外加电场作用下水驱油藏的油水相对渗透率.docx

外加电场作用下水驱油藏的油水相对渗透率张继红1 ,2 , 岳湘安1 , 侯吉瑞1 , 刘德新1 , 张立娟1(11 中国石油大学提高采收率研究中心 ,北京 102249 ; 21 大庆石油学院石油工程学院 ,大庆 163318)摘 要 : 用非稳定法油水相对渗透率测定实验研究了外加直流电场对水驱油藏的油水相对渗透率的影响 。结果表明 :外 加直流电场下岩心水湿性增强 ,束缚水饱和度增大 ,残余油饱和度降低 ,油相相对渗透率增大 ,水相相对渗透率降低 ,影响 这种渗透率变化的因素有油相和水相的渗流特性 、油藏壁面的双电层结构以及油藏中原油的电粘效应等 。10 V/ cm 正向 电场作用时水驱采收率提高约 10 % ;710 V 外加电压下 ,45 C原油在剪切速率 01036 s - 1 时的视粘度由 771 mPas 降至 310 mPas ,这对油层中原油流动十分有利 。关键词 : 水驱油藏 ; 直流电场 ; 相对渗透率 ; 电粘效应中图分类号 : TE3571 46文献标识码 : A文章编号 : 100326520 (2005) 0420074203Oil2Water Relative Permeability of Water2drive ReservoirUnder DC Electric FieldZHAN G Jihong1 ,2 , YU E Xiangan1 , HOU Jirui1 , L IU Dexin1 , ZHAN G Lijuan1(1. The Center of EOR , Petroleum University of China , Beijing 102249 , China ;2. Depart ment of Pet roleum Engineering , Pet roleum University of Daqing , Dqing 163318 , China)Abstract : The variation rule oil2water relative permeability and influence factors of water2drive reservoir under DC elect ric field are investigated by experiment s of unsteady2state oil2water relative permeability. Under applied DC elect ric field , water2wet property of core samples is st rengt hened , which resulted in irreducible water sat uration , increased oil relative permeability , re2 sidual oil sat uration and decreased water relative permeability. Compared 10 V/ m positive applied elect ric field wit h none elec2t ric field , water2drive recovery ratio increases about 10 %. The apparent visco sity of oil (45 C) decreases f rom 771 mPas to 310mPas under 0. 036 s21 shear rate and 7. 0 V external voltages , which would be favorable for oil flowing in t he reservoir. Thus t he oil permeability in t he reservoir is greatly improved. In addition , seepage flow behaviors of oil phase and water p hase , double2elect ric2layer st ruct ure of t he reservoir surface , and elect ric2viscous effect are t he main factors influencing oil2water rela2 tive permeability under applied elect ric field.Key words : water2drive reservoir ; DC elect ric field ; relative permeability ; elect ric2viscous effect对渗透率的基本特征 ,并分析其影响因素和机理 。