動態(tài)滲吸對超低滲透油藏開發(fā)的影響及應(yīng)用

胡亞斐，李軍詩，胡水清，吳峙穎，3，姜 晶，董 寧，胡泊旸，呂彥兵

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油咨詢中心，北京 100120；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；4.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；5.天津昆侖燃?xì)庥邢薰?，天?300459；6.中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100028；7. 中國石油華北油田分公司，山西 晉城 048203)

0 引 言

超低滲透油藏是指滲透率為0.10 ～1.00 mD的油藏，此類油藏非常致密，束縛水飽和度較高，基本沒有自然產(chǎn)能[1-2]。中國超低滲透油藏儲量豐富，開發(fā)潛力巨大，主要集中在鄂爾多斯、松遼、準(zhǔn)噶爾、柴達(dá)木等盆地[3-4]。與常規(guī)油藏相比，超低滲透油藏孔喉結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，非均質(zhì)性更強(qiáng)，流體流動阻力更大、流動性更差。由于裂縫系統(tǒng)發(fā)育，注水過程中注入水容易沿裂縫竄流，而基質(zhì)中的油難以動用，導(dǎo)致含水上升快，常規(guī)注水開發(fā)效果差，采收率不足15%[5-7]。1952年，國外學(xué)者Aronofskfsky[8-10]等提出滲吸是裂縫性油藏注水開發(fā)的主要機(jī)理。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對靜態(tài)滲吸進(jìn)行了相關(guān)的研究[11-14]，明確了靜態(tài)滲吸的驅(qū)油機(jī)理、數(shù)學(xué)模型和主要影響因素，但對超低滲透油藏的動態(tài)滲吸研究較少，對裂縫-基質(zhì)間動態(tài)滲吸的滲流規(guī)律和影響因素認(rèn)識不清。而在超低滲透油藏中，大部分原油是通過裂縫與基質(zhì)間的動態(tài)滲吸采出，因此，加強(qiáng)超低滲透油藏裂縫-基質(zhì)間的動態(tài)滲吸機(jī)理及影響因素研究，對提高該類儲層采收率至關(guān)重要。文中選取長慶油田超低滲透油藏的天然巖心，通過室內(nèi)滲吸實(shí)驗(yàn)研究了超低滲透油藏裂縫-基質(zhì)間動態(tài)滲吸的滲流規(guī)律及影響因素。制備帶縫巖心，探索裂縫對超低滲透油藏動態(tài)滲吸的影響，為該類油藏的大規(guī)模開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 超低滲油藏動態(tài)滲吸驅(qū)油機(jī)理

超低滲透油藏由基質(zhì)和裂縫雙重介質(zhì)組成，流體在雙重介質(zhì)內(nèi)流動，基質(zhì)是油的主要儲集空間，裂縫是油的主要流動通道。毛管力是滲吸的主要動力，根據(jù)毛管力公式(1)可以看出，孔隙半徑越小毛管力越大。超低滲透儲層的孔隙度低、孔隙半徑小，因此，毛管力大，滲吸作用強(qiáng)，適合進(jìn)行滲吸采油。

(1)

式中：p為毛管力，Pa；σ為界面張力，mN/m；θ為接觸角，°；r為孔隙半徑，mm。

地層條件下，注水過程中發(fā)生的滲吸叫動態(tài)滲吸。在動態(tài)滲吸過程中，滲吸作用和驅(qū)替作用同時(shí)存在，注入水在驅(qū)替作用下沿裂縫推進(jìn)的同時(shí)，裂縫中的水在滲吸作用下靠毛管力置換基質(zhì)中的油，油置換到裂縫后再通過注入水的驅(qū)替作用采出。

2 動態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)方法

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用長慶油田露頭巖心和模擬地層水，通過周期注水、動靜結(jié)合的方式對動態(tài)滲吸進(jìn)行模擬。將地層水注入巖心后悶井，使巖心充分發(fā)揮滲吸作用。將基質(zhì)中的原油置換到大孔道和裂縫后，再采用水驅(qū)將原油驅(qū)替出來。實(shí)驗(yàn)主要分析動態(tài)滲吸效率的關(guān)鍵影響因素，并探索適合超低滲透油藏的悶井時(shí)間、注入速度、悶井周期等關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

