低滲透裂縫油藏生產(chǎn)曲線特征及提高采收率技術(shù)研究?

李永太，李辰，張建國(guó)，郝化武，王振生

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司子北采油廠，陜西子長(zhǎng)717300；3.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西西安710054)

0 引言

目前，我們對(duì)石油資源的需求逐漸加大．但是中高滲透油藏的可采儲(chǔ)量的遞減率在逐漸提高．由此對(duì)低滲透裂縫油藏的開發(fā)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)．低滲透裂縫油藏具有微裂縫發(fā)育、脆性大、儲(chǔ)集層巖石密度大、滲透率低、峰度低以及壓力小等特點(diǎn)，無(wú)形中就加大了井區(qū)的開發(fā)難度．低滲透裂縫油藏中具有溶蝕洞、基質(zhì)孔隙和裂縫等類型的存儲(chǔ)介質(zhì)，這些存儲(chǔ)介質(zhì)的滲流能力和存儲(chǔ)方式是不同的，但是介質(zhì)之間是相互連通的．H.JI布茲列夫斯基[1]提出了啟動(dòng)壓力梯度的概念．Q.A.特列賓[2]提出非線性達(dá)西滲流問(wèn)題，隨后Y.S.Wu與Karsten Pruess等[3]確定了流變模型，對(duì)多相賓漢與多孔介質(zhì)單相流體的流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，并對(duì)B-L方程進(jìn)行了修正．而黃延章等人[4]對(duì)多數(shù)學(xué)者的研究成果進(jìn)行分析，推導(dǎo)出了低滲透油藏中垂直生產(chǎn)井產(chǎn)量以及水平生產(chǎn)井的產(chǎn)量公式，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，合理的井距和良好的儲(chǔ)層流體無(wú)疑可以提高低滲透裂縫油藏的采收率．但是當(dāng)啟動(dòng)壓力梯度到達(dá)一定值，油井產(chǎn)量會(huì)隨著啟動(dòng)壓力梯度的升高而減少，而這一極限值是不能事先確定的．隨后Muskat[5]提出各向異性儲(chǔ)層的滲流理論，并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換給出平面各向異性儲(chǔ)層定常滲流的解析解；通過(guò)這一解可確定不同井網(wǎng)條件下的見(jiàn)水時(shí)間與波及效率，這為各向異性儲(chǔ)層的合理布井下奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．依據(jù)這一理論，Dusseault與L.Zhang[6]提出通過(guò)采用不同方位水平油井計(jì)算低滲透裂縫油藏儲(chǔ)層滲透率的各向異性參數(shù)的數(shù)值法與圖解法，數(shù)值法的計(jì)算雖然計(jì)算比較精確，但過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜；而圖解法的計(jì)算過(guò)程得以簡(jiǎn)化，但計(jì)算結(jié)果的精確度不太高．針對(duì)上述情況，本文首先通過(guò)各向異性、壓力敏感以及啟動(dòng)壓力梯度等參數(shù)建立了低滲透裂縫油藏的滲流產(chǎn)能公式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其生產(chǎn)曲線特征的分析．通過(guò)求解油井的產(chǎn)能方程得出的生產(chǎn)曲線特征，綜合了油井的實(shí)際情況，對(duì)提高低滲透裂縫油藏的采收率有一定的幫助．

目前常用的提高低滲透裂縫油藏采收率的方法主要是通過(guò)注入介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，常用的注入介質(zhì)有CO2、空氣泡沫、空氣、氮?dú)馀菽龋ㄟ^(guò)注入介質(zhì)能有效的提高油藏的采收率，但還是不能滿足當(dāng)前的需要，本文通過(guò)分析低滲透裂縫油藏的生產(chǎn)曲線特征，提出通過(guò)提高油藏潤(rùn)濕性、改變平面滲流場(chǎng)、注入聚合物微凝膠等方法提高低滲透裂縫油藏的采收率．

