世界低滲透油氣田開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

江懷友　李治平　鐘太賢　齊仁理　李　勇

摘要：低滲透油氣田開發(fā)成熟技術(shù)有注水、壓裂、注氣等，儲(chǔ)層精細(xì)描述和保護(hù)油氣層是開發(fā)關(guān)鍵。多分支井技術(shù)、地震裂縫成像和裂縫診斷技術(shù)、新型壓裂技術(shù)、注氣提高采收率等新技術(shù)快速發(fā)展，發(fā)達(dá)國家低滲透油氣田勘探開發(fā)技術(shù)日趨成熟。通過對(duì)世界低滲透油氣田勘探開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，可實(shí)現(xiàn)低滲透油氣資源優(yōu)化利用，改善勘探開發(fā)效果，為低滲透油氣田的高水平、高效益勘探開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低滲透油氣田；勘探技術(shù)；開發(fā)技術(shù)；現(xiàn)狀分析；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TE321

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

低滲透油藏通常具有低豐度、低壓、低產(chǎn)“三低”特點(diǎn)，其有效開發(fā)難度很大。低滲儲(chǔ)層中油氣富集區(qū)，特別是裂縫發(fā)育帶和相對(duì)高產(chǎn)區(qū)帶的識(shí)別評(píng)價(jià)、開發(fā)方案優(yōu)化、鉆采工藝、儲(chǔ)層改造、油井產(chǎn)量、開采成本、已開發(fā)油田的綜合調(diào)整等技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，制約著低滲透油藏的有效和高效開發(fā)。

低滲透油田數(shù)量很多，儲(chǔ)藏著豐富的油氣資源，美國、俄羅斯、加拿大等產(chǎn)油國都發(fā)現(xiàn)了大量的低滲透油田。如美國的文圖拉油田可采儲(chǔ)量達(dá)到1×10⁸t，加拿大的帕賓那油田石油地質(zhì)儲(chǔ)量為11×10⁸t，可采儲(chǔ)量為3×10⁸t。這類油田具有地質(zhì)情況復(fù)雜、開采難度大、產(chǎn)能低和經(jīng)濟(jì)效益差等特點(diǎn)。俄羅斯難以開采的石油儲(chǔ)量占剩余可采儲(chǔ)量的40％以上，從低滲透油藏中采出的石油占全部產(chǎn)量的25％。中國中低滲透原油儲(chǔ)量所占的比例越來越高，中國石油天然氣集團(tuán)公司從“八五”期間的59％增長到“九五”期間的67％，“十五”期間則占到了70％左右。

1世界低滲透油氣田開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀

如何經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)低滲透油氣藏已成為世界共同關(guān)注的難題。國外低滲透油田開發(fā)中，已廣泛應(yīng)用并取得明顯經(jīng)濟(jì)效益的主要技術(shù)有注水保持地層能量、壓裂改造油層和注氣等，儲(chǔ)層地質(zhì)研究和保護(hù)油層措施是油田開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

小井眼技術(shù)、水平井、多分支井技術(shù)和CO²泡沫酸化壓裂新技術(shù)應(yīng)用，較大幅度地提高了單井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了低滲透油田少井高產(chǎn)和降低成本的目的。美國的文圖拉低滲透油田和加拿大的帕賓那油田分別采用上述技術(shù)成功地開發(fā)了地質(zhì)情況復(fù)雜、開采難度大的低滲透油田。國外低滲透油氣田開發(fā)與開采技術(shù)形成了以下技術(shù)系列。

