PDF《储层油水两相动态毛管力测试方法》

文章编号:1000 C

7393 (2018)

01 C

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04 DOI:10.

13639/j.odpt.2018.01.022 储层油水两相动态毛管力测试方法 谢志勤 中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院 引用格式:谢志勤 . 储层油水两相动态毛管力测试方法[J]. 石油钻采工艺, 2018,

40 (1) :137-140. 摘要:针对目前毛管力测试方法无法准确反映出渗流过程中毛管力的动态变化问题, 在借鉴气水两相动态毛管力的基础 上, 提出了油水两相动态毛管力的概念, 并制作了动态毛管力测试装置.利用半渗透薄膜分别制作了单独测量油相和水相的压 力传感器, 在人工胶结岩心两个表面对称制作了

8 个压力测试点, 采用环氧树脂将油相压力传感器与水相压力传感器紧密固定 在人工胶结岩心上, 采用类似稳态法测相渗曲线的实验流程, 注入比例恒定的油水混合液体, 测试不同饱和度条件下的毛管力. 利用动态毛管力测试仪, 对人工胶结岩心的动态毛管力进行了测量, 得到了

3 条不同驱替速度条件下的动态毛管力曲线, 分析 发现, 不同驱替速度条件下的毛管力数值存在差异, 并且会对水驱油过程的数值计算带来较大影响. 关键词:毛管力测试;

动态毛管力;

驱替速度;

测试装置;

数值计算;

半渗透薄膜 中图分类号:TE311 文献标识码:A A test method for oil-water two-phase dynamic capillary force of reservoir XIE Zhiqin Research Institute of Petroleum Engineering, SINOPEC Shengli Oil?eld Company, Dongying 257000, Shandong, China Citation: XIE Zhiqin. A test method for oil-water two-phase dynamic capillary force of reservoir[J]. Oil Drilling &

Production Technology, 2018, 40(1): 137-140. Abstract: At present, the capillary force test method cannot reflect the dynamic change of capillary force in the process of porous flow. To solve this problem, the concept of oil-water two-phase dynamic capillary force was put forward on the basis of gas-water two- phase dynamic capillary force, and the dynamic capillary force test unit was prepared. The pressure sensor to measure oil phase and water phase independently was developed respectively by using the semi-permeable membrane.

8 pressure testing points were set symmetrical- ly on two surfaces of the artificial core, and oil-phase pressure sensor and water-phase pressure sensor were fixed firmly to the artificial core with epoxy resin. The experimental process was similar to the one that is used to measure relative permeability curve by means of steady state method. Oil-water mixture was injected at the constant proportion and the capillary force under different saturations was measured. The dynamic capillary force on the artificial core was measured by means of the dynamic capillary force testing unit, and the dynamic capillary force curves corresponding to

3 displacement velocities were plotted. It is indicated that the numerical value of capillary force varies with the displacement velocity and has more effect on the numerical calculation of water displacing oil process. Key words: capillary force test;

dynamic capillary force;

displacement rate;

test unit;

numerical calculation;

semi-permeable mem- brane 基金项目:国家科技重大专项 低渗 - 致密油藏描述新方法与开发模式 (编号:2017ZX05009001) ;

国家自然科学基金 疏松砂岩储 层深部调剖堵剂分布模式研究 (编号:51504223) . 第一作者:谢志勤(1966-) ,

1990 年毕业于西南石油大学采油工程专业, 现从事油气田工程、 开采工艺的研发及推广工作, 高级工程师. 通讯地址: (257000) 山东省东营市东营区西三路

306 号.

电话:0546-8705220.E-mail:[email protected]

138 毛管力是毛细管压力的简称, 是指毛细管中弯 液面两侧两种流体(非湿相流体与湿相流体) 的压 力差[1] .油气藏开发过程中, 油藏中的流体流速往 往大于发生动润湿滞后的临界流速, 流体流动会造 成孔隙中发生动润湿滞后现象(流体流动速度大于 三相周界移动速度引起的润湿角改变) [2] , 从而影响 流体流动过程中毛管力的数值.渗流力学和油藏数 值模拟过程中涉及到的毛管力, 应当是与流体流动 速度相关的动态毛管力.目前毛管力的测试方法主 要是压汞法、 离心法和半渗透隔板法[3] , 压汞法测试 速度快, 离心法测试设备和计算方法复杂, 半渗透隔 板法测试时间长.同时, 这3种毛管力测试方法都 使用半封闭的岩心夹持器, 实验用岩心夹持器一端 进入高压流体, 另一端封闭.整个实验过程的压力 变化体现的是孔喉半径的差异, 测试过程中流体的 流动方式与油藏条件下的流体流动方式截然不同. 常规毛管力测试方法测得的数值实质是 静态毛管 力 , 并非油藏条件下流体流动的毛管力.常规毛管 力测试方法得到的毛管力仅与湿相饱和度相关, 与 湿相或者非湿相的流动速度无关.因此, 常规毛管 力测试方法无法满足动态毛管力的测量要求. 水动力学领域动态毛管力研究成果较多[4-6] , 但都 是测试的气、 水两相在填砂模型中的动态毛管力[7-9] , 但是, 流体力学领域动态毛管力测量装置的实验用 模型是采用石英砂或土壤, 孔隙度渗透率均较高. 本文利用半渗透薄膜, 制作了只能让水通过不让油 通过的水相压力传感器, 和只能让油通过不让水通 过的油相压力传感器, 测试得到了流体渗流过程中 的油相压力与水相压力的差, 即 动态毛管力 , 为油 藏工程研究和数值模拟工作提供了重要的原始数据.

