考虑黏土矿物影响的湿相-非湿相置换实验

李静鹏， 许冬进*， 唐 昱， 石善志, 何小东

(1.长江大学石油工程学院， 武汉 430100； 2.中石油新疆油田分公司工程技术研究院， 克拉玛依 834000)

随着中国致密油藏的规模化开发，逐渐形成致密油藏“保护储层、增渗增能、洗油驱油”的多维一体化开发思路[1-2]，协同长水平段水平井大规模储层改造技术，取得了可观的开发效益[3]。

致密油藏孔隙连通性较差，孔喉结构复杂，地层流动空间狭小，常规提高采收率方式在致密油储层中难以应用[4]。中外致密油藏开发经验显示，水平井压裂施工作业结束后闷井，压裂液通过裂缝与储层基质发生渗吸作用，压裂液滞留储层并将原油从储层基质置换至人工裂缝网络，返排时通过大规模压裂液注入的增能效果将原油采出地面，因此，体积压裂后闷井返排工艺能起到有效提高原油采收率的作用，压裂液的“增能作用”“渗吸作用”“储层伤害”程度决定了闷井返排工艺的效果[5]。中国致密储层中泥质含量高达16%～21%[6],泥质成分中混合层黏土矿物如蒙皂石和伊利石均具有较强的水敏性，闷井渗吸过程中水敏性黏土矿物与压裂液接触会产生黏土膨胀，堵塞致密岩石孔隙喉道，伤害储层，油田现场在储层改造时使用KCl作为防膨添加剂进行储层保护。前人对黏土矿物的研究大多集中于其对水敏、水锁效应的影响，如张关龙等[7]研究了黏土矿物总量与储层水敏性的关系；曹维政等[8]研究发现储层中含有少量黏土矿物时，该储层表现出中等偏强的水敏性；而在压裂液渗吸作用过程中考虑黏土矿物含量的研究较少。

致密岩心孔隙喉道半径小且连通复杂，孔喉连通性和喉道迂曲度无法判定，传统致密岩心渗吸实验方法[9-10]如质量法、体积法、计算机断层扫描及核磁共振法无法直接反映岩心内部流体流动情况，现不仅采用常规致密天然/人工岩心质量法研究储层岩心和人造岩心的渗吸采收率，还采用玻璃管填砂来模拟岩心[11]，以便于观察出不同时刻填充介质内部湿相通过湿相-非湿相置换作用到达的位置(气-液前缘)，同时通过量筒计量正/逆向湿相置换量，为渗吸置换机理研究和工程中防膨剂的使用提供理论参考。

1 实验方法与实验材料

1.1 质量法岩心渗吸实验材料及装置

采用质量法设计致密油动态渗吸实验装置，如图1所示。选取新疆油田玛湖致密油储层钻井过程的全直径岩心作为实验材料，利用线切割机将全直径岩心切割成直径2.5 cm，长度7.5 cm左右的标准小岩心A1、A2、A3；选取与天然岩心孔隙度、渗透率相似的人造岩心B1、B2、B3；岩心基础数据和实验参数如表1所示。采用新疆油田原油配置模拟油，20 ℃ 黏度为3.234 mPa· s，密度为0.803 kg/m3，实验用润湿相为新疆油田现场压裂液配方配置滑溜水压裂液破胶液，压裂液内添加助排剂和不同含量防膨剂，黏度为8.234 mPa·s，油水界面张力为0.062 mN/m。

图1 致密油动态渗吸实验装置Fig.1 Experimental device for dynamic imbibition of dense oil

表1 实验岩心参数Table 1 The experimental core parameters

1.2 质量法岩心渗吸实验步骤

为研究岩心内黏土矿物含量及压裂液中防膨剂含量对压裂液渗吸作用的影响，以质量法为实验手段，实验步骤如下。

(1)将切割制样、编号完成的岩心洗油两周后烘干至恒重，测量各岩心的基本参数。

(2)将岩心抽真空，加压饱和模拟油。饱和完成后将岩心放入模拟油中，在75 ℃ 烘箱内放置3周老化。

(3)按照黏度要求将现场获取的原油与煤油按一定比例配置模拟油；按照新疆油田现场体积压裂施工使用压裂液体系配方配制压裂液。按照现场施工程序对压裂液进行交联、破胶，之后对其进行过滤，得到滤液用于渗吸实验。

(4)岩心称湿重，通过悬挂杆挂于反应釜中，与压裂液充分接触，通过传感器和软件实时获取岩心质量与时间的关系，处理实验数据。实验温度为25 ℃,实验压力为0.1 MPa。

