濮　御，王秀宇，楊勝來(lái)，濮　玲，馮學(xué)洋

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京　102249；2.青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧　810007）

油氣工程

一種電子式高精度靜態(tài)滲吸測(cè)量裝置的研究
——有效預(yù)測(cè)致密儲(chǔ)層的滲吸采收率

濮御1，王秀宇1，楊勝來(lái)1，濮玲2，馮學(xué)洋1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810007）

全球能源短缺迫使人們將注意力從常規(guī)能源轉(zhuǎn)移到非常規(guī)能源上。從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可承受力角度分析，致密油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源潛力巨大。但是其低孔、低滲的特點(diǎn)使其在開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨諸多挑戰(zhàn)，以毛管力為基礎(chǔ)的靜態(tài)滲吸作用成為開(kāi)采這類(lèi)儲(chǔ)層的有效方式。納米級(jí)的孔喉對(duì)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法提出了新的標(biāo)準(zhǔn)和要求，因而需要更加重視實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的精確性。筆者論述了靜態(tài)滲吸的機(jī)理、方式，并對(duì)傳統(tǒng)方法的限制性和適應(yīng)性進(jìn)行了深度剖析，最終設(shè)計(jì)出了一種電子式高精度靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的精度，為今后研究致密儲(chǔ)層靜態(tài)滲吸效果提供了技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

靜態(tài)滲吸；滲吸機(jī)理；實(shí)驗(yàn)方法；應(yīng)用潛力評(píng)價(jià)

隨著常規(guī)油氣資源的日益減少，致密油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源逐漸成為勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。當(dāng)前針對(duì)非常規(guī)資源的開(kāi)發(fā)正在不斷深入，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石的靜態(tài)滲吸規(guī)律有助于開(kāi)發(fā)致密儲(chǔ)層。由于致密儲(chǔ)層的孔喉細(xì)小、孔隙度低，因而毛管力作用顯著，這使得靜態(tài)滲吸現(xiàn)象較常規(guī)儲(chǔ)層相比更加明顯［1，2］。所以，利用毛管力作用下的靜態(tài)滲吸現(xiàn)象可有效提高致密儲(chǔ)層的產(chǎn)量。體積法和傳統(tǒng)質(zhì)量法存在一定的局限性，無(wú)法滿(mǎn)足致密油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)資源的實(shí)驗(yàn)精度需求，因此本文設(shè)計(jì)了一種電子式高精度靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，能夠24 h不間斷地測(cè)量出滲吸過(guò)程中的質(zhì)量變化，并且原理簡(jiǎn)單、精度高（0.000 1 g），可準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)致密儲(chǔ)層巖石的靜態(tài)滲吸能力。

1　靜態(tài)滲吸原理及分類(lèi)

滲吸是油氣田開(kāi)發(fā)中的一種常見(jiàn)的開(kāi)采方式。所謂滲吸是指在多孔介質(zhì)中，潤(rùn)濕相流體依靠毛管力作用進(jìn)入巖石孔隙，并置換出其中的非潤(rùn)濕相流體的過(guò)程［3-6］。靜態(tài)滲吸是油藏在靜態(tài)條件下依靠毛管力的作用潤(rùn)濕相驅(qū)替非潤(rùn)濕相［7］。致密砂巖油藏進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)時(shí)，注入水在毛管力作用下首先進(jìn)入小孔道，大孔道則依賴(lài)于相鄰連通的大小孔道之間的毛細(xì)管力之差將孔隙中的原油驅(qū)出。滲吸驅(qū)油的動(dòng)力主要是相互連通的大小孔道之間的毛細(xì)管力之差。可見(jiàn)，小孔隙中原油的動(dòng)用程度遠(yuǎn)高于其他孔隙，所以靜態(tài)滲吸可以成為致密水濕砂巖油藏開(kāi)發(fā)的一種有效開(kāi)采方式。

圖1?。╝）反（逆）向滲吸示意圖、（b）同（順）向滲吸示意圖Fig.1 Schematic of countercurrent imbibition（a）and cocurrent imbibition（b）

根據(jù)油水交換方向的不同將靜態(tài)滲吸分為以下兩種［8-10］：反（逆）向滲吸和同（順）向滲吸。當(dāng)吸入的潤(rùn)濕相（水）和被排出的非潤(rùn)濕相（油）的流動(dòng)方向相反時(shí)，則為反（逆）向滲吸（見(jiàn)圖1（a））。反（逆）向滲吸時(shí)，毛管力為主要的驅(qū)油動(dòng)力，這使得水相從與孔隙相連的小孔道吸入，置換出來(lái)的原油將從大孔道中排出。如果界面張力足夠低，重力的作用就會(huì)越來(lái)越突出進(jìn)而成為滲吸的動(dòng)力，此時(shí)滲吸將在較大的孔隙中發(fā)生，吸入的潤(rùn)濕相（水）與被排出的非潤(rùn)濕相（油）的流動(dòng)方向相同，稱(chēng)之為同（順）向滲吸（見(jiàn)圖1（b））。同（順）向滲吸時(shí)在重力作用下使得水從巖心底部吸入，而油則從巖心的頂部析出。通常反向滲吸效果更好，對(duì)油水交換效率也更高。

