特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟装置设计

2021-04-27姚传进詹广贤杜殿发陈德春

实验室研究与探索 2021年3期

姚传进，赵嘉，詹广贤，李蕾，鹿腾，杜殿发，陈德春

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

0 引言

近年来，随着国民经济的快速发展以及全球能源结构的不断调整，我国油气的对外依赖度逐年攀升。国家能源局《2020能源工作指导意见》强调，要多措并举，加大油气勘探开发力度，保障国家能源安全，这对我国石油与天然气工程领域创新型专业技术人才培养提出了新的要求和挑战［1-3］。创新性实验是高等教育质量与教学改革的重要组成部分，对于培养学生的自主学习能力、独立探索能力和创新实践能力具有至关重要的作用［4-6］。结合实际油气开发工程问题，推动产学研融合，设计开发创新性实验资源，对于激发学生的科研兴趣和创新思维，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，具有重要的现实意义［7-9］。

我国特低渗致密油藏潜在储量巨大，是目前国内油气勘探开发的重点领域之一，具有很大的开发潜力，对全球能源结构和我国经济的发展具有重要的影响［10-12］。与传统的水驱以及酸化压裂技术相比，分子膜剂降压增注技术具有作用有效期长、增注量大、有效降低压力损耗等优点，能够有效改善特低渗致密油藏注水上升快、注水困难等问题，受到工业界和学术界的广泛关注［13-14］。为了实现特低渗致密储层分子膜剂降压增注技术的规模化应用，深入认识特低渗致密储层分子膜剂降压增注特性及渗吸驱替规律至关重要。现有的实验研究方法很难实现特定孔隙结构特征条件下的准确定量分析［15-16］，而且学生学到的只是单纯的实验操作，不利于学生自主学习能力、独立探索能力和创新实践能力的培养。

本文根据特低渗致密储层渗吸驱替模拟研究经验，设计了一套特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟实验装置，实现了特低渗致密储层不同孔隙结构特征条件下分子膜剂降压增注特性及渗吸驱替规律研究。该实验项目涉及实验模型设计、实验装置组装、渗吸驱替模拟操作及影响因素对比分析等诸多方面，可以让学生深入认识特低渗致密储层渗吸驱替的基本原理，进而让学生更好地探索特定孔隙结构参数条件下的分子膜剂降压增注特性及渗吸驱替规律，设计特低渗致密油藏分子膜剂降压增注技术方案。

1 岩心渗吸驱替模拟实验

传统的岩心渗吸驱替模拟实验装置主要是利用质量称重法进行岩心渗吸驱替实验，如图1所示。实验步骤为：①特低渗致密岩心烘干称重后，抽真空饱和模拟地层水；②用模拟油进行驱替造束缚水，计算饱和油的体积Vo（cm3），恒温老化24 h；③岩心全部浸没在渗吸驱替溶液中进行渗吸实验。实验过程中，每隔一段时间记录天平的读数，计算每一时间段的质量差Δm，进而计算特低渗致密岩心的渗吸驱替效率

式中：ρw、ρo分别为模拟地层水和模拟油的密度（g／cm3）。该装置无法准确把握特低渗致密岩心内部的孔隙结构特征参数，如孔隙内径、粗糙度、截面形状等，不能深入探究特定孔隙结构特征条件下的渗吸驱替特性及其影响因素。

图1 质量称重法岩心渗吸驱替实验装置示意图

2 毛细管渗吸驱替模拟实验设计

为了克服传统的岩心渗吸驱替模拟实验技术存在的问题，设计了一种特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟实验装置及方法，即根据特低渗致密储层岩石的孔隙结构特征，加工制作不同内径、粗糙度、截面形状的可视化毛细管渗吸驱替模型。采用显微图像测试分析软件，实时测试和记录毛细管中两相流体的渗吸驱替过程，并通过恒温循环水加热器控制毛细管中流体的温度，模拟不同的油藏温度条件，从而开展特低渗致密储层渗吸驱替特性及其影响因素的研究。

