时间和总的采收率。在更低的各项异性比率（如小于1）时，发现了早期突破和较低的采收率。当注入速度加快时，统计参数的影响是显著的。如果注入水的流动速度和基质特性是相同的，不管裂缝形态如何，渗吸速度是相同的。 2000年，周娟等[20]使用二维玻璃微模型研究了强水湿条件下裂缝油藏不同形态的裂缝、裂缝方向性等水驱油时油水运移的渗流机理，并且利用图像分析法定量研究了裂缝油藏微模型中不同的静水压力对水驱油效果的影响。研究发现，裂缝的形态、方向和密度对水驱油渗流机理有显著的影响。 2001年，Babadagli[21]研究了标度模型在不同形状大小和不同边界条件下Berea砂岩的适用性。2004年，Standnes[22]通过实验系统地研究了正向和逆向渗吸条件下，边界条件和样品形状对渗吸的影响。边界条件包括全部开启（all face open，AFO）、两端开启（two ends open，TEO）、两端封闭（two ends close，TEC）和一端开启（one end open，OEO）边界条件等。研究结果表明：标度模型无法应用于不规则形状的岩石，岩石与润湿相流体接触面积对渗吸速度影响较大而对采收率影响不大。 2001年，杨正明等[23]通过自发渗吸实验研究了岩心与裂缝接触面积、边界条件、初始含油饱和度等因素对低渗透裂缝性砂岩油藏渗吸的影响。结合核磁共振对驱替渗吸实验中含油孔径分布进行研究发现，在含微裂缝的储层岩心中，将小孔隙渗吸驱油与大孔隙驱替排油相结合可得到较好的驱油效果。 2003年，华方奇等[24]介绍了一种新的渗吸设备，利用这种设备研究了低渗透岩心反向渗吸规律。利用X射线（X-Ray）变化度检测仪，研究了岩心长度对反向渗吸动态、*终渗吸采收率的影响，以及渗吸过程中不同阶段岩心中含水变化度的变化过程。研究得出如下结论：反向渗吸是裂缝性低渗透砂岩油藏的主要采油机理；由于低渗透油藏的特点，毛管力作用的有效性受到限制，渗吸缓慢