鄂爾多斯盆地三疊系露頭全直徑超低滲透儲層滲流啟動壓力梯度分析

鄂爾多斯盆地三疊系露頭全直徑超低滲透儲層滲流啟動壓力梯度分析

1啟動壓力梯度的概念極性液體或原油的流動受到巖石表面地殼分子力的影響，并形成邊界層。尤其在超低滲巖石(≤1mD)中,由于孔隙開度小(≤1μm),比表面大,導(dǎo)致邊界層對滲流的影響大,只有附加一個壓力梯度,才能破壞邊界層開始流動。這個附加的壓力梯度通常被稱為啟動壓力梯度,它是由單相飽和滲流流體(鹽水或地層水)與地層巖石孔隙壁面的作用力所導(dǎo)致。國外針對超低滲(≤1mD)飽和/非飽和滲流機制已經(jīng)研究了半個多世紀(jì),主要涉及到水利工程、超低滲油氣田開發(fā)、礦山開采、地震預(yù)測、自然斷層研究、核廢料隔離、微觀孔隙結(jié)構(gòu)的流體動力學(xué)特征以及二氧化碳封存。D.Trimmer等普遍認(rèn)為:非飽和滲流和單相非牛頓流體在多孔介質(zhì)中滲流時才存在啟動壓力梯度;單相牛頓流體(鹽水、地層水)在致密巖石(≤1μD)中的滲流并不存在啟動壓力梯度。本文針對國內(nèi)外超低滲飽和/非飽和滲流啟動壓力梯度的研究差異,通過非穩(wěn)態(tài)法,采用美國巖心公司AFS300TM全自動巖心驅(qū)替系統(tǒng),鄂爾多斯盆地三疊系超低滲露頭全直徑巖心,BP–100空氣彈簧回壓閥控制巖心出口端壓力,研究超低滲飽和/非飽和滲流的啟動壓力特征。2試驗原理和設(shè)備2.1壓力差對啟動壓力梯度的影響室內(nèi)一般采用穩(wěn)態(tài)法測定超低滲飽和滲流曲線,但是由于巖心橫斷面面積相對較小,在地層壓力梯度條件下很難精確測量巖心出口端流量。即便是采用全直徑巖心,也需要一周左右才能完成滲流曲線的測試。但是在低壓力梯度(≤0.005MPa/m)條件下,全直徑巖心的流量(≤0.05μL/min)也相對較小,液體的蒸發(fā)和揮發(fā)以及試驗的系統(tǒng)誤差都可以導(dǎo)致滲流曲線出現(xiàn)啟動壓力梯度現(xiàn)象。巖心參數(shù)及非飽和滲流毛管壓力特征見表1。本文通過非穩(wěn)態(tài)法,當(dāng)巖心滲流達到穩(wěn)態(tài)后(巖心兩端壓力差在1.4kPa范圍內(nèi)波動,流量波動范圍小于1%),關(guān)閉巖心出口端閥門,同時保持巖心入口端恒壓。在壓力差條件下,巖心出口端將有流體流入下游端死體積(管線死體積為6.4~6.5mL),由于出口端死體積部分閥門關(guān)閉,因此出口端管線死體積部分壓力將逐漸增加。因為液體壓縮系數(shù)小(2×10-4~6×10-4MPa-1),即便有微小流量(10-6~10-7mL/min)從巖心出口端端面流出,也可以導(dǎo)致10kPa左右的壓力變化。因此,采用非穩(wěn)態(tài)法完全可以通過巖心兩端的壓力差變化來判斷是否存在啟動壓力梯度。如果超低滲飽和滲流存在啟動壓力梯度,那么巖心下游端壓力將永遠低于巖心上游端壓力。相反,如果一定時間后巖心兩端壓力差為0,就可以說明超低滲飽和滲流不存在真實的啟動壓力梯度。非穩(wěn)態(tài)法啟動壓力梯度測試原理見圖1。2.2巖心流速及溫度試驗結(jié)果分析本文開展的滲流試驗是在美國巖心公司提供的AutofloodTM(AFS300TM)驅(qū)替評價系統(tǒng)上完成,該系統(tǒng)包括壓力自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)?；貕合到y(tǒng)、圍壓系統(tǒng)是通過高精度多級柱塞驅(qū)替泵(Teledyneisco100–DX)以恒壓模式控制。注入驅(qū)替系統(tǒng)根據(jù)試驗要求可以設(shè)置為恒流速或恒壓驅(qū)替模式。數(shù)據(jù)制動采集系統(tǒng)在對系統(tǒng)各部分壓力自動采集的同時能自動實現(xiàn)恒流速和恒壓驅(qū)替模式,并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。