裂縫性潛山油藏滲流特征及不穩(wěn)定注水策略*
——以渤海錦州25-1南油田潛山油藏為例

蘇彥春 朱志強(qiáng)

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

與砂巖油藏相比，裂縫性潛山油藏的非均質(zhì)性更強(qiáng)，裂縫的存在導(dǎo)致其滲流規(guī)律復(fù)雜。為便于理解，依據(jù)孔滲特征的差異，將裂縫性油藏處理為包括基質(zhì)和裂縫兩套系統(tǒng)的雙重介質(zhì)油藏，其中裂縫系統(tǒng)孔隙度往往較小，但滲透率很大，對(duì)整個(gè)油藏的流動(dòng)起主要控制作用；而基質(zhì)孔隙度相對(duì)較大，是主要的儲(chǔ)油空間，但滲透率較低，需要通過裂縫才能流動(dòng)。目前對(duì)于裂縫性油藏的滲流機(jī)理方面的認(rèn)識(shí)處于定性描述階段，實(shí)際油藏中裂縫與基質(zhì)的供油規(guī)律并不明確[1-5]。油田生產(chǎn)也表明,裂縫性油藏生產(chǎn)規(guī)律復(fù)雜，衰竭開發(fā)油井產(chǎn)能遞減快，注水開發(fā)又極易形成裂縫竄流，造成油井的快速水淹，有效控水穩(wěn)油難度大[6-14]。

對(duì)于裂縫性潛山油藏，其裂縫和基質(zhì)存儲(chǔ)的原油是一樣的。當(dāng)原油被采到地面時(shí)，礦場(chǎng)無法區(qū)分出原油是來自裂縫還是基質(zhì)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也很難將不同類別的油分別飽和到基質(zhì)和裂縫中而不發(fā)生混合，進(jìn)而開展模擬實(shí)驗(yàn)，因此從礦場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的角度難以實(shí)現(xiàn)裂縫性油藏的滲流特征的刻畫，僅能通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。而裂縫本身應(yīng)力敏感性強(qiáng)[15-18]，隨壓力變化程度大，基質(zhì)主要通過滲吸作用出油，這些參數(shù)的取值在不同文獻(xiàn)的研究結(jié)果中存在較大的偏差[19-21]，因此需要通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲取這2個(gè)參數(shù)，建立更為精細(xì)的油藏?cái)?shù)值模型，開展?jié)B流特征研究，定量刻畫基質(zhì)、裂縫的滲流規(guī)律，為裂縫性油藏采取合理的控水穩(wěn)油措施尋找策略。

1 裂縫儲(chǔ)層應(yīng)力敏感及基質(zhì)滲吸實(shí)驗(yàn)

裂縫性油藏存在2個(gè)關(guān)鍵且難確定的參數(shù)對(duì)其滲流特征影響較大，分別為裂縫滲透率隨壓力變化的敏感程度及基質(zhì)滲吸出油的采出程度。選取錦州25-1南油田潛山油藏的巖心開展裂縫介質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)和基質(zhì)巖心滲吸實(shí)驗(yàn)來準(zhǔn)確獲取這2個(gè)參數(shù)。

1.1 裂縫介質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

裂縫性油藏降壓開采時(shí)地層壓力下降較快，壓力下降必然導(dǎo)致裂縫閉合從而影響開發(fā)效果。以前開展的裂縫介質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)表明裂縫的壓敏性極強(qiáng)，但實(shí)驗(yàn)材料均為比較致密的小柱塞，柱塞內(nèi)以微裂縫發(fā)育為主，一般反映低滲裂縫儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感特征[15-18]。而鉆井、錄井、成像測(cè)井等資料顯示，錦州25-1南油田潛山油藏宏觀裂縫發(fā)育，其裂縫開度達(dá)毫米級(jí)別，因此需要尋找裂縫尺度較大的巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。天然裂縫導(dǎo)致鉆井取心過程收獲率低，難以獲得帶較大裂縫的樣品，一般采取人造縫開展此類實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)中裂縫一般都是人造的水平貫穿縫，裂縫壓力下降時(shí)開度方向與巖心夾持器的圍壓方向相反(圖1)，導(dǎo)致其應(yīng)力敏感性極強(qiáng)，得到與低滲裂縫儲(chǔ)層基本一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這與油田實(shí)際仍存在矛盾，設(shè)想當(dāng)裂縫傾斜或垂直時(shí)，裂縫壓力下降時(shí)開度方向與巖心夾持器的圍壓方向垂直(圖1)，應(yīng)力敏感會(huì)相對(duì)變?nèi)?。而?shí)際裂縫性油藏中起主導(dǎo)作用的裂縫多為中高角度的傾斜縫，故本次實(shí)驗(yàn)開展不同裂縫傾角巖心的應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。