2.1 装置设计

特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟实验装置如图2所示。该装置由可视化毛细管渗吸驱替模型系统、测试控制系统和显微图像测试分析系统组成。其中，可视化毛细管渗吸驱替模型系统是整个模拟实验装置的核心部分，可由针管泵、样品池、毛细管、玻璃板和废液池组成；该系统通过加工制作不同内径、粗糙度、截面形状的多根毛细管，平行固定在玻璃板上形成可视化毛细管渗吸驱替模型，实现特低渗致密储层不同孔隙结构参数条件；毛细管在靠近样品池的一侧方向伸入至样品池内10 mm，样品池的顶部高度与毛细管的顶部高度齐平；针管泵内盛有分子膜剂水溶液，通过管线与样品池连通，并不断将分子膜剂水溶液泵入样品池中，以保持样品池内的分子膜剂水溶液容量充盈（液面与毛细管的顶部高度齐平）；毛细管另一侧的废液池用于收集毛细管渗吸驱替过程中排出的流体。测试控制系统由恒温水浴加热装置、恒温循环水浴加热器、温度传感器和计算机组成；恒温循环水浴加热器置于可视化毛细管渗吸驱替模型正下方，通过管线与恒温水浴加热装置连接；恒温水浴加热装置用于对恒温水浴循环容器内的水进行加热，进而通过恒温循环水浴加热器控制毛细管和样品池中流体的温度，模拟不同的油藏温度条件；恒温水浴加热装置通过自动控温程序控制水的加热温度，从而实现毛细管中流体温度的调整控制；温度传感器一端与恒温循环水欲加热器相连；另一端通过信号传输线与计算机相连，用于实时显示恒温循环水欲加热的温度。显微图像测试分析系统由显微镜、显微图像测试分析软件和计算机组成；显微镜通过信号传输线与计算机相连，显微镜置于可视化毛细管渗吸驱替模型正上方，用于实时记录毛细管中两相流体的渗吸驱替过程，并通过安装在计算机上的显微图像测试分析软件进行定量测量分析。实验要求学生模拟不同孔隙结构参数条件，其关键在于不同内径、粗糙度、截面形状的可视化毛细管渗吸驱替模型的设计制作。

图2 特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟实验装置

2.2 方法设计

利用上述装置进行特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟实验的方法设计如下：①选取不同内径、粗糙度或截面形状的毛细管，加工制作可视化毛细管渗吸驱替模型；②将可视化毛细管渗吸驱替模型饱和油后置于恒温循环水浴加热器的正上方，并通过调节恒温水浴加热装置的温度控制毛细管和样品池中流体的温度；③通过针管泵将分子膜剂水溶液不断泵入样品池中，保持样品池内的分子膜剂水溶液容量充盈（即液面与毛细管的顶部高度齐平）；④ 采用显微镜和显微图像测试分析软件，实时测试和记录毛细管中两相流体的渗吸驱替过程；⑤清洗整理实验装置，完成实验。

3 分子膜剂毛细管渗吸驱替模拟实验

实验要求获得不同实验参数条件下分子膜剂水溶液渗吸驱替特性，需要系统地考察不同因素对分子膜剂水溶液渗吸驱替的影响。实验过程中，需要考虑毛细管内径、润湿性、粗糙度、截面形状以及分子膜剂浓度、原油黏度、油藏温度等影响因素。

3.1 实验内容与方法

利用上述特低渗致密储层渗吸驱替模拟实验装置及方法可以进行不同毛细管内径、不同分子膜剂浓度、不同分子膜剂类型条件下的渗吸驱替模拟实验。实验在室温25℃下进行，实验步骤为：①根据特低渗致密储层岩石的孔隙喉道尺寸分布范围，选取内径分别为5、10、25 μm的毛细管加工制作可视化毛细管渗吸驱替模型；②利用目标油藏产出原油与煤油按照体积比例3∶1混合配制模拟油，在25℃下的黏度为5.1 mPa·s；③选择相对分子质量依次为477.23、995.74、1 992.93 g／mol的分子膜剂（阳离子双子表面活性剂），分别用油田地层水配置质量分数为0.15%、0.25%和0.35%的分子膜剂水溶液，油田地层水作为空白对照，油田地层水组成为84.163 6 mg／L Cl－、311.2 mg／L HCO－3、39 677 mg／L K＋＋Na＋、12 102.2 mg／L Ca2＋、601.5 mg／L Mg2＋，总矿化度为136.855 5 g／L；④将可视化毛细管渗吸驱替模型饱和模拟油；⑤设置恒温水浴加热装置的温度为25℃，将分子膜剂水溶液泵入样品池中进行渗吸驱替模拟实验，实时测试和记录毛细管中两相流体的渗吸驱替过程，并绘制渗吸驱替距离随时间的变化曲线。

