致密砂岩裂缝油藏渗吸机理及规律研究进展

曾德尚，陈新阳，裴向阳，戴湄

致密砂岩裂缝油藏渗吸机理及规律研究进展

曾德尚，陈新阳，裴向阳，戴湄

（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

致密砂岩裂缝油藏具有致密、孔隙结构复杂、天然裂缝发育等特征，衰竭开采存在产量递减快、能量补充困难的问题，基质赋存大量剩余油未动用，采出程度低。渗吸采油是改善致密砂岩裂缝油藏开发效果的重要方式。然而，渗吸过程存在机理不明确、规律认识复杂多样的问题。因此，深入研究渗吸驱油机理和明确其渗吸规律，对于提高致密砂岩裂缝油藏采收率具有重要意义。综述了致密砂岩裂缝油藏渗吸类型及其判别方法，运用体积法、质量法、核磁共振法及CT扫描法的渗吸机理研究手段，概括了岩石渗透率、油水界面张力和润湿性对渗吸规律的影响。在分析当前国内研究进展的基础上，提出了下一步致密砂岩裂缝油藏渗吸研究的方向。

致密砂岩；渗吸机理；渗吸规律；研究进展

随着石油资源的进一步开采，低渗透致密砂岩储层开采比例越来越大，成为21世纪最有希望而又最现实的重要油气勘探领域之一。该类储层与常规砂岩储层相比，具有低孔、低渗，天然裂缝发育、注水开发易沿裂缝水窜、自然产能低且无法实现持续高效注水开发的问题，在裂缝中通常残余有大量的剩余油，如何经济高效的开发该类型油藏是目前急需解决的问题[1]。在注水开发油藏的过程中，渗吸能够显著改善致密砂岩油层的开发效果，因此研究渗吸的机理及规律显得尤为重要。

探讨致密砂岩油藏渗吸类型及其判别方法、渗吸机理研究手段和规律影响因素是研究渗吸作用不可缺少的内容。目前国内主要采用体积法、质量法、核磁共振法及CT扫描法设计实验，研究渗吸规律的影响因素，不断对未来致密砂岩油藏的高效开发提供理论依据[2]。

1 渗吸驱油机理

1.1 渗吸类型

根据油藏开发时岩石孔隙中润湿相流体和非润湿相流体的流动方向以及主要动力的不同，将渗吸分为正向渗吸和逆向渗吸；根据渗吸现象在基质和裂缝中的作用形式与规律，将渗吸分为静态渗吸和动态渗吸[3]。

1.1.1 正向渗吸和逆向渗吸

根据油水在圆柱形岩样端面处运动方向的不同，可以将渗吸类型分为正向渗吸和逆向渗吸。正向渗吸指吸入的润湿相（水相）与被驱替的非润湿相（油相）的运动方向相同，逆向渗吸指吸入的润湿相（水相）与被驱替的非润湿相（油相）的运动方向相反[4]（图1）。

图1 渗吸方式图

1.1.2 静态渗吸和动态渗吸

若将致密砂岩油藏看作由裂缝网格分隔开的基质与裂缝网格组成，则静态渗吸发生在被裂缝网格分隔开的基质里[5]。岩心的不同边界条件（两端开启、侧面开启、全部开启或其他复杂情况）由基质与裂缝接触部分的面积大小和裂缝的闭合程度等因素决定，将对静态渗吸效果产生不同的影响[6]；岩心的大小由基岩与裂缝接触部分的面积决定。动态渗吸在流动过程中只发生在裂缝网格里，主要研究的是裂缝网格对渗吸的影响[7]。由于致密砂岩油藏中裂缝的导流能力高，而大部分的原油富集在岩石基质中，因此致密裂缝性油藏的采出程度取决于基质和裂缝间流体的交换率，驱替速度成为影响动态渗吸效果的重要因素[8]。

