低滲儲(chǔ)層滲流研究及主要開發(fā)對(duì)策

鄧 輝

（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069）

世界油氣資源面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，在我國常規(guī)儲(chǔ)層無法滿足工業(yè)需求，因此低滲儲(chǔ)層的勘探開發(fā)在我國顯得尤為重要[1]。低滲儲(chǔ)層特點(diǎn)孔喉細(xì)小，主要滲流空間非常有限；儲(chǔ)層橫向微相變化快，非均質(zhì)性很強(qiáng)；裂縫相對(duì)比較發(fā)育；流體滲流為非達(dá)西流；對(duì)多種因素敏感性非常強(qiáng)。

敏感性強(qiáng)決定在開發(fā)低滲儲(chǔ)層時(shí)儲(chǔ)層保護(hù)成為開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)所在。近些年來關(guān)于低滲儲(chǔ)層各種敏感性及其應(yīng)對(duì)措施已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，其中以應(yīng)力敏感性[1-6]、水鎖損害[7-13]為主，也包括敏感性礦物[14]及酸、堿性[15]等。

低滲儲(chǔ)層開發(fā)的關(guān)鍵過程在于保證油氣在其中的滲流過程。一切研究技術(shù)和方法應(yīng)當(dāng)以提高有效滲流為目的。本文將在滲流機(jī)制及其影響因素，以及開發(fā)、布井措施等方面予以綜述，探討最近國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、進(jìn)展以及仍需解決的主要問題。

1 滲流機(jī)制及其影響因素

1.1 滲流機(jī)制

低滲儲(chǔ)層的孔喉系統(tǒng)基本上由相對(duì)微小孔道組成，每個(gè)孔道均有各自的啟動(dòng)壓力梯度，只有外界驅(qū)動(dòng)壓力梯度大于其啟動(dòng)壓力梯度時(shí)，該孔道中的流體方能流動(dòng)。因各個(gè)孔喉啟動(dòng)壓力大小不盡相等，驅(qū)動(dòng)壓力梯度不斷提高時(shí)，更多孔喉相繼打通，儲(chǔ)層滲透性隨之增強(qiáng)，滲透率變大，因此其滲透率也為一變量。低滲儲(chǔ)層中流體的滲流屬于微尺度流動(dòng)[16,17]，在宏觀尺度常常被忽略的因素（如流體本身的性質(zhì)、流體的極性與非極性、小分子間作用力以及界面吸附效應(yīng)等[17]）此時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位。因此許多在宏觀流動(dòng)中被忽略的或一些影響較小的因素，此時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位，致使其流量和壓力梯度呈非線性關(guān)系（見圖1）。在實(shí)驗(yàn)室，恒速壓汞、核磁共振、離心試驗(yàn)及微量驅(qū)替等多種技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室中研究巖樣滲流規(guī)律[18]。

地質(zhì)模型經(jīng)常被用來研究地質(zhì)參數(shù)發(fā)展和變化的規(guī)律，對(duì)于非線性滲流的研究也不例外。姜瑞忠等（2011）分別用達(dá)西、擬啟動(dòng)壓力梯度及非線性模型計(jì)算，得出地層中壓力梯度場[19]。結(jié)果表明，由于微尺度流動(dòng)效應(yīng)，非線性滲流與線性滲流規(guī)律對(duì)比分析指示，如果使用擬啟動(dòng)壓力梯度模型，地層整體滲流阻力被夸大；而達(dá)西模型則夸大儲(chǔ)層的滲透性，該兩類情況在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)予以考慮。同時(shí)計(jì)算出的達(dá)西流、擬線性流以及非線性流三種情況下油藏含水率（見圖2）顯示，擬啟動(dòng)壓力梯度模型最快而達(dá)西模型最慢，非線性模型居中。其原因是跟水相比，油相的滲流阻力與達(dá)西模型相對(duì)較大，因此水相滲透能力相對(duì)強(qiáng)。

