粘土礦物及流體對低滲透巖心滲流特性的影響

1、粘土礦物及流體對低滲透巖心滲流特性的影響王正波1,岳湘安2,韓 冬1(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京海淀100083;2.中國石油大學(xué)(北京提高采收率研究中心,北京昌平102249摘要:通過室內(nèi)填砂管滲流實(shí)驗(yàn),研究了不同粘土類型、不同粘土比例的低滲透巖心在不同流體注入方式下的滲流特性,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了其滲流機(jī)理。分析認(rèn)為,膨脹性粘土的存在是影響低滲透油藏滲流特性的關(guān)鍵因素;注入流體礦化度的差異和注入方式的變化,對粘土膨脹和抑制膨脹作用亦有影響。研究結(jié)果為進(jìn)一步研究低滲透油藏滲流特性,有效開發(fā)低滲透油藏奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:粘土;低滲透;滲流特性;膨脹;注入方式中圖分類號(hào):TE31

2、1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-9603(200702-0089-04至2001年底,中國已探明未動(dòng)用儲(chǔ)量共有35.4108,t 其中低滲透油藏儲(chǔ)量占62%1。因此,在目前中國石油后備儲(chǔ)量緊張的形勢下,進(jìn)一步提高對低滲透儲(chǔ)層滲流規(guī)律的認(rèn)識(shí)以及改善其開發(fā)效果具有重大的理論和實(shí)際意義。近幾十年,中外許多學(xué)者都對低滲透介質(zhì)中的滲流規(guī)律進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了流速與水力梯度呈非線性比例關(guān)系和所謂的/啟動(dòng)壓力梯度0現(xiàn)象2-3。一般來說,由于粘土礦物遇水膨脹、分散運(yùn)移或溶解后生成二次沉淀等作用,儲(chǔ)層中的流動(dòng)通道容易被堵塞,導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石的平均滲透率下降;儲(chǔ)層巖石的滲透率越低,粘土礦物對滲流特性的影響越大。李道

3、品等統(tǒng)計(jì)了17135塊樣品的數(shù)據(jù)資料1,結(jié)果顯示低滲透油層中粘土礦物的含量平均為8.91%,而其中蒙脫石、高嶺石和伊利石較為常見?？紤]到純蒙脫石購買困難,以膨潤土(蒙脫石含量大于85%、高嶺石和伊利石3種粘土為主要研究對象,研究了鹽水和蒸餾水在不同注入方式下,含有單組分粘土介質(zhì)的低滲透巖心中的滲流特性。1 實(shí)驗(yàn)材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)器材 包括填砂管(長度為50c m,內(nèi)徑為2.5c m 、精密壓力表(精度為0.4MPa、量筒、氮?dú)馄?、中間容器、頁巖膨脹測試儀NP-O /A 。流體介質(zhì) 包括蒸餾水;礦化度分別為5000,10000和40000m g /L 用蒸餾水配制的NaC l 溶液。

4、NaC l 為分析純試劑。各種溶液的p H 值均為7。實(shí)驗(yàn)用礦物 包括粒徑均為325目(平均粒徑約為0.042mm 的石英、長石、鈉基膨潤土、高嶺石粉和伊利石粉。1.2 實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案配制不同濃度和類型的注入流體;將實(shí)驗(yàn)用的各種礦物在120e 下烘干4h ,密閉放置,待用;把各種礦物按實(shí)驗(yàn)方案的比例混合,并以干式緊密填砂法4填入填砂管中;用真空泵將填砂巖心抽空4h ,飽和注入液,并測含水飽和度;將已飽和注入流體的填砂管放置在室溫中,并老化48h 以上;把填砂管、壓力表及中間容器連接好,按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際測量過程中,由于壓力和流量較小,需要很長一段時(shí)間才會(huì)逐漸趨近于一極值,因

5、此,須選取壓力和流量均穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值繪制滲流曲線。由于低滲透巖心滲流具有非線性的特點(diǎn),在計(jì)算滲透率時(shí),利用滲流曲線的直線段進(jìn)行計(jì)算,將得到的滲透率定義為極限滲透率,作為表征不同巖心滲流特性的主要指標(biāo)之一,以下簡稱為滲透率。2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)膨潤土的含量增大時(shí),巖心的收稿日期2006-11-15;改回日期2007-02-27。作者簡介:王正波,男,2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京油氣田開發(fā)專業(yè)并獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國石油勘探開發(fā)研究院采收率所油氣藏工程專業(yè)在讀博士研究生,從事提高采收率方面工作。聯(lián)系電話:132*,E -m ai:l w z b97163.co m ?；痦?xiàng)目:國家

