致密儲層超前注氣壓力傳導(dǎo)與開采特征研究

安維青，岳湘安，李 丹，張雪楠，席皓軒

(1.石油工程教育部重點實驗室 中國石油大學，北京 102249；2.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

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致密儲層超前注氣壓力傳導(dǎo)與開采特征研究

安維青1，岳湘安1，李 丹2，張雪楠1，席皓軒1

(1.石油工程教育部重點實驗室 中國石油大學，北京 102249；2.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710021)

為及時補充致密油儲層的地層能量，利用長巖心與回壓閥裝置模擬對某油田致密儲層超前注氣壓力傳導(dǎo)特征與開采特征進行研究。研究表明，同一注氣壓力下，滲透率越小，壓力傳導(dǎo)速率越慢，當滲透率小于某臨界滲透率時，壓力傳導(dǎo)速率急劇降低，增大壓力有助于降低臨界滲透率影響；同一滲透率下，注氣壓力越高，壓力傳播越快。定壓邊界與封閉邊界條件下產(chǎn)量初期下降速度均較快，但定壓邊界情況下產(chǎn)量迅速降低后穩(wěn)定在相對較大值，而封閉邊界情況下，產(chǎn)量持續(xù)降低。定壓邊界條件下，不同滲透率流量達到穩(wěn)定的時間均相同，但穩(wěn)定流量不同，滲透率越大穩(wěn)定流量越大；在不同滲透率封閉條件下，起始流量與最終流量均一樣，滲透率越低下降速度越快，流量下降到0的時間越短。致密油儲層的滲透率對于產(chǎn)量存在一定的影響，超前注氣有利于改善地層滲透性，不同邊界條件下產(chǎn)量遞減規(guī)律有較大差異。

致密儲層；超前注氣；壓力傳導(dǎo)；開采特征；滲透率；邊界條件

0 引 言

與低滲透油氣藏相比，致密油開采的產(chǎn)量遞減更快，采收率更低，利用天然能量和注水開采的周期很短[1-3]。由于壓力在致密基質(zhì)中的傳導(dǎo)很慢，很難通過常規(guī)注水補充致密基質(zhì)中的能量[4-6]。為此，目前主要開展了以補充地層能量為主要目標的注氣研究與應(yīng)用。為了緩解開采過程中致密儲層的壓敏傷害，避免由于一次開采過程中儲層內(nèi)部物性的不可逆變化，提高后續(xù)開采階段的采收率，注氣時機選擇超前注氣。致密油儲層的壓力傳導(dǎo)規(guī)律決定了注氣速度與致密氣藏的開發(fā)速度。但目前國內(nèi)外對于致密油儲層的壓力傳導(dǎo)規(guī)律的研究還很少[7-10]，開發(fā)致密油儲層時采取超前注氣方式還不普遍，致密油儲層采收率普遍不高。利用長巖心與回壓閥裝置模擬研究某油田致密儲層氣體在不同壓力下的傳導(dǎo)特征與開采特征，進而探索致密油藏超前注氣開發(fā)相關(guān)規(guī)律。

1 實驗準備

實驗采用30 cm五測壓點長巖心裝置模擬壓力傳導(dǎo)特征及開采規(guī)律。其主要實驗設(shè)備：高壓流體泵(ISCO高精度泵)、流量計量儀、壓力傳感器(7個，0.2級精度，70 MPa)、中間容器(500、1 000 mL)、氣瓶、恒溫箱、數(shù)據(jù)采集裝置、回壓閥。

長巖心模擬系統(tǒng)采用多根直徑為2.5 cm的致密天然巖心拼接而成。選用巖心為國內(nèi)某油田取得的致密天然巖心，實驗分組情況及巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。沿滲流方向布置5個測壓點，通過壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置采集實時壓力數(shù)據(jù)。系統(tǒng)入口壓力采用ISCO高精度泵壓縮中間容器內(nèi)氮氣完成，模擬油氣藏壓力。出口壓力由回壓閥控制，模擬不同井底流壓。實驗圍壓由恒壓泵控制，出口氣體流量由氣體流量計計量。