1 低滲透裂縫油藏的產(chǎn)能方程

1.1 連續(xù)等效介質(zhì)的處理

如果油井地層當(dāng)中的裂縫是垂直型裂縫，而且各個(gè)裂縫之間相互平行，且方向相同．假設(shè)油井中某一地層巖塊的高度是H、寬度是B、長(zhǎng)度是L．沿著裂縫的延伸方向確定坐標(biāo)系，油井儲(chǔ)層縱向用Z表示、垂直裂縫的延伸方向用Y表示、水平裂縫的延伸方向用X表示．如果X方向有m組裂縫，這些裂縫的長(zhǎng)度是相同的，將其設(shè)為L(zhǎng)fxi，而各個(gè)裂縫之間的基質(zhì)區(qū)域的長(zhǎng)度用Lmxi；而在Z方向包含n組裂縫，這些裂縫的切深都為hfzi，裂縫之間的基質(zhì)區(qū)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)mzi；這樣地層可劃分為裂縫發(fā)育與純基質(zhì)兩個(gè)區(qū)域．

圖1 低滲透裂縫油藏的地層圖

1.1.1 水平裂縫的等效滲透率

裂縫的延伸方向和X軸是相同且平行的，則在X軸方向的油藏的滲透量Q可定義為：

式（1）中Qf為油藏裂縫的流量，Qmx為地層的基質(zhì)流量．

式（2）和（3）中的If表示裂縫的長(zhǎng)度，Kf為油藏的滲透率，bf表示的是油藏裂縫的開度．

通過(guò)式（2）和（3）就可將式（1）替換為：

1.1.2 垂直裂縫的等效滲透率

假設(shè)油藏裂縫和Y軸平行且方向一致的，則在Y軸方向的總的壓降就可以表示為油藏裂縫與基質(zhì)的壓降的和，那么：

則垂直裂縫的等效滲透率為：

1.1.3 儲(chǔ)層縱向Z軸方向的等效滲透率

該方向的等效滲透率和X軸方向相似，計(jì)算得：

1.2 低裂縫滲透油藏的產(chǎn)能方程

為建立低滲透裂縫油藏的產(chǎn)能方程，需要做以下假設(shè)：

（1）油藏裂縫的形狀是矩形的；

（2）儲(chǔ)層介質(zhì)是可以壓縮的，同時(shí)壓縮系數(shù)是恒定不變的；

（3）油藏的等效滲流是等溫的；

（4）油藏地層的孔隙度和滲透率都對(duì)壓力比較敏感[7,8]；

（5）流體的流動(dòng)是依據(jù)一維非達(dá)西方式滲流的[9]；

（6）不考慮油藏的毛管力與重力．

一維非達(dá)西滲流方式見(jiàn)圖2．

圖2 低滲透裂縫油藏的一維非達(dá)西滲流圖

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)之上，可以計(jì)算出：

通過(guò)式（9）得到的連續(xù)性方程為：

將矩形油藏裂縫的長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)，人工裂縫的寬度設(shè)為W．油藏的滲流為：

假設(shè)u=eα(p?pe)，則：

進(jìn)一步可解得：

通過(guò)上式計(jì)算的低裂縫滲透油藏的產(chǎn)量和油井底部壓強(qiáng)的關(guān)系為:

2 低滲透裂縫油藏的生態(tài)特征曲線

2.1 油藏產(chǎn)能和油井底部流壓的關(guān)系

油藏產(chǎn)能和油井底部流壓的關(guān)系曲線（IPR）能夠體現(xiàn)低裂縫滲透油藏對(duì)此油井的供油情況．如果矩形低裂縫滲透油藏的高、寬、長(zhǎng)分別是4 m、100 m和200 m，油藏的井底壓力為20MPa，從油藏的一邊開始供給，而其另外一邊是垂直壓裂井，其縫寬為0.02 m，啟動(dòng)壓力梯度是0.01MPa/m，有效滲透率為0.005μm2，壓力敏感系數(shù)為,體積系數(shù)為1.1 mVm3．通過(guò)先前的公式計(jì)算的油井底部的生態(tài)特征曲線見(jiàn)圖3和圖4．