1.2 應(yīng)力敏感性

流體在儲(chǔ)層中滲流受到流體自身性質(zhì)、巖石性質(zhì)及其相互作用的影響。流體在儲(chǔ)層中滲流受到應(yīng)力影響表現(xiàn)為兩方面：一方面作用于流體的應(yīng)力場直接影響滲流作用；另一方面巖石骨架應(yīng)力場變化使得巖石可能發(fā)生變形，二者之間耦合作用的變化使得滲流作用受到影響[20]。近些年來應(yīng)力敏感性研究主要集中在實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、滲流模型以及油氣藏產(chǎn)能三方面[1]，其中以實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的研究居多數(shù)。

在試驗(yàn)評(píng)價(jià)中，國內(nèi)外學(xué)者多以各種函數(shù)形式建立應(yīng)力與有效滲流之間的關(guān)系。亦有學(xué)者認(rèn)為研究滲透損害與應(yīng)力之間的關(guān)系更為直接，并總結(jié)出應(yīng)力敏感性的各種控制因素[1]。實(shí)驗(yàn)研究表明隨著有效應(yīng)力增加，巖樣的滲透率呈規(guī)律減?。ㄒ妶D3 a），其原因是壓力增加使得閉合壓力閥門相對(duì)低的孔喉關(guān)閉，整體滲流能力降低；且滲透率下降速度亦隨著應(yīng)力增加速率提高而加快（見圖3b）[3,5,20,21]。在開采中，如果孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，則造成的傷害過程具有不可逆性，并且滲透率越小、有效應(yīng)力加載速度越快，永久傷害率也越大[5]。同時(shí)，應(yīng)力敏感性損害亦可因粘土礦物遇水膨脹、微粒堵塞、流體潤滑作用滲流通道變窄而加劇[3]。

滲流模型大概分為兩類：其一基于混合物理論，其二基于傳統(tǒng)的流動(dòng)模型[22,23]。而在生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適者。應(yīng)力敏感性對(duì)產(chǎn)能的影響較難把握，其研究尚處于理論的模型建立和公式推導(dǎo)，實(shí)際應(yīng)用方面較為欠缺。

1.3 水鎖損害

注水開發(fā)過程外來水相流體滲入油氣層孔道后克服其毛細(xì)管阻力方能使得油氣滲向井筒。外加能量不能克服這一阻力，就無法消除水的堵塞，最終降低采收率，稱“水鎖損害”。水鎖損害被認(rèn)為主要由毛管壓力和賈敏效應(yīng)產(chǎn)生的附加壓力引起，同時(shí)受含水飽和度、巖石潤濕性、水相物理侵入深度、流動(dòng)壓差、鉆井工藝等綜合影響[9,11,12,24]。

如果儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度，油、氣反排工作液最多只能將儲(chǔ)層中含水飽和度降至束縛水飽和度，這一過程中產(chǎn)生的水鎖稱暫時(shí)性水鎖。只要時(shí)間足夠長，暫時(shí)性水鎖可以完全解除。但是滲透率越低，解除傷害所需時(shí)間越長。但如不幸將地層中含水飽和度降低至原始含水飽和度，產(chǎn)生的水鎖稱永久性水鎖，無法解除[7]。低滲儲(chǔ)層開采過程中水鎖損害隨工作液壓力增大和時(shí)間加長而加重，因此在對(duì)低滲儲(chǔ)層修井作業(yè)或壓裂改造作用時(shí)，不僅需降低流體密度，更應(yīng)盡量縮短其時(shí)間[9]。

多種實(shí)驗(yàn)方法被用于水鎖傷害的評(píng)價(jià)研究，如靜態(tài)巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，巖樣浸泡實(shí)驗(yàn)等。近些年來學(xué)者甚至嘗試室內(nèi)定性分析的手段，認(rèn)為在某一極限內(nèi)，水鎖傷害隨著地層含水飽和度的增加而嚴(yán)重。