1 动态毛管力实验装置 在流体力学研究领域, 动态毛管力的研究已经 相对成熟, 已有众多学者研发了动态毛管力测试装 置和测试方法[10] , 根据实验测试得到结果, 也建立 了多种动态毛管力计算模型[9,11] .图1为Geremy 测试得到的气、 水两相的实验结果[7] , 从测试结果分 析, 静态毛管力与动态毛管力存在明显差异, 可以推 断油、 水两相动态毛管力与静态毛管力之间也应该 存在较大差异. 笔者考虑到油藏条件下岩心胶结相对致密的特 点, 建立了可以测试油藏条件下岩心内部动态毛管 力测试装置.实验装置示意图如图

2 所示, 主要由 驱替动力装置、 动态毛管力测量装置、 人工胶结岩心 等3部分构成. 油相压力传感器 水相压力传感器 岩心驱替泵 油水计量装置 液体1 容器 液体2 容器 图2动态毛管力测试实验装置 Fig.

2 Dynamic capillary force test unit 动态毛管力测量装置是在传统压力传感器上 面加装一层半渗透薄膜, 半渗透薄膜选用 Polycar- bonate 油湿薄膜和 Polycarbonate 水湿薄膜, 此类微 孔薄膜厚度很小, 仅约为

6 mm, 对流经流体的阻力 很小, 可以精确测量水相压力与油相压力.压力传 感器在岩心上下两端对称放置, 可以测量岩心内部

4 个位置的油相压力和水相压力.对应位置的油相 压力与水相压力之差, 即为需要测量的动态毛管力. 人工胶结岩心用环氧树脂包裹, 在岩心上下两侧, 分 别对称设置

4 个测压点, 包裹了油湿薄膜的压力传 感器装在岩心顶部

4 个测压点位置, 包裹了水湿薄 膜的压力传感器装在岩心底部的

4 个测压点位置 (图3) .实验用岩心、 实验用流体的具体参数见表 1. 环氧树脂 油相压力测量点 水相压力测量点 岩心 图3动态毛管力测量装置示意图 Fig.

3 Sketch of dynamic capillary force test unit

20 30

40 50

60 70

80 90

100 35

40 45

50 55

60 65

70 动态毛管力 静态毛管力 p c /cm H

2 O Sw/% 图1气水两相的动态、 静态毛管力随含水饱和度变化[7] Fig.

1 Relationship of gas-water two-phase dynamic and static capillary forces vs. water saturation[7]

139 表1实验岩心和实验用油、 水的基础参数 Table

1 Basic parameters of laboratory core, oil and water 岩心参数 数值 流体参数 数值 孔隙度 /% 24.5 原油黏度 / (mPa ・ s) 4.45 渗透率 /mD

178 原油密度 / (g ・ cm-3 ) 0.885 长度 /cm

24 水黏度 / (mPa ・ s) 1.1 横截面积 /cm2

10 水密度 / (g ・ cm-3 ) 1.01

2 实验方法 (1) 连接实验装置, 检查管线连接和压力传感器 连接的密封性. (2) 按照一定比例将实验用油和水混合. (3) 固定泵的驱替速度, 恒速将一定比例的油水 混合液体注入岩心中, 待驱替稳定后, 记录不同位置 的油相压力和水相压力. (4)重复实验步骤(1) 、 (2) 、 (3) , 改变步骤(2)的 油水混合比例. (5) 重复实验步骤(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) , 改变步骤(3) 的驱替速度, 记录不同驱替速度条件下的油相压力、 水相压力和饱和度变化.

