李冠群,蘇玉亮,董奇,王飛,孫慶豪,王文東
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島,266580;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島,266580;3.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院,陜西 西安,710018;4.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安,710018)
中國(guó)非常規(guī)油藏儲(chǔ)量豐富,是未來(lái)國(guó)內(nèi)原油穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要領(lǐng)域[1]。在大規(guī)模水力壓裂作業(yè)后的頁(yè)巖油藏中,自發(fā)滲吸是提高采收率(EOR)的最重要機(jī)制之一[2]。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,孔徑極小[3],并且天然裂縫較發(fā)育[4],基質(zhì)孔隙和微裂縫中油水界面的毛細(xì)管力非常大,定量表征壓裂液在多孔介質(zhì)中的滲吸至關(guān)重要[5]。
流體向多孔介質(zhì)中的滲吸是一種普遍存在的自然現(xiàn)象[6],早在20世紀(jì)初,國(guó)外學(xué)者就開始了滲吸驅(qū)油的理論和實(shí)驗(yàn)研究。LUCAS[7]在計(jì)算中將多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化為毛管束,建立了滲吸的毛管束模型。隨后,WASHBURN[8]改進(jìn)了該模型,形成了沿用至今的LUCAS-WASHBURN(L-W)模型,其描述了滲吸前緣和時(shí)間的關(guān)系。在L-W 模型基礎(chǔ)上,人們考慮了黏性力、重力[9]、慣性力[10]對(duì)滲吸的影響,對(duì)模型中的流體動(dòng)力和參數(shù)進(jìn)行了修正。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,很多情況下忽略了非潤(rùn)濕相的影響,尤其是油相的重力和黏性力。但是在頁(yè)巖油藏中,由于油相和水相的黏度不同,黏性力對(duì)滲吸的影響不可以忽略。同時(shí),需要考慮重力對(duì)滲吸的影響。CAI等[11]通過(guò)考慮不同尺寸和形狀的孔隙、多孔介質(zhì)中自吸流線的迂曲度和初始潤(rùn)濕相飽和度,建立了廣義自吸模型。王付勇等[12]基于毛管束模型,考慮束縛水和殘余油飽和度,構(gòu)建巖心尺度基質(zhì)滲吸驅(qū)油數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)滲吸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。WU等[13]推導(dǎo)了油水兩相滲吸的隱式解析解,利用分形理論建立了自發(fā)滲吸和驅(qū)替對(duì)致密儲(chǔ)層開發(fā)影響的定量評(píng)價(jià)模型。但是,微裂縫中的自發(fā)滲吸機(jī)理與頁(yè)巖基質(zhì)中的自發(fā)滲吸存在明顯差異,他們沒(méi)有考慮微裂縫中飽和油的自發(fā)滲吸。CHENG等[14]首次提出了重力作用下自吸水進(jìn)入單個(gè)飽和油裂縫的隱式解析解,并提出了飽和油壓裂多孔介質(zhì)自吸的巖心尺度數(shù)學(xué)模型。研究認(rèn)為有/無(wú)重力的滲吸速度差異隨著裂縫孔徑的增加而增大,并且單條飽和油裂縫存在自發(fā)滲吸臨界裂縫長(zhǎng)度。WANG 等[15]推導(dǎo)了潤(rùn)濕相自發(fā)滲入氣體飽和裂縫多孔介質(zhì)的半解析模型,對(duì)裂縫中有無(wú)重力影響的解析解進(jìn)行了研究,并提供了重力效應(yīng)評(píng)估診斷圖。但是,定量表征在天然裂縫發(fā)育的頁(yè)巖儲(chǔ)層中的滲吸研究依然較少。