2　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用潛力評(píng)價(jià)

滲吸現(xiàn)象在油氣田開(kāi)發(fā)中是一種客觀存在的現(xiàn)象，而且是水濕致密巖石中一種不可忽略的驅(qū)油動(dòng)力，因此已經(jīng)有許多人在實(shí)驗(yàn)室對(duì)滲吸現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，相繼產(chǎn)生了一些實(shí)驗(yàn)方法與裝置。常用的靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量有兩種方法［8］：體積法和質(zhì)量法。

2.1體積法

體積法滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置（見(jiàn)圖2），將巖心完全浸沒(méi)在裝有液體的滲吸瓶里，滲吸瓶上方為刻度管，在滲吸的作用下巖心內(nèi)部的潤(rùn)濕相驅(qū)替出非潤(rùn)濕相，由于油水重力的差異，滲吸出來(lái)的油將匯聚在滲吸瓶上方的刻度管中，通過(guò)觀察滲吸前后刻度管內(nèi)液面讀數(shù)的變化來(lái)測(cè)量巖心滲吸量，進(jìn)而獲得滲吸采收率。

（1）優(yōu)點(diǎn)：體積法滲吸測(cè)量裝置外觀簡(jiǎn)潔，操作方便，且易于批量操作。

（2）缺點(diǎn)：①對(duì)于致密巖樣，由于其自身孔喉細(xì)小、孔隙體積有限，滲吸過(guò)程中的體積變化量極小，此時(shí)刻度管讀數(shù)存在一定的誤差，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度；②體積法只能測(cè)量出已經(jīng)脫離巖樣的原油體積，無(wú)法計(jì)量出附著在巖心壁上的油珠體積，致使刻度管收集到的原油體積不準(zhǔn)確，因而所求出的靜態(tài)滲吸驅(qū)油效率存在較大的誤差［11］，使其應(yīng)用受到限制。

（3）適用范圍：該方法適用于高孔隙度、高滲透率的巖樣。

圖2　體積法裝置圖Fig.2 Schematic of apparatus for the volumetric method

2.2傳統(tǒng)質(zhì)量法

傳統(tǒng)質(zhì)量法即人工手動(dòng)測(cè)量方法［12］，其滲吸測(cè)量裝置（見(jiàn)圖3），將巖心放入盛滿(mǎn)鹽水的容器內(nèi)，測(cè)量滲吸過(guò)程中巖心質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況。

（1）優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，操作方便；②與體積法相比，能夠直觀地讀取滲吸量。

（2）缺點(diǎn)：①與體積法相比，很難進(jìn)行批量操作；②巖樣初始階段滲吸速度快，巖樣質(zhì)量變化快，人工手動(dòng)稱(chēng)重可能無(wú)法稱(chēng)量出相應(yīng)所有的質(zhì)量，因而漏失掉部分?jǐn)?shù)據(jù)，并且滲吸實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；③滲吸時(shí)，外界溫度、濕度變化引起的鹽水蒸發(fā)、組分的變化，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)周?chē)鷼饬骰蛘邞依K擾動(dòng)均會(huì)造成天平的讀數(shù)不穩(wěn)定，這也加劇了誤差的存在。

圖3　傳統(tǒng)質(zhì)量法滲吸測(cè)量裝置Fig.3 Schematic of apparatus for the traditional quality method

3　電子式高精度靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

為了克服上述問(wèn)題，筆者根據(jù)杠桿原理和力矩平衡原理設(shè)計(jì)出了一種新型電子式高精度靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置（見(jiàn)圖4）。高精度電子天平計(jì)量靜態(tài)滲吸時(shí)巖樣的質(zhì)量變化，其計(jì)量精度可達(dá)到0.000 1 g，測(cè)量裝置具有數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄系統(tǒng)，能夠24 h不間斷地記錄巖樣的質(zhì)量變化情況，可更精確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置充分考慮了蒸發(fā)、氣流等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，最大限度地減小誤差。

圖4　電子式高精度靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置圖Fig.4 Schematic of measuring apparatus for the electronic and highprecision spontaneous imbibition experiment

