低渗透砂岩石油渗流的微观模拟实验研究.pdf

第 3 2卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 西南石油大学学报自然科学版 J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y E d i t i o n Vol _ 3 2 No ． 1 Fe b． 2 01 0 文章编号 1 6 7 4 5 0 8 6 2 0 1 0 0 1 0 0 1 6 0 5 低渗透砂岩石油渗流的微观模拟实验研究 朱志强 ， 曾溅辉 ， 王建君 1 ． 中国石 油勘探开发研究院海外一路业 务发展研究部 ， 北京 海淀 1 0 0 0 3 8 ； 2 ． “ 油气资源与探测 ” 国家重点实验室 -中国石油大学 ， 北京 昌平 1 0 2 2 4 9 摘要 采用天然低渗透砂岩微观模型， 通过与实际地质状况较为相似条件下的油驱水实验， 模拟石油在低渗透砂岩 孔隙内的渗流， 分析和探讨了低渗透砂岩孔隙介质 中石油的微观渗流机理。研究结果表明， 石油在低渗透砂岩中渗 流路径曲折复杂， 运移渗流模式有稳定式、 指进式和优势式3种； 石油在低渗透砂岩中渗流存在启动压力梯度， 启动 压力梯度与砂岩孔隙度关系复杂， 而与砂岩渗透率有很好的相关性； 石油的渗流速度与驱替压力呈很好的相关性 ， 石 油以相同速度在不同渗透率级别的砂岩内渗流时所需要的驱替压力随砂岩渗透率的增大而降低。 关键词低渗透砂岩 ； 运移； 渗流模式； 启动压力梯度 ； 模拟实验 中图分 类号 T E l 2 2 文献标识码 A D O I 1 0 ． 3 8 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4～ 5 0 8 6 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 0 3 引 言 低渗透油气藏实际上是一个相对模糊的概念， 尽管国内外对它的勘探和开发 已有几十年的历史 ， 但至今国际上并无一个严格 而明确 的标准和界限。 目前， 世界各国的地质学者都趋 向于把渗透率小于 5 0 1 0 Ix m 的油气藏称为低渗透油气藏 j ， 随着 勘探和开发的深入 ， 它在油气 田勘探中的比例越来 越大 ， 将成为今后一段 时间内石油勘探 的主战场。 低渗透储层具有不同于常规储层的典 型特征 ， 如储 层物性差， 沉积物成熟度低、 孔喉半径小 、 基 质渗透 率低 、 应力敏感性强 、 裂缝较发育以及非均质性强的 特点 J 。低渗透储层特殊的物性特征导致油气运移 特征的 特殊 性， 其 渗 流规 律 偏 离 了经 典 渗 流 理 论达西定律 ， 而是具有启动压力梯度 。 物理模拟 实验是研究油气 运移规律 的重要手 段 ， 近几十年 ， 国内外的众多地质学者分别利用一维 玻璃管 、 二维模 型及微观模 型对常规储层 中油气运 移的渗流特征进行 了大量的模拟实验 ， 使得人 们对常规储层中油气渗流特征的认识不断深入。但 由于低渗透储层孔隙结构的复杂性和非均质性比常 规储层强得多 ， 对低渗透储层 中石油渗流特征的研 究 比较困难 ， 公开发表的文献也很少 。 因此 ， 用低渗 透砂岩微观模拟实验来研究孔隙尺度下 的油气渗流 特征 ， 对该领域进行一次初步探索 ， 有助于认识低渗 透特殊孔隙条件下油气运移 的渗流机理 ， 也将对今 后低渗透油气藏的勘探和开发具有一定的指导和参 考作用 。 1 实验装 置与步骤 1 ． 1 实验装置与实验样品 微观石油运移渗流模拟实验装 置如图 1所示 ， 包括流体驱替设备 、 显微观察记 录设备 、 微观岩样模 型 、 流体计量设备以及流体收集设备等。 实验使用 的砂岩样品取 自松辽盆地北部古龙 凹 陷重点探井的重点层段 ， 制成 的砂岩模型长 x宽约 为 2 ． 5 c m 2 ． 5 c m， 厚度为 0 ． 50 ． 8 m m 图 2 ， 能 够承受较高压力 0 ． 2～0 ． 3 MP a 和温度 8 0 o C 。 尽管实验模型与地下岩层的实际地质条件尚有一定 差距 ， 但使用岩芯制作的真实砂岩模型能够很好地 反映低渗透砂岩原始 的孔隙结构特征 ； 此外 ， 模 型的 大小和厚度适合于显微镜下观察 ， 可直观地 了解流 体在孔隙介质 中的流动过程 ， 并 能更深刻地反映低 渗透砂岩孔隙结构与流体渗流特征之 间的关 系 各 模型的特征参数见表 1 。 收稿 日期 2 0 0 8一l 22 5 基金项 目国家 自然科学基金项 目 4 0 7 7 2 0 8 8 。 作者简介 朱志强 1 9 7 9一 ， 男 汉族 ， 河北安国人 ， 博 士， 主要从事油气形成与分布规 律研究 。 