一种电子式高精度静态渗吸测量装置的研究——有效预测致密储层的渗吸采收率

濮　御，王秀宇，杨胜来，濮　玲，冯学洋

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京　102249；2.青海民族大学化学化工学院，青海西宁　810007）

油气工程

一种电子式高精度静态渗吸测量装置的研究
——有效预测致密储层的渗吸采收率

濮御1，王秀宇1，杨胜来1，濮玲2，冯学洋1

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007）

全球能源短缺迫使人们将注意力从常规能源转移到非常规能源上。从技术可行性和经济可承受力角度分析，致密油、页岩气等非常规油气资源潜力巨大。但是其低孔、低渗的特点使其在开发过程中面临诸多挑战，以毛管力为基础的静态渗吸作用成为开采这类储层的有效方式。纳米级的孔喉对渗吸实验测量方法提出了新的标准和要求，因而需要更加重视实验过程中的精确性。笔者论述了静态渗吸的机理、方式，并对传统方法的限制性和适应性进行了深度剖析，最终设计出了一种电子式高精度静态渗吸实验测量装置，极大地提高了实验的精度，为今后研究致密储层静态渗吸效果提供了技术支持和理论指导。

静态渗吸；渗吸机理；实验方法；应用潜力评价

随着常规油气资源的日益减少，致密油、页岩气等非常规油气资源逐渐成为勘探开发的热点，引起了国内外的广泛关注。当前针对非常规资源的开发正在不断深入，评价储层岩石的静态渗吸规律有助于开发致密储层。由于致密储层的孔喉细小、孔隙度低，因而毛管力作用显著，这使得静态渗吸现象较常规储层相比更加明显［1，2］。所以，利用毛管力作用下的静态渗吸现象可有效提高致密储层的产量。体积法和传统质量法存在一定的局限性，无法满足致密油、页岩气等非常规资源的实验精度需求，因此本文设计了一种电子式高精度静态渗吸实验测量装置，能够24 h不间断地测量出渗吸过程中的质量变化，并且原理简单、精度高（0.000 1 g），可准确地评价致密储层岩石的静态渗吸能力。

1　静态渗吸原理及分类

渗吸是油气田开发中的一种常见的开采方式。所谓渗吸是指在多孔介质中，润湿相流体依靠毛管力作用进入岩石孔隙，并置换出其中的非润湿相流体的过程［3-6］。静态渗吸是油藏在静态条件下依靠毛管力的作用润湿相驱替非润湿相［7］。致密砂岩油藏进行注水开发时，注入水在毛管力作用下首先进入小孔道，大孔道则依赖于相邻连通的大小孔道之间的毛细管力之差将孔隙中的原油驱出。渗吸驱油的动力主要是相互连通的大小孔道之间的毛细管力之差。可见，小孔隙中原油的动用程度远高于其他孔隙，所以静态渗吸可以成为致密水湿砂岩油藏开发的一种有效开采方式。

图1　（a）反（逆）向渗吸示意图、（b）同（顺）向渗吸示意图Fig.1 Schematic of countercurrent imbibition（a）and cocurrent imbibition（b）

根据油水交换方向的不同将静态渗吸分为以下两种［8-10］：反（逆）向渗吸和同（顺）向渗吸。当吸入的润湿相（水）和被排出的非润湿相（油）的流动方向相反时，则为反（逆）向渗吸（见图1（a））。反（逆）向渗吸时，毛管力为主要的驱油动力，这使得水相从与孔隙相连的小孔道吸入，置换出来的原油将从大孔道中排出。如果界面张力足够低，重力的作用就会越来越突出进而成为渗吸的动力，此时渗吸将在较大的孔隙中发生，吸入的润湿相（水）与被排出的非润湿相（油）的流动方向相同，称之为同（顺）向渗吸（见图1（b））。同（顺）向渗吸时在重力作用下使得水从岩心底部吸入，而油则从岩心的顶部析出。通常反向渗吸效果更好，对油水交换效率也更高。

2　室内实验方法及应用潜力评价

渗吸现象在油气田开发中是一种客观存在的现象，而且是水湿致密岩石中一种不可忽略的驱油动力，因此已经有许多人在实验室对渗吸现象进行了模拟，相继产生了一些实验方法与装置。常用的静态渗吸实验测量有两种方法［8］：体积法和质量法。

2.1体积法

体积法渗吸实验测量装置（见图2），将岩心完全浸没在装有液体的渗吸瓶里，渗吸瓶上方为刻度管，在渗吸的作用下岩心内部的润湿相驱替出非润湿相，由于油水重力的差异，渗吸出来的油将汇聚在渗吸瓶上方的刻度管中，通过观察渗吸前后刻度管内液面读数的变化来测量岩心渗吸量，进而获得渗吸采收率。