圖1 水平縫與垂直縫應(yīng)力敏感對(duì)比實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)巖心樣品來自錦州25-1南油田潛山油藏，巖心致密，孔隙度小于5%，滲透率小于1 mD，肉眼未觀測(cè)到明顯裂縫，采取人造裂縫，裂縫的角度分別為0°、15°、30°和40°(圖2)，相同實(shí)驗(yàn)條件下開展裂縫介質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)。由于基質(zhì)的孔隙度和滲透率均較小，忽略其影響，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映裂縫的應(yīng)力敏感程度。

實(shí)驗(yàn)方法為首先測(cè)定原始地層壓力下巖心的水相滲透率，逐步降低回壓使巖心內(nèi)壓力逐漸下降，圍壓保持不變，記錄不同壓力下的水相滲透率。將不同壓力下裂縫滲透率和壓力進(jìn)行無因次化，繪制無因次滲透率與壓力下降比例關(guān)系曲線(圖3)，對(duì)比可以看出傾斜縫的應(yīng)力敏感性要比水平縫弱，且裂縫傾角越大，應(yīng)力敏感相對(duì)越弱。故裂縫性油藏?cái)?shù)值模擬中應(yīng)根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)層裂縫角度選取合適的應(yīng)力敏感參數(shù)。

1.2 基質(zhì)巖心滲吸實(shí)驗(yàn)

基質(zhì)巖心滲吸實(shí)驗(yàn)?zāi)壳伴_展的較多，一般都采用淹沒法，通過計(jì)量巖心排出油的體積來反映油水交換的程度，進(jìn)而確定滲吸采收率，但是文獻(xiàn)中不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，巖心滲吸采收率從15%～35%不等[17-19]。即使巖心孔滲、潤濕性、油黏度等均相近實(shí)驗(yàn)條件下滲吸采收率仍存在差異，究其原因?yàn)閹r心孔隙結(jié)構(gòu)存在差異，尤其是當(dāng)巖心內(nèi)存在不同程度的微裂縫時(shí)滲吸采出程度差異更大。

圖2 錦州25-1南油田潛山油藏巖心造縫實(shí)物圖

圖3 錦州25-1南油田潛山油藏不同裂縫角度應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步了解巖心內(nèi)微裂縫發(fā)育程度對(duì)基質(zhì)滲吸采收率的影響，本次實(shí)驗(yàn)選取多塊巖心開展不同微裂縫發(fā)育程度的滲吸對(duì)比實(shí)驗(yàn)，這里所指微裂縫為開度范圍為10～20 μm的小裂縫，巖心范圍內(nèi)延伸長度小，一般不貫穿巖心樣品，對(duì)巖心孔隙度、滲透率參數(shù)影響不大，但在毛管力作用下水能夠進(jìn)入，對(duì)滲吸作用影響較大。巖心處理過程為洗油，烘干，測(cè)孔隙度、滲透率參數(shù)，選取孔滲參數(shù)差別不大的巖心樣品(孔隙度5.9%～6.1%，滲透率均小于1 mD)進(jìn)行CT掃描，了解巖心內(nèi)微裂縫發(fā)育程度，再次選取巖心內(nèi)發(fā)育1條裂縫、2條裂縫(平行和垂直)和3條裂縫等4塊樣品進(jìn)行滲吸實(shí)驗(yàn)(圖4)。

實(shí)驗(yàn)過程首先將4塊樣品進(jìn)行抽真空、飽和地層水，用實(shí)驗(yàn)室配置的模擬油進(jìn)行油驅(qū)水至束縛水狀態(tài)，并浸泡在模擬油中待用。實(shí)驗(yàn)方法采用淹沒法，采用計(jì)量排出油的體積法計(jì)算滲吸采收率，繪制不同樣品不同時(shí)間內(nèi)滲吸的采出程度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)可以看出，隨著巖心內(nèi)微裂縫發(fā)育程度的增加，滲吸采收率提高，且滲吸采收率與微裂縫間的組合關(guān)系不敏感。故裂縫油藏?cái)?shù)值模擬中應(yīng)根據(jù)實(shí)際油田巖心的微裂縫發(fā)育程度來考慮基質(zhì)的滲吸采收率。

