渗吸实验描述与方法适用性评价

王敉邦，蒋林宏，包建银，张少青

（中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

通常把多孔介质中在靠毛管力作用下润湿相液体驱替非润湿相液体的过程称为渗吸[1]。对渗吸现象和规律的研究从20 世纪50 年代就已经开始，而随着石油需求的增加和勘探开发技术的不断提升，实验的对象从传统的中高渗砂岩走向低渗、特低渗油藏，以及开发热点的致密砂岩、页岩[2]等非常规油气。开发对象的不同，造成渗吸实验对象岩石物性上的差异逐渐扩大，宏观上表现为渗透率、孔隙度、裂缝条数、润湿性、含水饱和度等参数的不同，岩心渗透率变化最为明显，从1 000 mD 到0.000 1 mD[3]的变化跨越了约七个数量级，这对实验目的的确立、实验方案的制定和仪器的选择提出了新的要求，特别是对实验结果精确度的要求越来越高。

1 渗吸实验研究内容

根据实验目的不同，可以分为静态（自然）渗吸实验和动态渗吸实验[4]；根据实验边界条件不同造成的润湿相和非润湿相宏观上流动方向的差异，又可将渗吸分为同向渗吸和逆向渗吸[5]。

1.1 静态渗吸与动态渗吸

可以把整个油藏看成由裂缝网络分隔开的基质与裂缝网络组成。静态渗吸实验更多研究的是渗吸现象在基质中的表现形式与规律。岩心的大小可以看成是由基岩-裂缝接触面积决定，岩心所处的边界条件（两端开启、侧面开启、全部开启或复杂情况）可以看成基岩-裂缝接触面的位置和裂缝的闭合程度等因素造成的差异。由于大部分原油是储存在基质中，因此除考虑上述因素影响外，岩心润湿性、孔隙结构、相对或绝对渗透率、油水重力差异、初始含水饱和度等因素对渗吸速度和渗吸采收率的影响也是研究的重点。

动态渗吸实验主要研究裂缝网络对渗吸作用的影响。在裂缝性储层中，大部分的油被储存在低渗透的基质块中，周围是一个高渗透裂缝网络。因此，裂缝性油藏的生产取决于裂缝和基质之间液体的交换效率，而这严重依赖于它们的相互作用，也就是渗吸。期间，驱替速度是最重要的研究内容，这决定了裂缝中黏滞力与毛管力的强弱地位。研究结果表明[6-8]，低驱替速度毛管力作用强，高驱替流量下黏滞力增强，因此存在一个最佳注入速度。此速度下的毛管力与黏滞力能达到一个最佳的组合，渗吸到裂缝中的原油能很快在黏滞力作用下被水流驱替出来，渗吸速率达到最大。对动态渗吸实验的研究，有助于评价注水开发或周期注水/注气开发达到渗吸法驱油增产的可行性，对研究渗吸作用导致的压裂液和钻井液在储层内的滞留现象，减少压裂液损失和地层污染十分关键。另外，润湿性、油水黏度、初始含水饱和度对动态渗吸速度和效率的影响也在研究范围之内。

1.2 逆向渗吸和同向渗吸

理解逆向渗吸和同向渗吸的概念有助于理解微观驱油机理。逆向渗吸是指吸入的润湿相与被驱替的非润湿相运动的方向相反；同向渗吸是指润湿相与非润湿相运动方向一致。两者受边界条件影响很大，当把岩心全部浸没在水中，常出现径向渗吸，也就是逆向渗吸；当把圆柱形岩样的圆柱面密封，将一个端面与润湿液接触，润湿相被吸入岩心而将其中的非润湿相驱赶出来，这表现为同向渗吸，也称为线性渗吸[9]。

逆向渗吸在低渗透和致密岩心中非常普遍，由于渗透率低、孔喉细小，毛管力作用强，作用距离远，常忽略重力驱替的影响。同时由于孔喉粗细不同，造成同一界面上毛管力大小不同而产生压力差。在单一毛细管内由毛管力示意图（见图1）可知，因P1 处的毛管力大于P2 处而产生压力差，润湿相在沿孔喉较小的地方吸入，非润湿相沿孔喉较大的地方流出。高渗岩心中，重力分异作用显著，常在高渗岩心实验中发现重力分异造成的扩散效应而产生的渗吸前缘的变化。

图1 单一毛细管内逆向渗吸示意图[10]

2 室内物理实验方法和适用性分析

近十多年，渗吸室内物理实验方法主要有体积法、称重法和CT 扫描法。前两种实验方法主要侧重于实验结果的定性表征，研究岩心长度和渗透率、温度、边界条件、原油黏度、表面活性剂等相关参数对渗吸速度和渗吸效率的影响，国内绝大多数实验均采用这两种方法，实验对象主要是裂缝性低渗透岩心，渗透率在0.1 mD～100 mD，以静态渗吸实验为主。