目前尚缺乏同時(shí)考慮基質(zhì)孔隙和微裂縫中自發(fā)滲吸的定量表征方法,無(wú)法明確頁(yè)巖油藏體積壓裂后悶井滲吸機(jī)理。因此,構(gòu)建考慮基質(zhì)孔隙和微裂縫的自發(fā)滲吸隱式解析解,推導(dǎo)巖心尺度不同孔隙孔徑、裂縫開度分布、裂縫形態(tài)的滲吸數(shù)學(xué)模型,定量評(píng)價(jià)不同影響因素對(duì)滲吸的影響,對(duì)明確頁(yè)巖油藏滲吸驅(qū)油規(guī)律及提高采收率具有重要意義。
針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層體積壓裂后采取的悶井增產(chǎn)技術(shù),目前已進(jìn)行了許多試驗(yàn)和宏觀數(shù)值模擬,并取得較好效果。但是,在天然裂縫發(fā)育的多孔介質(zhì)中的悶井滲吸增產(chǎn)機(jī)理尚不清楚,需進(jìn)一步研究。
基于孔隙和微裂縫分布,將滲吸流動(dòng)通道分為連通孔隙通道和微裂縫通道,分別等效成平行毛管束和板狀管束,建立物理模型,如圖1所示。
圖1 巖心中毛管束和板狀管束的滲吸示意圖Fig.1 Schematic diagram of imbibition of capillary tube bundle and plate tube bundle in rock core
首先,分析單一毛細(xì)管情況下的滲吸動(dòng)力學(xué)模型是后續(xù)研究多孔介質(zhì)滲吸特征的基礎(chǔ)工作之一。建立毛細(xì)管滲吸流動(dòng)力學(xué)模型,假設(shè):
1) 毛細(xì)管為水濕孔隙;
2) 忽略入口效應(yīng)和損失;
3) 慣性力和滲透壓忽略不計(jì);
4) 毛細(xì)管力是恒定的,采用靜態(tài)接觸角。
毛細(xì)管中的水-油分布如圖2所示。圖中,L為毛細(xì)管長(zhǎng)度;v為滲吸速度,m/s;θ為接觸角,(°);r為毛細(xì)管半徑,m;x為滲吸距離,m。
圖2 毛細(xì)管滲吸流動(dòng)模型Fig.2 Capillary imbibition flow model
根據(jù)牛頓第二定律,自發(fā)滲吸動(dòng)力學(xué)方程為
式中:Fc為毛細(xì)管力,N;Fv為黏性力,N;Fg為重力,N;m為毛管中流體質(zhì)量,kg;a為加速度,m/s2。
根據(jù)Young-Laplace 方程,圓形毛細(xì)管的毛細(xì)壓力pc為
式中:σ為界面張力,N/m。毛細(xì)管力Fc為
根據(jù)牛頓流體內(nèi)摩擦定律,毛管壁上的剪切力τv為
式中:μv為流體黏度,Pa·s;vmax為直毛細(xì)管橫截面的最大滲吸速度,m/s。滲吸過(guò)程為不可壓縮牛頓流體在毛細(xì)管內(nèi)的緩慢流動(dòng),流體流動(dòng)更趨向于穩(wěn)定的Poiseuille 流動(dòng),流動(dòng)阻力遵循Hagen-Poiseuille規(guī)則,最大滲吸速度vmax和平均速度vˉ符合如下關(guān)系[16]:
因此,黏性力表達(dá)式如下:
式中:Fvw為水相黏性力,N;Fvo為油相黏性力,N;τvw為水相剪切力,N/m2;τvo為油相剪切力,N/m2;μw為水相黏度,Pa·s;μo為油相黏度,Pa·s;dx/dt為滲吸速度,m/s,可表示為
毛細(xì)管中水和油總質(zhì)量m為
重力的表達(dá)式如下:
式中:ρw和ρo分別為水相和油相流體密度,kg/m3;g為重力加速度,取9.8 m/s2。
將式(3)、式(6)、式(7)和式(8)代入式(1),微分后得
在毛細(xì)管中流速較小,因此,慣性力項(xiàng)很小,此處可以忽略不計(jì),式(10)簡(jiǎn)化為