3 实验结果与讨论 测试装置中设置了

4 对测压点, 一次驱替实验 可以测试得到

4 组动态毛管力结果, 以驱替速度为 0.01 mL/min 时的动态毛管力曲线为例(图4) , 验证 实验的可靠性与可重复性.从图

4 可以看出,

4 对测 压点测试得到的动态毛管力曲线非常接近, 相差几 乎可以忽略, 说明此实验装置较为可靠, 得到的测试 结果可重复性较强.同时, 不同流动速度下的动态 毛管力曲线, 可由

4 对测试点测试得到的动态毛管 力曲线进行数值平均后得到.

15 20

25 30

35 40

0 5

10 15

20 So/% 动态毛管力 /kPa 1号测压点 2号测压点 3号测压点 4号测压点 图4驱替速度 0.01 mL/min 时动态毛管力 随含油饱和度的变化 Fig.

4 Change of dynamic capillary force with oil saturation at the displacement rate of 0.01 mL/min 研究分别采用 0.01 mL/min、 0.08 mL/min、 0.25 mL/min 等3个驱替速度, 开展了水驱过程的动态毛 管力测试, 具体测试结果如图

5 所示.从图

5 可以 看出, 驱替速度对动态毛管力曲线的影响较为敏感, 驱替速度越大, 动态毛管力数值越大, 在束缚水饱和 度附近和残余油饱和度附近, 不同驱替速度下的动 态毛管力数值差别较小, 在两相共渗区的中间段, 不 同驱替速度下的动态毛管力数值差别较大.

0 5

10 15

20 So/% 动态毛管力 /kPa 0.01 mL/min 0.08 mL/min 0.25 mL/min

15 20

25 30

35 40 图5不同驱替速度下的动态毛管力随含油饱和度的变化 Fig.

5 Change of dynamic capillary force with oil saturation at different displacement rates 常规数值模拟计算过程中, 用到的毛管力为静 态毛管力, 如果将静态毛管力替换为动态毛管力, 会 对数值模拟结果带来较大影响.在分流率方程中, 含水率的表达形式为 ( ) w c w w o o w t w w o

1 gsin p S f A q S x λ λ ρ ρ α λ λ ? ? ? ? ? ? ? ? = + ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? (1) 式中, fw 为含水率 ρ;

λw 为水的流度, mD/ (mPa ・ s) ;

λo 为油的流度, mD/ (mPa ・ s) ;

A 为岩心横截面积, m2 ;

pc 为毛管力, MPa;

Sw 为含水饱和度;

qt 为油 水总体积流量, m3 /s;

ρo 为油的密度, g/cm3 ;

ρw 为水 的密度, g/cm3 . 从式(1) 中可以看出, 含水率与毛管力曲线的斜 率相关.根据图

5 中实验结果分别计算

3 种驱替速 度条件下的毛管力曲线斜率, 结果见图 6, 可以看出, 不同驱替速度条件下的动态毛管力曲线斜率在不同 的饱和度区间, 体现出了不同的特征, 在低饱和度区 间(19%~29%) , 驱替速度越大, 动态毛管力曲线斜 率越大, 在高饱和度区间(29%~38%) , 驱替速度越 大, 动态毛管力曲线斜率越小.从计算结果可以看 出, 数值模拟计算过程中, 动态毛管力随着驱替速度 的变化, 会对数值模拟计算的结果带来一定的影响, 含水率随着动态毛管力曲线形态的改变程度, 还取 决于相对渗透率曲线的形态.

140 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 So/% 动态毛管力曲线斜率 /kPa 0.01 mL/min 0.08 mL/min 0.25 mL/min

15 20

25 30

35 40 图6动态毛管力曲线斜率 Fig.

6 Slope of dynamic capillary force curve

4 结论 (1) 设计和制作了动态毛管力测试装置.利用半 渗透薄膜制作了单独测量油相压力的传感器和单独 测量水相压力的传感器, 在人工胶结岩心两个表面 对称制作了

8 个压力测试点, 采用环氧树脂将

4 对 油相压力传感器与水相压力传感器紧密固定在人工 胶结岩心上. (2) 采用动态毛管力测试装置, 对人造胶结岩心 的动态毛管力数值进行了测量,

4 对压力传感器测试 得到的动态毛管力曲线基本一致, 表明测试装置可 以得到准确和可靠的动态毛管力测试结果. (3) 分析了毛管力在计算含水率时的作用, 对比 了不同驱替速度毛管力曲线导数的差异, 说明动态 毛管力在不同的含水阶段, 对含水率的影响程度是 不同的. 参考文献: [1] KALAYDJIAN F. A macroscopic description of multi- phase ?ow in porous media involving spacetime evolution of ?uid/?uid interface[J]. Transport in Porous Media, 1987,

2 (6) : 537-552. [2] SANDER G C, GLIDEWELL O J, NORBURY J. Dynamic capillary pressure, hysteresis and gravity-driven ?ngering in porous media................