圖4 錦州25-1南油田潛山油藏巖心樣品CT掃描結(jié)果

圖5 錦州25-1南油田潛山油藏巖心自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 裂縫性潛山油藏滲流特征

通過礦場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的方法難以實(shí)現(xiàn)裂縫和基質(zhì)系統(tǒng)中流體的區(qū)分，無法開展其滲流特征的研究，而數(shù)值模擬方法可以通過雙重介質(zhì)建模來實(shí)現(xiàn)兩者的區(qū)分，進(jìn)而開展裂縫性油藏滲流特征的定量刻畫。

2.1 考慮裂縫壓敏和基質(zhì)滲吸的雙重介質(zhì)油藏?cái)?shù)值模型

以錦州25-1南油田潛山油藏為例建立雙重介質(zhì)油藏?cái)?shù)值模型(Eclipse)，統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)層裂縫傾角，以中高角度為主，30°～60°裂縫最多，平均約為40°，故油藏?cái)?shù)值模擬過程中選用40°裂縫的應(yīng)力敏感參數(shù)較為合適，結(jié)合前述裂縫介質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并考慮油田實(shí)際地層壓力為16 MPa，得到油藏裂縫系統(tǒng)的應(yīng)力敏感參數(shù)(表1)，數(shù)值模擬中通過關(guān)鍵字ROCKTAB進(jìn)行描述；結(jié)合油田已鉆開發(fā)井的裂縫發(fā)育特征，巖心2條微裂縫符合大多數(shù)巖心薄片的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用該滲吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算不同含水飽和度下毛管力參數(shù)(表2)，該計(jì)算方法借鑒前人利用滲吸實(shí)驗(yàn)反算毛管壓力曲線的方法[22]，數(shù)值模型中通過關(guān)鍵字SWOF進(jìn)行描述。這樣就得到考慮裂縫壓敏和基質(zhì)滲吸的雙重介質(zhì)油藏?cái)?shù)值模型，圖6為錦州25-1南油田潛山油藏新模型與原模型壓力和含水的擬合情況對(duì)比，可以看出新模型擬合程度更高，考慮傾斜縫應(yīng)力敏感較弱，地層壓力下降更快；考慮基質(zhì)滲吸增強(qiáng)，產(chǎn)油量增多導(dǎo)致含水率變低。新模型更符合油藏實(shí)際生產(chǎn)，故在此模型的基礎(chǔ)上開展裂縫性油藏滲流特征研究。

表1 錦州25-1南油田潛山油藏裂縫應(yīng)力敏感參數(shù)

表2 錦州25-1南油田潛山油藏基質(zhì)毛管力參數(shù)

圖6 錦州25-1南油田潛山油藏?cái)?shù)值新模型和原模型壓力

2.2 裂縫性潛山油藏滲流特征

在上述模型的基礎(chǔ)上，利用TRACERS關(guān)鍵字定義基質(zhì)和裂縫系統(tǒng)中不同示蹤劑類別(OIL1和OIL2)就可實(shí)現(xiàn)基質(zhì)和裂縫流體的區(qū)分。錦州25-1南油田潛山油藏?cái)?shù)值模型中裂縫與基質(zhì)原始儲(chǔ)量比例為1∶3，模型結(jié)果通過示蹤劑追蹤即可得到基質(zhì)、裂縫不同含水階段的出油規(guī)律，以裂縫初期出油量為分母無因次化基質(zhì)和裂縫的出油量，即可實(shí)現(xiàn)不同階段基質(zhì)和裂縫滲流特征的定量刻畫，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，裂縫滲流呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的出油規(guī)律，初期遞減快、后期遞減慢；基質(zhì)滲流呈現(xiàn)出先增大后減小的出油規(guī)律。根據(jù)基質(zhì)滲流特征進(jìn)一步將其劃分為4個(gè)階段。