6、/9730專項(xiàng)之/提高低滲透油藏采收率的基礎(chǔ)理論研究0(2002CCA00700油 氣 地 質(zhì) 與 采 收 率2007年3月 PETROLEUM GEOLOGY AND RECOVERY EFFI C I E NC Y 第14卷 第2期滲透率降低,即使注入液中有一定濃度的N a C l 存在,膨潤土含量對滲透率的影響也較大(表1。另外,當(dāng)巖心中的粘土礦物含量達(dá)到5%時(shí),就產(chǎn)生比較嚴(yán)重的水敏現(xiàn)象,表現(xiàn)為粘土礦物對巖心滲透率的影響已達(dá)到最大,當(dāng)粘土礦物的含量大于5%時(shí),巖心滲透率的下降幅度將逐漸減小。這與M oore5介紹的細(xì)粒砂巖中含水敏性粘土僅為1%4%時(shí),若注入與粘土礦物不配伍的流體,就可能

7、完全堵死油氣流通孔道的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是基本相符的。表1 膨潤土的含量對低滲透巖心滲流特性的影響方案12巖心組成,%石英砂膨潤土1000 955 97.5 2.5955 注入流體蒸餾水蒸餾水5000m g /L的N a C l 溶液5000m g /L 的N a C l 溶液4.84滲透率下降倍數(shù)100為了能夠清晰地反映膨潤土膨脹過程與含膨潤土巖心滲透率的變化過程之間的定性關(guān)系,將由膨潤土膨脹實(shí)驗(yàn)和含膨潤土巖心的滲流實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)繪于圖1中。由圖1可明顯看出,膨潤土的膨脹率隨測試時(shí)間單調(diào)遞增;含膨潤土巖心的滲透率隨測試時(shí)間先單調(diào)遞減,后趨于平穩(wěn)。由于巖心中粘土膨脹的動(dòng)態(tài)特征與室內(nèi)膨脹實(shí)驗(yàn)所測粘土膨脹

8、的變化規(guī)律是一致的,所以圖1中的膨潤土膨脹率 動(dòng)態(tài)曲線可以作為巖心中膨潤土膨脹的趨勢線。圖1 膨潤土的膨脹率對巖心滲透率的影響(325目長石+5%膨潤土綜合分析可知,隨著膨潤土膨脹率的增加,巖心滲透率急劇下降,并趨于一個(gè)穩(wěn)定值。在最初的時(shí)間區(qū)間內(nèi),含膨潤土巖心滲透率的下降梯度要比膨潤土膨脹率的增大梯度大得多。這說明在巖心中只要粘土發(fā)生較小程度的膨脹,對滲透率就會(huì)產(chǎn)生極大的影響,其主要機(jī)理就是粘土膨脹后使孔道尺寸減小,甚至將喉道堵塞,使?jié)B透率下降。2.2 粘土礦物類型對低滲透巖心滲流特性的影響不同的粘土類型對巖心滲流特性的影響也是有差異的,針對膨潤土、高嶺石和伊利石3種不同的粘土礦物對滲流特性的

9、影響,進(jìn)行了對比性的滲流實(shí)驗(yàn)。將相同比例的各種粘土礦物和石英砂填制成填砂管巖心,用蒸餾水進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)。當(dāng)3種粘土礦物含量均為5%時(shí),測得含膨潤土、伊利石和高嶺石的巖心滲透率分別為2.1410-3,106.1810-3和275.3610-3L m 2。比較滲透率值可看出,膨潤土對滲流特性產(chǎn)生的影響最為顯著,然后是伊利石,最后是高嶺石。高嶺石和伊利石被認(rèn)為是非膨脹性的粘土礦物,通過運(yùn)移堵塞引起孔隙結(jié)構(gòu)的變化6。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)不斷增壓的過程,所以巖心中的滲流速度也是不斷增大的(圖2。從圖2可見,隨著滲流速度的增大,巖心滲透率是單調(diào)遞增的,且增加的幅度逐漸減小,在滲流速度大于0.03c m /m