CT 扫描法主要侧重于实验结果的定性描述，研究岩心内部渗吸前缘的变化规律[11]，渗吸驱动力中毛管力与重力的主导性问题[12]，气-液渗吸和液-液渗吸规律的差异[13]，岩心内部非均质性对液流分布规律的影响[14]。CT 扫描法在国外应用较多，从中高渗砂岩到低渗、特低渗以及页岩气、致密油气等非常规油气岩心渗吸实验中都有应用。3 种实验方法各有优点，适用的岩心物质条件和实验原理各有不同。

2.1 体积法

同向渗吸体积法实验的主要原理是用带刻度的毛细管与装有岩心的容器相连，通过观察渗吸前后毛细管内液面变化来测量岩心渗吸量的大小。逆向渗吸体积法实验[15]是将岩心完全浸没在液体里，由于渗吸作用岩心内的非润湿相被润湿相驱替出来，在重力作用下汇聚在容器顶部的细管中，通过测量容器顶部的液体或气体体积，得到渗吸采收率（见图2）。

图2 体积法渗吸装置示意图

两种实验方法都操作简单，主要适用于高孔、高渗的岩石样品，但对于低孔、低渗或致密岩样，由岩石孔喉细小导致的渗吸量少、渗吸时间长，以及外界温度、湿度变化引起的润湿液体的蒸发、组分变化，会对实验结果的准确性造成一定影响[5]。同时该方法受到刻度限制，渗吸速率的测定受到影响。

2.2 质量法

称重法的基本原理是力臂力矩和杠杆原理，连杆一端连着装有岩心的容器，另一端是放在电子天平上已知质量的砝码（见图3）。将岩心一个端面与润湿液接触（同向渗吸）或将岩心全部浸没在液体中（逆向渗吸为主），每隔一定时间记录电子天平读数，直到质量不再增加为止，从而求得该时刻吸入的润湿液量占总孔隙体积的百分数Et和渗吸体积Vwt（公式（1）与公式（2））[16]。

图3 质量法渗吸装置示意图

称重法原理简单，操作方便，精度较高，而在此基础上发展起来的全自动电子渗吸仪器会自动记录读数，绘制出渗吸量随时间的变化曲线，更加便利。但是针对页岩岩心，其吸水膨胀会导致计量增加和微裂缝增多，对渗吸量的计量产生影响，导致实验结果的不精确；对于致密砂岩岩心，由于存在“门槛跳跃”、“挂壁现象”等效应以及孔隙度测量的不精确性，在计算过程中常会出现渗吸采收率超过100 %的情况。

2.3 CT 扫描技术

CT 扫描技术以BEERS 定理为基础，通过测定X射线穿透物体时线性衰减系数（μ），从而获得全岩心的三维图像[17]。

CT 扫描技术最大的优点是可以进行孔隙成图，获得较为精确的岩心孔隙度和液体在岩心内部的分布规律，而这也是渗吸实验最关注的方面，尤其对致密岩石和页岩等非常规油气。CT 扫描技术在渗吸定性分析方面具有很多优点，例如分析岩心内部渗吸前缘的变化规律，渗吸驱动力中毛管力与重力主导地位的变换关系，气-液渗吸和液-液渗吸规律相同和不同之处，内部非均质性对润湿相和非润湿相在岩心内部的分布规律，对于解决体积法和质量法实验中出现的挂壁效应、门槛跳跃，研究添加表面活性剂后出现的马朗格尼效应具有很大作用，更适合于非常规岩石渗吸的研究和测量工作，对渗吸理论的研究具有重大贡献。但CT 扫描技术花费时间长，费用昂贵，而且仪器自身精度对实验结果影响很大。随着分辨率的增加，岩石的非均质性、孔隙度、渗透率和TOC 含量也会跟着变化[18]，同一区块不同测量精度下结果不同，一些更细微的孔隙在高精度下会被发现。在CT 扫描技术的基础上和质量法配合使用形成一体化研究方法和思路具有突出优势（见表1）。

表1 渗吸实验方法适用性评价

3 总结

（1）介绍了渗吸实验中具有典型特点的静态渗吸、动态渗吸、同向渗吸和逆向渗吸的基本概念，有助于理清渗吸实验思路，加深对渗吸实验机理和方法的理解。

（2）对以体积法、质量法和CT 扫描技术为代表的3 种典型渗吸实验方法进行剖析，介绍了3 种方法的实验原理以及优缺点。

（3）体积法和质量法更适合于渗吸实验的定量分析，CT 扫描技术更适合于渗吸实验机理研究。结合了质量法和CT 扫描技术优点的一体化研究方法和思路具有突出优势，适合于当前致密砂岩、页岩的研究和分析工作。

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