0 引 言1 实验方法由于油藏中岩层本身存在自然电场 ,而且在液2岩接触面以及油 、气 、水在孔隙介质中的渗流过程中都会 产生较强的电场 ,因此 ,可利用外加电场调整和控制驱 油过程 、改善采油 、提高原油最终采收率 1 ,2 。从二十 世纪 70 年代开始 ,国内外一些学者相继提出了外加直 流电场作用于油藏可产生许多有利于油气开采的物理和化学效应 ,从而提高原油采收率这一观点 ,并做了一 些室内和现场试验 ,但由于外加直流电场的电压值和 电流值都较大 ,如俄罗斯的萨玛特洛尔油田用电流强 度 120 A 、电压 180 V 的直流电场持续作用 96 h 后 ,液 体流量从 7 t/ d 提高到 72 t/ d ,水体积分数由 30 %降到9 %。可见 ,直流电场强化油流效果明显 ,但电场功率 很大 ,现场实施起来存在很多问题 ,故该技术一直未得 到大规模的矿场应用 3 。本文在前人研究的基础上 , 利用高电压 、小电流的外加直流电场作用于油藏 ,进一 步认识和探讨外加直流电场作用下水驱油藏中油水相111 实验方案本文将电动力方向与水动力方向相同的电场定义 为正向电场 ,反之为反向电场 。所用高压直流电源最 高电压 10 kV ,最大电流 012 mA 。每组实验选 3 块渗 透率及孔隙度基本相同的岩心 ,用非稳定法分别进行无电场 、正向和反向电场作用下的相对渗透率实验 。 实验中考虑了地层及地层流体的组成 、物性 、流动特性 等因素 4 。112 实验流体 实验用油为大庆榆树林油田原油配制而成的模拟油 ,其 45 C下粘度为 81 0 mPas 。实验用水分别为按大 庆榆树林油田地层水平均组成合成的矿化度为3 848 mg/ L 的模拟地层水 、由该地层水稀释而成的 710 mg/L 矿化度水以及蒸馏水 。113 实验步骤2005 年 4 月高 电 压技 术第 31 卷第 4 期75 将实验流体装入相应的容器中 ,将岩心放入岩心夹持器中 ,安装好阀门及相应管线 。夹持器加环压至 4 MPa ,待岩心抽空后 ,饱和模 拟地层水 ,测量岩心孔隙体积 ,计算岩心孔隙度 。按图 1 连接实验装置 ,测岩心的水测渗透率后将实验系统在恒温箱内恒温至 45 C约 3 h 。强 ,含水率上升较慢 ,有利于提高水驱采收率 。水驱结束时 ,Sor 处所对应的驱替压差有所增加 ,这可能由于外 加电场条件下采收率较高 ,则剩余油较少 ,在岩石孔道内呈滴状 ,表现出较强的液阻效应 。图 2Fig1 2外加电场下水驱采收率与驱替水矿化度的关系Curves of the relation bet ween water2drive recovery and water salinity under DC electric f ield图 1 油水相对渗透率实验装置简图Fig1 1 Experimental equipment diagram of oil2water relative permeability饱和模拟油后进行水驱油实验 ,记录压力及岩 心出口流出的油 、水量随时间的变化 5 。同样 ,另外两块渗透率及孔隙度相近的岩心重 复上述步骤后分别在外加正 、反向电场作用下记录压力 、电流及产出的油 、水量随时间的变化 。114 实验结果分析图 2 为外加电场作用下水驱采收率随驱替水矿 化度的变化曲线 ,由图可知 ,在外加电场作用下 ,随着驱替水矿化度的增高 , 逐渐增大 。图 3 为外加电场条 件下的水驱采收率实验结果曲线 。由图可见 ,在正向电场作用下 ,驱替水矿化度为 3 848 mg/ L 时 ,水驱采收 率随着电场强度的增大而提高 ,在反向电场作用下其 效果与正向电场作用效果相反 。在 10 V/ cm 的正向电场作用下 ,水驱采收率比不加电时提高约 10 %。这一 现象主要是由于电化学效应 、界面效应及电动力效应综合作用的结果 。图 4 为外加电场作用下油水相对渗透率曲线 ,其 实验用岩心的渗透率为 01198m2 ,孔隙度为 20174 % ,驱替水矿化度为 3 848 mg/ L ,外加电场为正向电场 ,电场强度 10 V/ cm。由图 4 可见 ,在直流电场作用下 ,油 水相对渗透率曲线表现出岩石强水湿性 ,即等渗点饱和度 50 %、达到 65 % ,而残余油饱和度 Sor 处的水相 相对渗透率 krw 011 。这是直流电场作用下提高采收率的原因之一 。