對(duì)式(11)進(jìn)行變形、積分后可得毛細(xì)管中自發(fā)滲吸的隱式解析解tp為
式中:A=(ρo-ρw)r2g;B=2rσcosθ-r2ρogL。當(dāng)dt足夠小時(shí),誤差可以忽略,式(11)差分并積分后,可得毛細(xì)管自發(fā)滲吸的數(shù)值解xpi為
第i根毛細(xì)管的滲吸量(產(chǎn)油量)qpi為
在本文模型中,將連通微裂縫等效為截面為長(zhǎng)方形的彎曲板狀管,分析單一板狀管情況下的滲吸動(dòng)力學(xué)模型,與毛細(xì)管滲吸模型共同研究多孔介質(zhì)的滲吸特征。建立單一板狀管的滲吸流動(dòng)力學(xué)模型,假設(shè):1) 板狀管為水濕;2) 忽略入口效應(yīng)和損失;3) 慣性力和滲透壓忽略不計(jì);4) 采用靜態(tài)接觸角。單一板狀管中的油-水分布如圖3所示。
圖3 單一板狀管中自發(fā)滲吸示意圖Fig.3 Schematic diagram of spontaneous imbibition in a single plate tube
根據(jù)Young-Laplace 方程,裂縫中油水界面的毛細(xì)力Fc為
式中:w為板狀管開度,m;l為寬度,m。
根據(jù)式(6)計(jì)算,黏性力Fv為
重力的表達(dá)式如下:
將式(15)、式(16)和式(17)代入式(1),微分后得
慣性力忽略不計(jì),式(18)簡(jiǎn)化為
對(duì)式(19)變形、積分后,可得板狀管中自發(fā)滲吸的隱式解析解tf為
令M=(ρo-ρw)w2gsinα,N=2wσcosθ-ρoLw2gsinα。當(dāng)x=L時(shí),油水界面到達(dá)樣品頂端,則單一板狀管中滲吸結(jié)束的時(shí)間tef為
當(dāng)dt足夠小時(shí),誤差可以忽略,對(duì)式(19)進(jìn)行差分并積分后,可得板狀管中自發(fā)滲吸的數(shù)值解為
第i根單一板狀管的滲吸量(產(chǎn)油量)qfi為
基于圖1巖心尺度滲吸物理模型,連通孔隙空間看作一束曲折的毛細(xì)管束,連通微裂縫看作曲折的板狀管束,這些曲折毛細(xì)管束和板狀管束的數(shù)目與大小均遵循分形標(biāo)度規(guī)律?;诜中卫碚揫12-15],對(duì)上述滲吸模型進(jìn)行尺度升級(jí)。
根據(jù)分形理論,孔隙數(shù)與孔徑之間的關(guān)系為
式中:Np為毛細(xì)管半徑大于r的孔隙總數(shù);ξ為半徑大于r的孔隙半徑,m;rmax為最大孔隙半徑;Dfp為毛細(xì)管的分形維數(shù)。
將單元體中巖石樣品中半徑大于r的毛細(xì)管數(shù)量按比例放大,得出巖石樣品的毛細(xì)管數(shù)。由YU等[17]推導(dǎo)的表面孔隙度、孔隙面積和橫截面的關(guān)系,可得巖心樣品毛細(xì)管數(shù):
式中:d為孔隙直徑,m;φp為孔隙所占的孔隙度;τp為毛細(xì)管迂曲度[18],由計(jì)算得到,因此毛管長(zhǎng)度L=τpH。對(duì)式(25)進(jìn)行微分,計(jì)算半徑從r到r+dr范圍的毛細(xì)管數(shù)增量:
毛管束中的總流量表達(dá)式為[19]
板狀管開度分布可用分布函數(shù)f(w)描述,總管數(shù)Nf與分布函數(shù)的關(guān)系為[20]
根據(jù)分形理論,板狀管數(shù)與開度的關(guān)系為
式中:Nf( ≥w)為開度大于w的板狀管數(shù)量;wmax為最大開度,m;Dff為板狀管分形維數(shù)。板狀管數(shù)增量n(w)為
假設(shè)所有板狀管的迂曲度τp都相同,符合如下關(guān)系:
式中:LB為板狀管長(zhǎng)度,m;H為巖心長(zhǎng)度,m。α為板狀管的傾斜角。則板狀管空間的總體積Vf為
式中:γ為板狀管寬度與開度之比,wmin為最小開度,m。同時(shí),微裂縫空間體積占巖心流動(dòng)空間的關(guān)系如下:
式中:D為巖心直徑,m。
則由上述公式計(jì)算板狀管總數(shù)Nf為