泵流量為0.01~50.00mL/min(壓力不大于70MPa),流速精度為±0.3%(最大密封泄漏為0.25μL/min)。流速顯示最小值為0.01μL/min,恒壓模式下能達到1.0μL/min。為模擬地層應(yīng)力特征,試驗采用三軸巖心夾持器。夾持器在測試壓力為103350kPa條件下測試4h無漏跡象,工作壓力為68900kPa;工作溫度為5℃~150℃。試驗采用DXD高精度數(shù)字壓力傳感器。在30℃~100℃條件下,測試精度為±0.02%;在0℃~50℃條件下,測試精度為±0.04%,壓力顯示解析度為6.89kPa。為更精確采集到巖心兩端的壓力差,采用了3個不同量程的高線性壓力差傳感器(型號為validyne),量程分別為:0~55.12,0~861.25,0~2239.25kPa,壓力差精度為±0.5%,在低壓力差條件下使用0~55.12kPa量程壓力差傳感器。由于巖心飽和度一般為80%~90%,孔隙中存在氣體或氣泡,氣–水界面對滲流影響很大。為保證巖心孔隙中為單向滲流,采用美國巖心公司生產(chǎn)的BP–100空氣彈簧回壓閥,提高孔隙壓力,使得孔隙殘余的氣體或氣泡溶解在液體中,消除非混相流體界面對啟動壓力梯度測試的影響?；貕洪y的測試壓力為103350kPa,工作壓力為68900kPa,工作最高溫度為177℃。為盡量達到恒壓力差驅(qū)替,實驗室采用高精度多級柱塞驅(qū)替泵控制回壓閥。2.3巖心末端效應(yīng)為了防止管線中的氣體或氣泡對滲流的影響,在試驗開始以前,采用試驗流體,以0.5mL/min的驅(qū)替速度,先將巖心上、下游端的死體積排空。為消除超低滲巖心末端效應(yīng),并保證巖心中的滲流為單相飽和。在實驗室,很難使巖心100%飽和,一般飽和度為85%~90%,因此,巖心中存在一定的氣體或氣泡,直接導(dǎo)致巖心孔隙中產(chǎn)生氣–水界面,形成毛管壓力。采用回壓閥控制巖心下游端壓力,并設(shè)置回壓為3445kPa。根據(jù)亨利定律,在3445kPa孔隙壓力條件下,孔隙中10%~15%的氣體可以溶解在85%~90%的液體中。當(dāng)滲流達到穩(wěn)定后,關(guān)閉巖心出口端閥門,并記錄巖心出口端壓力隨時間的變化,試驗流程見圖2。3試驗結(jié)果及分析3.1巖心和巖心下游端壓力差曲線特征設(shè)定泵為恒壓注入模式,當(dāng)驅(qū)替系統(tǒng)形成穩(wěn)態(tài)滲流后,關(guān)閉巖心下游端閥門;同時,記錄巖心下游端壓力隨時間的變化情況,并且利用壓力差傳感器記錄巖心兩端的壓差變化情況(見圖3)。試驗結(jié)果表明:對于單相煤油飽和滲流,關(guān)閉巖心下游端閥門后,巖心中的流體在壓差條件下逐漸流入巖心出口端死體積內(nèi)(巖心出口端端面到下游端閥門有一段管線,其體積為6.4~6.5mL),導(dǎo)致巖心下游端壓力增加,最終與巖心上游端壓力相等,此時巖心兩端壓力差為0。從下游端壓力曲線特征可以看出:即便是在超低滲的巖心中,只要巖心兩端有壓力差,就會有流量,直到巖心上、下游壓力相等,壓力差為0。設(shè)定泵為恒壓注入模式,當(dāng)驅(qū)替系統(tǒng)形成穩(wěn)態(tài)滲流后,同時關(guān)閉巖心上、下游端閥門(見圖4~6)。圖5(b),圖6(b)分別為圖5(a)(20~30min),圖6(a)(100~170min)壓力差曲線的放大部分。試驗結(jié)果表明:關(guān)閉兩端閥門后,壓力差降低,并最終在-0.25~+0.25kPa左右波動,即兩端壓力差為0kPa。因此可以說明超低滲巖心飽和滲流并不存在啟動壓力梯度。在超低滲單相牛頓流體飽和滲流過程中,由于滲流端面很小(直徑2.5cm巖心),在地層壓力梯度條件下出口端流量非常小(通常小于0.05μL/min)。還要考慮在實驗室溫度條件下,流體揮發(fā)(煤油)、蒸發(fā)(標(biāo)準(zhǔn)鹽水)對巖心出口端累計體積的影響,因此,要在實驗室測得精確的流量非常困難。