致密岩心启动压力梯度实验研究
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第15卷第3期2015年1月 科学技术与工程 Vo1.15 No.3 Jan.2015 1671—1815(2015)03—0079—05 Science Technology and Engineering ⑥2015 Sci.Tech.Engrg. 致密岩心启动压力梯度实验研究 朱维耀 田 巍 朱华银 张雪龄 和雅琴 李 勇 王瑞明 (北京科技大学土木与环境工程学院 ,北京100083;中国石油勘探开发研究院廊坊分院。,廊坊065007; 华北油田勘探开发研究院 ,任丘062552) 摘要 为了研究致密岩心的启动压力梯度,对室内渗流实验设备进行优化改进,并借鉴现有测试方法,设计出了“非稳态驱 替一瞬间动用法”,并针对吐哈油田岩心开展了室内研究,研究表明:所选取岩心的最小启动压力梯度、拟启动压力梯度和两相 启动压力梯度数值较大,平均值分别0.476 3 MPa/m、1.298 2 MPa/m和2.299 5 MPa/m,且随着渗透率的降低而呈现幂函数级 增加,随着渗透率倒数的增加而线性增加;两相启动压力梯度高于单相,最小启动压力梯度和两相启动压力梯度分别反映了 单相和两相流体动用所需的真实驱动压力梯度,因此后者可以作为油田开发设计的重要参数;拟启动压力梯度对现场参考意 义不大;分析可知,致密储层开发开采难度较大。 关键词 致密岩心 最小启动压力 改进 压差流量法 两相启动压力 非稳态驱替一瞬间动用法 中图法分类号TE348; 文献标志码A 近几年来,随着低渗致密储层的大量发现,相 室内物理实验模拟法包括非稳态法和稳态法。 关研究也逐渐展开,致密储层由于具有孔喉细小、 非稳态法主要用于测定真实启动压力,也称最小启 结构复杂、渗透性差、毛细管现象突出、泥质胶结 动压力,其测定方法主要有两种:①静压差平衡法 物含量高、应力敏感性强、并常伴有天然微裂缝等 (或称毛细管平衡法),即测定岩心进出口端面的稳 特点,其渗流机理、油水运动规律等都与常规储层 定压差,该法依据连通器的原理,孔喉越大,稳定越 有很大不同,而启动压力梯度就是需要研究的关 快,适于低渗岩心启动压力梯度的测定,但对于有着 键问题之一,室内研究低渗储层启动压力梯度的 极其细小孔喉的致密岩心,则耗时较长;②气泡法 文献有很多-- ,但没有形成一套系统、完善、统 (本文改进后成为非稳态驱替.瞬间动用法),主要 一的研究方法,实验数据的可靠性得不到保证;尤 测定流体从静止到流动发生瞬问的压力,该法适于 其是专门针对致密油藏启动压力梯度实验研究的 测定的渗透率范围较大,因此,具有更大的可选空 文献还未见报道,因此,有必要寻求一套合理的测 间。稳态法又称“压差.流量法”,是目前室内最常 试方法,借鉴文献研究方法中的合理成分 一,对 用测定拟启动压力梯度的方法,测定值往往比真实 室内实验设备进行优化改造,设计出了适于室内 值偏大,由于实验条件的不统一,测出的结果也存在 测定致密岩心启动压力梯度的方法,这将为以后 差异。 的实验和科研提供参考。 基于致密储层自身的特点以及流体运动规律, 1研究方法的选择与改进 通过给出一定的平衡时间对气泡法进行合理改进, 以解决孔隙中压力传递缓慢的问题,实验精确模拟 目前,对于启动压力梯度研究的方法主要归结 地层条件,保持围压恒等于上覆压力,并通过增设高 为三类:室内物理实验模拟法、数值实验法和试井解 线性压差传感器来精确检测岩心两端压差,这样就 释法;其中,室内物理实验模拟方法是最直观也是目 排除了实验过程中某些客观因素的影响,且缩短了 前比较公认的有效的方法。 测定周期。对于拟启动压力梯度的测定选取净围压 模式流体恒压注入的方式进行。 2014年9月3日收到 。 国家重点基础研究发展计划(973计划) .. . (2ol3cB2280H02)资助 2 实验部分 渗流力学、油气…: 朱维耀 。一’'mTI:',/^。 ̄ -maiE l:wei男’yaook@si博士生导师,na.corn教授。研究方向:。 实验选用吐哈油田某区块同一层位物性参数相、诅 川 一 。一 J。一 … 通信作者简介:田巍(198l一),男,博士,工程师。研究方向:油 近、特征大致相同的砂岩岩心,相关物性数据如 气田开发、三次采油技术。E-mail:tw811227@163.c。m。 表1。 科学技术与工程 15卷 表1实验岩心基础数据 器。围压系统使用高精度多级柱塞驱替泵(Tele— Table 1 The basic data of experimental cores dyne iscol00.DX)。回压控制系统采用美国岩心公 司生产的BP.100空气弹簧回压阀,并采用高精度多 级柱塞驱替泵控制。 实验采用DXD高精度数字压力传感器,在 (30~100)℃条件下,测试精度为±0.02%;在 (0~50)cC条件下,测试精度为±0.o4%。