圖7 錦州25-1南油田潛山油藏基質(zhì)、裂縫滲流特征

第1階段為基質(zhì)滲吸的蟄伏階段，含水率小于20%，地層壓力由原始地層壓力開始下降,油藏以裂縫彈性能釋放供油為主，裂縫出油比例大于90%，基質(zhì)出油比例很小。由于油藏內(nèi)以單相油為主，雙重介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)和單純裂縫介質(zhì)基本一致[23]，油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)往往表現(xiàn)出油井產(chǎn)能高，產(chǎn)量遞減較快的特征，如圖8中A41井組2010—2012年的生產(chǎn)特征。由于裂縫系統(tǒng)孔隙度很小，注水時(shí)水驅(qū)前緣推進(jìn)很快，故這一階段一般采取降壓開采策略，既能充分利用裂縫油藏的彈性能，增大油藏的壓降波及程度和動(dòng)用程度，又能減少注水量，延長油藏?zé)o水采油期，這也是國內(nèi)外很多裂縫性油藏初期采取降壓開采策略的主要原因，待地層壓力降低至一定壓力水平后轉(zhuǎn)注水開發(fā)[5]。

圖8 錦州25-1南油田潛山油藏A41井組生產(chǎn)特征

第2階段為基質(zhì)滲吸的發(fā)軔階段[23]，含水率為20%～40%，地層壓力下降為原始地層壓力70%左右，裂縫供油比例下降較快，但仍是主要供油系統(tǒng)，比例約為70%，基質(zhì)出油比例快速增加，基質(zhì)和裂縫中的流體在油水兩相毛管力的作用下開始交換，基質(zhì)出油比例快速增加。油田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為油藏產(chǎn)液量降低、生產(chǎn)壓差增大，部分油井含水突破，裂縫水竄通道形成，油藏產(chǎn)量遞減仍較快，如圖8中2012—2014年生產(chǎn)特征。這一階段為緩解裂縫水竄和增大基質(zhì)出油，可實(shí)施脈沖注水，也就是通過地面設(shè)備周期性調(diào)整注水井的注水量，在地下形成不穩(wěn)定的脈沖波，既保證裂縫的水驅(qū)效果，又促進(jìn)基質(zhì)和裂縫間的流體交換，增加基質(zhì)原油的動(dòng)用程度。

第3階段為基質(zhì)滲吸的旺汲滲階段[23]，含水率為40%～85%，地層壓力保持在原始地層壓力70%左右，基質(zhì)裂縫供油比例相當(dāng)，這一階段持續(xù)時(shí)間最長，油藏遞減變慢，基質(zhì)成為產(chǎn)量接替的關(guān)鍵；由于油藏以油水兩相為主，滲吸作用發(fā)揮充分，基質(zhì)原油補(bǔ)給增加，而裂縫系統(tǒng)中的含水飽和度將沿著驅(qū)替方向逐漸達(dá)到擬穩(wěn)定狀態(tài)，含水率上升趨于平緩，基質(zhì)中大部分原油在本階段采出。油田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為油田采油速度低、產(chǎn)量遞減慢、持續(xù)時(shí)間長，如圖8中2014年至今的生產(chǎn)特征。繼續(xù)強(qiáng)化注水方式以增大基質(zhì)和裂縫的流體交換促進(jìn)更深層基質(zhì)滲吸的發(fā)生，這階段可周期性開關(guān)注水井實(shí)施周期注水[18-20]，周期注水實(shí)際上就是脈沖注水的一種強(qiáng)化，當(dāng)脈沖注水階段脈沖量為零時(shí)，就發(fā)展為周期注水，周期性的壓力波動(dòng)，引起裂縫與基巖塊間流體的交換，同時(shí)促進(jìn)毛管滲吸作用，增大其滲吸深度，進(jìn)一步增強(qiáng)基質(zhì)出油。

第4階段為平息階段[23]，含水率大于85%時(shí)，地層壓力保持在原始地層壓力70%左右或者更低，基質(zhì)大部分被水封，基質(zhì)出油的動(dòng)力減弱，出油量下降，大部分裂縫也見水，油藏進(jìn)入開發(fā)晚期。為進(jìn)一步強(qiáng)化注水方式，使更小的裂縫也參與滲流，增大基質(zhì)的滲吸深度和程度，建議實(shí)施異步注采，異步注采是結(jié)合采油井關(guān)停而開展的一種強(qiáng)化周期注水方式。當(dāng)注水井注水時(shí)關(guān)停油井，防止注入水沿原來的水流通道竄流，在注水壓力和毛管壓力的雙重作用下，使注入水進(jìn)入基質(zhì)巖塊更深部位的含油孔隙中。油水分異一段時(shí)間后油井復(fù)產(chǎn)，裂縫與基質(zhì)巖塊間的壓差加速了毛管滲吸的排油作用，在驅(qū)替壓差和毛管滲吸雙重作用下，使更多進(jìn)入基質(zhì)巖塊中的注入水被滯留下來，從而替換出原油進(jìn)入裂縫系統(tǒng)，此方法在東勝堡潛山油藏開發(fā)后期實(shí)踐效果較好[23-28]。