1.1低滲透油氣藏開發(fā)地質(zhì)理論

礦物成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低，長石和巖屑含量高，粘土或碳酸巖膠結(jié)物多，一般為長石砂巖和巖屑砂巖，石英砂巖少。原生粒間孔和次生溶孔發(fā)育，微孔隙多，孔徑細(xì)小，微孔隙喉道發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)差。基質(zhì)孔隙具有低孔隙度和低滲透率。儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，嚴(yán)重影響開發(fā)效果。儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，使含油性差異大。具有壓力敏感性，隨著壓力增大，孔隙和裂縫的滲透率呈負(fù)指數(shù)函數(shù)遞減，并具有一定的不可恢復(fù)性。含油飽和度低，可動(dòng)流體飽和度更低，原因?yàn)檎惩恋V物和毛細(xì)管的吸附作用，裂縫和溶蝕孔洞提高可動(dòng)流體飽和度。由于沉移作用造成的巖石顆粒成分、大小、分選、排列、膠結(jié)物的成分、含量、膠結(jié)類型等因素形成的低孔、低滲儲(chǔ)層。由于物源近，沉積物快速堆積，巖石顆粒相差懸殊，分選極差，不同大小顆粒及泥質(zhì)充填在孔隙中形成的低孔低滲儲(chǔ)層。由于物源較遠(yuǎn)，碎屑物質(zhì)經(jīng)過長距離搬運(yùn)以后顆粒變細(xì)，沉積以后形成細(xì)粒、孔隙半徑小、泥質(zhì)或鈣質(zhì)含量高的低孔低滲儲(chǔ)層。由于沉積后的成巖作用和后生作用形成，包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。使巖石隨埋藏深度增大，孔隙體積明顯減小，巖石顆粒排列變緊，使儲(chǔ)層物性變差。沉積物中的礦物質(zhì)沉淀作用使巖石變得致密低滲的現(xiàn)象。石英次生加大、碳酸鹽膠結(jié)作用、硫酸鹽膠結(jié)作用、沸石膠結(jié)作用等。在低孔低滲儲(chǔ)層常形成次生溶蝕孔隙，對(duì)改善儲(chǔ)層的孔滲性有積極作用。裂縫提供了儲(chǔ)層基本的孔隙度和滲透率，裂縫提高了儲(chǔ)層的滲透率，裂縫造成儲(chǔ)層強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。

1.2油氣藏描述技術(shù)

包括野外露頭天然裂縫描述技術(shù)、巖心裂縫描述技術(shù)、成像與常規(guī)測(cè)井裂縫描述、儲(chǔ)層生產(chǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)試資料表征、三維地震、井間地震和井間電磁波等油氣藏表征、三維可視化、綜合地質(zhì)研究等技術(shù)。油藏描述技術(shù)是對(duì)油氣藏特征進(jìn)行定性與定量描述、預(yù)測(cè)，是進(jìn)行剩余油分布預(yù)測(cè)和開發(fā)決策的主要技術(shù)。由于開發(fā)決策的內(nèi)容不同，油藏描述技術(shù)和方法也不同，描述內(nèi)容和精細(xì)有差別。對(duì)進(jìn)入中后期開發(fā)的老油田，以確定剩余油分布為目的的油氣藏描述必須通過集成化的精細(xì)表征，提供準(zhǔn)確的剩余油分布狀況，指導(dǎo)油氣田調(diào)整挖潛，改善開發(fā)效果。

1.3鉆井技術(shù)

包括氣體鉆井、霧化鉆井、泡沫鉆井、欠平衡鉆井技術(shù)等。

欠平衡鉆井亦稱欠平衡壓力鉆井，這一概念早在20世紀(jì)初就已提出，但是直至20世紀(jì)80年代初期，井控技術(shù)和井控設(shè)備出現(xiàn)使防止井噴成為可能，這種鉆井技術(shù)才得以發(fā)展和應(yīng)用。

在美國和加拿大，欠平衡鉆井已經(jīng)成為鉆井技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，并越來越多地與水平井、多分支井及小井眼鉆井技術(shù)相結(jié)合。在美國，欠平衡鉆井占總鉆井?dāng)?shù)的比例已經(jīng)達(dá)到30％，歷年數(shù)據(jù)見圖1。

由于欠平衡鉆井技術(shù)對(duì)降低油層傷害、發(fā)現(xiàn)油層、解放油層有著突出的作用和效果，一直得到勘探開發(fā)界的重視，低壓和低滲透油氣藏最好的開發(fā)方法是水平井加空氣鉆井或氣體鉆井。

1.4完井技術(shù)

完井技術(shù)包括裸眼完井、水平井裸眼分段壓裂和智能完井管柱。

裸眼完井法是將套管下至生產(chǎn)層頂部進(jìn)行固井，生產(chǎn)層段裸露的完井方法。多用于碳酸鹽巖、硬砂巖和膠結(jié)比較好、層位比較簡(jiǎn)單的油層。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)層裸露面積大，油、氣流人井內(nèi)的阻力小，但不適于有不同性質(zhì)、不同壓力的多油層。根據(jù)鉆開生產(chǎn)層和下入套管的時(shí)間先后，裸眼完井法又分為先期裸眼完井法和后期裸眼完井法。

水平井裸眼分段壓裂是對(duì)完井時(shí)未下油層套管的水平油氣井進(jìn)行的一種分段壓裂改造，可以提高水平段的孔滲情況，提高儲(chǔ)層的滲透能力。

