低滲透儲層注水開發(fā)賈敏效應實驗研究

鄭自剛，余光明，雷欣慧，張慶洲

(1.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

0 引 言

鄂爾多斯盆地油氣資源為典型的低滲透油氣藏，隨著三疊系長6和長8油藏儲量和產(chǎn)量占比逐年上升，低滲透油藏開發(fā)過程中注水能力下降和開發(fā)效果不佳問題日益凸顯。國內(nèi)外對于低滲透油藏研究主要集中在非達西滲流規(guī)律[1-3]、啟動壓力梯度[4-6]等方面，而對低滲透油藏中特有的賈敏效應[7]重視程度不足。目前對賈敏效應的研究主要以賈敏效應降低方法及評價[8-11]、產(chǎn)生機理[12-13]和影響因素[14-16]為主，通常以滲透率傷害程度(賈敏指數(shù))表示賈敏效應的相對大小，對賈敏效應動態(tài)變化的定量表征及其對低滲透油藏注水開發(fā)的影響鮮有報道。為此，提出了一種基于理論計算和物理模擬相結(jié)合的定量表征水驅(qū)賈敏效應動態(tài)變化的方法[17-19]，并進行不同滲透率巖心水驅(qū)賈敏效應相關室內(nèi)評價分析，為認識低滲透油藏注水開發(fā)的內(nèi)在機制和改善低滲透油藏注水開發(fā)效果提供借鑒。

1 定量表征方法

1.1 研究方法

以不考慮賈敏效應的單向活塞式水驅(qū)油模型作為理論模型，考慮賈敏效應的一維水驅(qū)油模型作為實際模型，通過式(1)～(2)計算得到流體注入過程中不同飽和度下的理論壓差和實測壓差。計算過程中，巖心中飽和度需根據(jù)式(3)折算為可動流體飽和度，式(4)計算理論注入壓差。根據(jù)不同流體飽和度下的理論注入壓差和實測注入壓差，根據(jù)式(1)～(4)進行計算，得到不同飽和度條件下的J(Sw)曲線。由式(5)～(6)可知，該方法可運用于氣驅(qū)水驅(qū)后轉(zhuǎn)氣驅(qū)或氣水交替過程中賈敏效應的定量表征。

p理論(Sw*)=pwSw*+po(1-Sw*)

(1)

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(5)

(6)

1.2 實驗條件

實驗巖心采用滲透率為0.3～350.0 mD、長度為30.0 cm、直徑為2.5 cm的人造巖心，地層水礦化度為60 000 mg/L，模擬油的黏度為1.5 mPa·s，實驗溫度為78.4 ℃，注入速度為0.2 mL/min。實驗儀器：中石大石油科技有限公司自主研發(fā)氣驅(qū)評價系統(tǒng)，其中，注入系統(tǒng)為美國ISCO泵，流速和壓力誤差小于0.005%，最高注入壓力為50 MPa。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 賈敏系數(shù)隨含水率變化規(guī)律

圖1為不同滲透率巖心注水過程賈敏效應動態(tài)變化情況。由圖1可知：滲透率不同，賈敏系數(shù)與含水飽和度關系曲線的形態(tài)不同，滲透率越低，賈敏系數(shù)增幅越快，賈敏系數(shù)最大值越大，其中，低滲曲線呈凹形逐漸增大，中高滲曲線呈不對稱拋物線先增大后降低。分析認為：高滲透巖心中，隨注水進行，兩相區(qū)域逐漸增大，賈敏效應增強，但由于高滲透儲層孔喉半徑大，分散的小油滴保持流動，在流動過程中易發(fā)生聚集合并為大油滴(油柱)，界面數(shù)量減少，賈敏效應降低；低滲透、特低滲透儲層中，由于孔喉半徑小，賈敏效應程度高，分散小油滴聚集合并為大油滴(油柱)需要克服的阻力大，隨兩相區(qū)域擴大，賈敏效應逐漸增大。

圖1 不同滲透率巖心注水過程賈敏效應動態(tài)變化

2.2 賈敏系數(shù)最大值與滲透率定量關系表征

圖2為滲透率與賈敏系數(shù)最大值散點圖及趨勢線。由圖2可知：隨滲透率降低，賈敏系數(shù)最大值呈指數(shù)遞增。對于特低滲透儲層，在注水開發(fā)過程中，賈敏效應導致注水壓力逐漸增大，注水越來越困難，賈敏效應導致的注水壓力梯度為理論值的3～4倍。

圖2 不同滲透率巖心中賈敏效應最大值關系

2.3 賈敏效應對水驅(qū)油過程的影響

2.3.1 水驅(qū)油過程對比

2.3.2 賈敏效應對水驅(qū)效果影響機制分析

邊界層理論認為，低滲透儲層的滲透率和滲流橫截面是可變的，將賈敏效應的影響等效為有效流動截面的降低。利用有效流動截面可變理論模型分析了賈敏效應對水驅(qū)效果的影響，并推導其計算公式，建立賈敏系數(shù)與有效流動截面系數(shù)間的關系。恒速注入過程中，有效截面系數(shù)按照如下公式計算：

(7)

(8)

