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(北京提高采收率研究中心,北京昌平102249摘要:通過室內填砂管滲流實驗,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)實驗結果分析了其滲流機理。分析認為,膨脹性粘土的存在是影響低滲透油藏滲流特性的關鍵因素;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。研究結果為進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驗基礎。關鍵詞:粘土;低滲透;滲流特性;膨脹;注入方式中圖分類號:TE31

2、1文獻標識碼:A文章編號:1009-9603(200702-0089-04至2001年底,中國已探明未動用儲量共有35.4108,t 其中低滲透油藏儲量占62%1。因此,在目前中國石油后備儲量緊張的形勢下,進一步提高對低滲透儲層滲流規(guī)律的認識以及改善其開發(fā)效果具有重大的理論和實際意義。近幾十年,中外許多學者都對低滲透介質中的滲流規(guī)律進行了研究,發(fā)現(xiàn)了流速與水力梯度呈非線性比例關系和所謂的/啟動壓力梯度0現(xiàn)象2-3。一般來說,由于粘土礦物遇水膨脹、分散運移或溶解后生成二次沉淀等作用,儲層中的流動通道容易被堵塞,導致儲層巖石的平均滲透率下降;儲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)計了17135塊樣品的數(shù)據(jù)資料1,結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的低滲透巖心中的滲流特性。1 實驗材料與方法1.1 實驗材料實驗器材 包括填砂管(長度為50c m,內徑為2.5c m 、精密壓力表(精度為0.4MPa、量筒、氮氣瓶、中間容器、頁巖膨脹測試儀NP-O /A 。流體介質 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。實驗用礦物 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 實驗方法根據(jù)實驗方案配制不同濃度和類型的注入流體;將實驗用的各種礦物在120e 下烘干4h ,密閉放置,待用;把各種礦物按實驗方案的比例混合,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,按照實驗方案進行滲流實驗。在實際測量過程中,由于壓力和流量較小,需要很長一段時間才會逐漸趨近于一極值,因

5、此,須選取壓力和流量均穩(wěn)定時的數(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,在計算滲透率時,利用滲流曲線的直線段進行計算,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之一,以下簡稱為滲透率。2 實驗結果及分析實驗結果表明,當膨潤土的含量增大時,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(北京油氣田開發(fā)專業(yè)并獲碩士學位,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 ?；痦椖?國家

6、/9730專項之/提高低滲透油藏采收率的基礎理論研究0(2002CCA00700油 氣 地 質 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,當巖心中的粘土礦物含量達到5%時,就產生比較嚴重的水敏現(xiàn)象,表現(xiàn)為粘土礦物對巖心滲透率的影響已達到最大,當粘土礦物的含量大于5%時,巖心滲透率的下降幅度將逐漸減小。這與M oore5介紹的細粒砂巖中含水敏性粘土僅為1%4%時,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驗結論是基本相符的。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系,將由膨潤土膨脹實驗和含膨潤土巖心的滲流實驗所得到的數(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間單調遞增;含膨潤土巖心的滲透率隨測試時間先單調遞減,后趨于平穩(wěn)。由于巖心中粘土膨脹的動態(tài)特征與室內膨脹實驗所測粘土膨脹

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,并趨于一個穩(wěn)定值。在最初的時間區(qū)間內,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,對滲透率就會產生極大的影響,其主要機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,進行了對比性的滲流實驗。將相同比例的各種粘土礦物和石英砂填制成填砂管巖心,用蒸餾水進行滲流實驗。當3種粘土礦物含量均為5%時,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為是非膨脹性的粘土礦物,通過運移堵塞引起孔隙結構的變化6。由于整個實驗是一個不斷增壓的過程,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構強度變弱造成的。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,并產生運移。雖然這樣可以使平均孔隙半徑變大,但同時也增加了流動阻力,會堵塞喉道并使孔隙結構發(fā)生改變。最終,幾方面共同作用的結果是滲透率的增大。當流速增大到一定程度時,巖心中使流體流動的驅動力和流動阻力在混有高嶺石和伊利石的巖心滲流實驗中,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 與 采 收 率 2007年3月入高嶺石的巖心滲透率下降比較快,且當滲流速度大于0.1

11、c m /m i n 時,滲透率基本上不再下降,趨于一個穩(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,高嶺石的運移速度較快,并且在極低的流速下就可以運移,但這種影響持續(xù)時間較短,當流速增加到一個較小的值后(0.1c m /m i n ,其運移對滲透率產生的影響就趨于穩(wěn)定;而伊利石由于運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對滲流特性產生影響,使其巖心滲透率穩(wěn)定所需要的時間較長,并且滲流速度越大,由運移所導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一步地說明高嶺石和伊利石主要以運移產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移產生的。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到了低滲透油藏所要求的滲透率標準(5010-3L m 2,根據(jù)實驗數(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,分別進行滲流實驗(表2,用蒸餾水時,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,增大溶液中鹽的濃度也可以進一步地提高巖心的

