粘土矿物及流体对低渗透岩心渗流特性的影响.doc

粘土矿物及流体对低渗透岩心渗流特性的影响 王正波1 ,岳湘安2 ,韩 冬 1 1.中国石油勘探开发研究院,北京海淀100083;2.中国石油大学北京提高采收率研究中心,北京昌平102249摘要通过室内填砂管渗流实验,研究了不同粘土类型、不同粘土比例的低渗透岩心在不同流体注入方式下的渗流特性,并根据实验结果分析了其渗流机理。分析认为,膨胀性粘土的存在是影响低渗透油藏渗流特性的关键因素;注入流体矿化度的差异和注入方式的变化,对粘土膨胀和抑制膨胀作用亦有影响。研究结果为进一步研究低渗透油藏渗流特性,有效开发低渗透油藏奠定了一定的实验基础。关键词粘土;低渗透;渗流特性;膨胀;注入方式中图分类号TE311 文献标识码A 文章编号1009-9603200702-0089-04 至2001年底,中国已探明未动用储量共有35.4108 ,t 其中低渗透油藏储量占62[1] 。因此,在目前中国石油后备储量紧张的形势下,进一步提高对低渗透储层渗流规律的认识以及改善其开发效果具有重大的理论和实际意义。近几十年,中外许多学者都对低渗透介质中的渗流规律进行了研究,发现了流速与水力梯度呈非线性比例关系和所谓的/启动压力梯度0现象 [2-3] 。一般来说,由于粘土矿物遇 水膨胀、分散运移或溶解后生成二次沉淀等作用,储层中的流动通道容易被堵塞,导致储层岩石的平均渗透率下降;储层岩石的渗透率越低,粘土矿物对渗流特性的影响越大。李道品等统计了17135块样品的数据资料[1] ,结果显示低渗透油层中粘土矿物的含量平均为8.91,而其中蒙脱石、高岭石和伊利石较为常见。考虑到纯蒙脱石购买困难,以膨润土蒙脱石含量大于85、高岭石和伊利石3种粘土为主要研究对象,研究了盐水和蒸馏水在不同注入方式下,含有单组分粘土介质的低渗透岩心中的渗流特性。 1 实验材料与方法 1.1 实验材料 实验器材 包括填砂管长度为50c m,内径为2.5c m 、精密压力表精度为0.4MPa、量筒、氮气瓶、中间容器、页岩膨胀测试仪NP-O /A 。 流体介质 包括蒸馏水;矿化度分别为5000, 10000和40000m g /L 用蒸馏水配制的NaC l 溶液。NaC l 为分析纯试剂。各种溶液的p H 值均为7。 实验用矿物 包括粒径均为325目平均粒径约为0.042mm 的石英、长石、钠基膨润土、高岭石粉和伊利石粉。 1.2 实验方法 根据实验方案配制不同浓度和类型的注入流体;将实验用的各种矿物在120e 下烘干4h ,密闭放置,待用;把各种矿物按实验方案的比例混合,并以 干式紧密填砂法[4] 填入填砂管中;用真空泵将填砂岩心抽空4h ,饱和注入液,并测含水饱和度;将已饱和注入流体的填砂管放置在室温中,并老化48h 以上;把填砂管、压力表及中间容器连接好,按照实验方案进行渗流实验。在实际测量过程中,由于压力和流量较小,需要很长一段时间才会逐渐趋近于一极值,因此,须选取压力和流量均稳定时的数值绘制渗流曲线。由于低渗透岩心渗流具有非线性的特点,在计算渗透率时,利用渗流曲线的直线段进行计算,将得到的渗透率定义为极限渗透率,作为表征不同岩心渗流特性的主要指标之一,以下简称为渗透率。 2 实验结果及分析 2.1 膨润土对低渗透岩心渗流特性的影响2.1.1 膨润土的含量 实验结果表明,当膨润土的含量增大时,岩心的 收稿日期2006-11-15;改回日期2007-02-27。 作者简介王正波,男,2005年毕业于中国石油大学北京油气田开发专业并获硕士学位,现为中国石油勘探开发研究院采收率所油气藏工程专业在读博士研究生,从事提高采收率方面工作。联系电话132********,E -m ail w z b97163.co m 。