表1 實驗巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2 實驗方法

實驗采用同一地層18塊天然致密巖心分為4組進行注氣壓力傳導(dǎo)實驗，其滲透率范圍為0.053×10-3～0.715×10-3μm2。

實驗步驟：①將巖心放入80 ℃恒溫箱烘干48 h以上；②將巖心放入巖心夾持器內(nèi)，關(guān)閉出口，圍壓加至13 MPa后，入口恒壓10 MPa注入氮氣，飽和壓力直至巖心內(nèi)部各點壓力恒定在10 MPa后關(guān)閉入口閥門；③在恒定有效應(yīng)力為3 MPa的情況下逐漸提高中間容器內(nèi)的入口壓力至穩(wěn)定(11、12、13、14、15、16、17 MPa)，巖心夾持器出口閥門關(guān)閉，在巖心夾持器內(nèi)初始壓力分別為10、11、12、13、14、15、16 MPa的情況下打開入口閥門采集各測壓點數(shù)據(jù)，模擬超前注入過程。待巖心各測壓點壓力穩(wěn)定后繼續(xù)停留1 h，結(jié)束實驗，改為進行下一組實驗。

實驗采用第2、3、4組巖心進行模擬開采特征實驗。實驗步驟：①在巖心夾持器內(nèi)初始壓力為17 MPa的情況下，關(guān)閉入口，控制回壓為5 MPa，模擬有限邊界單相流體開采，用氣體流量計記錄出口流量，待內(nèi)部各點壓力穩(wěn)定后停止；②巖心夾持器內(nèi)各測壓點壓力穩(wěn)定在15 MPa下，入口恒壓為15 MPa，控制回壓為5 MPa，模擬恒壓邊界單相流體開采過程，用氣體流量計記錄出口流速，直到巖心內(nèi)部各壓力點穩(wěn)定。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 超前注氣情況下致密儲層氣體壓力傳導(dǎo)特征

在不同入口壓力、恒定初始壓差1 MPa、恒定有效應(yīng)力3 MPa、出口閥門關(guān)閉的情況下打開入口閥門，測得各測壓點壓力自打開入口閥門至恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所需時間，以其穩(wěn)定時間表征氣體在致密儲層中壓力傳導(dǎo)速度。圖1是4組巖心中各測壓點距巖心入口端距離與穩(wěn)定時間的關(guān)系。

由圖1可知，同一滲透率下注氣壓力相同時，壓力傳播到巖心不同距離的穩(wěn)定時間與巖心距離呈指數(shù)上升趨勢，該趨勢隨著注氣壓力的減小而增大。這說明在注氣壓力較小時，壓力穩(wěn)定時間較長，在未穩(wěn)定的同一時間內(nèi)壓力分布平均性較差。注氣壓力越大，壓力穩(wěn)定時間越短，在未穩(wěn)定的同一時間內(nèi)壓力分布平均性越好。

壓力穩(wěn)定時間越短，說明在超前注氣階段地層壓力提升速度越快，壓力分布平均性越好，可快速提升地層壓力及投產(chǎn)，同時較高的地層壓力可有效防止?jié)B透率和孔隙度的下降，從而提高初期采油速度和最終采收率。

不同滲透率在同一測壓點下壓力穩(wěn)定時間隨注入壓力變化特征見圖2。由圖2可知，在滲透率較大時(K=0.364×10-3μm2或K=0.170×10-3μm2)，注氣壓力越高，壓力穩(wěn)定時間越短，壓力傳播越快，但是壓力穩(wěn)定時間并不隨壓力的減小呈線性降低，在14 MPa后壓力的穩(wěn)定時間趨于平緩。這說明在低壓下注氣較為困難，但超過一定壓力后，相鄰地層壓力注氣的難度不大。在滲透率較小時(K=0.063×10-3μm2或K=0.092×10-3μm2)，壓力穩(wěn)定時間隨注入壓力呈線性變化。這充分說明超前注氣的必要性，在油藏未開發(fā)前地層壓力最高時，注氣最容易。

圖1 不同注氣壓力各測點處壓力穩(wěn)定時間

圖2 壓力穩(wěn)定時間隨注入壓力變化(距入口端20cm處)

在同一測壓點下壓力穩(wěn)定時間隨不同滲透率變化特征見圖3。由圖3可知，同一注氣壓力下，滲透率越大，穩(wěn)定時間越短，壓力傳導(dǎo)速率越快。在注入壓力為11 MPa時，當滲透率小于0.1×10-3μm2時，隨著滲透率的降低，壓力穩(wěn)定時間急速上升，壓力傳播速度快速降低。隨著壓力的增加，穩(wěn)定時間降低，但整體趨勢并無明顯變化。這說明在致密儲層中存在一個臨界滲透率，小于該滲透率下，壓力穩(wěn)定時間迅速增大，壓力傳導(dǎo)速度大幅下降。因此，在目前的技術(shù)條件下挑選超前注氣區(qū)塊時應(yīng)盡量挑選大于臨界滲透率的區(qū)塊，此時壓力在致密巖石中的傳導(dǎo)速率較大，壓力穩(wěn)定時間較短，超前注氣時間效果較好。在不同注入壓力下，壓力越高，壓力穩(wěn)定時間越短，且不同滲透率穩(wěn)定時間變化趨于平緩。這說明增大壓力有助于降低臨界滲透率，也說明超前注氣的必要性，壓力越高，可有效影響的滲透率范圍就越大。