并采用 了高线性压差传感器(型号为validyne)精确采集岩 2.1实验原理 心两端的压力差,实验流程如图1所示。 最小启动压力梯度和油水两相渗流启动压力梯 度的测定,采用非稳态驱替一瞬间动用法,在模拟地 层实际温度和压力条件下进行,当岩心中充满流体 时,岩心压力梯度由低逐渐增高,在某一压力梯度 下,驱替流体克服岩心中各种阻力后,开始进入孔 道,并占据孔隙孔道空间体积,由于压力传递作用, 流体开始向低压部分移动,如果忽略孔隙中的流体 被压缩的体积,则在岩心出口端面就会有液体渗出, 此时,关闭岩心上游阀门,待进出口压力平衡,直到 1,2,3为注入泵;4,5为中间容器;6为三轴岩心夹持器; 数据稳定48 h以上,此时的压差即为最小启动压 7,8为上,下游压力传感器;9为高线性压差传感器; 力,所以整个驱动过程可以分为三个状态:静止 流 lO为流量收集装置;l1为回压阀 动 静止。 图1实验流程图 Fig.1 The flow chart of experiment 拟启动压力梯度的测定,按照非线性渗流规律 表述,整个非线性渗流曲线分为曲线段和拟线性段, 2.3实验步骤 将拟线性段反向延长与压力梯度轴的交点即为拟启 实验按照岩心在饱和油(水)后油(水)驱测得 动压力梯度,基于该原理需要分别测定不同压差下 的启动压力梯度作为油(水)的单相启动压力梯度, 的稳定流量。为了防止有效应力的变化过大而导致 在造束缚水后使用水驱的方法测得的启动压力梯度 大的岩心本体变形¨ J,实验在恒定净围压下进 作为油水两相的启动压力梯度。 行,以一定的压力向岩心注入实验流体,通过数据采 (1)液体单相最小启动压力梯度和拟启动压力 集系统观察流量的变化;将测定的实验系列点按照 测定:①将岩心烘干48 h,测定岩心的长度、直径及 压力梯度一流量关系进行线性回归拟合得到直线方 气测渗透率;②将岩心抽真空12 h饱和标准盐水, 程通式为 而后称重,计算岩心的有效孔隙度;③将岩心放人 Q=。(AP岩心夹持器,接通流程,对仪器初始值调零,设定回 — —b) 压值为地层压力值,并将围压值以步长为2 MPa间 式(1)中Q为流量(mL/min);△P为进出口压力差 隔为10 rain逐步提升至地层上覆压力值;④将出口 (MPa); 为岩心长度(m);0为拟合直线的斜率,b 管段中的液体排空,使该段充满气体,并置于收集管 为拟合直线的截距,式中b/a即为拟启动压力梯 液面下;⑤打开驱替泵,以0.01 mL/min的流量对 度值。 岩心注入标准盐水,观察出口管段出口是否有气泡 2.2实验设备及流程 冒出;⑥直到有第一个气泡冒出,关闭夹持器前端 渗流实验装置选用美国岩心公司生产的先进的 液体进口阀,停泵静置,直至压差传感器采集数据稳 Auto.lfood (AFS300 )驱替评价系统,数据自动采 定48 h以上,此时高线性压差传感器数据即为最小 集系统在对系统各部分压力自动采集的同时能自动 启动压力;⑦打开进口阀门,设定净围压为6 MPa 实现恒流速和恒压驱替模式,并完成相应数据分析。 (即为上覆压力与地层压力差),启动驱替泵,以恒 泵流量为(0.01~50.00)mL/min(压力不大于70 定的压力注入实验流体,待流量稳定后,记录该驱替 MPa),流速精度为±0.3%(最大密封泄漏为0.25 压力下的流量值;⑧更换下一驱替压力,重复步骤 p ̄L/min)。流速显示最小值为0.01 p,L/min,恒压模 ⑦,直至测定所有实验设计压力点,结束实验。 式下能达到1.0 p ̄L/min。实验采用三轴岩心夹持 (2)油水两相启动压力测定:①岩心前处理同 3期 朱维耀,等:致密岩心启动压力梯度实验研究 81 (1)中步骤①~步骤③;②以0.O1 mL/min的流量 向岩心注入模拟油,直到采出液不含水,停泵,老化 12 h以上;③操作同(1)中步骤④~步骤⑥;系统采 集到高线性压差传感器数据为油水两相启动压力。 透率增加先是急剧降低而后降低的速度放缓,在渗 透率从0.O11 0×10一 m 变化到0.064 9×10 m 再变化到0.097×10~ m 时,水相最小启动 压力梯度下降的幅度分别为2.131 MPa/m和0.002 3 MPa/m,在相同的渗透率变化区间上,拟启动压力梯 度下降幅度分别为3.684 8 MPa/m和0.346 2 MPa/ in;启动压力梯度随渗透率倒数增加而呈现线性增 加,如表2。岩心渗透率越大,其对应最大喉道半径 也越大,流体越容易流动,所需的最小启动压力就越 小;同样,渗透率越大的岩心其平均喉道毛管也越 大,对应拟启动压力梯度就会越小,由此可以看出, 当油藏实际渗透率降低到一定数值后,启动压力梯 度对油藏的开发会产生较大影响。 