超低滲油藏寬帶壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

夏德斌，楊正明，趙新禮，張亞蒲，駱雨田

（1.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；2.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所，河北廊坊 065007；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

低／超低滲透油藏的動(dòng)用規(guī)模和產(chǎn)量貢獻(xiàn)比例逐漸增加，成為石油實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)的重要來源，其有效開發(fā)對緩解中國原油供需矛盾，保證國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義［1-2］。但是低滲透儲(chǔ)層物性差：微觀機(jī)構(gòu)復(fù)雜、孔喉細(xì)小、滲透率低，自然產(chǎn)量遞減速度快，累計(jì)產(chǎn)量低［3-5］，需要進(jìn)行壓裂增產(chǎn)措施。長慶油田老區(qū)直井大量剩余油分布在人工裂縫的兩側(cè)，油井單井產(chǎn)量和最終采收率低［6］，常規(guī)壓裂難以動(dòng)用，需要進(jìn)行寬帶壓裂。姬塬油田針對老區(qū)直井側(cè)向剩余油難以動(dòng)用的問題進(jìn)行了寬帶壓裂研究。結(jié)果表明，合理增加帶寬能夠增大泄油面積，增加累計(jì)產(chǎn)量［7］。

對于物理模擬實(shí)驗(yàn)，目前進(jìn)行最多是一維的物理模擬實(shí)驗(yàn)，然而一維模型只能把流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)看作是線性流動(dòng)，無法考慮井網(wǎng)注采方式的變化［8-9］，這與油田實(shí)際開發(fā)情況不相符。國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)所用的二維或三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ投嗖捎萌斯し庋b的填砂模型［10-12］，但是人工方法制作的二維或三維填砂模型很難制作低滲透和超低滲透的填砂模型［13］，并且填砂模型無法模擬實(shí)際儲(chǔ)層的孔喉特征。大量的實(shí)驗(yàn)研究和礦場實(shí)際表明儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)影響低滲透油藏的開發(fā)效果［14-18］，因此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛢?chǔ)層在微觀孔隙結(jié)構(gòu)上要相似。本文首先從孔喉分布規(guī)律和黏度礦物含量方面選取與儲(chǔ)層巖心相似的天然露頭砂巖作為實(shí)驗(yàn)巖心，這樣能夠使模型最大程度接近實(shí)際儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)特征。根據(jù)無因次導(dǎo)流能力，按照油田的兩種裂縫類型制作了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯坎煌瑝毫褞拰毫研Ч挠绊?，該研究對油田后續(xù)挖潛剩余油具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與模型制作

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、壓力?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采出液測量系統(tǒng)四部分組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、ISCO驅(qū)替泵、中間容器（內(nèi)裝實(shí)驗(yàn)用地層水）、壓力傳感器（監(jiān)測供給壓力的大小）等組成。壓力測量系統(tǒng)由高精度壓力傳感器組成。將壓力傳感器連接在超低滲透平板模型的測壓孔處，本實(shí)驗(yàn)所用壓力傳感器為瑞士TRAFAG公司生產(chǎn)的高精度壓力傳感器，量程為0～0.6 MPa。使用壓力巡檢儀實(shí)時(shí)監(jiān)測超低滲透平板模型各個(gè)測壓點(diǎn)的壓力變化，并將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)記錄。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)所需的穩(wěn)定、連續(xù)的壓力，在注采井處用微流量計(jì)采集流體流量，分別記錄模型上各測壓點(diǎn)處的壓力及注采井的流體采出量隨生產(chǎn)時(shí)間的變化情況，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 大型物理模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程示意圖

1.2 平板模型制作

（1）露頭巖樣的選取。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱魇菍?shí)驗(yàn)關(guān)鍵所在，模型與實(shí)際儲(chǔ)層的相似度關(guān)系著實(shí)驗(yàn)的說服力。將從平均孔隙度為13.2%，平均滲透率為0.31 mD的砂巖露頭上鉆取小巖心和選取的一塊孔隙度為13.5%，滲透率為0.35 mD的長慶油田儲(chǔ)層巖心都進(jìn)行恒速壓汞［19］和黏土礦物含量測試，測試結(jié)果如圖2和表1所示。

圖2 露頭巖樣與實(shí)際儲(chǔ)層巖樣孔喉孔道半徑分布圖

表1 長慶低滲透露頭與儲(chǔ)層巖樣黏度礦物含量對比 %

可以看出，所選取的露頭巖樣和儲(chǔ)層巖樣的孔道半徑分布規(guī)律相似，黏土礦物含量接近，由此可以說明用選取的露頭巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地反映流體儲(chǔ)層中的流動(dòng)特征。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?。為了研究不同壓裂帶寬對壓裂效果的影響，采用長慶油田的井與單一裂縫驅(qū)替和井與復(fù)雜裂縫驅(qū)替（見圖3）［7］。

按照等效無因次導(dǎo)流能力［20］將上述砂巖露頭制作成如圖4所示的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?為實(shí)際井組和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途M的參數(shù)表。

圖3 長慶油田兩種驅(qū)替方式（m）

圖4 兩種平板模型注采井及測壓點(diǎn)的分布圖

表2 井組與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢山呛土芽p中間鉆取深孔模擬注水井和采出井，根據(jù)注采井間壓力梯度的分布規(guī)律，鉆取表層淺孔（降低鉆孔對平板模型流場的影響）布置測壓點(diǎn)，壓力測量點(diǎn)的布設(shè)遵循測量點(diǎn)需要模型的主要區(qū)域，但數(shù)量不應(yīng)過多。探頭對模型的壓力分布不可避免地產(chǎn)生影響，而且探頭過多不利于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鳎⒉删皽y壓點(diǎn)的分布如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)流程

