考虑润湿性的黏土膨胀模型研究及其应用

2016-06-28姜建伟于春生周雨朦

石油地质与工程 2016年2期

关键词：润湿性

姜建伟，于春生，周雨朦

(1.中国石化河南油田分公司科技处，河南南阳 473132；2.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，3.西安石油大学石油工程学院)

考虑润湿性的黏土膨胀模型研究及其应用

姜建伟1，于春生2，周雨朦3

(1.中国石化河南油田分公司科技处，河南南阳 473132；2.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，3.西安石油大学石油工程学院)

摘要：建立了考虑润湿性的黏土膨胀孔隙网络模型，通过与实验数据对比，验证了模型的正确性，研究了不同润湿系统中黏土膨胀给储集层渗透率带来的伤害以及黏土膨胀体积对油水相对渗透率和水驱采出程度的影响。研究结果表明：在黏土吸附液相速率相同的情况下，随着岩石亲油性的增强，黏土膨胀对渗透率的伤害减轻；同一润湿系统中，膨胀体积越大束缚水饱和度越高，含水饱和度相同时，膨胀体积大的模型油相相对渗透率大于水相相对渗透率，这将在高膨胀体积模型中产生“低渗流速度窜流”现象，采出程度随黏土膨胀体积的增大逐渐降低，说明这种油相的相对渗流优势不会从根本上提高水驱采收率。

关键词：黏土膨胀；储集层伤害；油水相渗；网络模型；润湿性

在油藏开发过程中，黏土矿物的影响不容忽视，尤其对注水开发的油田来说，黏土矿物常常引起储集层性质、孔隙结构和水驱油效率的改变[1-2]。岩石的润湿性影响着黏土矿物的膨胀能力[3]。由于润湿性是油藏孔隙中控制流体流动和分布的主要因素，当岩石孔隙表面具有油湿特性时，水与岩石孔隙表面接触的面积大大减少，因而黏土矿物释放到水中的量相应减少，膨胀体积减小。

国内外学者对描述多孔介质中黏土膨胀的数学模型已经开展了一些研究，许青林[4]、鞠斌山[5]分别于1999年和2003年提出了弹性多孔介质黏土膨胀的数学模型，但他们的模型都是以宏观渗流方程为基础，无法表征微观孔隙结构的变化，也没有考虑黏土膨胀对油水相对渗透率的影响。FarukCivan[6-7]在1999年提出了黏土膨胀给孔渗带来伤害的解析模型，该学者已经认识到了岩石润湿性对黏土膨胀的影响，但是其解析模型没有给出具体的表达式，只是对实验数据进行了回归分析。

本文从流体与岩石之间的接触润湿机理出发，建立了考虑岩石润湿性的黏土膨胀孔隙网络模型。该模型弥补了孔隙网络多相流模型无法描述黏土膨胀受润湿性影响的缺陷。应用该模型研究了黏土膨胀对储集层渗透率伤害、油水两相相对渗透率以及水驱采出程度的影响。

1黏土膨胀模型的建立

黏土遇水膨胀的体积为[8]：

ΔV=Shωt=(ξ-1)Vc

(1)

式中：ΔV——黏土遇水的膨胀体积，m3；S——黏土与水接触的面积，m2；h——黏土厚度，m；ω——单位体积岩土吸附液相的速率，m3/h；t——吸附时间，h；ξ——膨胀系数，无因次；Vc——黏土所占孔隙体积，m3。

(2)

式中：ξ*——不完全膨胀系数，无因次；ΔV——黏土遇水的膨胀体积，m3；ΔV*——黏土遇水的不完全膨胀体积，m3；R——液膜与黏土接触面半径，m；R*——液膜与黏土不完全接触面半径，m。

在液膜总体积不变的情况下，我们认为图1b中液膜半径R与图1c中液膜弧长S近似相等，由此，可以得到润湿性发生改变后的液膜与黏土接触面半径R*、R和润湿接触角q三者之间的关系：

(3)

式中：θ——润湿接触角。

黏土不完全膨胀系数在润湿接触角不同取值区间的表达式：

(4)

图1　不同润湿性黏土表面与液膜接触示意图

在网络模型中，总孔隙体积=净孔隙体积+黏土所占孔隙体积，黏土的膨胀将使净孔隙体积减小。黏土发生膨胀前，三角形截面的孔隙、喉道初始渗流半径为：

(5)

式中：r——孔隙、喉道初始渗流半径，m；Vn——净孔隙体积，m3；L——孔隙长度，m；G——界面形状因子，无因次。

黏土发生膨胀后，净孔隙体积的减小量等于黏土的膨胀量，则此时的孔隙、喉道渗流半径为：

1980年，美国著名管理学大师迈克尔·波特提出的“钻石模型”与旅游产业竞争力分析的要素基本相符。该模型认为，某一产业在应范围内的竞争力取决于生产要素，国内需求，相关和支持产业，以及产业的战略、结构和竞争状态这四大核心条件的表现。除此之外，该竞争力还受到政府和机会两个外部辅助因素的影响，但是由于政策条件和外部机会两个因素不可控太强。目前，在“冬奥会”和“两山理论”的契机下，吉林省开展冰雪旅游的政策红利和市场机会都非常好。因此本文主要运用该模型的四个条件对吉林省冰雪旅游产业竞争力进行分析，进而提出促进吉林省冰雪旅游产业竞争力的对策。

(6)

式中：r*——孔隙、喉道渗流半径，m。

联立式(5)和(6)，将式(4)代入到联立方程中，就得了渗流半径在润湿接触角不同取值区间的表达式：

(7)