10、in 后, 滲透率趨于穩(wěn)定。圖2 膨潤土對滲流特性的影響雖然膨潤土膨脹使巖心的滲透率減小,但這是由膨脹后的粘土顆粒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)踉斐傻?。隨著滲流速度的不斷增加,孔道壁上粘附的粘土顆粒水化分散后將被破壞、剝離,并產(chǎn)生運(yùn)移。雖然這樣可以使平均孔隙半徑變大,但同時(shí)也增加了流動(dòng)阻力,會(huì)堵塞喉道并使孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。最終,幾方面共同作用的結(jié)果是滲透率的增大。當(dāng)流速增大到一定程度時(shí),巖心中使流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和流動(dòng)阻力在混有高嶺石和伊利石的巖心滲流實(shí)驗(yàn)中,隨著滲流速度的增加,滲透率都不斷地下降。其中混#90#油 氣 地 質(zhì) 與 采 收 率 2007年3月入高嶺石的巖心滲透率下降比較快,且當(dāng)滲流速度大于0.1

11、c m /m i n 時(shí),滲透率基本上不再下降,趨于一個(gè)穩(wěn)定的值,而含有伊利石的巖心滲透率隨著滲流速度的增加持續(xù)不斷地下降(圖3 。圖3 高嶺石和伊利石對滲流特性的影響從圖3可以較明顯地看出,高嶺石的運(yùn)移速度較快,并且在極低的流速下就可以運(yùn)移,但這種影響持續(xù)時(shí)間較短,當(dāng)流速增加到一個(gè)較小的值后(0.1c m /m i n ,其運(yùn)移對滲透率產(chǎn)生的影響就趨于穩(wěn)定;而伊利石由于運(yùn)移速度較慢或者是其在微孔道吸水引起水鎖7的綜合影響,可以在較大的流速范圍內(nèi)對滲流特性產(chǎn)生影響,使其巖心滲透率穩(wěn)定所需要的時(shí)間較長,并且滲流速度越大,由運(yùn)移所導(dǎo)致滲透率下降的幅度越大。比較圖3與圖2,可以看出不同粘土礦物的變化

12、趨勢明顯不同。圖3中曲線在整體趨勢上是不斷下降的,而圖2中所示曲線是不斷上升的。從這一比較上可以進(jìn)一步地說明高嶺石和伊利石主要以運(yùn)移產(chǎn)生堵塞為主來影響滲流特性,而膨潤土對滲流特性的影響是通過其在巖心中的膨脹分散以及被剝離運(yùn)移產(chǎn)生的。2.3 注入流體濃度對低滲透巖心滲流特性的影響注入液的濃度不同引起粘土礦物膨脹分散和運(yùn)移的程度亦不同。一般來說,注入液的濃度與地層水的礦化度差別越大,引起地層滲透率的變化就越嚴(yán)重8。由于以長石為主要礦物成分的填砂巖心的滲透率均達(dá)到了低滲透油藏所要求的滲透率標(biāo)準(zhǔn)(5010-3L m 2,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的滲流曲線很具有代表性,所以選用長石和5%的膨潤土混制成的填砂巖

13、心,用蒸餾水和濃度分別為5000,10000和40000mg /L 的N aC l 溶液做為注入液,分別進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)(表2,用蒸餾水時(shí),填砂巖心的孔隙度為44.28%,滲透率為0.7210-3L m 2。為了便于研究,將NaC l 溶液條件下的滲透率分別與蒸餾水條件下的滲透率的比值定義為滲透率比值。表2 N aC l 濃度對滲透率的影響Na C l 溶液的濃度/(m g #L -1孔隙度,%滲透率/10-3L m 2滲透率43.378.8812.33從表2中可以看出,溶液中鹽的存在可以抑制膨潤土的膨脹,使含膨潤土的低滲透巖心滲透率增大到9倍以上。同時(shí),增大溶液中鹽的濃度也可以進(jìn)一步地提高巖心的

14、滲透率,使巖心的滲流狀況有了極大的改觀。為了能夠清晰地反映在不同濃度鹽溶液的作用下粘土膨脹過程與含膨潤土巖心滲透率的變化過程之間的定性關(guān)系,將膨潤土膨脹實(shí)驗(yàn)和含膨潤土巖心的滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比(圖4 。圖4 巖心滲透率和膨潤土的膨脹率隨N aC l 濃度的變化由圖4可明顯地看出,膨潤土的膨脹率隨NaC l 濃度的增大單調(diào)遞減;含膨潤土巖心的滲透率隨NaC l 濃度的增大而單調(diào)遞增,當(dāng)N a C l 濃度大于10000m g /L 以后,滲透率趨于平穩(wěn)。這說明NaC l 溶液的濃度對含有膨潤土的低滲透巖心的滲流特性有一定的影響,并存在一個(gè)臨界濃度值。由滲透率與膨脹率變化的綜合分析可知,在低鹽濃度