（1）按照圖4在注采井和壓力測量點(diǎn)鉆孔，并用水沖洗，將鉆孔過程中殘留在孔中的粉末清洗干凈，然后放入80℃的恒溫箱中烘干24 h。

（2）從恒溫箱將平板露頭模型取出，靜置在空氣中讓其自然冷卻，將傳感器接頭粘貼在鉆孔處并做密封，防止封裝用膠流入鉆孔中。組裝封裝模具并將模具進(jìn)行加固和密封處理，防止封裝用膠泄露。將平板露頭模型垂直居中放置在模具的中間位置，使用一定原料混合而成的封裝用膠對平板露頭進(jìn)行澆注，放在空氣中靜置24 h，待其固化后拆掉摸具。

（3）采用多點(diǎn)抽真空飽和技術(shù)對平板露頭模型抽真空，飽和地層水［21］。先將模型進(jìn)行抽真空，然后將模型在常壓下進(jìn)行飽和。當(dāng)在常壓下模型不能夠繼續(xù)飽和進(jìn)水時(shí)，將模型在0.1 MPa壓力下進(jìn)行飽和24 h，然后將模型靜止放置48 h，以使模型充分均勻地飽和地層水。

（4）在0.1 MPa驅(qū)替壓力下，進(jìn)行單相驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，并記錄驅(qū)替過程中各點(diǎn)的壓力以及采井的采出量數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述實(shí)驗(yàn)方法和流程進(jìn)行了單一裂縫和復(fù)雜裂縫兩種模型的實(shí)驗(yàn)，表3為單一裂縫模型各個(gè)測壓點(diǎn)在不同滲流時(shí)刻的壓力值。

表3 單一裂縫模型各測量點(diǎn)在不同滲流時(shí)的壓力值kPa

根據(jù)表3各測壓點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用Surfer作圖軟件，繪制了平板模型的等壓線分布曲線，如圖5所示，圖中右上角為注入井，下中和左上角為產(chǎn)出井。

由圖5可以看出，在滲流狀態(tài)由非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的變化過程中，注水井附近壓力梯度逐漸變?。▓D右上角中等壓線由密集逐漸變稀疏），采出井附近壓力梯度逐漸變大（等壓線由稀疏逐漸變密集）。這是由于超低滲透平板露頭啟動(dòng)壓力梯度的存在，使得在驅(qū)替剛開始時(shí)在注水井附近形成局部的高壓區(qū)。隨著流動(dòng)時(shí)間的延長，壓力逐漸向采出井附近傳播。壓力優(yōu)先于沿注水井與裂縫前端的方向傳播，然后再沿著裂縫方向向采出井方向傳播。裂縫的存在相當(dāng)于縮短了滲流距離，使得裂縫周圍壓力梯度增大（裂縫周圍等壓線逐漸變密集）。

同理，將復(fù)雜裂縫模型在100 kPa驅(qū)替壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表4為各測壓點(diǎn)在不同滲流時(shí)刻的壓力值。

根據(jù)表4中各個(gè)測壓點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用Surfer作圖軟件，繪制了平板模型的等壓線分布曲線，如圖6所示，圖中右上角為注入井，下中和左上角為產(chǎn)出井。

圖5 單一裂縫模型驅(qū)替過程中壓力分布隨時(shí)間的變化圖

圖6 復(fù)雜裂縫模型驅(qū)替過程中壓力分布隨時(shí)間的變化圖

表4 復(fù)雜裂縫模型各個(gè)測點(diǎn)在不同滲流時(shí)刻的壓力值kPa

由圖6可見，相比于常規(guī)壓裂，體積壓裂模型壓力波及的范圍更大，側(cè)向壓降漏斗更大，動(dòng)用程度更大，更有利于流體的采出，穩(wěn)定所需時(shí)間更短。

將兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦塾?jì)產(chǎn)液量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5所示。

表5 兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠塾?jì)產(chǎn)液量 mL

由于裂縫的存在，兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谧畛?8 h內(nèi)，采1井都有液體采出，而采2井沒有；相比于單一裂縫模型，復(fù)雜裂縫模型采1井在最初18 h內(nèi)采出的液體更多。到達(dá)47 h時(shí)，復(fù)雜裂縫模型中采2井有液體采出，說明此時(shí)壓力已經(jīng)傳播到了采2井處，而單一裂縫模型沒有。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，復(fù)雜裂縫模型達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短，采1井和采2井最終的采出量也比常規(guī)壓裂模型多，說明復(fù)雜裂縫更有利于流體的流動(dòng)和采出。

3 結(jié)語

建立了不同壓裂帶寬條件下平板滲流效果物理模擬實(shí)驗(yàn)，相比較一維巖心實(shí)驗(yàn)，可以研究平面壓力場的變化過程，能夠更好地模擬壓裂后實(shí)際油藏的滲流規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，注入井附近壓力梯度逐漸減小，采出井和裂縫附近壓力梯度逐漸增加，這也說明了非線性滲流特征的存在。對比于單一裂縫模型，復(fù)雜裂縫模型能夠更好地波及側(cè)向儲(chǔ)層，側(cè)向壓降漏斗更大，有利于側(cè)向流體的采出，復(fù)雜裂縫模型累計(jì)采液量更多，采出速度也更快。

·名人名言·

科學(xué)上的許多重大突破，都是一點(diǎn)點(diǎn)細(xì)微的成績積累起來的。

——童第周