動態(tài)滲吸裝置由美國Quizix5000系列高壓精密驅(qū)替泵、自動壓力采集系統(tǒng)、巖心夾持器、高壓活塞容器、環(huán)壓系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)等部分組成(圖1)。

圖1 動態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用巖心參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)步驟參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6424—2014《復(fù)合驅(qū)油體系性能測試方法》中驅(qū)油物理模擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合動態(tài)滲吸工藝參數(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，具體步驟：①巖心處理。將巖心放入105 °的烘箱內(nèi)干燥4 h，達(dá)到恒重。②飽和水。干燥后的巖心放入巖心夾持器，將模擬地層水注入中間容器內(nèi)，兩者同時(shí)抽真空。打開水閥，使模擬地層水在真空負(fù)壓與大氣壓下充滿整個(gè)巖心孔隙，隨后采用質(zhì)量差法計(jì)算巖心孔隙度。③飽和油。采用油驅(qū)水的方式進(jìn)行飽和油，根據(jù)驅(qū)出水的體積控制驅(qū)入油量為60%～80%，制造束縛水飽和度。④水驅(qū)：恒速為0.02～0.30 mL/min水驅(qū)至含水率達(dá)98%以上。⑤悶井。為了使?jié)B吸作用充分發(fā)揮，恒溫48 h以上。⑥再水驅(qū)。滲吸不再發(fā)生后繼續(xù)恒速水驅(qū)至含水98%。⑦重復(fù)步驟④～⑥，根據(jù)巖心情況進(jìn)行2～3個(gè)周期。

表1 巖心參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及動態(tài)滲吸主要影響因素

3.1 潤濕性

潤濕性是影響滲吸的主要因素之一。5-1、5-2、5-3巖心為親油性，核磁共振結(jié)果顯示巖心飽和油后呈雙峰分布，且大孔隙中的原油較多。5-1中注入地層水，結(jié)果顯示動態(tài)滲吸采收率為0，表明未發(fā)生滲吸。注入5-2和5-3的地層水中分別加入陰離子表面活性劑(CS124，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)和非離子型表面活性劑(JO2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)，改變巖心的潤濕性為親水后進(jìn)行動態(tài)滲吸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可知，加入滲吸劑后的親油巖心可以發(fā)生動態(tài)滲吸，2種滲吸劑均可以提高巖心的滲吸采收率。這是由于巖石水濕性越強(qiáng)，油水毛管力越大，油水逆向滲吸的驅(qū)動力越強(qiáng)，滲吸效率越高。因此，親水的超低滲透油藏適合進(jìn)行滲吸采油，親油的儲層可以采用加滲吸劑的方法改變潤濕性后再進(jìn)行滲吸采油。

圖2 親油巖心滲吸采收率

3.2 滲透率

選取不同滲透率的3塊巖心2-1、2-3、2-4，通過實(shí)驗(yàn)探索滲透率對滲吸作用的影響。3塊巖心滲透率分別為0.21、1.52、8.16 mD，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，隨著滲透率的增加滲吸采出程度也相應(yīng)增加，并且滲吸開始的時(shí)間和達(dá)到滲吸平衡的時(shí)間較短。這是由于動態(tài)滲吸中作用力主要為逆向滲吸和驅(qū)替作用，逆向滲吸包括水的吸入和油的排出，滲透率越大原油的啟動壓力和滲流阻力越小，越有利于原油的排出。同時(shí)，驅(qū)替作用也越強(qiáng)烈，滲吸采出程度越高。