另外 ,外加正向电场作用下的油水相对渗透率曲线与不加电场时的相对渗透率曲线相比 ,束缚水饱和度增大 ,残余油饱和度降低 ,束缚水饱和度Swc 处的油相相对渗透率 kro 增大 ,而残余油饱和度 Sor处的水相相对渗透率 krw 下降 ,这说明油的流动能力增图 3Fig13直流电场作用下的水驱采收率Curves of the water2drive recovery under DC electric f ield图 4Fig14直流电场作用下的油水相对渗透率Curves of oil2water relative permeability under DC electric f ield2 影响因素分析211 极性相与非极性相的水 电渗流特性在水驱油过程中地层流体主要为油 、水两相混合 物 。其中水相的极性一般较强 ,为极性相 ;油相的极性相对较弱 (烃类中一些含氧 、含氮化物是具有极性的) , 可视为非极性相 。极性相与非极性相对外加电场的响 应不同 ,极性相在极化油层中的渗流实际上是受水动 力和静电力综合作用的控制 ,而且某些非极性介质可 在电场作用下极化 。故对油层施加一适当方向和强度的直流电场 ,可改变极性相与非极性相在水力和电动 力综合作用下渗流特性的差异 ,从而显著调整极性介Apr1 2005HighVoltageEngineeringVol. 31 No . 476 质的渗流速度 2 。这是外加电场作用下油水相对渗透率改变的主要机理之一 。212 双电层结构的变化 岩石骨架与地层流体相接触时 ,在两相界面处必然产生双电层 。油藏孔隙中的电动力学现象与双电层密切相关 。矿物表面通常吸附负电荷 ,这些带负电荷 的表面与盐水中阳离子之间的吸引力导致扩散层的形 成 。该双电层被分成不动层和可动层 ,不动层由孔隙 壁面的负电荷与其紧邻的正离子层组成 。当在岩心两 端施加一直流电场时 ,随着电场强度的增大 ,将会导致不动层厚度减小 ,并同时减弱双电层中的电粘效应 ,不 动层变为可动层 ,渗流速度增加 。当可动层中阳离子 向阴极运移时 ,会拖动滞留的水分子 ,减小了水溶液表 面膜 ,扩大了流体的流通面积 。另外 ,电场作用于油和 水的附加电动力不同 ,这种附加的电动力可促使油将水从孔道中排出 ,以油置换水 。这是电场作用下油相 相对渗透率提高 、水相相对渗透率降低的微观解释 。213 原油的电粘效应用 RS - 150 H 流变仪测定直流电场下榆树林油田 原油的视粘度发现 ,直流电场强度作用下 ,原油的低剪切视粘度受电场强度的影响较明显 ,且随着电场强度 的增加 ,原油的视粘度有所下降 ,而在高剪切速率条件 下 ,电场强度对原油的视粘度影响不大 。将原油低剪 切速率视粘度随直流电场强度的变化绘于图 5 中 。由 图可见 ,在电压值为 71 0 V 的外加电场作用下 ,45 C原油在剪切速率 01036 s - 1 时视粘度由 771 mPas 大幅降 至 310 mPas 。这一特性对油层中原油的流动十分有 利 ,可较大幅度地提高地下原油的相渗透率 。综上所述 ,外加电场对水驱油过程有显著影响 。 岩心中极性相与非极性相的水 电渗流特性 、流体与壁面间双电层结构的变化 、原油的电粘效应等都是影 响油水相对渗透率的主要因素 。应从电化学效应 、界 面电现象及油水界面性质做更深一步的研究 ,为电场 采油新技术的开发奠定基础 。图 5 直流电场对原油低剪切视粘度的影响Fig1 5 Influence of DC electric f ield on the viscosity of oil at low shear rate3 结 论a) 在直流电场作用下相对渗透率表现出岩石强水湿性 ,束缚水饱和度增加 ,残余油饱和度降低 ,油相相 对渗透率明显增大 ,水相相对渗透率降低 。b) 正向电场作用下水驱采收率随场强和驱替水矿化度的增加而增加 ;反向电场作用下效果相反 。c) 在低剪切速率下原油的电粘效应较明显 ,这对 油层中原油的流动十分有利 ,可较大幅度地提高地下原油的相渗透率 。d) 外加直流电场作用下 ,油水相对渗透率变化的 主要影响因素为极性相与非极性相的渗流特性 、双电 层结构变化及原油的电粘效应等 。参 考 文 献1 瓦希托夫 ,西姆金 1 利用物理场从地层中开采石油 1 蔡天成译 1 第 1版 M 1 北京 :石油工业出版社 ,199312 王殿生 ,关继腾 ,黄柳宾 1 直流电场强化采油技术J 1 石油钻采工艺 ,1997 ,19 (6) :9029213 Aggour M A , Muhammadain A M. 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