1.4 其他影響

除應(yīng)力敏感及水鎖損害之外，低滲儲(chǔ)層滲透率也受到酸敏、堿敏及微顆粒等影響。酸敏指數(shù)主要受碳酸鹽及綠泥石影響，隨綠泥石含量增大而加重，隨鹽酸鹽含量增加而減弱；堿敏、微顆粒均隨著粘土礦物含量的增多而加重[15]。同時(shí)，低滲儲(chǔ)層普遍發(fā)育微型裂縫，對(duì)儲(chǔ)層滲透性起到不同程度的改善作用，但同時(shí)增加了其非均質(zhì)性。另一方面，低滲儲(chǔ)層滲透率受到諸多外因影響，如流體自身特性、地層溫度等。多種因素之間又相互影響，使得低滲儲(chǔ)層滲流參數(shù)更為復(fù)雜。如流體損害可通過影響儲(chǔ)層應(yīng)力敏感新進(jìn)一步影響滲透率[3]；再如正壓射孔附近壓力增大可以使得水鎖傷害增加[8]；又如流體應(yīng)力場的增加導(dǎo)致微顆粒堵塞（賈敏效應(yīng)）更加重。近些年來鑄體薄片、壓汞、掃描電鏡等試驗(yàn)方法以及灰色關(guān)聯(lián)分析法、相對(duì)比較法等分析思路的創(chuàng)新有助于研究工作的更深一步進(jìn)行，并指導(dǎo)實(shí)際開采工作。

2 應(yīng)對(duì)措施

低滲低產(chǎn)的油氣井,為了達(dá)到理想的開采效果,人們根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了一系列的努力和探索。在低滲儲(chǔ)層開發(fā)中，對(duì)儲(chǔ)層的保護(hù)顯得尤為重要。研究者根據(jù)實(shí)際情況以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從解除水鎖傷害、注水措施、布井措施等方面提出各種應(yīng)對(duì)措施。

2.1 解除水鎖傷害

低滲儲(chǔ)層中，水鎖損傷是最嚴(yán)重的。如是水鎖損傷只是暫時(shí)性的，在解除之后其他傷害異客得到不同程度的緩解[25]。因此對(duì)暫時(shí)性水鎖傷害的解除技術(shù)、方法非常關(guān)鍵。水鎖傷害的機(jī)理有毛細(xì)管自吸作用、液相滯留效應(yīng)，因此在抑制或解除水鎖傷害當(dāng)以此為治本之策。

在水鎖傷害的抑制和解除中，以各種表面活性劑的使用居多，其機(jī)理是表面活性劑降低界面張力，從而在降低含水飽和度方面發(fā)揮作用。以往較為常用的是2%的KCl，近些年來根據(jù)實(shí)際地層情況應(yīng)用較好者諸如FHB-10在中原油田文23氣田中得到較好效果[13]；復(fù)配體系0.8%石油磺酸鹽加0.05%鼠李糖脂和1%碳酸鈉在平湖油氣田應(yīng)用效果非常好[12]。除此之外，亦有通過熱處理、增強(qiáng)井周圍滲流性以及提高反派速度等措施。比如，巖心實(shí)驗(yàn)表明，高頻微波加熱不僅效率高，而且不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生二次傷害。而在凝析氣開采中，近井區(qū)反凝析及反滲析引起的動(dòng)態(tài)地層傷害成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[26]。

2.2 注水措施

低滲儲(chǔ)層存在啟動(dòng)壓力梯度與介質(zhì)變形，因此在開發(fā)過程中很難做到穩(wěn)產(chǎn)，采收率很低。同時(shí)因滲透率降低多具有不可逆性，在注水開采中多采用超前注水。這在鄂爾多斯盆地取得較為理想的效果[27]。

超前注水的重點(diǎn)在于保證注入水與地層水的配伍性，把握壓力平衡以及最佳開采時(shí)機(jī)[28,29]。一般而言，注入水的壓力應(yīng)控制在地層破壓的90%以內(nèi)，而儲(chǔ)層滲透率越低，原始?jí)毫υ礁?，注水?dāng)越提前[28]。有巖心（對(duì)長慶莊19井區(qū)）實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，最佳開采時(shí)機(jī)為注水壓力傳至巖心長度32%之時(shí)[29]。

在開發(fā)的中后期，注水策略當(dāng)適當(dāng)做出積極調(diào)整，以適應(yīng)儲(chǔ)層內(nèi)部動(dòng)態(tài)的變化。其原則是協(xié)調(diào)注水壓力與水平最小主應(yīng)力以及最大主應(yīng)力之間的平衡關(guān)系。如在頭臺(tái)油田茂11區(qū)塊實(shí)施限壓注水、周期輪換注水，取得很好效果[2]。