智能完井管柱，每一個(gè)分支的流量可控制，如果某一分支井眼含水超過80％，就關(guān)閉這一分支井眼的生產(chǎn)，因此智能完井管柱可以實(shí)現(xiàn)分層開采，緩解層間矛盾改善開發(fā)效果。

裸眼完井法的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，在油田的開發(fā)中被廣泛應(yīng)用，水平段裸眼分段壓裂技術(shù)是對(duì)油藏的一種改造技術(shù)，可以大幅度提高儲(chǔ)集層滲透能力，智能完井管柱在油井開發(fā)過程中后期使用，是提高層間開發(fā)效果的可靠手段。

1.5油氣井類型

油氣井類型包括直井、叢式井、小井眼井、水平井和多分支井。近年大位移水平井、小井眼水平井和多分支水平井等鉆井技術(shù)獲得了迅速發(fā)展并大量投入實(shí)際應(yīng)用。采用的技術(shù)包括導(dǎo)向鉆井組合、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、串接鉆井液馬達(dá)、PDC鉆頭和欠平衡鉆井等。

(1)水平井。水平井鉆井技術(shù)是在定向井鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前已作為常規(guī)鉆

井技術(shù)應(yīng)用于各類油藏。水平井鉆井成本已降至直井的1.5～2.0倍，而水平井產(chǎn)量則是直井的4～8倍。2006年加拿大地下開采技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，水平井(斜井)技術(shù)可應(yīng)用于任何油藏，以大幅度提高油井產(chǎn)量和降低生產(chǎn)成本。

水平井鉆井技術(shù)正在向集成技術(shù)方向發(fā)展，在東德克薩斯和克利夫蘭低滲透砂巖氣藏中水平井的應(yīng)用近年逐漸增多，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)多分支井。多分支井是在水平井、定向井基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，指在一口主井眼(直井、定向井、水平井)中鉆出若干進(jìn)入油氣藏的分支井眼。分支井可以從一個(gè)井眼中獲得最大的總水平位移，在相同或不同方向上鉆穿不同深度的多套油氣層。哈里伯頓公司擁有分支井的全套鉆井、完井、開采和分支井重新進(jìn)入等配套技術(shù)和工具裝備，擁有多數(shù)專利技術(shù)，技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。

多分支井在油田開發(fā)中解決如下問題：一是通過提高井眼與油藏的接觸長度，增加泄油面積，來提高井生產(chǎn)能力；二是降低井?dāng)?shù)，并且減少打井時(shí)的地面設(shè)備，對(duì)于海上油田可減小平臺(tái)尺寸和重量；三是降低鉆井和生產(chǎn)的單位成本，從而降低油田的整體開發(fā)成本；四是有效地應(yīng)用有限的空間；五是減少巖屑和泥漿的排放，減少對(duì)環(huán)境的污染。

1.6儲(chǔ)層增產(chǎn)技術(shù)

包括氮?dú)馀菽瓑毫?、泡沫酸化酸壓、水平井裸眼分段泡沫壓裂、液態(tài)CO₂加砂壓裂、重復(fù)壓裂、微聚無聚壓裂液、輕型支撐劑可變形支撐劑和加纖維支撐劑、無聚合物CO₂壓裂、多級(jí)壓裂。

在得克薩斯Panhandle油田枯竭致密砂巖氣藏中應(yīng)用斯倫貝謝公司CO₂壓裂技術(shù)后，裂縫半長提高41％，導(dǎo)流能力提高197％，產(chǎn)量提高29％，產(chǎn)層每英尺有效厚度的產(chǎn)量提高164％。作業(yè)成本顯著降低，其中處理液用量減少18％，沖洗液用量減少25％。由于無需強(qiáng)行起下作業(yè)、封隔器潤滑和壓井，降低了油管安裝成本。

