動態滲吸對超低滲透油藏開發的影響及應用

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.天津昆侖燃氣有限公司，天津 300459；6.中國石油技術開發有限公司，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，基本沒有自然產能[1-2]。中國超低滲透油藏儲量豐富，開發潛力巨大，主要集中在鄂爾多斯、松遼、準噶爾、柴達木等盆地[3-4]。與常規油藏相比，超低滲透油藏孔喉結構更加復雜，非均質性更強，流體流動阻力更大、流動性更差。由于裂縫系統發育，注水過程中注入水容易沿裂縫竄流，而基質中的油難以動用，導致含水上升快，常規注水開發效果差，采收率不足15%[5-7]。1952年，國外學者Aronofskfsky[8-10]等提出滲吸是裂縫性油藏注水開發的主要機理。近年來，國內外學者對靜態滲吸進行了相關的研究[11-14]，明確了靜態滲吸的驅油機理、數學模型和主要影響因素，但對超低滲透油藏的動態滲吸研究較少，對裂縫-基質間動態滲吸的滲流規律和影響因素認識不清。而在超低滲透油藏中，大部分原油是通過裂縫與基質間的動態滲吸采出，因此，加強超低滲透油藏裂縫-基質間的動態滲吸機理及影響因素研究，對提高該類儲層采收率至關重要。文中選取長慶油田超低滲透油藏的天然巖心，通過室內滲吸實驗研究了超低滲透油藏裂縫-基質間動態滲吸的滲流規律及影響因素。制備帶縫巖心，探索裂縫對超低滲透油藏動態滲吸的影響，為該類油藏的大規模開發提供理論依據。

1 超低滲油藏動態滲吸驅油機理

超低滲透油藏由基質和裂縫雙重介質組成，流體在雙重介質內流動，基質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，適合進行滲吸采油。

(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，注水過程中發生的滲吸叫動態滲吸。在動態滲吸過程中，滲吸作用和驅替作用同時存在，注入水在驅替作用下沿裂縫推進的同時，裂縫中的水在滲吸作用下靠毛管力置換基質中的油，油置換到裂縫后再通過注入水的驅替作用采出。

2 動態滲吸實驗方法

室內實驗采用長慶油田露頭巖心和模擬地層水，通過周期注水、動靜結合的方式對動態滲吸進行模擬。將地層水注入巖心后悶井，使巖心充分發揮滲吸作用。將基質中的原油置換到大孔道和裂縫后，再采用水驅將原油驅替出來。實驗主要分析動態滲吸效率的關鍵影響因素，并探索適合超低滲透油藏的悶井時間、注入速度、悶井周期等關鍵生產參數。

2.1 實驗裝置

動態滲吸裝置由美國Quizix5000系列高壓精密驅替泵、自動壓力采集系統、巖心夾持器、高壓活塞容器、環壓系統、計量系統等部分組成(圖1)。

圖1 動態滲吸實驗裝置示意圖

2.2 實驗方法

實驗用巖心參數見表1。實驗步驟參考行業標準SY/T 6424—2014《復合驅油體系性能測試方法》中驅油物理模擬實驗的相關規定，結合動態滲吸工藝參數優化的實驗目的，具體步驟：①巖心處理。將巖心放入105 °的烘箱內干燥4 h，達到恒重。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，兩者同時抽真空。打開水閥，使模擬地層水在真空負壓與大氣壓下充滿整個巖心孔隙，隨后采用質量差法計算巖心孔隙度。③飽和油。采用油驅水的方式進行飽和油，根據驅出水的體積控制驅入油量為60%～80%，制造束縛水飽和度。④水驅：恒速為0.02～0.30 mL/min水驅至含水率達98%以上。⑤悶井。為了使滲吸作用充分發揮，恒溫48 h以上。⑥再水驅。滲吸不再發生后繼續恒速水驅至含水98%。⑦重復步驟④～⑥，根據巖心情況進行2～3個周期。