板狀管的概率密度函數(shù)為
則板狀管總數(shù)為
根據(jù)分形理論和上述公式,對(duì)單條板狀管產(chǎn)量進(jìn)行積分,可以得到巖心尺度微裂縫中自發(fā)滲吸的總產(chǎn)油量隨孔徑分形分布的表達(dá)式:
巖心尺度多孔介質(zhì)包括孔隙和微裂縫2 部分,毛細(xì)管和板狀管中的自發(fā)滲吸存在差別,如圖1所示。由上述章節(jié)中的公式,可以計(jì)算巖心尺度自發(fā)滲吸的總產(chǎn)油量,其表達(dá)式為
式(38)是考慮孔隙和微裂縫自發(fā)滲吸的最終半解析解。圖4所示為計(jì)算第i個(gè)時(shí)間步的總滲吸量Q的計(jì)算程序,圖中下標(biāo)p 和f 分別表示孔隙和裂縫。利用MATLAB 實(shí)現(xiàn)了這個(gè)過(guò)程。計(jì)算孔徑范圍從rmin到rmax的毛細(xì)管數(shù),以及不同開度板狀管的概率密度函數(shù)。對(duì)每個(gè)時(shí)間步的界面位移距離x進(jìn)行驗(yàn)證,與巖心長(zhǎng)度H進(jìn)行比較,計(jì)算毛管、板狀管中油水界面達(dá)到巖樣頂端時(shí)的滲吸量。然后,利用式(27)和式(37)計(jì)算特定時(shí)間步毛細(xì)管束、板狀管束的滲吸量。最后,通過(guò)將所有滲吸量相加,計(jì)算第i個(gè)時(shí)間步的總滲吸量。根據(jù)上述流程計(jì)算巖心尺度滲吸量與時(shí)間的關(guān)系,并對(duì)影響因素進(jìn)行分析。
圖4 裂縫性多孔介質(zhì)自發(fā)滲吸總產(chǎn)油量計(jì)算流程圖Fig.4 Flow chart for calculating total oil production by SI of fractured porous media
本節(jié)將對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證與應(yīng)用,參照研究區(qū)的實(shí)際儲(chǔ)層參數(shù),開展不同因素對(duì)滲吸驅(qū)油速度和采出程度的影響研究。利用標(biāo)度律對(duì)巖心尺度滲吸進(jìn)行尺度升級(jí)后,可以結(jié)合油藏?cái)?shù)值模擬方法提出合理的壓后悶井時(shí)間建議,對(duì)頁(yè)巖油藏高效開發(fā)提供參考。
頁(yè)巖油藏儲(chǔ)集空間分為孔隙和微裂縫,孔隙以微孔、小孔為主,孔徑大都小于1 μm,構(gòu)成納米級(jí)孔隙系統(tǒng)[21]。根據(jù)研究區(qū)塊的巖心樣品,微裂縫較為發(fā)育,主要為頁(yè)理縫和構(gòu)造微裂縫,成為頁(yè)巖主要的儲(chǔ)集空間和滲流通道[22]。利用掃描電鏡對(duì)大港油田頁(yè)巖油藏研究區(qū)塊的樣品進(jìn)行掃描,頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙和微裂縫如圖5所示,聯(lián)合核磁共振技術(shù)得到頁(yè)巖孔徑分布特征,其孔隙尺寸和微裂縫開度范圍如表1所示。
圖5 頁(yè)巖掃描電鏡圖Fig.5 SEM of shale
用于模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的巖心與流體參數(shù)如表1所示,計(jì)算悶井時(shí)間與滲吸產(chǎn)油量的關(guān)系,開展不同因素對(duì)悶井滲吸的影響研究。
表1 巖心與流體物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of core and fluid
毛細(xì)管和板狀管的分布對(duì)巖心尺度多孔介質(zhì)中的滲吸速度影響很大。本文利用分形分布理論,進(jìn)行流體流動(dòng)空間的敏感性分析。在對(duì)巖石流動(dòng)空間大小進(jìn)行測(cè)定時(shí),常采用壓汞法和毛管力曲線研究其微觀結(jié)構(gòu)。利用分形定律和計(jì)盒法,對(duì)像素N(r)所占盒數(shù)進(jìn)行測(cè)算:
根據(jù)現(xiàn)有的模型[23],N(r)表達(dá)式如下:
式中:VHg為汞侵入巖心的體積。由式(40)可得
根據(jù)式(2),結(jié)合式(41)可得
汞飽和度SHg計(jì)算公式如下:
由式(42)和式(43)可得
式中:e為常數(shù),結(jié)合汞飽和度和毛管對(duì)數(shù)圖可以得到分形維數(shù)Df。分形維數(shù)可以準(zhǔn)確描述儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性,反映了毛細(xì)管和板狀管的數(shù)量分布。分形維數(shù)越大,孔隙半徑和微裂縫開度越小,巖心的流通通道越復(fù)雜。
根據(jù)表1數(shù)據(jù)和計(jì)算流程圖(圖4),對(duì)不同分形維數(shù)模型進(jìn)行了模擬,圖6所示為具有不同分形分布的巖心尺度多孔介質(zhì)中自發(fā)滲吸隨時(shí)間的產(chǎn)油量。由圖6可知:在103s 之前不同分形維數(shù)多孔介質(zhì)的滲吸速度差異不明顯,并且速度都很小。在103s 之后,毛細(xì)管分形維數(shù)和板狀管分形維數(shù)從1.2增加到1.8,半徑小的毛細(xì)管和開度小的板狀管比例增加,圖中3條曲線的斜率依次變小,則頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心尺度的滲吸速度顯著降低。雖然滲吸速度隨分形維數(shù)增加而降低,但由于巖心尺度的滲吸結(jié)束時(shí)間由小孔徑流動(dòng)空間決定,在107s 巖心尺度產(chǎn)油量幾乎同時(shí)達(dá)到平衡。
圖6 不同分形分布時(shí)巖心滲吸產(chǎn)油量隨時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between oil production of core and time by imbibition with different fractal distributions
圖7所示為不同油水黏度比時(shí)巖心滲吸產(chǎn)油量隨時(shí)間的關(guān)系。由圖7可知:隨油水黏度比的增加,滲吸速度降低。圖8所示為不同界面張力時(shí)巖心滲吸產(chǎn)油量隨時(shí)間的關(guān)系,由圖8可知:多孔介質(zhì)中的滲吸速度隨界面張力的增大而增大。本文毛管束和板狀管束模型采用分形分布,通過(guò)模擬可知油水黏度比和界面張力對(duì)巖心尺度滲吸結(jié)束時(shí)間的影響不明顯。
圖7 不同油水黏度比時(shí)巖心滲吸產(chǎn)油量隨時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between oil production of core and time by SI with different oil-water viscosity ratios
圖8 不同界面張力(TIF)時(shí)巖心滲吸產(chǎn)油量隨時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between oil production of core and time by SI with different interfacial tension(TIF)