圖3 滲透率對滲吸采出程度的影響

3.3 裂縫

4塊巖心7042-08、7042-07、7042-06、7042-03(有裂縫)進(jìn)行對照性實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有裂縫的巖心動態(tài)滲吸采收率比沒有裂縫的巖心明顯提高。3塊無裂縫巖心(7042-08、7042-07、7042-06)平均動態(tài)滲吸采收率為13.70%，有裂縫巖心(7042-03)動態(tài)滲吸采收率為29.96%。這主要是由于儲層的非均質(zhì)性越強(qiáng)，“小孔道吸水，大孔道和裂縫排油”的滲吸作用越強(qiáng)。裂縫可以增加儲層的非均質(zhì)性，有利于提高滲吸效率。同時(shí)，復(fù)雜的裂縫增加了油水的接觸面積和滲流通道，降低了油的排出阻力，加速了滲吸發(fā)生。因此，對超低滲透油藏進(jìn)行體積壓裂后進(jìn)行滲吸采油可以明顯提高采油速度和采出程度。

3.4 注入速度

分別測試注入速度為0.01、0.03、0.10、0.30 mL/min時(shí)巖心的滲吸效率，結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)表明，隨著注入速度的增加，滲吸采收率先增大再減小，當(dāng)注入速度為0.10 mL/min時(shí)，滲吸采收率最高，能夠達(dá)到18.50%。這是由于在動態(tài)滲吸過程，中大孔道和裂縫中的油是靠驅(qū)替作用排出，而小孔隙中的油通過毛管力作用置換到大孔隙及裂縫中后由驅(qū)替作用排出。注入速度越大，壓力差越大，驅(qū)替作用越大，水相則更快地進(jìn)入大孔隙及裂縫中，提高了大孔隙的動用程度。同時(shí)也提高了流體流過大孔隙及裂縫的速度，但減少了水相經(jīng)過毛管力進(jìn)入小孔隙的機(jī)會，小孔隙的動用程度減小。當(dāng)流速超過0.10 mL/min后，增加注入速度只會增加原油排出的速度，不會提高采出程度。因此，過高的流速只是提高了采油速度，攜帶水相快速的通過裂縫和大孔隙，不利于小孔隙中的油水置換，但過低的流速又會影響采油速度，降低生產(chǎn)效率。超低滲透油藏合理的注入速度為0.03～0.10 mL/min。

表2 不同注入速度下的采收率

3.5 吞吐周期

滲吸采油量隨著吞吐周期的增加而逐漸降低(表3)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，有裂縫的巖心經(jīng)過2次悶井后采收率不再增加，無裂縫的巖心第3次悶井后仍有少量的油采出，采收率有小幅度增加，但總采收率增加量較有裂縫的巖心低，說明裂縫的存在不僅增加了滲吸采收率而且提高了滲吸效率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推薦超低滲透油田吞吐周期為2～3個(gè)周期，過多的吞吐周期會造成無效注水，增加油田生產(chǎn)成本。

表3 不同吞吐周期下的滲吸采收率

3.6 悶井時(shí)間

悶井時(shí)間越短，地層壓力的保持水平越高，裂縫的導(dǎo)流能力越大，生產(chǎn)壓差越大，相應(yīng)的初期產(chǎn)量會越高，但悶井時(shí)間過短會降低小孔喉的動用程度，不利于發(fā)揮毛管力的滲吸作用。在實(shí)驗(yàn)中，巖心悶井168 h后滲吸采收率不再增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同悶井時(shí)間下的滲吸采收率

Morrow等[10]提出通過相似理論將實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)與實(shí)際油藏的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在流體性質(zhì)和巖石特征相同的前提下可以得到全油藏的滲吸特征。

根據(jù)相似理論在其他因素相同的情況下，達(dá)到指定含水飽和度的滲吸時(shí)間和特征長度的平方成比例。室內(nèi)用巖心平均長度為4.87 cm，含水達(dá)到98%時(shí)用時(shí)168 h，假設(shè)在油井動態(tài)滲吸中注入水可以從裂縫進(jìn)入基質(zhì)0.1 m的距離，計(jì)算可得用時(shí)708 h，大約為30 d。因此，推薦超低滲透油田悶井時(shí)間為30 d。

