致密儲層超前注氣壓力傳導與開采特征研究

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，壓力傳導速率越慢，當滲透率小于某臨界滲透率時，壓力傳導速率急劇降低，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量初期下降速度均較快，但定壓邊界情況下產量迅速降低后穩定在相對較大值，而封閉邊界情況下，產量持續降低。定壓邊界條件下，不同滲透率流量達到穩定的時間均相同，但穩定流量不同，滲透率越大穩定流量越大；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，不同邊界條件下產量遞減規律有較大差異。

致密儲層；超前注氣；壓力傳導；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中的傳導很慢，很難通過常規注水補充致密基質中的能量[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部物性的不可逆變化，提高后續開采階段的采收率，注氣時機選擇超前注氣。致密油儲層的壓力傳導規律決定了注氣速度與致密氣藏的開發速度。但目前國內外對于致密油儲層的壓力傳導規律的研究還很少[7-10]，開發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特征與開采特征，進而探索致密油藏超前注氣開發相關規律。

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特征及開采規律。其主要實驗設備：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、數據采集裝置、回壓閥。

長巖心模擬系統采用多根直徑為2.5 cm的致密天然巖心拼接而成。選用巖心為國內某油田取得的致密天然巖心，實驗分組情況及巖心基礎數據見表1。沿滲流方向布置5個測壓點，通過壓力傳感器與數據采集裝置采集實時壓力數據。系統入口壓力采用ISCO高精度泵壓縮中間容器內氮氣完成，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 實驗巖心基礎數據

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，關閉出口，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部各點壓力恒定在10 MPa后關閉入口閥門；③在恒定有效應力為3 MPa的情況下逐漸提高中間容器內的入口壓力至穩定(11、12、13、14、15、16、17 MPa)，巖心夾持器出口閥門關閉，在巖心夾持器內初始壓力分別為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據，模擬超前注入過程。待巖心各測壓點壓力穩定后繼續停留1 h，結束實驗，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在巖心夾持器內初始壓力為17 MPa的情況下，關閉入口，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，待內部各點壓力穩定后停止；②巖心夾持器內各測壓點壓力穩定在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，直到巖心內部各壓力點穩定。

3 實驗結果與討論

3.1 超前注氣情況下致密儲層氣體壓力傳導特征

在不同入口壓力、恒定初始壓差1 MPa、恒定有效應力3 MPa、出口閥門關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穩定狀態所需時間，以其穩定時間表征氣體在致密儲層中壓力傳導速度。圖1是4組巖心中各測壓點距巖心入口端距離與穩定時間的關系。

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定時間與巖心距離呈指數上升趨勢，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，壓力穩定時間較長，在未穩定的同一時間內壓力分布平均性較差。注氣壓力越大，壓力穩定時間越短，在未穩定的同一時間內壓力分布平均性越好。

壓力穩定時間越短，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，同時較高的地層壓力可有效防止滲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，壓力穩定時間越短，壓力傳播越快，但是壓力穩定時間并不隨壓力的減小呈線性降低，在14 MPa后壓力的穩定時間趨于平緩。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定時間

圖2 壓力穩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，穩定時間越短，壓力傳導速率越快。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，壓力穩定時間迅速增大，壓力傳導速度大幅下降。因此，在目前的技術條件下挑選超前注氣區塊時應盡量挑選大于臨界滲透率的區塊，此時壓力在致密巖石中的傳導速率較大，壓力穩定時間較短，超前注氣時間效果較好。在不同注入壓力下，壓力越高，壓力穩定時間越短，且不同滲透率穩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特征

在入口壓力為17 MPa下，關閉入口，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，隨著累計生產時間的增加，流量先急速降低，而后緩慢趨于0(圖4)。生產開始時，不同滲透率巖心流量值相同，隨著生產的不斷進行，同一累計生產時間下，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，隨著累計生產時間的增加，流量先急速降低，而后逐漸穩定于某一流量值(圖5)。不同滲透率下，同一累計生產時間時，滲透率越大，流量越大。在巖心長度一定的情況下，達到穩定的時間均相似，但穩定流量不同，滲透率越大穩定流量越大。

由圖4、5可知，補充能量的定壓邊界開采平均產量遠高于自然能量開采，而定壓邊界開采初期產量較大，但產量下降較快，初期產量下降幅度高達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，產生相對較高流量，但隨著地層壓力降至穩定，孔隙壓力急劇降低，有效應力顯著增加，滲流條件發生變化，流量較低。

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

(3) 滲透率對于產量存在一定的影響。定壓邊界條件下，不同滲透率流量達到穩定的時間均相同，但穩定流量不同，滲透率越大穩定流量越大；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”(2011ZX05009-004)

安維青(1985-)，男，2009年畢業于西南石油大學石油工程專業，現為中國石油大學(北京)石油工程專業在讀博士研究生，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