表1 不同滲透率巖心賈敏效應、壓力和驅(qū)油效率對比

注：J(Sw)end為水驅(qū)結(jié)束時的賈敏效應程度。

(9)

式中：Δp為注采壓差，MPa；L為注采直線距離，m；q為體積流速，m3/d；μ為流體黏度，mPa·s；K為滲透率，mD；A、A理論、A實際分別為流動截面積、理論流動截面積和實際流動截面積，m2；v、v實際、v理論分別為線性推進速度、實際線性推進速度、理論線性推進速度，m/d；Aeff(Sw)為有效截面系數(shù)。

圖4為2組不同滲透率巖心水驅(qū)油過程有效流動截面系數(shù)動態(tài)變化對比結(jié)果。由圖4可知：高滲透儲層初期有效流動截面迅速下降，至最低值后緩慢抬升一定幅度，水驅(qū)結(jié)束時實際流動截面積與理論截面積的比值接近于1；低滲透儲層有效流動截面逐漸降至趨于穩(wěn)定，且降速逐漸變小，水驅(qū)結(jié)束時有效截面系數(shù)僅為0.4。滲透率越低，有效流動截面系數(shù)越低，與達西理論公式偏離程度越高。

圖3 低滲和中高滲巖心含水率、驅(qū)油效率和賈敏效應系數(shù)變化對比

圖4 不同滲透率巖心水驅(qū)過程驅(qū)油效率和有效截面系數(shù)動態(tài)變化對比

特低滲透儲層中高賈敏效應導致其可動滲流截面積大幅降低，這是導致其驅(qū)油效率明顯低于中高滲透儲層的重要原因。

3 低滲透油藏提高采收率啟示

3.1 低滲透儲層基質(zhì)水驅(qū)后剩余油分布模型分析及建議

低滲透儲層基質(zhì)孔喉尺寸分布差異較大，注水過程中，一部分小孔道啟動壓力梯度大，水不能進入該區(qū)域，剩余油主要以油柱的形式存在，分布相對集中；部分相對大的孔道中水啟動原油，隨著注水過程的進行，賈敏效應程度逐漸增大，流動能力逐漸降至停止流動，剩余油主要以油滴和油柱的形式存在，其分布具有整體分散、局部集中的特點；在大孔道中，賈敏效應程度逐漸增大，流體仍保持流動性，剩余油與中高滲透儲層一樣，主要以油膜的形式存在，具有分布零散的特點。對于低滲儲層基質(zhì)，剩余油主要分布在相對小的孔道中，其中，高啟動壓力梯度和高賈敏效應是造成驅(qū)油效率低的主要原因。

高滲儲層通過提高毛管數(shù)提高驅(qū)油效率，而低滲透儲層提高驅(qū)油效率應以提高驅(qū)替壓差、降低賈敏效應附加阻力和降低啟動壓力梯度為主(表2)，使由于賈敏效應鎖住的不可動原油再次流動，這是有效提高低滲透水驅(qū)油藏采收率的主攻方向。由表2可知，注氣是有效降低啟動壓力梯度和賈敏效應的有效方法。

表2 低滲透儲層提高驅(qū)油效率對策

3.2 室內(nèi)評價實驗

實驗巖心滲透率為2.28 mD，長度為30 cm，實驗溫度為78.4 ℃，末端回壓為10.5 MPa，最小混相壓力為16.0 MPa。恒速進行水驅(qū)和CO2驅(qū)，實驗結(jié)果見表3。由表3可知，CO2驅(qū)注入壓差比水驅(qū)結(jié)束時壓差低2.9 MPa，CO2驅(qū)能大幅降低注水壓力，驅(qū)油效率可在水驅(qū)效率36.0%的基礎上提高22.7個百分點。

表3 水驅(qū)后CO2驅(qū)注采壓差和驅(qū)油效率動態(tài)變化

4 結(jié) 論

(1) 基于理論計算和物理模擬相結(jié)合定量表征賈敏系數(shù)的動態(tài)變化，提出了一種新的評價方法。評價結(jié)果顯示：不同滲透率巖心賈敏效應隨含水飽和度的變化曲線形態(tài)不同，滲透率越低，賈敏系數(shù)增幅越快，賈敏系數(shù)最大值越大，其中低滲透儲層呈凹形逐漸增大，中高滲透儲層呈不對稱拋物線先增大后降低。

(2) 儲層滲透率和賈敏效應系數(shù)最大值呈指數(shù)遞減關系，滲透率越低，賈敏系數(shù)越大。對于特低滲透儲層，水驅(qū)賈敏效應導致注采壓差比理論值提高3～4倍，是注水困難的原因之一。

(3) 有效截面系數(shù)降低可解釋賈敏效應對低滲儲層注水開發(fā)的影響。對比發(fā)現(xiàn)，特低滲透儲層水驅(qū)后有效截面系數(shù)為0.4。賈敏效應是導致低滲儲層含水上升快、驅(qū)油效率低的原因之一。

(4) 低滲透儲層剩余油主要分布在高啟動壓力梯度的小孔道和高賈敏效應的中小孔道中。氣驅(qū)是有效提高低滲儲層驅(qū)油效率的有效手段，實驗證實，CO2驅(qū)能有效降低低滲透儲層的注采壓差，并大幅提高驅(qū)油效率。