但是,如果采用恒定巖心上游段壓力,同時關(guān)閉巖心下游端閥門,通過出口端壓力變化分析出口流量變化將是克服流量計量誤差的一個好的方法。3.2非脂肪和滲透性能3.2.1巖心驅(qū)替過程將巖心TJH3–1和CJCY2–10–3飽和標(biāo)準(zhǔn)鹽水,并放入巖心夾持器中,保持恒壓力差(700kPa左右)條件下,采用標(biāo)準(zhǔn)鹽水驅(qū)替巖心,并記錄巖心出口端累計流量隨時間的變化規(guī)律。關(guān)閉存放標(biāo)準(zhǔn)鹽水中間容器閥門,同時開啟存放煤油中間容器閥門,使得煤油在同樣壓力差條件下進入巖心上游端。在煤油進入巖心上游端以前,由于壓力差和流量穩(wěn)定,出口端累計流量與時間成直線關(guān)系,但當(dāng)煤油進入巖心上游端后,將在巖心中形成油–水界面。因為試驗所用的露頭巖心為強水濕,此時形成的毛管壓力為阻力,巖心出口端流量將降低,累計流量隨時間的變化曲線有明顯的拐點,此時說明非濕相已經(jīng)進入巖心。當(dāng)非濕相流體(煤油)進入濕相流體(標(biāo)準(zhǔn)鹽水)后,在恒定巖心上游端壓力條件下,關(guān)閉巖心下游端閥門(重復(fù)單相飽和滲流過程),試驗結(jié)果見圖7。此時巖心上游端壓力恒定(3900kPa),下游端壓力較低(3200kPa),巖心兩端壓力差較大,使得巖心中的流體流入出口端死體積,導(dǎo)致下游端壓力逐漸上升。但從上升的趨勢和達到穩(wěn)定所用的時間可以看出:巖心TJH3–1下游端壓力上升的趨勢明顯弱于巖心CJCY2–10–3,并且達到穩(wěn)定所需時間(200min)也遠長于巖心CJCY2–10–3(6min)。這是由于巖心TJH3–1滲透率(氣測0.03mD)遠低于巖心CJCY2–10–3(氣測0.18mD)。其喉道尺度更小,影響油–水界面推進速度。試驗結(jié)果也表明:兩巖心下游端壓力上升初期壓力增加相對較快,而后增加速度減弱。這是由于前期兩相流體在非穩(wěn)態(tài)滲流過程中很快達到平衡,后期的壓力變化主要是因為油、水兩相區(qū)的油–水界面隨著流速的降低而自動調(diào)整彎液面,曲率逐漸變小,曲率半徑逐漸變大,單一界面產(chǎn)生的毛管壓力降低,最終表現(xiàn)為靜態(tài)的毛管壓力特征(見圖7)。體現(xiàn)了驅(qū)替過程中的動潤濕滯后特征,并且滲透率越低,喉道半徑越小,動潤濕滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此,當(dāng)非濕相流體驅(qū)替濕相流體時,由于存在油–水界面產(chǎn)生的毛管壓力,必須克服靜態(tài)的毛管壓力才能將濕相流體驅(qū)動,此時的啟動壓力是由油水兩相的毛管壓力。3.2.2巖心驅(qū)替壓力濕相(標(biāo)準(zhǔn)鹽水)驅(qū)替非濕相(煤油)時,同樣保持巖心上游端壓力恒定,關(guān)閉巖心出口端閥門,并記錄巖心上下游端壓力隨時間變化情況,試驗結(jié)果見圖8。試驗結(jié)果表明:關(guān)閉巖心下游端閥門后,下游端壓力逐漸增加,經(jīng)過一定的時間,等于巖心上游端壓力,壓力差為0,但是由于濕相驅(qū)替非濕相,非濕相煤油在毛管壓力作用條件下,壓力將繼續(xù)增加,并最終與上游端壓力形成穩(wěn)定的壓力差,即為靜態(tài)的毛管壓力。當(dāng)濕相驅(qū)替非濕相時,油水彎液面的曲率也會隨著推進速度自動調(diào)整,當(dāng)驅(qū)替壓力差較大時,由于存在動潤濕滯后,彎液面凸向非濕相,油–水界面產(chǎn)生的毛管壓力表現(xiàn)為阻力。隨著壓力差的減小,油–水界面推進速度降低,動潤濕滯后減弱,當(dāng)壓力差為0時,油水彎液面曲率無窮大,毛管壓力為0。隨著時間的增加,油–水界面將表現(xiàn)出自身特性,彎液面凸