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鄂尔多斯盆地三叠系露头全直径超低渗透储层渗流启动压力梯度分析 1 启动压力梯度的概念 极性液体或原油的流动受到岩石表面地壳分子力的影响，并形成边界层。尤其在超低渗岩石(≤1 m D)中,由于孔隙开度小(≤1μm),比表面大,导致边界层对渗流的影响大,只有附加一个压力梯度,才能破坏边界层开始流动。这个附加的压力梯度通常被称为启动压力梯度,它是由单相饱和渗流流体(盐水或地层水)与地层岩石孔隙壁面的作用力所导致。 国外针对超低渗(≤1 m D)饱和/非饱和渗流机制已经研究了半个多世纪,主要涉及到水利工程、超低渗油气田开发、矿山开采、地震预测、自然断层研究、核废料隔离、微观孔隙结构的流体动力学特征以及二氧化碳封存。D.Trimmer等普遍认为:非饱和渗流和单相非牛顿流体在多孔介质中渗流时才存在启动压力梯度;单相牛顿流体(盐水、地层水)在致密岩石(≤1μD)中的渗流并不存在启动压力梯度。 本文针对国内外超低渗饱和/非饱和渗流启动压力梯度的研究差异,通过非稳态法,采用美国岩心公司AFS300TM全自动岩心驱替系统,鄂尔多斯盆地三叠系超低渗露头全直径岩心,BP–100空气弹簧回压阀控制岩心出口端压力,研究超低渗饱和/非饱和渗流的启动压力特征。 2 试验原理和设备 2.1 压力差对启动压力梯度的影响 室内一般采用稳态法测定超低渗饱和渗流曲线,但是由于岩心横断面面积相对较小,在地层压力梯度条件下很难精确测量岩心出口端流量。即便是采用全直径岩心,也需要一周左右才能完成渗流曲线的测试。但是在低压力梯度(≤0.005 MPa/m)条件下,全直径岩心的流量(≤0.05μL/min)也相对较小,液体的蒸发和挥发以及试验的系统误差都可以导致渗流曲线出现启动压力梯度现象。岩心参数及非饱和渗流毛管压力特征见表1。 本文通过非稳态法,当岩心渗流达到稳态后(岩心两端压力差在1.4 k Pa范围内波动,流量波动范围小于1%),关闭岩心出口端阀门,同时保持岩心入口端恒压。在压力差条件下,岩心出口端将有流体流入下游端死体积(管线死体积为6.4~6.5 m L),由于出口端死体积部分阀门关闭,因此出口端管线死体积部分压力将逐渐增加。因为液体压缩系数小(2×10-4~6×10-4MPa-1),即便有微小流量(10-6~10-7m L/min)从岩心出口端端面流出,也可以导致10 k Pa左右的压力变化。因此,采用非稳态法完全可以通过岩心两端的压力差变化来判断是否存在启动压力梯度。如果超低渗饱和渗流存在启动压力梯度,那么岩心下游端压力将永远低于岩心上游端压力。相反,如果一定时间后岩心两端压力差为0,就可以说明超低渗饱和渗流不存在真实的启动压力梯度。非稳态法启动压力梯度测试原理见图1。 2.2 岩心流速及温度试验结果分析 本文开展的渗流试验是在美国岩心公司提供的Autoflood TM(AFS300TM)驱替评价系统上完成,该系统包括压力自动控制系统和数据自动采集系统。回压系统、围压系统是通过高精度多级柱塞驱替泵(Teledyne isco 100–DX)以恒压模式控制。注入驱替系统根据试验要求可以设置为恒流速或恒压驱替模式。数据制动采集系统在对系统各部分压力自动采集的同时能自动实现恒流速和恒压驱替模式,并完成相应数据分析。泵流量为0.01~50.00 m L/min(压力不大于70 MPa),流速精度为±0.3%(最大密封泄漏为0.25μL/min)。流速显示最小值为0.01μL/min,恒压模式下能达到1.0μL/min。 为模拟地层应力特征,试验采用三轴岩心夹持器。夹持器在测试压力为103 350 k Pa条件下测试4 h无漏迹象,工作压力为68 900 k Pa;工作温度为5℃~150℃。 试验采用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℃条件下,测试精度为±0.04%,压力显示解析度为6.89 k Pa。为更精确采集到岩心两端的压力差,采用了3个不同量程的高线性压力差传感器(型号为validyne),量程分别为:0~55.12,0~861.25,0~2 239.25 k Pa,压力差精度为±0.5%,在低压力差条件下使用0~55.12 k Pa量程压力差传感器。 由于岩心饱和度一般为80%~90%,孔隙中存在气体或气泡,气–水界面对渗流影响很大。为保证岩心孔隙中为单向渗流,采用美国岩心公司生产的BP–100空气弹簧回压阀,提高孔隙压力,使得孔隙残余的气体或气泡溶解在液体中,消除非混相流体界面对启动压力梯度测试的影响。回压阀的测试压力为103 350 k Pa,工作压力为68 900 k Pa,工作最高温度为177℃。为尽量达到恒压力差驱替,实验室采用高精度多级柱塞驱替泵控制回压阀。 2.3 岩心末端效应 为了防止管线