筆者所設(shè)計(jì)的靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置包括數(shù)據(jù)測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)輸出裝置。數(shù)據(jù)測(cè)量裝置由高精度電子天平、巖樣懸掛架、質(zhì)量傳遞架、懸繩、容器、容器架、防蒸發(fā)蓋組成。而數(shù)據(jù)輸出裝置為數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)和計(jì)算機(jī)。質(zhì)量傳遞架與巖樣懸掛架由螺紋連接為一個(gè)整體，置于高精度電子天平的稱(chēng)量盤(pán)上。巖樣懸掛架上懸掛懸繩，巖樣懸于懸繩下方并伸入至容器液面下方，容器置于容器架上。該容器架置于高精度電子天平稱(chēng)量盤(pán)的上方，架子腿緊貼高精度電子天平的內(nèi)壁面，且不與稱(chēng)量盤(pán)接觸。高精度電子天平的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連接，方便信號(hào)的輸出。另外，懸繩由塑料制成，其直徑不大于0.13 mm。容器上方置有防蒸發(fā)蓋（四周均經(jīng)過(guò)磨砂處理），且其中心處含有直徑為0.3 mm的圓孔允許懸繩通過(guò)，可有效降低蒸發(fā)作用對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響。計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄并保存質(zhì)量傳遞架所輸出的質(zhì)量隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。最終按照式（1）計(jì)算靜態(tài)滲吸的采出程度，從而完成致密巖心的靜態(tài)滲吸效果的評(píng)價(jià)。

式中：Δm-t時(shí)刻巖樣質(zhì)量的增加值，g；ρw-潤(rùn)濕相流體（注入水）的密度，g/cm3；ρo-非潤(rùn)濕相流體（實(shí)驗(yàn)用油）的密度，g/cm3；Vo-巖樣飽和油的體積，cm3；R-t時(shí)刻巖樣的滲吸采出程度，%。

4　新型裝置的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍

筆者所設(shè)計(jì)的靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）操作簡(jiǎn)單，巖心質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況可以通過(guò)高精度電子天平的輸出端傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)界面直接顯示巖樣的質(zhì)量變化量并自動(dòng)保存，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集功能，便于觀察且計(jì)量方便。

（2）測(cè)試精確，改進(jìn)后裝置的精度達(dá)到0.000 1 g，能夠記錄致密巖心滲吸過(guò)程中的微小質(zhì)量變化，且能夠24 h不間斷地測(cè)量出靜態(tài)滲吸量隨時(shí)間的變化情況。

（3）筆者所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置集中在高精度電子天平的內(nèi)部，占地空間小，巖樣不必懸置于高精度電子天平的外部，減少了蒸發(fā)、氣流、懸繩擾動(dòng)等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

該裝置適用于致密油、頁(yè)巖氣等精度要求比較高的靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)的測(cè)量，前景廣闊。

5　結(jié)論

常規(guī)的體積法適用于中、高滲透率的巖樣，傳統(tǒng)質(zhì)量法在精度上具有一定的限制性?？紤]到致密儲(chǔ)層對(duì)滲吸實(shí)驗(yàn)儀器選擇的要求，筆者設(shè)計(jì)了電子式高精度靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，能夠直觀地反應(yīng)出靜態(tài)滲吸的現(xiàn)象與規(guī)律，從而評(píng)價(jià)致密儲(chǔ)層巖石的靜態(tài)滲吸潛力，該裝置也適用于裂縫性油藏的開(kāi)采以及壓裂液濾失與返排的分析。

該裝置占地空間小、操作簡(jiǎn)單、精度高（0.000 1 g）、成本低，能直觀地反映出靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與規(guī)律，可應(yīng)用于精確度要求高的實(shí)驗(yàn)研究中。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該裝置實(shí)驗(yàn)效果非常好。

［1］ 鄒才能，陶士振，楊智，等.中國(guó)非常規(guī)油氣勘探與研究新進(jìn)展［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2012，31（4）：312-322.

［2］ 賈承造，鄒才能，李建忠，等.中國(guó)致密油評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、主要類(lèi)型、基本特征及資源前景［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（3）：343-349.

［3］ 秦積舜，李?lèi)?ài)芬．油層物理學(xué)［M］．北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006．

［4］ 蔡建超，郁伯銘．多孔介質(zhì)自發(fā)滲吸研究進(jìn)展［J］．力學(xué)進(jìn)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，劉衛(wèi)東，張海琴，等．低滲透油藏靜態(tài)滲吸驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究［J］．石油學(xué)報(bào)，2007，28（2）：109-112.

［7］ 張星.低滲透砂巖油藏滲吸規(guī)律研究［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2013.

［8］ 劉衛(wèi)東，姚同玉．表面活性劑體系滲吸［M］．北京：石油工業(yè)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?lèi)?ài)芬，凡田友，趙琳．裂縫性油藏低滲透巖心靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)研究［J］．油氣地質(zhì)與采收率，2011，18（5）：67-69.

［12］ 周鳳軍，陳文明.低滲透巖心滲吸實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)雜油氣藏，2009，2（1）：54-56.

A electronic and high-precision spontaneous imbibition measuring apparatus

PU Yu1，WANG Xiuyu1，YANG Shenglai1，PU Ling2，F(xiàn)ENG 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

國(guó)家“973課題”-提高致密油儲(chǔ)層采收率機(jī)理與方法研究，項(xiàng)目編號(hào)：2015CB250904。

濮御，女（1989-），2014年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)方面的研究工作，郵箱：dongyoupuyu@126.com。