3结果与分析 实验分别测定水单相最小启动压力梯度、拟启 动压力梯度以及油水两相启动压力梯度,实验用水 为标准盐水,矿化度80 000 m#L,模拟油黏度为 3.5 mPa-s(6O℃),地层温度60℃,地层压力35 MPa, 上覆压力41 MPa,实验在模拟地层条件下进行。 最小启动压力梯度是在精确模拟地层条件下测 得的,是最能反映单相流体真实动用状况的具有较 高可信度的数值;拟启动压力梯度体现的是储集层 非线性程度和渗流能力,是储层孔隙结构、固液作用 的综合表现¨ ,但由于其测试过程中影响因素较 渗透. ̄/to。 岬。 多,且实验点拟合可能会引起误差积累,导致结果可 信度降低,因此,其结果对现场指导意义不大。 3.2油水两相启动压力梯度 两相启动压力梯度是最能反映油藏实际动用状 况的数值。其数值与渗透率之间符合良好的乘幂关 系,随渗透率倒数变化符合线性关系,如表2,在渗 透率从0.097×10~ m 变化到0.064 9×10 Ixm 再变化到0.028 4×10 Ixm 时,两相启动压力 渗透珲 10。 梯度下降的幅度分别为0.939 7 MPa/m和2.067 5 (b)启动压力梯度与渗透率倒数的关系 MPa/m,启动压力梯度随渗透率的减小而缓慢增加, 图2启动压力梯度随渗透率的变化关系 但当渗透率减小到一定值后,启动压力梯度随渗透 Fig.2 The relationship between threshold 率的减小而急剧增加,这也再次印证了渗透率变化 pressure gradient and permeability 对油藏开发过程带来的影响。 对比单相启动压力梯度和两相启动压力梯度可 由实验结果可知,水相拟启动压力梯度平均值 两相存在时的启动压力梯度偏高。启动压 1.298 2 MPa/m,最小启动压力梯度平均值0.476 3 以发现,MPa/m,两相启动压力梯度平均值2.299 5 MPa/m, 力是使孔隙流体克服岩石中的各种阻力而开始流动 的外加压力,岩石渗透率越低,孔道越细小,贾敏效 两相启动压力梯度高于单相。通过将实验结果对渗 透率回归拟合可知:启动压力梯度和渗透率之间符 应和卡断现象的影响就越显著,流体动用需施加的 合幂函数递减关系,与渗透率倒数之间符合线性递 外加压力就越大。两相的存在导致在多孔介质中产 生固液作用、界面作用等互相干扰,使各相的相渗透 增关系,如表2。 率发生变化,渗流规律也会改变。实际油藏中的孔 3.1液体单相启动压力梯度 水相最小启动压力梯度和拟启动压力梯度随渗 隙流体是以油水两相形式存在的,因此,两相启动压 表2启动压力梯度与渗透率的拟合结果 Table 2 The relationship between threshold pressure gradient and permeability 82 科学技术与工程 15卷 力梯度可以作为油藏工程论证的依据。 对比压差流量法和非稳态驱替一瞬间动用法可 以看出,前者测定过程中影响因素较多、数据处理复 杂,拟合所得结果很难为现场提供有价值的参考;而 后者操作较为简便,且测定结果的可信度较高。 综上分析可以发现,致密岩心的启动压力梯度 较大,其储层开发开采难度也较大,常规的三次开采 技术很难应用到致密储层,这就要求今后科研工作 者进一步研究适于致密储层开采的方法,比如注气 开采技术、分段多级压裂开采技术等。 4 结论 (1)致密岩心的最小启动压力梯度、拟启动压 力梯度和两相启动压力梯度数值较大,平均值分别 0.476 3 MPa/m、1.298 2 MPa/m和2.299 5 MPa/m. 因此,致密储层开发开采难度较大。 (2)渗透率降低对油藏开采影响较大;本文所 测得的启动压力梯度都随着渗透率降低而呈现幂函 数级增大,随渗透率倒数增加而线性增加;两相启动 压力梯度高于单相。 (3)最小启动压力梯度和两相启动压力梯度都 反应了最大喉道半径流体动用所需的驱动压力梯 度,前者反映的是单向流体动用状况,后者是最能反 映油藏实际动用状况的数据,可以作为油田开发的 重要参数;拟启动压力梯度反映的是平均喉道半径 流体动用状况,其数据参考意义不大。 (4)对比分析“压差流量法”和非稳态驱替.瞬 间动用法可知,非稳态驱替.瞬间动用法所测结果更 符合实际,具有更大的应用空间。 参考文献 1 吕成远,王建,孙志刚.低渗透砂岩油藏渗流启动压力梯度实 验研究.石油勘探与开发,2002;29(2):86—88 Lfi Chengyuan,Wang Jian,Sun Zhigang.An experimentla study on threshold pressure gradient of lfuids lfow in low permeability sandstone porous medim Petroleum Exploration and Development,2002;29 (2):86—88 2 Mallen M,Pitcher J,Hinz D,et a1.Does the pressure of natural frae— tures have an impact on production:a ease study from the Middle Bakken dolomite,North Dakota,SPE 135319,2010 3 Thomas L K,Katz D L,Tek M.Threshold pressure phenomena on porous medi&SPE Journal,1968;8(2):l74一l84 4李爱芬,张少辉,刘敏,等.