鄂爾多斯盆地三疊系超低滲流流體啟動(dòng)壓力梯度研究

鄂爾多斯盆地三疊系超低滲流流體啟動(dòng)壓力梯度研究

中國(guó)科學(xué)家普遍認(rèn)為，極性液體或原油受到巖石表面地殼分子效應(yīng)的影響，并形成邊界層。尤其在超低滲巖石(滲透率≤10-3μm2)中,由于孔隙開(kāi)度小(≤1μm),比表面大,會(huì)導(dǎo)致邊界層對(duì)滲流的影響較大,只有附加一個(gè)壓力梯度,才能破壞邊界層開(kāi)始流動(dòng)。這個(gè)附加的壓力梯度通常被稱為啟動(dòng)壓力梯度,它是由單相飽和滲流流體(鹽水或地層水)與地層巖石孔隙壁面的作用力所導(dǎo)致的。國(guó)外學(xué)者普遍認(rèn)為,非飽和滲流和單相非牛頓流體在多孔介質(zhì)中滲流時(shí)才存在啟動(dòng)壓力梯度;單相牛頓流體(鹽水、地層水)在致密巖石(滲透率≤10-6μm2)中的滲流并不存在啟動(dòng)壓力梯度。筆者用鄂爾多斯盆地三疊系超低滲露頭全直徑巖心,研究了超低滲單相標(biāo)準(zhǔn)鹽水、煤油和原油在超低滲巖心中滲流的啟動(dòng)壓力特征。1非穩(wěn)態(tài)法啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試(1)實(shí)驗(yàn)原理室內(nèi)一般采用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定超低滲飽和滲流曲線,但是由于巖心橫斷面面積相對(duì)較小,在地層壓力梯度條件下很難精確測(cè)量巖心出口端流量。即便是采用全直徑巖心,也需要一周左右的時(shí)間才能完成滲流曲線的測(cè)試。但是在低壓力梯度條件下(≤0.005MPa/m),全直徑巖心的流量也相對(duì)較小(≤0.05μL/min),液體的蒸發(fā)和揮發(fā)以及實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差都可以導(dǎo)致滲流曲線出現(xiàn)啟動(dòng)壓力梯度現(xiàn)象。當(dāng)巖心滲流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后(巖心兩端壓差在1.38kPa以內(nèi),流量波動(dòng)范圍小于1%),關(guān)閉巖心出口端閥門,同時(shí)保持巖心入口端恒壓。在壓差條件下,巖心出口端將有流體流入下游端死體積(管線死體積6.4~6.5mL),由于出口端死體積部分閥門關(guān)閉,因此出口端管線死體積部分壓力將逐漸增加,因?yàn)橐后w壓縮系數(shù)小(2×10-4~6×10-4MPa-1),所以即便有微小流量(10-6~10-7mL/min)從巖心出口端端面流出,也可以導(dǎo)致10kPa左右的壓力變化。因此,采用非穩(wěn)態(tài)法完全可以通過(guò)巖心兩端的壓差變化來(lái)判斷是否存在啟動(dòng)壓力梯度。如果超低滲飽和滲流存在啟動(dòng)壓力梯度,那么巖心下游端壓力將永遠(yuǎn)低于巖心上游端壓力。相反,如果一定時(shí)間后巖心兩端壓差為0,那么就可以說(shuō)明超低滲飽和滲流不存在真實(shí)的啟動(dòng)壓力梯度。非穩(wěn)態(tài)法啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試流程見(jiàn)圖1.(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與性能本文開(kāi)展的滲流實(shí)驗(yàn)是在美國(guó)巖心公司提供的AutofloodTM(AFS300TM)驅(qū)替評(píng)價(jià)系統(tǒng)上完成的,該系統(tǒng)包括壓力制動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)?；貕合到y(tǒng)、圍壓系統(tǒng)是通過(guò)高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵(TELEDYNEISCO100-DX)以恒壓模式控制。