圖3 同一測壓點壓力穩(wěn)定時間隨不同滲透率變化(距入口端20cm處)

3.2 定壓與封閉邊界情況下儲層生產(chǎn)特征

在入口壓力為17 MPa下，關(guān)閉入口，打開出口(保持5 MPa回壓)模擬封閉條件下單相流體開采特征(圖4)。在入口恒壓15 MPa下，打開出口(保持5 MPa回壓)，模擬恒壓邊界單相流體開采過程特征(圖5)。

在封閉條件、同一滲透率下，隨著累計生產(chǎn)時間的增加，流量先急速降低，而后緩慢趨于0(圖4)。生產(chǎn)開始時，不同滲透率巖心流量值相同，隨著生產(chǎn)的不斷進行，同一累計生產(chǎn)時間下，滲透率越大，流量越大。但3種不同滲透率條件下起始流量與最終流量均一樣，滲透率越低，下降速度越快，流量下降到0的時間越短。

圖4 封閉條件不同滲透率下流量隨時間變化

圖5 定壓條件不同滲透率下流量隨時間變化

在定壓條件、同一滲透率下，隨著累計生產(chǎn)時間的增加，流量先急速降低，而后逐漸穩(wěn)定于某一流量值(圖5)。不同滲透率下，同一累計生產(chǎn)時間時，滲透率越大，流量越大。在巖心長度一定的情況下，達到穩(wěn)定的時間均相似，但穩(wěn)定流量不同，滲透率越大穩(wěn)定流量越大。

由圖4、5可知，補充能量的定壓邊界開采平均產(chǎn)量遠高于自然能量開采，而定壓邊界開采初期產(chǎn)量較大，但產(chǎn)量下降較快，初期產(chǎn)量下降幅度高達50%以上。這主要是由于初期供液，地層壓力大幅度降低，能量迅速釋放，產(chǎn)生相對較高流量，但隨著地層壓力降至穩(wěn)定，孔隙壓力急劇降低，有效應(yīng)力顯著增加，滲流條件發(fā)生變化，流量較低。

4 結(jié) 論

(1) 超前注氣有利于改善地層滲透性。同一注氣壓力下，滲透率越大，壓力傳導(dǎo)速率越快；當滲透率大于某一臨界滲透率時，隨著滲透率的降低，壓力穩(wěn)定時間快速上升，壓力傳播速度急速降低；增大壓力有助于降低臨界滲透率影響；同一滲透率下，注氣壓力相同時，壓力傳播到巖心不同距離的時間與巖心距離呈指數(shù)上升趨勢，該趨勢隨著注氣壓力的減小而增大；同一滲透率下，注氣壓力越高，壓力傳播越快。

(2) 不同邊界條件下產(chǎn)量遞減規(guī)律有較大差異。定壓邊界與封閉邊界條件下產(chǎn)量初期下降速度均較快，但定壓邊界情況下產(chǎn)量迅速減小后穩(wěn)定在相對較大值，而封閉邊界情況下，產(chǎn)量持續(xù)減少。

(3) 滲透率對于產(chǎn)量存在一定的影響。定壓邊界條件下，不同滲透率流量達到穩(wěn)定的時間均相同，但穩(wěn)定流量不同，滲透率越大穩(wěn)定流量越大；在不同滲透率封閉條件下，起始流量與最終流量均一樣，滲透率越低下降速度越快，流量下降到0的時間越短。

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編輯 王 昱

20150708；改回日期：20150928

國家自然科學基金重點項目“致密油儲層提高采收率關(guān)鍵理論與方法研究”(51334007)；國家科技重大專項“油田開采后期提高采收率新技術(shù)”(2011ZX05009-004)

安維青(1985-)，男，2009年畢業(yè)于西南石油大學石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學(北京)石油工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事提高油氣開采效率方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.028

TE249

A

1006-6535(2015)06-0122-04