一种测定低渗油藏启动压力的新方 法.中国石油大学学报:自然科学版,2008;32(1):68—71 Li Aifen,Zhang Shaohui,IJiu Min,et a1.A new method of measuring threshold pressure for low permeability 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oil field,based on the existing experimental equipment and the method to test,designed the method of transient displacement-instant threshold,and carried on the related research.Research shows that minimum thresh- old pressure gradient,pseudo threshold pressure gradient and two phase threshold pressure gradient of these cores selected are all larger,The average value is respectively 0.476 3 MPa/m,1.298 2 MPa/m and 2.299 5 MPa/m, and firstly reduced sharply,then reduced at lower speed along with increase of permeability,as increasing along with the reciprocal permeability increases.Moreover,two phase threshold pressure gradient is hi【gher than that of single phase.Minimum threshold pressure gradient and two phase threshold pressure gradient respectively represent the real driving pressure gradient of single—phase and two-phase fluid starting,so the latter can be regarded as an important parameters in the process of oil field development and design.Pseudo threshold pressure gradient is re— present the fluid driving pressure of the average throat radius.However,because test procedures and data process- ing is more complicated,and more factors influenced,the test results is not much meaning.Based on the above analysis,the method designed is more feasible,which can be widely applied to test real threshold pressure gradient in the lab.The research of this paper shows that it is more difficult to develop tight sandstone reservoir. [Key words]tight core two phase threshold pressure minimum threshold pressure improvement method of pressure and flow the method of transient displacement—instant threshold