15、區(qū)域內(nèi),含膨潤土巖心滲透率的增大梯度要比粘土膨脹率的減小梯度大得多。這說明,鹽濃度增大所導(dǎo)致粘土膨脹率的下降程度是有限的,但是其引起儲(chǔ)層中滲透率的改善卻非常明顯。因此,在對低滲透油藏采取防膨措施時(shí),只要將粘土的膨脹率減小到適當(dāng)?shù)闹?就會(huì)對油藏滲透率的改善產(chǎn)生非常大的影響。但如果持續(xù)采取措施降低粘土的膨脹率,雖有利于油藏滲流特性的改善,但是油藏滲透率增大的幅度已變小,將會(huì)導(dǎo)致投入產(chǎn)出比較高。2.4 注入方式對低滲透巖心滲流特性的影響在巖石礦物類型和含量與注入流體的類型和含量相同的情況下,注入方式的不同對低滲透巖心的滲流特性也造成了一定的影響,Jones 9和Sar kar 等10認(rèn)為,降低注入鹽

16、水的濃度可以在一定程度上#91# 第14卷 第2期 王正波等:粘土礦物及流體對低滲透巖心滲流特性的影響減小低滲透砂巖儲(chǔ)層的滲透率。蒸餾水鹽水滲流實(shí)驗(yàn) 由圖5可以看出,先注入蒸餾水時(shí)巖心滲透率的變化趨勢和后注入鹽水時(shí)巖心滲透率的變化趨勢基本一致。由于實(shí)驗(yàn)是一個(gè)逐漸平衡的過程,滲透率曲線最終穩(wěn)定在幾乎同一條水平線上。也就是說,在巖心中的粘土已經(jīng)完全膨脹后,再注入的鹽水段塞對粘土膨脹的抑制效 果很差。圖5 蒸餾水鹽水滲透率變化(325目石英+5%膨潤土鹽水蒸餾水滲流實(shí)驗(yàn) 在注入鹽水后再注蒸餾水進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)的過程中,巖心滲透率下降幅度較大,對滲流規(guī)律的影響較明顯(圖6。這是由于鹽水作用時(shí)已經(jīng)形成了具有

17、一定尺寸的滲流通道,再注入蒸餾水時(shí),開始的流速較低,由于膨潤土的繼續(xù)膨脹會(huì)使?jié)B透率下降。但是隨著流速的增大,顆粒逐漸被剝離運(yùn)移,導(dǎo)致滲透率略有增大,但是由于孔壁上仍吸附著一層強(qiáng)度較大的粘土水化膜11,不易被剪切剝離,以及顆粒的運(yùn)移堵塞作用,故其滲透 率不能完全恢復(fù)到鹽水作用的狀態(tài)。圖6 鹽水蒸餾水滲透率變化(325目石英+2.5%膨潤土比較2種注入方式下的滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,若要對巖心或地層中的膨脹性粘土進(jìn)行防膨處理時(shí),不能在粘土膨脹后而應(yīng)在之前進(jìn)行防膨處理。在開發(fā)低滲透油藏時(shí)采用的注水開發(fā)方式,相當(dāng)于先注入鹽水后注入蒸餾水。因?yàn)樵谟筒爻跏紬l件下,原始地層水的礦化度高,粘土有一定程度的膨脹。

18、開發(fā)時(shí)若不采取任何措施就先注清水或低礦化度鹽水,地層流體一旦被稀釋后,粘土就會(huì)迅速地膨脹起來,則會(huì)引起油藏滲透率的降低。如果粘土的膨脹已經(jīng)發(fā)生,就不能用提高注入水礦化度的方法來緩解粘土的膨脹并恢復(fù)地層的原始狀態(tài),尤其是對于粘土含量高的低滲透油藏,若要使其具有良好的滲流特性,應(yīng)先用防膨劑處理地層,再實(shí)施其他的開發(fā)措施。在相同的鹽濃度條件下,注入液體由鹽水變?yōu)檎麴s水時(shí),膨潤土含量不同的巖心所測滲透率下降的幅度也不同。膨潤土含量為5%時(shí),巖心滲透率最終下降的程度要小于膨潤土含量為2.5%時(shí)的,并且累積注入量也少了很多(圖7。說明膨潤土含量越高且?guī)r心滲透率越低時(shí),通過改變注入方式來 影響巖心的滲流特性