注入驅(qū)替系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可以設(shè)置為恒流速或恒壓驅(qū)替模式。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)在對(duì)系統(tǒng)各部分壓力自動(dòng)采集的同時(shí),能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒流速和恒壓驅(qū)替模式,并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。泵流量為0.01~50000μL/min(壓力不高于68950kPa),流速精度±0.3%(最大密封泄漏為0.25μL/min)。流速顯示最小流量為0.01μL/min,恒壓模式下能達(dá)到1.0μL/min.實(shí)驗(yàn)用三軸巖心夾持器。夾持器在測(cè)試壓力為103350kPa條件下測(cè)試4個(gè)小時(shí)無(wú)滲漏跡象,工作壓力為68900kPa,工作溫度為5~150℃.實(shí)驗(yàn)采用壓力傳感器為DXDSeries-PrecisionDigitalPressureTransducer.在10~30℃條件下,測(cè)試精度為±0.02%;在0~50℃條件下,測(cè)試精度為±0.04%,壓力顯示解析度為6.89kPa.為更精確采集到巖心兩端的壓差,實(shí)驗(yàn)室采用了3個(gè)不同量程的高線性壓差傳感器(VALIDYNE):0~55.12kPa,0~861.25kPa,0~2239.25kPa,壓差精度±0.5%.為保證巖心中滲流為單向流,在實(shí)驗(yàn)室采用美國(guó)Temco公司生產(chǎn)的BP-100空氣彈簧回壓閥(AirSpringsBPR),用來(lái)增加孔隙壓力將巖心中游離氣體溶解在測(cè)試液體中,保證巖心中的滲流為單向滲流。該回壓閥測(cè)試壓力為103350kPa,工作壓力為68900kPa,工作最高溫度為177℃。為了盡量達(dá)到恒壓差驅(qū)替,實(shí)驗(yàn)室采用高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵(TELEDYNEISCO100-DX)控制回壓閥。(3)實(shí)驗(yàn)步驟巖心實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.為了防止管線中的氣體或氣泡對(duì)滲流的影響,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始以前,采用實(shí)驗(yàn)流體,以0.5mL/min的驅(qū)替速度,先將巖心上、下游端的死體積排空。為消除超低滲巖心末端效應(yīng),并且保證巖心中的滲流為單相飽和(在實(shí)驗(yàn)室很難將巖心100%飽和,一般飽和度為85%~90%,因此巖心中存在一定的氣體或氣泡,直接導(dǎo)致巖心孔隙中產(chǎn)生氣水界面,形成毛管壓力)。采用回壓閥控制巖心下游端壓力,并設(shè)置回壓為3445kPa(根據(jù)亨利定律計(jì)算,在3445kPa的孔隙壓力下,孔隙中10%~15%的氣體可以溶解在85%~90%的液體中)。當(dāng)滲流達(dá)到穩(wěn)定后,關(guān)閉巖心出口端閥門,并記錄巖心出口端壓力隨時(shí)間的變化。2結(jié)果2.1啟動(dòng)壓力梯度測(cè)定采用高精度多級(jí)柱塞驅(qū)替泵(TELEDYNEIS-CO100-DX)通過(guò)BP100空氣彈簧回壓閥控制巖心出口端壓力,恒定巖心上游端壓力,使其在恒壓差條件下形成穩(wěn)定滲流(巖心兩端壓差在1.38kPa以內(nèi),流量波動(dòng)范圍小于1%),然后關(guān)閉巖心下游端閥門,記錄巖心下游端壓力隨時(shí)間的變化情況,同時(shí)利用壓差傳感器記錄巖心兩端的壓差變化情況(圖2、圖3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于超低滲單相標(biāo)準(zhǔn)鹽水(室溫條件下黏度為1.32mPa·s,密度等于1.06g/cm3)滲流,巖心中的流體在壓差條件下逐漸流入巖心出口端死體積內(nèi)(巖心出口端端面到下游端閥門有一段管線,其體積大約6.4~6.5mL),導(dǎo)致巖心下游端壓力增加,并逐漸與巖心上游端壓力相等,最終上下游壓差在-0.5~+0.5kPa左右波動(dòng),說(shuō)明兩端壓差為0(圖2、圖3)。