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系,將膨潤土膨脹實驗和含膨潤土巖心的滲流實驗結果進行對比(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 濃度的增大單調遞減;含膨潤土巖心的滲透率隨NaC l 濃度的增大而單調遞增,當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,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,鹽濃度增大所導致粘土膨脹率的下降程度是有限的,但是其引起儲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,只要將粘土的膨脹率減小到適當?shù)闹?就會對油藏滲透率的改善產生非常大的影響。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,將會導致投入產出比較高。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層的滲透率。蒸餾水鹽水滲流實驗 由圖5可以看出,先注入蒸餾水時巖心滲透率的變化趨勢和后注入鹽水時巖心滲透率的變化趨勢基本一致。由于實驗是一個逐漸平衡的過程,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驗 在注入鹽水后再注蒸餾水進行滲流實驗的過程中,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,開始的流速較低,由于膨潤土的繼續(xù)膨脹會使?jié)B透率下降。但是隨著流速的增大,顆粒逐漸被剝離運移,導致滲透率略有增大,但是由于孔壁上仍吸附著一層強度較大的粘土水化膜11,不易被剪切剝離,以及顆粒的運移堵塞作用,故其滲透 率不能完全恢復到鹽水作用的狀態(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驗結果可以看出,若要對巖心或地層中的膨脹性粘土進行防膨處理時,不能在粘土膨脹后而應在之前進行防膨處理。在開發(fā)低滲透油藏時采用的注水開發(fā)方式,相當于先注入鹽水后注入蒸餾水。因為在油藏初始條件下,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,粘土就會迅速地膨脹起來,則會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,應先用防膨劑處理地層,再實施其他的開發(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,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,巖心滲透率最終下降的程度要小于膨潤土含量為2.5%時的,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,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 結論在巖心中只要膨潤土發(fā)生較小程度的膨脹,就會對巖心滲透率產生極大的影響,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極值(大于5%。在開發(fā)含膨脹性粘土較多的低滲透油藏時,可以通過提高注入壓力來改善地層的滲透率,提高注水量,但是存在一個最佳的注入壓力值。高嶺石和伊利石主要是通過運移堵塞對滲流特性產生影響,高嶺石的運移速度遠大于伊利石,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,鹽濃度增大所導致的粘土膨脹

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NaC l 溶液濃度大于某一值時(10000m g /L,地層滲透率的恢復程度較緩慢,即存在一個臨界濃度值。在巖心中的粘土完全膨脹后,再注入的鹽水段(下轉第95頁#92#油 氣 地 質 與 采 收 率 2007年3月4結論隨著生產時間的增加,井網(wǎng)最優(yōu)穿透比將減小,即水平井井段越長,初期產能越大,但是隨著含水率的迅速上升,其產油量反而有所下降。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)值模擬對比結果表明,應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化五點法水平井井網(wǎng)快速簡便而且具

21、有較高的精確性,可以有效地指導五點法水平井井網(wǎng)優(yōu)化設計。參考文獻:1韓清華,薜巨豐,張霞.水平井與直井結合開發(fā)營93斷塊中低滲透油藏J.油氣地質與采收率,2003,10(3:55-58.2劉利.埕島油田館陶組油藏開發(fā)調整技術政策研究J.油氣地質與采收率,2006,13(3:79-81.3郎兆新.水平井與直井聯(lián)合開采問題五點法面積井網(wǎng)J.石油大學學報:自然科學版,1990,11(4:50-55.4程林松.水平井五點法面積井網(wǎng)的研究及對比J.大慶石油地質與開發(fā),1994,13(4:27-31.5趙春森.水平井五點法矩形井網(wǎng)的產能計算及其優(yōu)化J.大慶石油學院學報,2000,24(3:24-25.6蔣

22、宗禮.人工神經(jīng)網(wǎng)絡導論M.北京:高等教育出版社,2001:1-10.7杜保東.人工神經(jīng)網(wǎng)絡識別抽油機井示功圖的研究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行防膨處理時,不能在粘土膨脹后再抑制,而應先進行防膨處理。參考文獻: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.低滲透儲層驅替特征J.油氣地質與采收率,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.油氣地質與采收率,2004,11(6:39-41.4Zou R P,Yu A B.