3 裂縫性潛山油藏不穩(wěn)定注水策略及礦場(chǎng)試驗(yàn)

基于上述基質(zhì)裂縫滲流特征的認(rèn)識(shí)，結(jié)合相似油田的開發(fā)實(shí)踐，逐漸形成了一套裂縫性潛山油藏不穩(wěn)定注水策略，包括初期降壓開采、低含水階段的脈沖注水、中含水階段的周期注水和高含水階段的異步注采等(圖9)。根據(jù)滲流特征，不同階段采取不同的強(qiáng)化注水方式，以達(dá)到保持地層壓力、控制含水上升和提高基質(zhì)出油的目的。

圖9 潛山裂縫性油藏不同含水階段不穩(wěn)定注水策略

錦州25-1南油田潛山油藏于2009年底投產(chǎn)，初期降壓開采，獲得了較高的采油速度及較長的無水采油期(2 a以上)，地層壓力下降至原始地層壓力70%左右開始轉(zhuǎn)注水開發(fā)，由初期的常規(guī)注水逐漸發(fā)展為目前的不穩(wěn)定注水。在不穩(wěn)定注水策略的指導(dǎo)下，自2016年根據(jù)不同井組壓力和含水狀況開展了分階段、分區(qū)塊不穩(wěn)定注水礦場(chǎng)試驗(yàn)。圖10為潛山2/7井區(qū)A21H井組的注采曲線，可以看出2016—2018年該井組實(shí)施脈沖注水，2018年至今實(shí)施周期注水，注水周期為3～6個(gè)月，周邊油井A17H和A18呈現(xiàn)明顯的周期性降水增油效果，含水率下降10%～80%，增油量達(dá)到20～100 m3/d，不穩(wěn)定注水策略在錦州25-1南油田潛山油藏控水穩(wěn)油方面取得了較好的效果，預(yù)計(jì)提高油藏采收率3個(gè)百分點(diǎn)。

圖10 錦州25-1南油田潛山油藏A21H井組不穩(wěn)定注水效果

4 結(jié)論

1) 裂縫介質(zhì)應(yīng)力敏感實(shí)驗(yàn)表明不同傾角的裂縫對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力敏感程度，裂縫傾角越大，應(yīng)力敏感性相對(duì)越弱；基質(zhì)滲吸實(shí)驗(yàn)表明巖心內(nèi)微裂縫發(fā)育程度越大，基質(zhì)滲吸采出程度越高。因此，裂縫性油藏?cái)?shù)值模擬中應(yīng)根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)層的裂縫傾角、微裂縫發(fā)育程度來選取合適的應(yīng)力敏感和基質(zhì)滲吸參數(shù)。

2) 在巖心實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了考慮裂縫變形和基質(zhì)滲吸的裂縫油藏?cái)?shù)值模型，利用示蹤劑追蹤刻畫出不同含水階段基質(zhì)和裂縫的滲流特征，結(jié)果表明裂縫系統(tǒng)呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的出油規(guī)律，初期遞減迅速、后期遞減緩慢，基質(zhì)系統(tǒng)則呈現(xiàn)出先快速增大后緩慢減少的出油規(guī)律，據(jù)此特征將基質(zhì)滲流進(jìn)一步劃分為蟄伏、發(fā)軔、旺汲滲和平息等4個(gè)階段，不同階段推薦不同的強(qiáng)化注水方式，為不穩(wěn)定注水策略的建立奠定基礎(chǔ)。

3) 結(jié)合裂縫油藏滲流特征及相似油田的開發(fā)實(shí)踐，構(gòu)建了裂縫性油藏的不穩(wěn)定注水策略，即初期降壓開采、低含水階段的脈沖注水、中含水階段的周期注水和高含水階段的異步注采等，并在錦州25-1南油田潛山油藏成功開展了礦場(chǎng)試驗(yàn)，可為類似裂縫油藏的注水開發(fā)提供借鑒。