4 注水吞吐采油機(jī)理

親水超低滲透儲層中特有的滲吸作用是注水吞吐的基礎(chǔ)。超低滲透油藏由于孔喉細(xì)小，毛管壓力大，滲吸作用強(qiáng)；同時(shí)，由于體積改造形成復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加了基質(zhì)與裂縫的接觸面積，成為滲吸的優(yōu)勢通道。注水階段水進(jìn)入裂縫和部分大孔隙；關(guān)井后，地層壓力重新分布，大孔隙和裂縫中的水與小孔隙中的油發(fā)生滲吸置換，水進(jìn)入小孔隙，油流入裂縫和大孔隙，油水重新達(dá)到平衡；開井生產(chǎn)階段壓力下降，裂縫和大孔隙中的油流入井筒。

5 礦場實(shí)踐

鄂爾多斯盆地A油田為典型超低滲透油藏，主力油層厚度為15～20 m，平均孔隙度為7.9%，平均滲透率為0.17 mD，喉道半徑小，巖石弱親水。試驗(yàn)區(qū)采用水平井注水開發(fā)，2013年水平井經(jīng)過分段多簇壓裂后形成了一定規(guī)模的縫網(wǎng)，注水開發(fā)時(shí)注入水容易沿裂縫突進(jìn)，油井發(fā)生水淹，產(chǎn)油量持續(xù)遞減，開發(fā)效果不理想。

2014年對該地區(qū)開展注水吞吐試驗(yàn)，壓裂后初期產(chǎn)量較高、壓裂效果好，但產(chǎn)量遞減快、能量明顯不足、注水效果差。地層累計(jì)虧空較大的水平井，選出試驗(yàn)區(qū)5口水平井進(jìn)行注水吞吐試驗(yàn)。設(shè)計(jì)單次悶井時(shí)間為30 d，生產(chǎn)5個(gè)月后開展下一周期吞吐試驗(yàn)。2周期吞吐后5口井含水均有所下降，平均單井日產(chǎn)油增加1.3 t/d，井組累計(jì)增油2 145 t，整體效果較好，生產(chǎn)情況見表5、6。試驗(yàn)結(jié)果對其他同類超低滲透油田注水開發(fā)有指導(dǎo)意義。

表5 水平井注水吞吐參數(shù)

表6 動態(tài)滲吸后產(chǎn)油量與含水率對比

6 結(jié) 論

(1) 在超低滲透油藏中基質(zhì)是原油的儲存空間，裂縫是油的流動通道，為該類儲層能夠開采的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)中帶縫巖心的動態(tài)滲吸采收率比無縫巖心高16.26個(gè)百分點(diǎn)，表明裂縫越發(fā)育動態(tài)滲吸效率越高。建議超低滲透油田進(jìn)行大規(guī)模體積壓裂，形成復(fù)雜縫網(wǎng)后，利用滲吸采油提高采出程度。

(2) 潤濕性是影響滲吸效率的主要因素，巖石親水性越強(qiáng)，滲吸效果越好。親油巖石無法發(fā)生滲吸，可以通過加入滲吸劑改變潤濕性后再進(jìn)行滲吸。儲層滲透率越高，動態(tài)滲吸采收率越高。

(3) 動態(tài)滲吸中滲吸作用和驅(qū)替作用同時(shí)存在。對于超低滲透儲層注入速度為0.10 mL/min時(shí)2種作用力之和達(dá)到最大，滲吸采收率最高。

(4) 帶縫巖心經(jīng)過2個(gè)周期吞吐后采收率不再增加，無縫巖心經(jīng)過3個(gè)周期吞吐后采收率基本不再增加。建議超低滲透油田設(shè)計(jì)吞吐周期為2～3個(gè)。采用相似理論將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)應(yīng)用到油田現(xiàn)場，建議超低滲透油田悶井時(shí)間為30 d。

(5) 利用滲吸作用采油是開發(fā)裂縫性超低滲透油藏的關(guān)鍵技術(shù)，該方法能夠降低裂縫性水竄促進(jìn)油水重新分布，滲吸采油技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。