（1）优点：体积法渗吸测量装置外观简洁，操作方便，且易于批量操作。

（2）缺点：①对于致密岩样，由于其自身孔喉细小、孔隙体积有限，渗吸过程中的体积变化量极小，此时刻度管读数存在一定的误差，影响实验的准确度；②体积法只能测量出已经脱离岩样的原油体积，无法计量出附着在岩心壁上的油珠体积，致使刻度管收集到的原油体积不准确，因而所求出的静态渗吸驱油效率存在较大的误差［11］，使其应用受到限制。

（3）适用范围：该方法适用于高孔隙度、高渗透率的岩样。

图2　体积法装置图Fig.2 Schematic of apparatus for the volumetric method

2.2传统质量法

传统质量法即人工手动测量方法［12］，其渗吸测量装置（见图3），将岩心放入盛满盐水的容器内，测量渗吸过程中岩心质量随时间的变化情况。

（1）优点：①测量装置简单，操作方便；②与体积法相比，能够直观地读取渗吸量。

（2）缺点：①与体积法相比，很难进行批量操作；②岩样初始阶段渗吸速度快，岩样质量变化快，人工手动称重可能无法称量出相应所有的质量，因而漏失掉部分数据，并且渗吸实验周期长，实验操作人员劳动强度大；③渗吸时，外界温度、湿度变化引起的盐水蒸发、组分的变化，都会对实验结果产生一定的影响，同时周围气流或者悬绳扰动均会造成天平的读数不稳定，这也加剧了误差的存在。

图3　传统质量法渗吸测量装置Fig.3 Schematic of apparatus for the traditional quality method

3　电子式高精度静态渗吸实验测量装置

为了克服上述问题，笔者根据杠杆原理和力矩平衡原理设计出了一种新型电子式高精度静态渗吸实验测量装置（见图4）。高精度电子天平计量静态渗吸时岩样的质量变化，其计量精度可达到0.000 1 g，测量装置具有数据自动记录系统，能够24 h不间断地记录岩样的质量变化情况，可更精确地记录实验数据。另外，本实验测量装置充分考虑了蒸发、气流等因素对实验的影响，最大限度地减小误差。

图4　电子式高精度静态渗吸实验测量装置图Fig.4 Schematic of measuring apparatus for the electronic and highprecision spontaneous imbibition experiment

笔者所设计的静态渗吸实验测量装置包括数据测量装置和数据输出装置。数据测量装置由高精度电子天平、岩样悬挂架、质量传递架、悬绳、容器、容器架、防蒸发盖组成。而数据输出装置为数据传输线和计算机。质量传递架与岩样悬挂架由螺纹连接为一个整体，置于高精度电子天平的称量盘上。岩样悬挂架上悬挂悬绳，岩样悬于悬绳下方并伸入至容器液面下方，容器置于容器架上。该容器架置于高精度电子天平称量盘的上方，架子腿紧贴高精度电子天平的内壁面，且不与称量盘接触。高精度电子天平的输出端通过数据传输线与计算机相连接，方便信号的输出。另外，悬绳由塑料制成，其直径不大于0.13 mm。容器上方置有防蒸发盖（四周均经过磨砂处理），且其中心处含有直径为0.3 mm的圆孔允许悬绳通过，可有效降低蒸发作用对实验产生的影响。计算机自动记录并保存质量传递架所输出的质量随时间的变化数据。最终按照式（1）计算静态渗吸的采出程度，从而完成致密岩心的静态渗吸效果的评价。

式中：Δm-t时刻岩样质量的增加值，g；ρw-润湿相流体（注入水）的密度，g/cm3；ρo-非润湿相流体（实验用油）的密度，g/cm3；Vo-岩样饱和油的体积，cm3；R-t时刻岩样的渗吸采出程度，%。

4　新型装置的优点及适用范围

笔者所设计的静态渗吸实验测量装置具有如下优点：

（1）操作简单，岩心质量随时间的变化情况可以通过高精度电子天平的输出端传输至计算机，计算机界面直接显示岩样的质量变化量并自动保存，实现了数据的自动采集功能，便于观察且计量方便。