1.2 渗吸类型的判别方法

Δ—油水两相密度之差，g·cm-3；

—重力加速度，cm·s-2；

—岩层高度，cm；

—与岩石几何尺寸相关的常数，对于圆形毛细管，其值约等于0.4。

姚同玉[11-12]等发现重力或毛细管力虽然是渗吸驱油的必要条件，但并不能决定渗吸作用是否发生，因此在判别参数公式中仍要考虑润湿性的影响，即将润湿角引入渗吸类型判别参数的概念中，对渗吸机理的判别进行进一步修正，使修正后的参数首先表明渗吸作用能否发生，然后再说明渗吸作用中重力和毛细管力的相对重要性，从而判断渗吸类型。定义如下：

式中：—接触角，(°)。

杨胜来[13]等提出了层渗吸理论，该理论消除了对不同条件下同向、逆向渗吸类型难以正确辨别的问题，将致密油藏储层基质渗吸分为两大类型：表层渗吸和深层渗吸。静态渗吸条件下油气在基质表层孔隙喉道中富集，水在毛管压力作用下从吼道一端进入，将表层中的油气驱替出来；表层渗吸结束后，深层基质中的油气也将在毛管压力的作用下进入到表层的孔隙喉道中，不会将表层吼道完全充满，但会使表层孔隙中含油段和含水段界面张力不平衡，从而持续推动原油向前运移，最终渗吸排出。该渗吸机理主要驱动力来源于毛管压力和驱动速度差。

2 渗吸机理研究手段

2.1 岩心尺度实验分析法

2.1.1 体积法

体积法的原理是利用毛细计量管的高度变化来确认不同时间下岩心渗吸或置换的油量。其实验装置为一个上端连接刻度毛细计量管，下端连接透明玻璃瓶的渗吸仪器。实验方法为提前将饱和油样的岩心完全浸泡于渗吸液的玻璃瓶中，随着时间变化读取刻度计量管上的刻度变化，确定渗吸率及采出程度[14]。

该方法简单易于操作，但是由于致密砂岩低孔低渗导致排油量少，渗吸出的油量容易吸附在岩心表面，同时，还受到顶端毛细计量管刻度的限制，影响实验结果。

2.1.2 质量法

质量法是根据岩心的重量变化来判断渗吸结果的一种方法。质量法的原理是在体系中润湿与非润湿两相在渗吸过程中发生了置换现象，而两相的密度不一致故导致岩心的质量发生了变化。实验器材为高精度电子天平、电脑、吊钩、鱼线。实验方法为将高精度电子天平与电脑相连接，并把天平一端连接鱼线与吊钩，将岩心连接起来，再将岩心浸润在润湿液中，利用数据采集系统实时监控着数据变化，方便快捷地得出实验结果[14]。该方法原理比较简单，易操作，精度较高。但对于致密砂岩岩心，由于“挂壁现象”的存在，容易出现计算结果超过100%。

2.2 孔隙尺度实验分析法

2.2.1 核磁共振法

KLEINBERG[15]发表核磁共振理论，该理论提出在均匀磁场中，快扩散范围内的体弛豫和表面弛豫主要是由孔隙介质中流体的核磁共振纵向弛豫T1和横向弛豫T2 构成：

—与孔隙介质属性相关的表面弛豫率。

利用一阶近似的方法模拟扩散方程，可以将一段时间空间内的磁化矢量平均值计算出来，从而得到核磁共振二维弛豫谱，找出表面润湿性对弛豫图谱的影响。在模拟过程中，汇总所有动态交换氢核弛豫可以得到表面弛豫衰减曲线。此方法可以用来模拟和预测吸附在孔隙表面流体分子的核磁共振弛豫特征。