筇 1 期 求志强， 等 低渗透砂糟 油渗流的微 模拟史验研究 9 1 0 1 一普通 N 2瓶 ； 2 2 R． I 型中间容器 ； 3 一数字压力仪 ； 4 一流量计 ； 5 一显微镜 ； 6 一摄 像机 ； 7 一监视器 ； 8 ～图像采集存储设 备； 9 ～光源 ； l O 一油水收集瓶； 1 l 一 照相机 ； l 2 一 微观模型 。 图 l 微观石油渗流 实验装置示意图 Fi g ． 1 M i c r o o i l fl o w e x p e r i me nt a l a pp a r a t us 图 2 微观石油渗流实验低渗透 砂岩模型示意图 Fi g ． 2 M i c r o e x p e r i me nt f o r o i l flo w i n l o w p e r m e a b l e s a nd s t o n e m o de l 表 1 微观模型的特征 参数表 Ta b l e l P a r a m e t e r s f o r u t f e a t u r e s o f mi c r o mo d e I 实验所用的水为纯净水， 黏度为 1 ． 0 0 mP a s ； 实验用油为人工配制油 ， 黏度为 2 ． 3 0 mP a s ， 并添 加甲基红染料增加可视性 染色剂对模型的孔 隙结 构无伤害 。 1 ． 2 实验步骤 低渗透砂岩石油运移渗流微观模拟实验在常温 下进行 ， 具体的实验步骤如下 1 将模型在显微镜下进行照相 ， 以保留样品 的原始状态。 2 抽真空 ， 饱和水。先将模型一端进行封闭， 一 端连接抽空装置 ， 抽空 2 h以上 ， 然后饱和纯净 水 ， 并将饱和水的模型进行照相。 3 测定模 型的渗透率。连接注入 和计 量装 置， 注入纯净水 ， 同时记录通水量 、 时间、 压差 ， 测算 样品的渗透率。 4 模拟油气运移渗流过程。将模型接入实验 系统 ， 调节压力阀， 使油充满引槽 ； 缓慢增加压力 ， 并 记录油滴开始进入模型时的压力值即“ 启动压力” ； 油向前运动一段后就会停下来， 这时缓慢增加 0 ． 5 k P a的压力 ， 以促使油滴继续运移 ， 同时对样品内驱 替过程进行观察 、 录像和截图， 记 录注入油量 、 对应 的时间和压力。 2 实验结果与讨论 2 ． 1 石油的运移路径 实验结果发现 ， 各实验模型具有相似的运移渗 流路径形成过程。如 图 3所示 ， 注入油达到低渗透 砂岩的启动压力梯度后 表 1 ， 开始由引槽缓慢进 入模型 ， 最初 可在模型入 口端形成 多条运移路 径 图 3 a 。但是 ， 油滴并非沿这些路径 以相 同的 速度前进 ， 而是在阻力最小的路径上运移最快 ， 其他 的路径上运移缓慢或趋于停止。模型在 4 ． 3 k P a压 力下运移一段时间后 ， 主路径上油的前缘停止 向前 移动， 并在较长的一段时间内保持不动 ， 直到增压至 4 ． 9 k P a 后 ， 主运移路径上出现一些路径分支， 同时 第 1期 朱志 强， 等 低渗透砂岩 油渗流 的微观模拟实验研究 1 9 2 ． 3 低渗透砂岩 中石油运移动力特征 前人大量的研究发现 ， 由于低渗透储层特殊的 孑 L 隙特征， 导致低渗透储层油气渗流具有独特的动 力学和运移特征， 石油的运移表现为非达西流 ， 存在 着“ 启动压力梯度” 。 1 启动压力梯度 实验研究发 现 ， 低 渗透砂 岩石 油渗 流存在 着 “ 启动压力梯度” 表 1 。当充注动力大于启动压 力时 ， 低渗透砂岩中的油滴开始移动 ； 反之 ， 则不能 移动。启动压力梯度与孔隙度 的相关性不好 ， 相关 系数为0 ． 0 6 5 8 图5 ， 但是与渗透率具有很好 的相 关性 ， 成幂函数 关系 Y0 ． O 0 1 5 X。 。 ， 相关 系数 达 0 ． 9 6 8 8 ， 即随着砂岩渗透率的增大 ， 石油渗流所 需要的启动压力呈幂函数迅速减小 图 6 。 E 山 ＼ 丛 R 臀 图 5 石油渗流启动压力梯度与孑 L 隙度的关系 F i g ． 5 Re l a t i o n s h i p be t we e n o i l flo w t hr e s h o l d pr e s s u r e g r a d i e n t a n d p o r o s i t y g ＼ 窭 罄 翟 渗透率／ x 1 0。 帅 图 6 石油渗流启动压 力梯度与渗透率的关系 F i g ． 6 Re l a ti o n s h i p be t wee n O i l flo w t h r e s ho l d pr e s s u r e g r a d i e n t a n d p e r me a b i l i t y 2 渗流速率与驱替压力梯度的关系 石油在砂岩中运移的渗流速率与驱替压力梯度 成正相关关系。从 6组石油渗流速度与压力梯度的 关系图上可以看 出， 渗流速率与驱替压力梯度成幂 函数关系 Y1 ～Y 6渗流曲线方程 的 R ， 0 ． 