19、就越困難。圖7 鹽水蒸餾水滲透率變化(325目石英+5%膨潤土3 結(jié)論在巖心中只要膨潤土發(fā)生較小程度的膨脹,就會(huì)對巖心滲透率產(chǎn)生極大的影響,即便在注入方式變化的條件下,膨潤土含量對滲流特性的影響仍然存在一個(gè)極值(大于5%。在開發(fā)含膨脹性粘土較多的低滲透油藏時(shí),可以通過提高注入壓力來改善地層的滲透率,提高注水量,但是存在一個(gè)最佳的注入壓力值。高嶺石和伊利石主要是通過運(yùn)移堵塞對滲流特性產(chǎn)生影響,高嶺石的運(yùn)移速度遠(yuǎn)大于伊利石,使地層滲透率下降得較快;但從對地層滲透率的影響程度上比較,最終含伊利石的巖心滲透率下降幅度較大,而含膨潤土的巖心滲透率下降幅度最大。在低鹽濃度區(qū)域內(nèi),鹽濃度增大所導(dǎo)致的粘土膨脹

20、率的下降程度有限,但是其引起的地層滲透率的改善卻非常明顯。當(dāng)NaC l 溶液濃度大于某一值時(shí)(10000m g /L,地層滲透率的恢復(fù)程度較緩慢,即存在一個(gè)臨界濃度值。在巖心中的粘土完全膨脹后,再注入的鹽水段(下轉(zhuǎn)第95頁#92#油 氣 地 質(zhì) 與 采 收 率 2007年3月4結(jié)論隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加,井網(wǎng)最優(yōu)穿透比將減小,即水平井井段越長,初期產(chǎn)能越大,但是隨著含水率的迅速上升,其產(chǎn)油量反而有所下降。井網(wǎng)面積增大,最優(yōu)井網(wǎng)穿透比增大。井網(wǎng)穿透比相同的情況下,隨著井網(wǎng)面積的增大,累積產(chǎn)油量不斷增大,但是增大的幅度逐漸減小。與數(shù)值模擬對比結(jié)果表明,應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化五點(diǎn)法水平井井網(wǎng)快速簡便而且具

21、有較高的精確性,可以有效地指導(dǎo)五點(diǎn)法水平井井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn):1韓清華,薜巨豐,張霞.水平井與直井結(jié)合開發(fā)營93斷塊中低滲透油藏J.油氣地質(zhì)與采收率,2003,10(3:55-58.2劉利.埕島油田館陶組油藏開發(fā)調(diào)整技術(shù)政策研究J.油氣地質(zhì)與采收率,2006,13(3:79-81.3郎兆新.水平井與直井聯(lián)合開采問題五點(diǎn)法面積井網(wǎng)J.石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1990,11(4:50-55.4程林松.水平井五點(diǎn)法面積井網(wǎng)的研究及對比J.大慶石油地質(zhì)與開發(fā),1994,13(4:27-31.5趙春森.水平井五點(diǎn)法矩形井網(wǎng)的產(chǎn)能計(jì)算及其優(yōu)化J.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2000,24(3:24-25.6蔣

22、宗禮.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)論M.北京:高等教育出版社,2001:1-10.7杜保東.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別抽油機(jī)井示功圖的研究J.油氣井測試,1998,7(1:27-29.編輯劉北羿(上接第92頁塞對粘土膨脹的抑制效果很差。因此,若要對巖心或地層中的膨脹性粘土進(jìn)行防膨處理時(shí),不能在粘土膨脹后再抑制,而應(yīng)先進(jìn)行防膨處理。參考文獻(xiàn):1李道品.低滲透砂巖油田開發(fā)M.北京:石油工業(yè)出版社,1997:34-39.2李東霞,蘇玉亮,李成平.低滲透儲(chǔ)層驅(qū)替特征J.油氣地質(zhì)與采收率,2006,13(4:65-67.3劉中春,岳湘安,王正波.低滲透油藏巖石物性對滲流的影響分析J.油氣地質(zhì)與采收率,2004,11(6:39-41.4Zou R P,Yu A B.