2.2.2 CT扫描法

CT扫描法结合BEERS定理，用 X 射线对岩心进行穿透，测量并计算该过程中射线的衰减系数，最终绘制出整个岩心的三维立体图像。该方法在致密岩石和页岩等非常规油气岩心渗吸实验中都有应用，能够进行孔隙成图并且得出比较精准的岩心孔隙度值和岩心内部的分布规律。CT扫描法强调定性描述实验结果，适用于研究储层岩心内渗吸前缘变化规律，渗吸作用主要驱动动力类型及变换情况，不同介质间渗吸规律异同点，岩石非均质性影响孔隙中润湿、非润湿相分布的程度等问题，能够避免体积法和质量法实验中的挂壁效应、门槛跳跃、马朗格尼效应等。但是CT扫描法费用昂贵，实验花费时间长，且仪器自身的精度对实验结果会产生巨大影响，通常与质量法配合进行实验研究会得到更好的实验结果[16]。

王敉邦[6]等利用CT扫描法研究了岩心内部渗吸前缘的动态变化规律以及渗吸过程中主要的动力问题，得到致密岩层较为精确的孔隙度和内部分布规律。同时CT扫描法能够解决体积法和质量法测试实验中出现的挂壁效应、门槛效应的问题，对非常规储层渗吸理论的研究具有重大意义，因此认为CT扫描技术更适用于渗吸实验机理研究。同时结合质量法和CT扫描技术的优点进行了一体化研究，得出CT法适用于致密砂岩的定性分析的结论。

3 渗吸规律影响因素

3.1 静态渗吸规律影响因素

3.1.1 岩石渗透率

何梦莹[16]通过实验选取几块致密砂岩油藏中具有不同渗透率（分别位于0.01~0.1 mD、0.1~1 mD区间）的岩心在常压下进行自发渗吸实验，将岩样浸没在配置好的地层水中，采用质量法的实验原理，观察并记录岩心重量随渗吸时间的变化情况，最终得出结论：岩石渗透率是致密砂岩储层自发渗吸速度的重要影响因素，且岩层渗透率越高渗吸速度相对降低。

潘少杰[17]针对鄂尔多斯盆地长6致密储层，在温度为50 ℃的恒温箱中采用体积法进行了静态渗吸实验，记录驱油体积随时间的变化关系。实验准备过程中，为了更接近实际油藏情况，将所取岩样进行了人工造缝，且实验岩心所处的液体环境为KCl质量分数为8%的渗吸仪。试验结果表明，随渗透率的升高，渗吸采收率不断提高。

3.1.2 界面张力

魏一兴[18]使用毛细计量管来计算岩心实时渗吸吸入或置换出的非润湿相的体积，从而得到渗吸采收率。结果表明，界面张力影响了渗吸过程中表面活性剂的作用效果，进一步影响了油藏开发的最终采收率。对于具有不同密度不同结构性质的储层，始终存在一个界面张力值使得该储层岩心的渗吸作用达到最佳状况[19]，而一旦界面张力超过这个最优值，表面活性剂的作用效果将显著下降，油藏的渗吸效果不会随着界面张力的继续增大而有所改变。

3.1.3 润湿性

朱维耀[5]等用重水驱替模拟油，进行了核磁共振实验，研究驱替过程中渗吸的渗流机理。实验结果表明，多孔介质润湿性影响渗吸作用效果。一般来说，不同类型岩心渗吸程度高低顺序为强水湿大于中等水湿岩心，大于弱水湿岩心。

梁灿[20]等选用玻璃制岩石孔隙介质模型和目标油藏储层岩石样品作为实验材料，以蒸馏水和正十二烷来模拟不同的孔隙流体，利用核磁共振原理，结合二维弛豫谱，分析润湿性对储层渗吸驱替作用的影响。结果表明，当岩石饱和双向流体时，孔隙中润湿相的T1/T2比值高于饱和非润湿相流体，对照扩散-弛豫图谱，判别不同条件的岩石的润湿性特征。对比该储层岩心微观驱替效率，可知强水湿岩心渗吸效果高于弱水湿岩心。