通過(guò)圖3可以看出，圖中曲線與井底流壓的焦點(diǎn)是低于起始油井地層的壓力的，這就表明在油井的底部流壓小于某一特定值之后，地層才會(huì)有流體滲流．隨著啟動(dòng)壓力梯度的不斷增加，油井地層的流體的流動(dòng)壓力就會(huì)變小，壓力損失就會(huì)加劇，此時(shí)隨之啟動(dòng)壓力梯度的增加，采收率會(huì)下降．

當(dāng)層間位移角加載到8%rad(101.84 mm)時(shí)，前推至位移極值時(shí)，角鋼被掀起，角鋼柱側(cè)鋼肢變形嚴(yán)重，而此時(shí)上角鋼加勁肋焊縫裂縫已經(jīng)擴(kuò)展到全長(zhǎng)，回拉至位移極值時(shí)，發(fā)生較大響聲，下角鋼加勁肋出現(xiàn)受拉斷裂。由于此時(shí)荷載已經(jīng)下降到峰值荷載85%左右，且由于作動(dòng)器三段牽引繩的限制而結(jié)束試驗(yàn)。

圖3 啟動(dòng)壓力梯度不同的IPR曲線

圖4 壓力敏感系數(shù)不同的IPR曲線

從圖4中可以看出，在不同壓力敏感系數(shù)的條件下，油井底部有流體開始滲流式的油井底部的壓強(qiáng)是相同的．在這之后，隨著壓力敏感系數(shù)的增大，油井的采收率逐漸下降．原因在于壓力敏感系數(shù)的增加導(dǎo)致油井地層的壓力降低，從而使得油井地層的有效滲透率降低．

2.2 油藏產(chǎn)能和油井地層壓力分布的關(guān)系

油井的蟬聯(lián)和地層壓力分布的關(guān)系見(jiàn)圖5．

從圖5中可以看出，當(dāng)?shù)土芽p滲透油藏的產(chǎn)量一定時(shí)，油井地層壓力曲線呈現(xiàn)向上微凸的形式．但是隨著油藏產(chǎn)量的不斷增加，油井地層的壓力會(huì)呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)．隨著油井距離的升高，產(chǎn)量不同的油井地層壓力趨于相同，最終表現(xiàn)為油井原始的地層壓力．

圖5 地層壓力分布和產(chǎn)量之間的關(guān)系

圖6 油井產(chǎn)量不同下的地層滲透率變化情況

2.3 低裂縫滲透油藏滲透率變化情況

當(dāng)油井的產(chǎn)量不同時(shí)，地層滲透率的變化情況見(jiàn)圖6．

從圖6中可以看出，當(dāng)油井的產(chǎn)量不同時(shí)，在產(chǎn)量比較低的情況下，油井地層的有效滲透率越高，滲透率的損失也比較小．

3 提高低裂縫滲透油藏采收率的有效措施

3.1 改變油井的滲流場(chǎng)

通過(guò)多此實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用水動(dòng)力學(xué)技術(shù)能夠有效的提高低裂縫滲透油藏的水驅(qū)效果[10,11]．由此可以通過(guò)變換油井的水動(dòng)力情況，對(duì)流體的流向進(jìn)行改變，從而提高油井的驅(qū)掃面積，減低在油井中注入水介質(zhì)引起的無(wú)效循環(huán)．