利用质量法测定渗吸采收率时，考虑岩心浮力等因素，结合受力分析方法推导出渗吸采收率公式为

(1)

式(1)中：E为渗吸采收率，%；α为岩心物性经验相关系数，0.119；ρw为压裂液密度，1.03 g/cm3；ρ0为模拟油密度， 0.8 g/cm3；V0为模拟油的体积，mL;Δm为质量变化量，g。

1.3 玻璃管填砂实验材料及装置

玻璃管填砂实验气-水系统装置图如图2所示。实验所用玻璃管内径为2.5 cm，长度为40 cm。盛水容器1为20 cm×20 cm×20 cm上不封口玻璃缸，侧面有孔，孔径和玻璃管外径相同(3 cm)。盛水容器2为广口瓶。实验装置出口使用橡皮塞连接导管，接入量筒2收集气体。量筒1和量筒2在实验开始前装满水倒扣在玻璃管上方来收集渗析作用被驱出的气体。气-液系统实验中，逆向置换的空气从填充玻璃管左侧排出，进入量筒1。正向排出的空气通过导管进入量筒2。为了排出重力对润湿相运移的影响，实验中保证盛水容器1的液面与填充玻璃管的上端持平。

图2 气-水系统实验装置图Fig.2 Gas-water system experimental device diagram

实验所用固体颗粒为300目石英砂，密度为2.65 g/cm3，表现为强水湿性。黏土矿物中蒙脱石的膨胀性最强，因此填充黏土矿物选择蒙脱石粉末，密度为2 g/cm3，实验用样如表2所示。实验采用空气作为非湿相，去离子水、20 g/L KCl溶液和40 g/L KCl溶液作为湿相。

表2 实验用样Table 2 Experimental samples

1.4 玻璃管填砂湿相-非湿相置换实验方法及步骤

传统的室内静态渗吸实验中存在一些无法避免的误差和局限性。相比于天然岩心或人工岩心，填砂玻璃管中孔喉连通性良好且不存在盲道，玻璃管透明可直接观察润湿相前缘运移距离并通过量筒计算湿相置换量，通过控制黏土矿物含量和防膨添加剂含量研究黏土矿物对湿相运移的影响，通过量筒1和量筒2测量正向/逆向置换空气体积研究非湿相运移规律。实验步骤如下。

(1)将烘干处理后的石英砂和不同比例的蒙脱石填充玻璃管，玻璃管内填充的砂柱长度为36.5 cm，填充物质量为270 g。

(2)将填充好的玻璃管两端用橡胶塞+玻璃胶密封，待玻璃胶干燥后连接气瓶和皂膜流量计，测定填充管渗透率。

(3)按照图2连接实验装置。在盛水容器1和2中缓缓倒入湿相，将盛满湿相的量筒倒置固定好。观察出不同时刻填充介质内部湿相到达的位置(气-液前缘)，同时通过量筒2和量筒1计量正/逆向湿相置换量的体积。

由于非湿相为空气，所以采出程度计算式中的油相用气相代替，湿相置换率计算公式为

(2)

式(2)中：R为t时刻玻璃管填充介质的湿相置换率，%；ΔV为t时刻置换排出的气体总体积，mL；V为总孔隙体积，mL。

2 实验结果及分析

2.1 岩心渗吸实验

渗吸实验结果如图3和图4所示。如图3所示，天然岩心实验结果中，渗吸液中添加防膨剂的岩心(A2、A3)渗吸采收率明显高于渗吸液中无防膨剂含量时岩心的(A1)渗吸采收率，20 g/L KCl渗吸液的渗吸采收率比无防膨剂渗吸液采收率提高18.5%，40 g/L KCl渗吸液的渗吸采收率比20 g/L KCl渗吸液的渗吸采收率提高2.6%。

图3 不同防膨剂含量天然岩心渗吸实验Fig.3 The results of natural core imbibition experiment with different contents of anti-swelling agents

图4 不同防膨剂含量人工岩心渗吸实验Fig.4 The results of artificial core imbibition experiment with different contents of anti-swelling agents

如图4所示，人工岩心实验结果中，不同防膨剂含量的渗吸液的渗吸采收率变化不明显，原因为人工岩心矿物组成中没有黏土矿物。因此，多孔介质中的黏土矿物对自发渗吸存在负面影响。

2.2 玻璃管填砂实验

如图5所示，当其他条件不变时，5%黏土矿物含量的填充物置换均速为2%黏土矿物含量的填充物的0.4倍。表明黏土矿物含量越高，湿相-非湿相置换速度越慢。

图5 1～4号填砂管气-液前缘距离随时间的关系Fig.5 The relationship between the gas-liquid front distance and time of No.1～4 sand filling pipe