2.3 布井措施

低滲儲(chǔ)層中，流體多為非達(dá)西滲流，因此在地下流體滲流場的分布研究、在油田開發(fā)預(yù)測、井網(wǎng)井距的選擇等方面受到特別重視。注采井距在很大程度上影響特低滲儲(chǔ)層開發(fā)效果，其確定主要以滲透率及啟動(dòng)壓力梯度為主要參考。一般的規(guī)律為，合理的注采井距隨著滲透率和注采壓差的增高而增大，隨著原油粘度、啟動(dòng)壓力梯度及期望采收率的增大而減小[30]。

低滲儲(chǔ)層開發(fā)布井方式除線狀井網(wǎng)外，較為常見的是正方形反九點(diǎn)面積井網(wǎng)（見圖4）。二者見效相當(dāng)，但后者如果采用強(qiáng)注水，油井含水會(huì)迅速上升，因此對(duì)注水策略的控制更嚴(yán)格。陳淑利以頭臺(tái)油田茂11區(qū)塊為例，提出排距控制在70～100 m，并采用低量、低壓、平穩(wěn)的注水策略[2]。

在煤層氣開采方面，王新海綜合考慮三維氣水兩相滲流、壓力敏感性、啟動(dòng)壓力梯度等因素，提出煤層氣定向羽狀水平井開采模型（見圖5）[31]。該模型中，高效的降壓策略使得煤層氣產(chǎn)量提高，但啟動(dòng)壓力梯度的存在使得開采效果變差。

2.4 人工裂縫及其他措施

低滲儲(chǔ)層發(fā)育的微裂縫在開發(fā)過程中產(chǎn)生很重要的增滲作用，因此對(duì)裂縫的改造非常重要。對(duì)裂縫進(jìn)行適當(dāng)改造，亦成為關(guān)鍵技術(shù)之一。儲(chǔ)層天然裂縫欠發(fā)育情況下，人工裂縫一般垂直于期望應(yīng)力梯度方向，使得沿裂縫注入的水通過兩側(cè)驅(qū)油。而天然裂縫如果發(fā)育，則首先應(yīng)對(duì)天然裂縫的方向進(jìn)行識(shí)別，目前較為先進(jìn)的方案為定向取心及成像測井；其次分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場，建立儲(chǔ)層厚度和裂縫間距的相關(guān)關(guān)系，適當(dāng)實(shí)施人工改造，并綜合優(yōu)選注采井網(wǎng)分布及方向。該策略在安棚油田的應(yīng)用效果較理想[32]。除此之外，開采工藝和方案的不斷探索和管理制度的不斷完善亦為低滲儲(chǔ)層勘探開發(fā)必不可少。近些年來產(chǎn)生新方案如間歇開采、多次開采等。同時(shí)，各種方案無法適應(yīng)所有開采需求，在選擇開采策略時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜，靈活選取與開采區(qū)最合適方案。

3 討論與展望

關(guān)于低滲儲(chǔ)層的研究，雖有大量客觀成果，但仍存在諸多問題。

在應(yīng)力研究方面，目前關(guān)于應(yīng)力敏感對(duì)油田生產(chǎn)的影響尚缺定量性，且研究多為室內(nèi)巖樣為對(duì)象，對(duì)整個(gè)非均質(zhì)儲(chǔ)層的滲透特性難以把握。應(yīng)力敏感性的研究趨勢應(yīng)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論公式及儲(chǔ)層物性融為一體,得到一個(gè)全面的應(yīng)力敏感性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

在注水開發(fā)方面，水氣交替注入方式有利于提高特低滲儲(chǔ)層的原油采收率，是開發(fā)低滲、特低滲儲(chǔ)層重要的方法之一，值得深入研究。在氣田生產(chǎn)中也未形成類似油田中間歇開采的理論，建立間歇開采制度優(yōu)化模型，僅出現(xiàn)一些初步探索。

在低滲儲(chǔ)層開發(fā)方案中應(yīng)當(dāng)在堅(jiān)持“整體觀念”的指導(dǎo)思想的同時(shí)，具體問題具體分析，不能用簡單的模型套用所有問題。開發(fā)儲(chǔ)層是動(dòng)態(tài)的過程，并且受到諸多無法預(yù)料或無法定量的因素的影響，因此筆者更傾向于在定量的同時(shí)，更加強(qiáng)定性方面的研究。

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