基金项目国家/9730专项之/提高低渗透油藏采收率的基础理论研究02002CCA00700 油 气 地 质 与 采 收 率 2007年3月 PETROLEUM GEOLOGY AND RECOVERY EFFI C I E NC Y 第14卷 第2期 渗透率降低,即使注入液中有一定浓度的N a C l 存在,膨润土含量对渗透率的影响也较大表1。另外,当岩心中的粘土矿物含量达到5时,就产生比较严重的水敏现象,表现为粘土矿物对岩心渗透率的影响已达到最大,当粘土矿物的含量大于5时,岩心渗透率的下降幅度将逐渐减小。这与M oore [5] 介绍的细粒砂岩中含水敏性粘土仅为14时,若注入与粘土矿物不配伍的流体,就可能完全堵死油气流通孔道的实验结论是基本相符的。 表1 膨润土的含量对低渗透岩心渗流特性的影响 方案1 2 岩心组成,石英砂膨润土1000 955 97.5 2.5 95 5 注入流体蒸馏水蒸馏水5000m g /L 的N a C l 溶液5000m g /L 的N a C l 溶液 渗透率/10-3L m 2222.352.1475.02 4.84 渗透率下 降倍数 100 14.52.1.2 膨润土的膨胀率 为了能够清晰地反映膨润土膨胀过程与含膨润土岩心渗透率的变化过程之间的定性关系,将由膨 润土膨胀实验和含膨润土岩心的渗流实验所得到的数据绘于图1中。由图1可明显看出,膨润土的膨胀率随测试时间单调递增;含膨润土岩心的渗透率随测试时间先单调递减,后趋于平稳。由于岩心中粘土膨胀的动态特征与室内膨胀实验所测粘土膨胀的变化规律是一致的,所以图1中的膨润土膨胀率 动态曲线可以作为岩心中膨润土膨胀的趋势线。 图1 膨润土的膨胀率对岩心渗透率的影响 325目长石5膨润土 综合分析可知,随着膨润土膨胀率的增加,岩心 渗透率急剧下降,并趋于一个稳定值。在最初的时间区间内,含膨润土岩心渗透率的下降梯度要比膨润土膨胀率的增大梯度大得多。这说明在岩心中只要粘土发生较小程度的膨胀,对渗透率就会产生极大的影响,其主要机理就是粘土膨胀后使孔道尺寸 减小,甚至将喉道堵塞,使渗透率下降。 2.2 粘土矿物类型对低渗透岩心渗流特性的影响 不同的粘土类型对岩心渗流特性的影响也是有差异的,针对膨润土、高岭石和伊利石3种不同的粘 土矿物对渗流特性的影响,进行了对比性的渗流实验。 将相同比例的各种粘土矿物和石英砂填制成填砂管岩心,用蒸馏水进行渗流实验。当3种粘土矿物含量均为5时,测得含膨润土、伊利石和高岭石的岩心渗透率分别为2.1410-3 ,106.1810-3 和275.3610-3 L m 2 。比较渗透率值可看出,膨润土对渗流特性产生的影响最为显著,然后是伊利石,最后是高岭石。高岭石和伊利石被认为是非膨胀性的粘土矿物,通过运移堵塞引起孔隙结构的变化 [6] 。 2.2.1 膨胀性粘土 由于整个实验是一个不断增压的过程,所以岩心中的渗流速度也是不断增大的图2。从图2可见,随着渗流速度的增大,岩心渗透率是单调递增的,且增加的幅度逐渐减小,在渗流速度大于0.03c m /m in 后, 渗透率趋于稳定。 图2 膨润土对渗流特性的影响 虽然膨润土膨胀使岩心的渗透率减小,但这是由膨胀后的粘土颗粒的结构强度变弱造成的。随着渗流速度的不断增加,孔道壁上粘附的粘土颗粒水化分散后将被破坏、剥离,并产生运移。虽然这样可以使平均孔隙半径变大,但同时也增加了流动阻力,会堵塞喉道并使孔隙结构发生改变。最终,几方面共同作用的结果是渗透率的增大。当流速增大到一 定程度时,岩心中使流体流动的驱动力和流动阻力 趋于平衡,导致渗透率基本稳定。因此,在开发含膨胀性粘土较多的低渗透油藏时,可以提高其注入压力来改善地层的渗透率,但这种改善的程度将逐渐减小,即存在一个最佳的注入压力值。2.2.2 非膨胀性粘土 在混有高岭石和伊利石的岩心渗流实验中,随着渗流速度的增加,渗透率都不断地下降。