9 0 ， 即 石油渗流速度随着驱替压力的增大而增大 图 7 。 宣 ＼ 、 蚓 图 7石油渗流速率与驱替压力梯度的关系 F i g ． 7 Re l a t i o ns hi p b e t we e n o i l flo w v i s c o s i t y a n d di s p l a c i ng p r e s s u r e g r a d i e n t 石油在不同渗透率级别 的砂岩 中渗流时， 达到 同一渗流速率所需要的驱替压力 随砂岩渗透率 的 增大而降低。如 图 7所 示 ， 石油在 6组样 品 中保 持 0 ． 0 0 4 c m ／ s的速率 渗 流时 ， Y l～Y 6所 需 要 的 驱替压力梯 度分别 为 4 ． 9 ， 6 ． 0 ， 1 ． 8 ， 1 ． 3 ， 0 ． 7 ， 0 ． 2 k P a ／ c m。相同渗透率的模型 Y1 和 Y 2因孔隙结构 差异及其他因素造成渗流曲线相交 ， 但并不影响总 体规律。 3 结 论 1 石油在低渗透砂岩中的渗流取决于所受到 的动力与阻力之间的关系 ， 石油总是沿着阻力最小 的 方向和有限的路径向前运移 ， 运移的路径曲折复杂。 2 石油在低渗透砂岩中运移渗流主要有 3种 模式 稳定式 、 指进式和优势式。无论石油以何种模 式运移 ， 运移渗流路径一旦形成且条件保持不变时， 其形态和空间展布变化很小 ， 一直到结束。 3 石油在低渗透砂岩中渗流要克服启动压力 梯度 ， 它的大小与砂岩孔隙度关系复杂 ， 与渗透率有 很好的相关性。 4 石油在低渗透砂岩中的渗流速度与驱替压 力呈幂函数关系， 不同渗透率砂岩中运移的石油达 到同一渗流速度 ， 所需 的驱替压力随砂岩渗透率的 增大 而减小 。 致谢 实验得 到西北大学王震 亮教授 、 张金功教授 和 朱 玉双老师的热心指点和帮助 ， 在此谪． 致谢意 参考文献 [ 1 ] 罗平亚， 孟英峰． 我国低渗透油气资源勘探和开发 中 的若干问题[ J ] ． 世界石油工业 ， 1 9 9 8 ， 5 1 0 3 9 4 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m o d e l o f s e c o n d [ 1 8 ] o i l migr a t i o n [ J ] ． A A P G B ul l e t i n ， 1 9 9 5 ， 7 9 1 1 9 2 9 ． [ 7 ] T o k u n a g a T ， Mo g i K， Ma s u b a r a O， e t a1 ． B u o y a n c y a n d i n t e r f a c i a l f o r c e e f f e c t s o n t w o p h a s e d i s p l a c e m e n t p a t t e rns [ 1 9 ] a n e x p e r i m e n t a l s t u d y [ J ] ． A A P G B u l l e t i n ， 2 0 0 0 ， 8 4 1 6 5 7 4 ． [ 2 O ] [ 8 ] 曾溅辉， 金之钧， 王伟华． 油气二次运移和聚集实验模 拟研究现状与发展[ J ] ． 石油大学学报 自然科学版， [ 2 1 ] 1 9 9 7 ， 2 1 5 9 4 9 7 ． [ 9 ] 许建红， 程林松， 钱俪丹， 等． 低渗透油藏启动压力梯 [ 2 2 ] 度新算法及应用 [ J ] ． 西南石 油大学 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 4 6 46 6 ． [ 1 0 ] 胡其华 ， 周昌斌． 低渗透非达西渗流动边界模型解存 [ 2 2 ] 在唯一性[ J ] ． 西南石油大学学报， 2 0 0 7， 2 9 5 1 7 2 1 7 6 ． [ 1 1 ] 王念喜， 王香增， 张丽霞， 等． 基于渗流特征的低渗透 [ 2 4 ] 致密砂岩气藏气井生产规律[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 9， 2 9 4 8 28 5． [ 1 2 ] 陶军， 姚军 ， 范子菲， 等． 一种确定低渗透油藏启动压 [ 2 5 ] 力梯度的新方法 [ J ] ． 新疆石油地质， 2 0 0 8 ， 2 9 5 6 2 6 6 28． [ 1 3 ] 李爱芬， 刘敏， 张少辉， 等． 特低渗透油藏渗流特征实 验研究[ J ] ． 西安石油大学学报， 2 0 0 8 ， 2 3 2 3 53 8 ． Lu o X R， Zh a n g 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