為了驗(yàn)證裂縫性頁(yè)巖油藏多孔介質(zhì)中累計(jì)產(chǎn)油量計(jì)算式(38)的有效性,利用真實(shí)巖心對(duì)理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了檢驗(yàn)。針對(duì)典型巖心樣品開展了滲吸實(shí)驗(yàn),如圖9所示,利用核磁共振儀定量表征了孔隙和微裂縫中的滲吸情況,識(shí)別了不同滲吸階段滲流特征。實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)如表1所示,其中水相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的KCl水溶液,油相為正十二烷,在室溫、大氣壓下進(jìn)行的自發(fā)滲吸室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。同時(shí),根據(jù)圖4流程圖和表1實(shí)驗(yàn)參數(shù),進(jìn)行孔隙和微裂縫分形分布、流動(dòng)空間內(nèi)油水界面運(yùn)移及產(chǎn)油量的計(jì)算和表征。
圖9 自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)示意圖與核磁共振儀Fig.9 Schematic diagram of SI experiment and NMR
基于核磁共振T2譜結(jié)果,得到了自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)巖心產(chǎn)油量隨時(shí)間的變化關(guān)系,如圖10所示。同時(shí),圖中比較了本文多孔介質(zhì)滲吸半解析解表達(dá)式計(jì)算值與滲吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),由圖10可見(jiàn):滲吸實(shí)驗(yàn)觀察和理論計(jì)算的滲吸產(chǎn)油量與時(shí)間幾乎匹配一致。
圖10 多孔介質(zhì)滲吸半解析解與滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.10 Comparison of semi-analytical solution of SI and SI experimental results in porous media
2種方法均顯示:在滲吸前期產(chǎn)油速度相對(duì)較高,毛細(xì)管和板狀管中的自吸作用是滲吸驅(qū)油的最主要作用,尤其是半徑小的毛管和開度小的微裂縫對(duì)滲吸驅(qū)油的速度起重要作用。滲吸中、晚期的產(chǎn)油速度逐漸變小,水相前緣推進(jìn)到樣品端面后驅(qū)油速度趨于0。
因此,對(duì)于微裂縫發(fā)育的頁(yè)巖油藏,其流動(dòng)空間相對(duì)較小,孔喉連通性一般,悶井過(guò)程中的滲吸驅(qū)油具有一定的效果,同時(shí)較大的微米級(jí)孔隙和微裂縫也對(duì)滲吸驅(qū)油起到了很大的作用。滲吸驅(qū)油主要作用力為毛管力,其驅(qū)油效率有限,需要通過(guò)增加滲吸時(shí)間、調(diào)整儲(chǔ)層壓力場(chǎng)等手段提高原油采收率。
1) 建立了同時(shí)考慮孔隙和微裂縫分形分布的多孔介質(zhì)滲吸模型,更精確地表征了悶井滲吸產(chǎn)油量隨時(shí)間的關(guān)系。
2) 利用半解析解定量評(píng)價(jià)了孔隙分布、微裂縫分布和油水黏度等因素對(duì)滲吸規(guī)律的影響。隨油水黏度比減小,界面張力增大,多孔介質(zhì)中的滲吸速度增大。由數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)可知自發(fā)滲吸的采出程度為17%左右。在頁(yè)巖油藏壓后悶井過(guò)程中,增大儲(chǔ)層的親水性,保持一定的油水黏度比和界面張力可以有效發(fā)揮滲吸驅(qū)油潛力。
3) 滲吸早期產(chǎn)油速度較快,中、后期產(chǎn)油速度逐漸降低,毛管力驅(qū)動(dòng)的自吸采油具有一定的局限性,可通過(guò)增加滲吸時(shí)間、調(diào)整儲(chǔ)層壓力場(chǎng)、添加表面活性劑等手段控制滲吸效率,達(dá)到提高采收率的目的。