（2）测试精确，改进后装置的精度达到0.000 1 g，能够记录致密岩心渗吸过程中的微小质量变化，且能够24 h不间断地测量出静态渗吸量随时间的变化情况。

（3）笔者所设计的实验装置集中在高精度电子天平的内部，占地空间小，岩样不必悬置于高精度电子天平的外部，减少了蒸发、气流、悬绳扰动等因素对实验的影响。

该装置适用于致密油、页岩气等精度要求比较高的静态渗吸实验的测量，前景广阔。

5　结论

常规的体积法适用于中、高渗透率的岩样，传统质量法在精度上具有一定的限制性。考虑到致密储层对渗吸实验仪器选择的要求，笔者设计了电子式高精度静态渗吸实验测量装置，能够直观地反应出静态渗吸的现象与规律，从而评价致密储层岩石的静态渗吸潜力，该装置也适用于裂缝性油藏的开采以及压裂液滤失与返排的分析。

该装置占地空间小、操作简单、精度高（0.000 1 g）、成本低，能直观地反映出静态渗吸实验的现象与规律，可应用于精确度要求高的实验研究中。通过室内实验发现，该装置实验效果非常好。

［1］ 邹才能，陶士振，杨智，等.中国非常规油气勘探与研究新进展［J］.矿物岩石地球化学通报，2012，31（4）：312-322.

［2］ 贾承造，邹才能，李建忠，等.中国致密油评价标准、主要类型、基本特征及资源前景［J］.石油学报，2012，33（3）：343-349.

［3］ 秦积舜，李爱芬．油层物理学［M］．北京：中国石油大学出版社，2006．

［4］ 蔡建超，郁伯铭．多孔介质自发渗吸研究进展［J］．力学进展，2012，42（6）：735-754．

［5］ Takahashi，S．，Kovscek，A．R．Wettabillity Estimation of Lowpermeability，Siliceous Shale Using Surface Force［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，（75）：33-43．

［6］ 李士奎，刘卫东，张海琴，等．低渗透油藏静态渗吸驱油实验研究［J］．石油学报，2007，28（2）：109-112.

［7］ 张星.低渗透砂岩油藏渗吸规律研究［M］.北京：中国石化出版社，2013.

［8］ 刘卫东，姚同玉．表面活性剂体系渗吸［M］．北京：石油工业出版社，2007．

［9］ Bourbiaux，J．Experimental study of cocurrent and countercurrent flows in natural porous media［C］．SPE RE&Ev，1990，（8）：361-368.

［10］ Pooladi-Darvish and Firoozabadi．Cocurrent and countercurrent imbibition in a water-wet matrix block［C］．SPE Journal，2000，（5）：3-11．

［11］ 李爱芬，凡田友，赵琳．裂缝性油藏低渗透岩心静态渗吸实验研究［J］．油气地质与采收率，2011，18（5）：67-69.

［12］ 周凤军，陈文明.低渗透岩心渗吸实验研究［J］.复杂油气藏，2009，2（1）：54-56.

A electronic and high-precision spontaneous imbibition measuring apparatus

PU Yu1，WANG Xiuyu1，YANG Shenglai1，PU Ling2，FENG Xueyang1
（1.China University of Petroleum-Beijing，College of Petroleum Engineering，Beijing 102249，China；2.Qinghai Nationalities University，College of Chemistry and Chemical Engineering，Xining Qinghai 810007，China）

The concern of global energy shortage urges people to divert their attention from conventional oil and gas resources to unconventional oil and gas resources such as tight oil，shale gas.In consideration of technical feasibility and economical affordability，they are regarded as one of the most promising unconventional resources.However，there are many challenges in developing the tight reservoirs due to the low porosity and permeability.The spontaneous imbibition based on the capillary pressure can be an effective method of developingthe tight reservoirs.Nino-sized pore-throat put forward a new standard and requirement，which forces us to put emphasis on improving the accuracy of the experimental measurement. The author discusses the mechanism and mode of the spontaneous imbibition，detailedly analyses the limitation and application of the traditional ways，finally designs a electronic and high-precision spontaneous imbibition measuring apparatus.The homemade apparatus significantly improves the accuracy of the experiment，which provides a technical support and theoretical guide for studying the spontaneous imbibition performance of tight reservoirs in the future.

spontaneous imbibition；spontaneous imbibition mechanism；experimental method；potential evaluation of application

TE348

A

1673-5285（2016）05-0005-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.002

2016－04-07

国家“973课题”-提高致密油储层采收率机理与方法研究，项目编号：2015CB250904。

濮御，女（1989-），2014年毕业于东北石油大学石油工程专业，现为中国石油大学（北京）油气田开发专业在读硕士研究生，主要从事油气田开发方面的研究工作，邮箱：dongyoupuyu@126.com。