3.2 实验结果对比分析

利用本实验项目设计的特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟实验装置及方法，在分子膜剂相对分子质量分别为477.23、995.74、1 992.93 g／mol，分子膜剂质量分数分别为0.00%、0.15%、0.25%、0.35% 和毛细管内径分别为5、10、25 μm条件下，测得了分子膜剂在毛细管中的渗吸驱替距离随时间的变化曲线，结果如图3～5所示。

图3 不同分子膜剂相对分子质量条件下的渗吸驱替特性对比（0.35%）

图4 不同分子膜剂质量分数下（分子膜剂-A）的渗吸驱替特性对比

图5 不同毛细管内径条件下的渗吸驱替特性对比（0.35%分子膜剂-A）

利用本装置在不同实验参数条件下测得的分子膜剂渗吸驱替特性能够很好地分析特低渗致密储层分子膜剂渗吸驱替特性的主要影响因素，验证了本实验项目设计的特低渗致密储层毛细管渗吸驱替模拟装置及方法的适用性。由图3可以看出，随着分子膜剂相对分子质量的减小，渗吸驱替距离逐渐增加，且毛细管内径越小，渗吸驱替效果越明显，说明相对分子质量的分子膜剂能够有效改善特低渗致密油藏的渗吸驱替效果。由图4可以看出，随着分子膜剂质量分数的增大，渗吸驱替距离逐渐增加，当分子膜剂质量分数超过0.25%时，渗吸驱替距离的增加幅度减小，说明存在一个较佳的分子膜剂质量分数。由图5可以看出，随着毛细管内径的减小，渗吸驱替距离逐渐变小，说明特低渗致密油藏注水开发需要较高的注入压力，而分子膜剂能够显著降低毛细管流动阻力，促进渗吸驱替，进而降低水驱注入压力，达到降压增注的目的。

与传统的岩心渗吸驱替模拟实验技术相比，本实验项目设计的装置及方法，根据特低渗致密储层岩石的孔隙结构特征，通过加工制作不同孔隙结构特征参数的可视化毛细管渗吸驱替模型，实现特定孔隙结构特征条件，采用显微图像测试分析软件，实时测试和记录毛细管中两相流体的渗吸驱替过程，并通过恒温循环水浴加热器控制毛细管中流体的温度，模拟不同的油藏温度条件；而且本装置结构简单，价格便宜，操作便捷，资源消耗小，能够满足不同类型化学驱油剂渗吸驱替特性研究的需求。

3.3 实验拓展及预期效果

基于对特低渗致密储层渗吸驱替基本原理的理解，学生可以自主设计特低渗致密储层渗吸驱替模拟实验装置应用于渗吸驱替特性的研究，并探讨不同因素对其渗吸驱替特性的影响机制；此外，学生还可以在老师的指导下，进一步完善特低渗致密储层渗吸驱替模拟实验装置，如设计具有不同粗糙度、润湿性和截面形状的毛细管模型模拟更加复杂真实的特低渗致密储层孔隙结构特征，并将其扩展应用到压裂液、降滤失剂、纳米流体等其他化学剂的渗吸驱替特性研究。在此基础上，学生可以申报国家级大学生创新实验项目、参加全国大学生科技创新大赛，或申请国家发明专利等。在实践过程中，可以有效激发学生的科研兴趣和创新思维，锻炼学生的自主学习能力、独立探索能力和创新实验能力，提高学生分析和解决实际工程问题的能力。