式中：φn——净孔隙度，无因次；φc——为黏度所占孔隙度，无因次。

在四边形和圆形截面的孔隙、喉道中可得到相同的表达式。

室内岩心渗透率伤害评价是以吸附时间不同评价伤害程度的，由于不同类型黏土吸附液相的速率不同，单位时间对岩石带来的伤害程度也就不同。黏土对储集层的伤害归根结底是由黏土膨胀造成的，无论何种黏土，相同的膨胀体积将带来近似的伤害程度。本文研究将黏土吸附液相的时间转化为黏土膨胀系数来评价储集层伤害程度，将流体在黏土中的自吸和扩散也作为了膨胀系数的函数，因此，该模型适合于任何类型黏土对地层造成伤害的规律性研究。

2模拟计算结果及分析

2.1模型检验

为了验证本文模型的正确性，选取了王正波等[9]膨润土膨胀率对岩心渗透率影响的实验数据，将该实验数据吸附时间转化为膨胀系数后与本文模拟结果进行了对比分析。表1给出了网络模型参数，渗透率通过拟合岩心压汞曲线得到。对比结果如图2所示，图中实验值和模拟值渗透率伤害率变化趋势基本相同，证明采用本文模型进行微观模拟研究的可行性。

表1　网络模拟参数

图2　渗透率伤害实验与微观模拟结果对比

2.2模拟结果

首先研究了不同润湿系统中黏土膨胀对渗透率的伤害。研究表明，岩石润湿性影响着黏土膨胀对储集层渗透率的伤害程度，不考虑润湿性的模型渗透率伤害程度大于考虑润湿性的模型，且随着润湿接触角的增大伤害程度逐渐降低(图3)。

图3　渗透率伤害模拟结果

油水相对渗透率曲线形态(图4)表明，黏土膨胀体积越大，束缚水饱和度越高，这是由于黏土膨胀所吸附的水相成为无法流动的束缚水造成的。在相同含水饱和度情况下，膨胀系数越大，油相相对渗透率越高，水相相对渗透率越低，这种现象称之为“低渗流速度窜流”现象。油水两相渗流时，由于渗流通道变窄，流动阻力增强，渗流速度会下降，而渗流过程中黏土会吸附一定量的可动水，使可动油相饱和度增大，增加油相渗流能力，因此，产生了“低渗流速度窜流”现象。上述相渗曲线表现出来的特征与彭仕宓等人[10]的实验结果相同，进一步证明了本文模型的正确性。

图4　黏土膨胀对油水两相渗流的影响

图5　黏土膨胀对水驱采出程度的影响

在孔隙空间中，喉道大小是控制流体流动时的流通路径和流动能力的决定性因素，从表2可以看出，同一润湿系统中，膨胀系数越大，喉道半径越小，水驱油所需克服的毛管压力越高，发生活塞式驱替喉道数越少，无法侵入和发生卡断的喉道数越多。无法侵入的细小喉道和盲端孔隙降低了水驱油的洗油效率，卡断圈闭起来的含油孔隙和喉道，降低了注入水的波及效率。上述原因是造成低采出程度的根本原因(图5)。

表2　模型中发生不同驱替方式的孔喉个数对比

3结论

(1)建立了考虑润湿性的黏土膨胀模型，该模型实现了从孔隙尺度渗流机理研究黏土膨胀和油藏润湿性对储集层伤害、油水相对渗透率和水驱采出程度的影响，并与实验结果进行了对比，验证了模型的正确性。

(2)岩石润湿性影响着黏土膨胀对储集层渗透率的伤害程度，在黏土吸附液相速率相同的情况下，随着润湿接触角的增大，由黏土膨胀造成的储集层伤害程度逐渐减轻。

(3)黏土膨胀对油水相对渗透率的影响表现为：在同一润湿系统中，膨胀体积越大束缚水饱和度越高，含水饱和度相同时，膨胀体积大的模型油相相对渗透率大于水相相对渗透率，这将在高膨胀体积模型中产生“低渗流速度窜流”现象，采出程度随黏土膨胀体积的增大逐渐降低，说明这种油相的相对渗流优势不会从根本上提高水驱采收率。

参考文献

[1]李福垲. 砂岩油层中黏土矿物对储集层性质的影响[J].石油勘探与开发, 1980, 6(3): 67-79.

[2]曾理, 张天刚. 黏土矿物研究及其在石油天然气勘探开发中的应用[J].天然气勘探与开发, 1998, 21(2): 11-14.

[3]WaelAbdallah,JillS.Buckley,AndrewCarnegie，等. 润湿性基础及应用分析[J].油田新技术, 2007，(夏季刊)：44-61.

[4]许青林, 王松, 胡三清.评价黏土膨胀与微粒运移对储集层渗透率影响的数值解法[J].钻井液与完井液, 1999, 16(5): 1-3.

[5]鞠斌山, 马明学, 邱晓燕. 弹性多孔介质黏土膨胀和微粒运移的数学模拟方法[J].水动力学研究进展A, 2003, 18(1): 8-15.

[6]FarukCivan.InterpretationandCorrelationsofClaySwellingMeasurements[R].SPE52134, 1999.

[7]TimothyWangleretal.Clayswellingmechanisminclay-bearingsandstones[J].TIPM, 2008, 56:529-534.

[8]段永刚, 陈伟, 熊友明,等. 油气层损害定量分析与评价[J].西南石油学院学报, 2001, 23(2): 44-46.

[9]王正波, 岳湘安, 韩冬. 黏土矿物及流体对低渗透岩心渗流特性的影响[J].油气地质与采收率, 2007, 14(2): 89-92.

[10]彭仕宓, 尹旭, 张继春,等. 注水开发中黏土矿物及其岩石敏感性的演化模式[J].石油学报, 2006, 27(4): 71-75.

编辑：吴官生