壓裂作業(yè)成本很高，占總鉆完井費(fèi)用的10％～15％，因此需要采取措施來降低成本。經(jīng)過研究和開發(fā)，壓裂工藝由直井壓裂發(fā)展到重復(fù)壓裂、斜井和水平井壓裂、連續(xù)管壓裂和小井眼壓裂等多種壓裂技術(shù)，壓裂泵注程序也從單級(jí)壓裂發(fā)展到多級(jí)壓裂。連續(xù)管技術(shù)帶動(dòng)了壓裂新技術(shù)的發(fā)展。連續(xù)管多層壓裂技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)井眼中通過一次起下鉆處理多個(gè)層，減少了起下鉆過程，節(jié)約了資金和時(shí)間。連續(xù)管壓裂技術(shù)方面比較有代表性的有斯倫貝謝公司的CoilFRAC系統(tǒng)和貝克休斯公司的Fastfrac系統(tǒng)。斯倫貝謝公司的CoilFRAC系統(tǒng)，除允許單層隔離壓裂外，還可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)井眼中先進(jìn)行一個(gè)層段的射孔、壓裂和封堵作業(yè)，完成后上提再進(jìn)行第2個(gè)甚至是第3個(gè)層段的壓裂作業(yè)。

1.7驅(qū)替方式

包括彈性驅(qū)、注水、注氣及水氣交替注入(圖2)、人造氣頂驅(qū)、蒸汽驅(qū)。目前由于CO₂排放引發(fā)環(huán)境問題，各大石油公司重視和發(fā)展CO₂驅(qū)油技術(shù)。美國40％的CO₂循環(huán)使用，60％埋在地下。

2008年統(tǒng)計(jì)世界低滲透油田EOR項(xiàng)目，油氣藏儲(chǔ)層滲透率小于50×10^-3μm²，EOR總計(jì)99個(gè)，其中氣驅(qū)82個(gè)，占83％，而CO₂混相驅(qū)EOR占91％。世界低滲透油田的EOR以氣驅(qū)為主，CO₂氣驅(qū)項(xiàng)目中以CO₂混相驅(qū)為主，熱采以蒸汽驅(qū)和火燒油層為主(表1)。

值得提出的是，對(duì)低滲透油藏，注蒸汽后采收率提高幅度大。一個(gè)主要的原因是注入蒸汽時(shí)，熱量通過熱傳導(dǎo)作用傳遞到滲透性較低的地區(qū)以及注水波及不到的地區(qū)。注蒸汽后油層含油飽和度降低。低滲透儲(chǔ)層中殘余油飽和度大約在10％左右。熱能一旦進(jìn)入低滲透層，將通過熱膨脹作用、汽化作用、降粘作用提高采收率，采收率提高值均

1.8井網(wǎng)加密技術(shù)

應(yīng)用井網(wǎng)加密技術(shù)能夠改善油田目前的開發(fā)效果，起到減緩產(chǎn)量遞減、降低含水上升率、延長油田的經(jīng)濟(jì)開采期、實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、減少儲(chǔ)量損失和提高原油采收率的作用。對(duì)于多層疊置的透鏡狀氣藏，由于單井泄氣面積小，井間加密是提高氣藏采收率的技術(shù)關(guān)鍵。美國低滲氣藏的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明：通過井網(wǎng)加密，氣藏采收率可以提高26％～44％。

2國外低滲透油田開發(fā)實(shí)例及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

2.1開發(fā)實(shí)例

開發(fā)低滲透油田，一般首先利用天然能量開采，以延長無水開采期和低含水開采期。利用彈性能量和溶解氣驅(qū)能量開采，油層產(chǎn)能遞減快，一次采收率為8％～15％。轉(zhuǎn)入注水開發(fā)后，二次采收率為25％～30％。美國、前蘇聯(lián)、加拿大、澳大利亞等國低滲透油田首先利用天然能量開采，只有極少數(shù)油田早期注水(投產(chǎn)即注水)。天然能量以溶解氣驅(qū)為主，其次為邊水驅(qū)和彈性驅(qū)。注氣為許多低滲透油田二次和三次開采方法，特別是CO₂驅(qū)油受到國際社會(huì)重視，既可以驅(qū)油增加產(chǎn)量，又可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳地質(zhì)埋存，緩解溫室效應(yīng)。

(1)帕賓那油田位于加拿大西部，是大面積、低滲透、多油層油田?？ǖ夏酚筒厥窃撚吞镒畲蟮纳皫r油藏，平均滲透率為24×10^-3～μm²。1981～1989年期間，加拿大Occidental石油公司投資1630×10⁴美元進(jìn)行壓裂和鉆加密井增產(chǎn)作業(yè)。共壓裂83井次，平均單井次增加經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量2130m³，共鉆加密調(diào)整井33口，每口井增加經(jīng)濟(jì)可采大于35％。