表1 巖心參數

3 實驗結果及動態滲吸主要影響因素

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，結果顯示動態滲吸采收率為0，表明未發生滲吸。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，質量分數為0.1%)和非離子型表面活性劑(JO2，質量分數為0.1%)，改變巖心的潤濕性為親水后進行動態滲吸，實驗結果見圖2。由圖2可知，加入滲吸劑后的親油巖心可以發生動態滲吸，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，油水毛管力越大，油水逆向滲吸的驅動力越強，滲吸效率越高。因此，親水的超低滲透油藏適合進行滲吸采油，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，通過實驗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，實驗結果見圖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增加，并且滲吸開始的時間和達到滲吸平衡的時間較短。這是由于動態滲吸中作用力主要為逆向滲吸和驅替作用，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，驅替作用也越強烈，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)進行對照性實驗時，發現有裂縫的巖心動態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)平均動態滲吸采收率為13.70%，有裂縫巖心(7042-03)動態滲吸采收率為29.96%。這主要是由于儲層的非均質性越強，“小孔道吸水，大孔道和裂縫排油”的滲吸作用越強。裂縫可以增加儲層的非均質性，有利于提高滲吸效率。同時，復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，加速了滲吸發生。因此，對超低滲透油藏進行體積壓裂后進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時巖心的滲吸效率，結果見表2。實驗表明，隨著注入速度的增加，滲吸采收率先增大再減小，當注入速度為0.10 mL/min時，滲吸采收率最高，能夠達到18.50%。這是由于在動態滲吸過程，中大孔道和裂縫中的油是靠驅替作用排出，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替作用排出。注入速度越大，壓力差越大，驅替作用越大，水相則更快地進入大孔隙及裂縫中，提高了大孔隙的動用程度。同時也提高了流體流過大孔隙及裂縫的速度，但減少了水相經過毛管力進入小孔隙的機會，小孔隙的動用程度減小。當流速超過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)。相關實驗表明，有裂縫的巖心經過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。根據實驗結果，推薦超低滲透油田吞吐周期為2～3個周期，過多的吞吐周期會造成無效注水，增加油田生產成本。

表3 不同吞吐周期下的滲吸采收率

3.6 悶井時間

悶井時間越短，地層壓力的保持水平越高，裂縫的導流能力越大，生產壓差越大，相應的初期產量會越高，但悶井時間過短會降低小孔喉的動用程度，不利于發揮毛管力的滲吸作用。在實驗中，巖心悶井168 h后滲吸采收率不再增加，實驗結果見表4。

表4 不同悶井時間下的滲吸采收率

Morrow等[10]提出通過相似理論將實驗室的數據與實際油藏的數據進行對比，在流體性質和巖石特征相同的前提下可以得到全油藏的滲吸特征。

根據相似理論在其他因素相同的情況下，達到指定含水飽和度的滲吸時間和特征長度的平方成比例。室內用巖心平均長度為4.87 cm，含水達到98%時用時168 h，假設在油井動態滲吸中注入水可以從裂縫進入基質0.1 m的距離，計算可得用時708 h，大約為30 d。因此，推薦超低滲透油田悶井時間為30 d。

4 注水吞吐采油機理

親水超低滲透儲層中特有的滲吸作用是注水吞吐的基礎。超低滲透油藏由于孔喉細小，毛管壓力大，滲吸作用強；同時，由于體積改造形成復雜的縫網，增加了基質與裂縫的接觸面積，成為滲吸的優勢通道。注水階段水進入裂縫和部分大孔隙；關井后，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生滲吸置換，水進入小孔隙，油流入裂縫和大孔隙，油水重新達到平衡；開井生產階段壓力下降，裂縫和大孔隙中的油流入井筒。

5 礦場實踐

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。試驗區采用水平井注水開發，2013年水平井經過分段多簇壓裂后形成了一定規模的縫網，注水開發時注入水容易沿裂縫突進，油井發生水淹，產油量持續遞減，開發效果不理想。

2014年對該地區開展注水吞吐試驗，壓裂后初期產量較高、壓裂效果好，但產量遞減快、能量明顯不足、注水效果差。地層累計虧空較大的水平井，選出試驗區5口水平井進行注水吞吐試驗。設計單次悶井時間為30 d，生產5個月后開展下一周期吞吐試驗。2周期吞吐后5口井含水均有所下降，平均單井日產油增加1.3 t/d，井組累計增油2 145 t，整體效果較好，生產情況見表5、6。試驗結果對其他同類超低滲透油田注水開發有指導意義。

表5 水平井注水吞吐參數

表6 動態滲吸后產油量與含水率對比

6 結 論

(1) 在超低滲透油藏中基質是原油的儲存空間，裂縫是油的流動通道，為該類儲層能夠開采的關鍵因素。實驗中帶縫巖心的動態滲吸采收率比無縫巖心高16.26個百分點，表明裂縫越發育動態滲吸效率越高。建議超低滲透油田進行大規模體積壓裂，形成復雜縫網后，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，滲吸效果越好。親油巖石無法發生滲吸，可以通過加入滲吸劑改變潤濕性后再進行滲吸。儲層滲透率越高，動態滲吸采收率越高。

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

(4) 帶縫巖心經過2個周期吞吐后采收率不再增加，無縫巖心經過3個周期吞吐后采收率基本不再增加。建議超低滲透油田設計吞吐周期為2～3個。采用相似理論將實驗室數據應用到油田現場，建議超低滲透油田悶井時間為30 d。

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