如图6所示，由于黏土矿物的膨胀性，孔隙中黏土矿物颗粒在接触湿相时膨胀，导致气-液界面的部分孔隙被堵住，非湿相难以被湿相置换出来，且随着黏土矿物含量的增加，盲管越来越多，气-液通道连通性变差。如表3所示，当填充物为纯石英砂时，逆向置换非湿相量可达到8 mL。但含有黏土矿物的填充介质中，逆向置换非湿相量都在1.5 mL以下。

表3 不同黏土矿物含量时正/逆向湿相置换量Table 3 Positive/reverse wet phase displacement at different clay contents

Qg为非湿相的置换量；Qw为湿相的置换量图6 孔隙中黏土矿物颗粒膨胀对湿相运移方式的影响Fig.6 Effect of expansion of clay mineral particles in pores on the migration of wet phase

如表4所示，填砂管填充物为纯石英砂时，多孔介质均质性强，孔隙连通性好，湿相-非湿相置换率可达到88.96%。如图7所示，从湿相置换率上看，黏土矿物含量为5%时，所需要的置换时间为纯石英砂的2.29倍，湿相置换率为纯石英砂的77.8%。

表4 不同黏土矿物含量填充物的湿相置换率和平均速度Table 4 Wet phase displacement ratio and average speed of fillers with different clay contents

图7 不同黏土含量下湿相置换率Fig.7 Wet phase displacement in different clay contents

如图8所示，比较2～7号填砂管可知，湿相由去离子水变为20 g/L KCl溶液时，含黏土矿物填砂管湿相置换率明显提高。4号填砂管的湿相置换率为69.22%，在20 g/L KCl溶液中，其湿相置换率可提高至85.2%。在湿相为20 g/L KCl溶液中，无论是湿相置换非湿相速度还是湿相置换率，都明显高于湿相为去离子水时的值。

图8 20 g/L KCl溶液对黏土矿物膨胀的抑制效果Fig.8 Inhibition effect of 20 g/L KCl solution on clay swelling

如图9所示，填砂管4、7、8进行比较，在湿相为40 g/L KCl溶液与20 g/L KCl溶液实验结果显示，湿相置换率提高3.3%，表明20 g/L KCl溶液无法完全抑制黏土矿物膨胀，在40 g/L浓度KCl溶液中，5%黏土矿物填砂管的湿相置换率为88.5%，与纯石英砂填砂管相差0.46%。

图9 不同浓度KCl溶液对5%黏土矿物含量填充介质湿相置换率的影响Fig.9 The effect of different concentrations of KCl solution on the wet phase replacement rate of 5% clay mineral content filled medium

3 Lucas-Washburn(LW)渗吸模型及其拟合

在水平毛细管中，湿相液体吸入的速率依赖于毛细管力，吸入实际长度随时间的变化关系为

(3)

式(3)中：hf为毛细管吸入长度，cm；λ为毛细管直径，cm；σ为润湿液体表面张力，N/m；t为时间，s；θ为接触角，(°)。μw为湿润液体黏度，Pa·s。

式(3)为LW模型的数学表达式[12]，对式(3)进行对数变换得

(4)

(5)

由式(5)可知，LW模型在对数变换后，变量lghf与自变量lgt满足斜率为0.5的线性关系。在填砂管模型中，由于填充介质为纯石英砂，相比于储层基质来说，有更好的均质性，可看作毛细管束模型，对填砂管3湿相运移前缘随时间的关系利用式(5)进行对数变换后进行分析，结果如图10所示。由图10可知，填砂管3线性拟合方程斜率为0.483 4，与LW毛细管渗吸模型的斜率0.5相比，渗吸规律拟合较好。

图10 填砂管3湿相运移前缘与时间的对数关系Fig.10 Logarithmic relationship between the front edge of the wet phase migration of sand-filled pipe 3 and time

4 结论

(1)通过人工岩心和天然岩心渗吸实验结果可知，黏土矿物含量与压裂液渗吸采收率呈负相关，防膨剂含量与压裂液渗吸采收率呈正相关，20 g/L KCl防膨剂添加量即可有效抑制黏土矿物膨胀。

(2)通过玻璃管填砂实验可知，非湿相逆向排出只发生在实验初期，且逆向排出量占总排出量比例极小。黏土矿物遇水膨胀会阻碍非湿相运移，润湿前缘突进速度变慢，总采收率减少。

(3)LW毛管束模型能够较好拟合填砂管实验润湿前缘运移结果，表明填砂管实验满足LW模型的约束条件。