其中混 90油 气 地 质 与 采 收 率 2007年3月 入高岭石的岩心渗透率下降比较快,且当渗流速度大于0.1c m /m i n 时,渗透率基本上不再下降,趋于一个稳定的值,而含有伊利石的岩心渗透率随着渗流速度的增加持续不断地下降图3 。 图3 高岭石和伊利石对渗流特性的影响 从图3可以较明显地看出,高岭石的运移速度较快,并且在极低的流速下就可以运移,但这种影响持续时间较短,当流速增加到一个较小的值后0.1c m /m i n ,其运移对渗透率产生的影响就趋于稳定;而伊利石由于运移速度较慢或者是其在微孔道吸水引起水锁 [7] 的综合影响,可以在较大的流速范围内 对渗流特性产生影响,使其岩心渗透率稳定所需要的时间较长,并且渗流速度越大,由运移所导致渗透率下降的幅度越大。 比较图3与图2,可以看出不同粘土矿物的变化趋势明显不同。图3中曲线在整体趋势上是不断下降的,而图2中所示曲线是不断上升的。从这一比较上可以进一步地说明高岭石和伊利石主要以运移产生堵塞为主来影响渗流特性,而膨润土对渗流特性的影响是通过其在岩心中的膨胀分散以及被剥离运移产生的。2.3 注入流体浓度对低渗透岩心渗流特性的影响 注入液的浓度不同引起粘土矿物膨胀分散和运移的程度亦不同。一般来说,注入液的浓度与地层水的矿化度差别越大,引起地层渗透率的变化就越 严重[8] 。由于以长石为主要矿物成分的填砂岩心的渗透率均达到了低渗透油藏所要求的渗透率标准5010 -3 L m 2 ,根据实验数据所绘制的渗流曲线 很具有代表性,所以选用长石和5的膨润土混制成的填砂岩心,用蒸馏水和浓度分别为5000, 10000和40000mg /L 的N aC l 溶液做为注入液,分别进行渗流实验表2,用蒸馏水时,填砂岩心的孔隙度为44.28,渗透率为0.7210 -3 L m 2 。为了 便于研究,将NaC l 溶液条件下的渗透率分别与蒸馏水条件下的渗透率的比值定义为渗透率比值。 表2 N aC l 浓度对渗透率的影响 Na C l 溶液的浓度/m g L -1 孔隙度,渗透率/ 10-3L m 2渗透率 比值500042.26 6.729.331000042.657.5810.5340000 43.37 8.88 12.33 从表2中可以看出,溶液中盐的存在可以抑制膨润土的膨胀,使含膨润土的低渗透岩心渗透率增大到9倍以上。同时,增大溶液中盐的浓度也可以进一步地提高岩心的渗透率,使岩心的渗流状况有了极大的改观。为了能够清晰地反映在不同浓度盐溶液的作用下粘土膨胀过程与含膨润土岩心渗透率的变化过程之间的定性关系,将膨润土膨胀实验和 含膨润土岩心的渗流实验结果进行对比图4 。 图4 岩心渗透率和膨润土的膨胀率随N aC l 浓度的变化 由图4可明显地看出,膨润土的膨胀率随NaC l 浓度的增大单调递减;含膨润土岩心的渗透率随NaC l 浓度的增大而单调递增,当N a C l 浓度大于10000m g /L 以后,渗透率趋于平稳。这说明NaC l 溶液的浓度对含有膨润土的低渗透岩心的渗流特性有一定的影响,并存在一个临界浓度值。由渗透率与膨胀率变化的综合分析可知,在低盐浓度区域内,含膨润土岩心渗透率的增大梯度要比粘土膨胀率的减小梯度大得多。这说明,盐浓度增大所导致粘土膨胀率的下降程度是有限的,但是其引起储层中渗透率的改善却非常明显。因此,在对低渗透油藏采取防膨措施时,只要将粘土的膨胀率减小到适当的值,就会对油藏渗透率的改善产生非常大的影响。但如果持续采取措施降低粘土的膨胀率,虽有利于油藏渗流特性的改善,但是油藏渗透率增大的幅度已变小,将会导致投入产出比较高。2.4 注入方式对低渗透岩心渗流特性的影响 在岩石矿物类型和含量与注入流体的类型和含量相同的情况下,注入方式的不同对低渗透岩心的渗流特性也造成了一定的影响,Jones [9] 和Sar kar 等[10] 认为,降低注入盐水的浓度可以在一定程度上 91 第14卷 第2期 王正波等粘土矿物及流体对低渗透岩心渗流特性的影响 减小低渗透砂岩储层的渗透率。 