3.2 动态渗吸规律影响因素

王家禄[21]等根据低渗透油藏裂缝与基质间动态渗吸作用的物理模型（图2），设计实验分析驱替速度对致密砂岩裂缝性油藏动态渗吸效果的影响。在该类型油藏中，水相在压力梯度的作用下流动于岩石裂缝间，同时受毛管力作用进入岩石基质内驱替原油，被驱替到裂缝中的原油再次被注入水驱替到出口端，形成裂缝与基质之间的动态渗吸。该实验将强亲水、连通性较差的岩心饱和原油处理后，在其中部加工了一条裂缝，控制进口端注入水单向流动，出口端最终为油水两相流动。将水淹没岩心，连接真空加压装置饱和一段时间，然后放入岩心加持器，以一定的驱替速度进行水驱，同时测量水相的渗透率。实验结果表明，存在一个最佳驱替速度和最高渗吸效率，即在一定的驱替速度范围内，由于毛细管力与黏性力的共同作用，渗吸效果能够达到最佳。

图2 低渗透油藏裂缝与基质动态渗吸模型示意图

王秀宇[22-23]等针对新疆油田致密砂岩储层通过磁力搅拌器带动水的流动，模拟动态渗吸的实验条件，研究动态渗吸的影响因素。实验结果表明，渗透率对动态渗吸的影响较小，储层品质指数对其影响较大，致密岩心越短，渗吸越容易发生；裂缝发育越好，动态渗吸效果越好。动态渗吸还与压力与温度成正相关，其中压力还存在一个最佳值，使动态渗吸效果达到最佳。

4 结束语

当前我国经济快速发展，对油气资源的需求量日益增长，在常规油气田勘探开发步伐缓慢的当前局势下，非常规油气储层的开发尤为重要[24]。纵观全球油气资源勘探开发的局势，目前油气资源的开发正从常规油气向非常规油气过渡，为了确保能源产出和储量安全，我国也必须大力发展以致密油气储层为主要针对目标的非常规油气勘探开发[25]。

当前阶段我国对致密砂岩储层渗吸机理及规律的研究取得了一定量的成果，但要能在低渗甚至致密油藏中更好地发挥渗吸作用的效果，今后仍要结合多领域开展综合研究工作，其发展方向有如下几点建议：

1）进一步完善对渗吸类型的判断。

2）采用更加丰富的研究手段研究致密油藏的渗吸机理，加大力度探讨渗吸作用与采收率和渗吸速度之间的定量关系。

3）进一步明确静态、动态渗吸规律的影响因素；

4）开创渗吸作用与其他开发方式相结合的新型技术。地层的渗吸作用通常较为缓慢，不足以满足实际生产开发的需要，要试图寻求与其他开发方式相结合的新思路，最终发挥其提高致密岩层油气产量的效果[26]。

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Research Progress of the Mechanism and Law of Imbibition in Tight Fractured Sandstone Reservoirs

,,,

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei 430100, China）

Fractured tight sandstone reservoirs have the characteristics of tightness, complex pore structure and development of natural fractures. Depleted production has the problems of rapid decline in production and difficulty in energy supplementation. The matrix has a large amount of remaining oil that has not been used, and the degree of recovery is low. The imbibition oil recovery is an important way to improve the development effect of tight fractured sandstone reservoirs. However,the imbibition process has the problems of unclear mechanism and complex and diverse rules. Therefore,in-depth study of imbibition displacement mechanism and clarification of imbibition law is really important for improving the recovery factor of tight sandstone fractured reservoirs. In this paper, the types and identification methods of imbibition in tight fractured sandstone reservoirs were summarized. Volumetric method, mass method,nuclear magnetic resonance method and CT scanning method were used to study the imbibition mechanism.And the effect of rock permeability,oil-water interfacial tension and wettability on the imbibition law was summarized. Based on the analysis of the current domestic research progress,the direction of the next study on the imbibition of tight sandstone fractured reservoirs was proposed.

Tight sandstone; Imbibition mechanism; Imbibition law; Research progress

长江大学第十二批大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2019295）。

2020-05-11

曾德尚（1999-），男，湖北省荆州市人。

TE357.46

A

1004-0935（2020）11-1433-05