儲(chǔ)量10930m³，取得了很好的開發(fā)效果。

(2)位于美國得克薩斯西部米德蘭盆地的斯普拉伯雷油田，是低孔隙度、低滲透率的致密砂巖地層油藏，經(jīng)過40多年的注水開發(fā)，該油田多數(shù)區(qū)塊的采收率低于15％。研究人員開發(fā)了以控制油藏動(dòng)態(tài)原理為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，模型結(jié)果與產(chǎn)量遞減曲線及采收率值實(shí)現(xiàn)擬合，認(rèn)為水驅(qū)應(yīng)在基質(zhì)滲透率高和裂縫強(qiáng)度大的區(qū)塊進(jìn)行，實(shí)施后開發(fā)效果明顯改善。

2.2經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

(1)要實(shí)現(xiàn)低滲透油氣田的高效開發(fā)，首先在政府層面上，應(yīng)給予政策優(yōu)惠，對(duì)具有推廣價(jià)值的技術(shù)進(jìn)行投資研發(fā)。20世紀(jì)70年代，美國能源部針對(duì)低滲透油藏和致密氣藏進(jìn)行了大型水力壓裂技術(shù)研發(fā)與推廣，20世紀(jì)80年代進(jìn)行了多井試驗(yàn)，隨后開展的“微井眼鉆井”項(xiàng)目，目的在于保障國家能源安全，降低企業(yè)生產(chǎn)成本和經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。美國在30 a的開發(fā)實(shí)踐中，低滲透油田開發(fā)技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，在低滲透油藏的壓裂技術(shù)等方面均處于世界前列，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)石油公司(企業(yè))層面技術(shù)發(fā)展主要是解決生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題，開展多學(xué)科成熟技術(shù)與新技術(shù)的集成配套，注重技術(shù)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

3低滲透油氣藏開發(fā)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為了高效開發(fā)低滲透油氣藏，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，低滲透油氣藏開發(fā)應(yīng)大力發(fā)展密井網(wǎng)、油層保護(hù)、小井眼、水平井、多分支井、欠平衡鉆井、低密度鉆井液及大型水力壓裂技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用，較大幅度地提高了單井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了低滲透油田少井高產(chǎn)和降低成本的目的，這些是今后低滲透油田開發(fā)的技術(shù)發(fā)展方向。

4中國低滲透油氣田開發(fā)建議

提高低滲透、特低滲透油藏有效儲(chǔ)層識(shí)別精度及相對(duì)富集區(qū)帶篩選；大幅度提高低滲透和特低滲透油藏單井產(chǎn)量，降低開發(fā)成本，簡(jiǎn)化、優(yōu)化注采工藝與地面集輸流程。低滲透氣藏的開發(fā)方面，向應(yīng)用大型和巨型壓裂提高單井產(chǎn)量的方向發(fā)展。超高壓氣藏開發(fā)方面，向著安全鉆采、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)試方向發(fā)展。高含硫氣藏向防腐、天然氣凈化及硫的綜合利用技術(shù)方向發(fā)展。水平井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)并技術(shù)成為各類氣藏高效開發(fā)提高單井產(chǎn)氣量的主流開采技術(shù)。

5結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)低滲透油田數(shù)量眾多，儲(chǔ)藏著豐富的油氣資源，美國、俄羅斯、加拿大等產(chǎn)油國都發(fā)現(xiàn)了大量的低滲透油田。

(2)低滲透油氣田開發(fā)成熟技術(shù)有注水、壓裂、注氣等技術(shù)，小井眼技術(shù)、水平井、多分支井技術(shù)和CO₂泡沫酸化壓裂新技術(shù)應(yīng)用，較大幅度地提高了單井產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了低滲透油田少井高產(chǎn)和降低成本的目的。

(3)儲(chǔ)層精細(xì)描述和保護(hù)油氣層是開發(fā)低滲透油氣田的關(guān)鍵。多分支井技術(shù)、地震裂縫成像和裂縫診斷技術(shù)、新型壓裂技術(shù)、注氣提高采收率等新技術(shù)快速發(fā)展。

(4)世界低滲透油氣田勘探開發(fā)方興未艾。發(fā)達(dá)國家低滲透油氣田勘探開發(fā)技術(shù)日趨成熟。

(5)通過對(duì)世界低滲透油氣田勘探開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，可實(shí)現(xiàn)低滲透油氣田資源優(yōu)化利用，改善勘探開發(fā)效果，為低滲透油氣資源的高水平、高效益勘探開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展提供理論及實(shí)踐依據(jù)。

編輯劉兆芝