蒸馏水盐水渗流实验 由图5可以看出,先注入蒸馏水时岩心渗透率的变化趋势和后注入盐水时岩心渗透率的变化趋势基本一致。由于实验是一个逐渐平衡的过程,渗透率曲线最终稳定在几乎同一条水平线上。也就是说,在岩心中的粘土已经完全膨胀后,再注入的盐水段塞对粘土膨胀的抑制效 果很差。 图5 蒸馏水盐水渗透率变化325目石英5膨润土 盐水蒸馏水渗流实验 在注入盐水后再注蒸 馏水进行渗流实验的过程中,岩心渗透率下降幅度较大,对渗流规律的影响较明显图6。这是由于盐水作用时已经形成了具有一定尺寸的渗流通道,再注入蒸馏水时,开始的流速较低,由于膨润土的继续膨胀会使渗透率下降。但是随着流速的增大,颗粒逐渐被剥离运移,导致渗透率略有增大,但是由于孔壁上仍吸附着一层强度较大的粘土水化膜[11] ,不易被剪切剥离,以及颗粒的运移堵塞作用,故其渗透 率不能完全恢复到盐水作用的状态。 图6 盐水蒸馏水渗透率变化325目石英2.5膨润土 比较2种注入方式下的渗流实验结果可以看出,若要对岩心或地层中的膨胀性粘土进行防膨处理时,不能在粘土膨胀后而应在之前进行防膨处理。在开发低渗透油藏时采用的注水开发方式,相当于先注入盐水后注入蒸馏水。因为在油藏初始条件下,原始地层水的矿化度高,粘土有一定程度的膨胀。开发时若不采取任何措施就先注清水或低矿化度盐水,地层流体一旦被稀释后,粘土就会迅速地膨 胀起来,则会引起油藏渗透率的降低。如果粘土的膨胀已经发生,就不能用提高注入水矿化度的方法来缓解粘土的膨胀并恢复地层的原始状态,尤其是对于粘土含量高的低渗透油藏,若要使其具有良好的渗流特性,应先用防膨剂处理地层,再实施其他的开发措施。 在相同的盐浓度条件下,注入液体由盐水变为蒸馏水时,膨润土含量不同的岩心所测渗透率下降的幅度也不同。膨润土含量为5时,岩心渗透率最终下降的程度要小于膨润土含量为2.5时的,并且累积注入量也少了很多图7。说明膨润土含量越高且岩心渗透率越低时,通过改变注入方式来 影响岩心的渗流特性就越困难。 图7 盐水蒸馏水渗透率变化325目石英5膨润土 3 结论 在岩心中只要膨润土发生较小程度的膨胀,就会对岩心渗透率产生极大的影响,即便在注入方式变化的条件下,膨润土含量对渗流特性的影响仍然存在一个极值大于5。 在开发含膨胀性粘土较多的低渗透油藏时,可以通过提高注入压力来改善地层的渗透率,提高注水量,但是存在一个最佳的注入压力值。 高岭石和伊利石主要是通过运移堵塞对渗流特性产生影响,高岭石的运移速度远大于伊利石,使地 层渗透率下降得较快;但从对地层渗透率的影响程度上比较,最终含伊利石的岩心渗透率下降幅度较大,而含膨润土的岩心渗透率下降幅度最大。 在低盐浓度区域内,盐浓度增大所导致的粘土膨胀率的下降程度有限,但是其引起的地层渗透率的改善却非常明显。当NaC l 溶液浓度大于某一值时10000m g /L,地层渗透率的恢复程度较缓慢,即存在一个临界浓度值。 在岩心中的粘土完全膨胀后,再注入的盐水段 下转第95页 92油 气 地 质 与 采 收 率 2007年3月 4结论 随着生产时间的增加,井网最优穿透比将减小,即水平井井段越长,初期产能越大,但是随着含水率的迅速上升,其产油量反而有所下降。井网面积增大,最优井网穿透比增大。井网穿透比相同的情况下,随着井网面积的增大,累积产油量不断增大,但是增大的幅度逐渐减小。 与数值模拟对比结果表明,应用人工神经网络优化五点法水平井井网快速简便而且具有较高的精确性,可以有效地指导五点法水平井井网优化设计。参考文献 [1]韩清华,薜巨丰,张霞.水平井与直井结合开发营93断块中低 渗透油藏[J].油气地质与采收率,2003,10355-58. 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