從下游端壓力上升特征可以說(shuō)明,即便是在超低滲巖心中,只要巖心兩端有壓差,就會(huì)有流量,直到巖心上、下游壓力相等(壓差為0kPa)。因此說(shuō)明超低滲巖心單相標(biāo)準(zhǔn)鹽水滲流并不存在明顯的啟動(dòng)壓力梯度。即也說(shuō)明超低滲巖心孔隙表面與標(biāo)準(zhǔn)鹽水作用力不會(huì)導(dǎo)致明顯的啟動(dòng)壓力特征。2.2巖心下游壓力上升單相煤油非穩(wěn)態(tài)滲流的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法與單相鹽水滲流相同,且滲流特征曲線的形態(tài)與圖2、圖3相似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明:對(duì)于超低滲單相煤油(室溫條件下粘度為1.52mPa·s,密度為0.798g/cm3)滲流,巖心中的流體在壓差條件下逐漸流入巖心出口端死體積內(nèi),導(dǎo)致巖心下游端壓力增加,并最終在-0.689~+0.689kPa左右波動(dòng),即巖心上游端壓力相等,說(shuō)明兩端壓差為0。下游端壓力上升特征也可以說(shuō)明:即便是在超低滲巖心中,只要巖心兩端有壓差,就會(huì)有流量,直到巖心上、下游壓力相等(壓差為0),這與標(biāo)準(zhǔn)鹽水作為滲流介質(zhì)相同。因此說(shuō)明超低滲巖心單相煤油滲流并不存在明顯的啟動(dòng)壓力梯度;也說(shuō)明超低滲巖心孔隙表面與煤油作用力不會(huì)導(dǎo)致明顯的啟動(dòng)壓力特征。2.3減少啟動(dòng)壓力的方法單相原油非穩(wěn)態(tài)(室溫下原油黏度為3.88mPa·s,密度為0.816mg/cm3)的實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法和單相鹽水滲流相同,且滲流特征曲線的形態(tài)與圖2、圖3相似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,對(duì)于超低滲單相原油滲流,巖心中的流體在壓差條件下逐漸流入巖心出口端死體積內(nèi),導(dǎo)致巖心出口端死體積部分流體壓力增加,巖心上下游壓差降低,最終在0附近波動(dòng)。下游端壓力上升特征也可以說(shuō)明:即便是在超低滲巖心中,只要巖心兩端有壓差,就會(huì)有流量,直到巖心上、下游壓力相等(壓差為0),這與標(biāo)準(zhǔn)鹽水、煤油作為滲流介質(zhì)相同。因此說(shuō)明超低滲巖心單相原油滲流并不存在明顯的啟動(dòng)壓力梯度。即說(shuō)明超低滲巖心孔隙表面與原油作用力不會(huì)導(dǎo)致明顯的啟動(dòng)壓力特征。由單相原油非穩(wěn)態(tài)滲流特征曲線表明:TJH4-A巖心滲透率低(滲透率0.01×10-3μm2),導(dǎo)壓系數(shù)遠(yuǎn)小于巖心JJL2-3,導(dǎo)致超低滲巖心TJH4-A的下游端壓力恢復(fù)時(shí)間為100min遠(yuǎn)長(zhǎng)于JJL2-3巖心下游端壓力恢復(fù)時(shí)間10min.在超低滲單相牛頓流體飽和滲流過(guò)程中,由于滲流端面很小(2.5cm直徑巖心),在地層壓力梯度條件下出口端流量非常小(通常小于0.05μL/min)。還要考慮在實(shí)驗(yàn)室溫度條件下,流體揮發(fā)(煤油)、蒸發(fā)(標(biāo)準(zhǔn)鹽水)對(duì)巖心出口端累計(jì)體積的影響,因此要在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得精確的流量非常困難。但是如果采用恒定巖心上