3.1.1 不穩(wěn)定注水

孔隙型地層見(jiàn)效程度比較低的油井，可采用加強(qiáng)注水的方式加強(qiáng)油井地層的能量，提高油藏的采收率．X18油井通過(guò)加強(qiáng)注水這種方式，使得油井的產(chǎn)能從1噸提高到1.2噸．對(duì)孔隙型地層見(jiàn)效程度比較高、地層壓力也比較高的地層，可以通過(guò)采用強(qiáng)脈沖注水的方式實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)層能量的交換，提高油井的采收率．對(duì)油井地層的含水量比較高、孔滲性較好、開采程度較高的油井地層，采用不穩(wěn)定注水的方式，可提高采收率，如：對(duì)WX區(qū)的100多個(gè)油井進(jìn)行不穩(wěn)定注水，平均每個(gè)油井的產(chǎn)油量提高了0.2噸．具體見(jiàn)表1．

表1 WX區(qū)油井不穩(wěn)定注水之后產(chǎn)量變化

3.1.2 改變油井流體的液流方向

部分低裂縫滲透油藏的開采程度較高、含水量也比較高，通過(guò)采用轉(zhuǎn)采和轉(zhuǎn)注等方式能改變水流的壓力場(chǎng)和水流方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井中死油的二次開采，提高采收率．

對(duì)WX區(qū)油井的23個(gè)井組采用這種方式，增加油井中水驅(qū)面積，其采收率提高了0.9%．

3.2 改變低裂縫滲透油藏的潤(rùn)濕性

3.2.1 化學(xué)離子活化劑

水溶性鹽可以改變油藏的潤(rùn)濕性．它是通過(guò)改變油井中注入水的礦化程度實(shí)現(xiàn)油井中巖石潤(rùn)濕程度來(lái)控制的．在溫度比較低的情況下，注入水介質(zhì)中的Ca2+可有效分離巖石表層上的極性物質(zhì)；但是隨著溫度的升高，離子會(huì)在巖石表層聚集，促進(jìn)Mg2+聚集在巖石表層，提高巖石表層的潤(rùn)濕性．具體實(shí)現(xiàn)機(jī)理見(jiàn)圖7．

圖7 化學(xué)離子引起的巖石潤(rùn)濕性變化原理

在高溫情況下，CaCO3沉積于油井巖石表面，提高油井地層表面的油濕性和親水性，從而進(jìn)一步提高油井油相的滲透率和油井的采收率．

3.2.2 陰離子表面活化劑

陰離子表面活化劑提高油井中碳酸鹽巖石表面潤(rùn)濕性的原理見(jiàn)圖8．

圖8 陰離子表面活化劑提高油井潤(rùn)濕性機(jī)理

從圖8中可以看出，陰離子表面活化劑的濃度比CMC高時(shí)，陰離子表面活化劑在油井的固體表面就會(huì)構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)，提高了注入水的水驅(qū)波及面積．

4 總結(jié)

（1）低裂縫滲透油藏的采收率和壓力敏感系數(shù)、啟動(dòng)壓力梯度和油藏的各向異性有著極大的關(guān)系．（2）本文從這三個(gè)參數(shù)出發(fā)建立了低裂縫滲透油藏的產(chǎn)能方程，并通過(guò)求解產(chǎn)能方程，分析了油藏的生產(chǎn)曲線特征；發(fā)現(xiàn)下述情況：第一，隨著啟動(dòng)壓力梯度的不斷增加，油井地層的流體的流動(dòng)壓力就會(huì)變小，壓力損失就會(huì)加劇，此時(shí)隨之啟動(dòng)壓力梯度的增加，采收率會(huì)下降．第二，隨著壓力敏感系數(shù)的增大，油井的采收率逐漸下降．第三，當(dāng)油井的產(chǎn)量不同時(shí)，在產(chǎn)量比較低的情況下，油井地層的有效滲透率越高，滲透率的損失也比較?。?）依據(jù)油藏的生產(chǎn)曲線特征，通過(guò)改變油井的滲流場(chǎng)、改變低裂縫滲透油藏的潤(rùn)濕性的方法提高了油藏的采收率．

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