南堡凹陷低滲透油藏啟動壓力梯度模擬實驗研究

賈 然 史曉波 于 文 于 佳

(①中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司；②中國石油遼河油田分公司興隆臺采油廠)

0 引 言

南堡凹陷屬于黃驊坳陷的次級構(gòu)造單元，受其構(gòu)造演化特征影響，形成一個斷陷盆地[1]。東營組自下而上發(fā)育完整，符合沉積旋回特征，劃分為東一、二、三段，儲層物性逐漸變差。東二段整體以中孔、低-特低滲為主。受沉積微相及成巖作用影響，該地區(qū)儲層連通性差、分子表面作用力強，啟動壓力梯度現(xiàn)象明顯。啟動壓力梯度的存在直接影響低滲透油藏的開發(fā)效果，且該實驗開展時間較短，近期認識才得以逐漸深化，形成一套系統(tǒng)的可以應用推廣的行業(yè)認可標準極為迫切[2]。筆者查閱大量文獻資料，通過多維實驗對比結(jié)果，總結(jié)出一套以氣體作為輸出壓力，通過精密氣體計量泵準確計量的方法。該方法實驗結(jié)果應用較好，并通過水、油單相驅(qū)及束縛水下油驅(qū)分別求得的啟動壓力梯度結(jié)果進行對比驗證，最終確定束縛水下油相啟動壓力梯度的結(jié)果參考價值更高，因此通過該方法得出的實驗結(jié)果更貼近實際生產(chǎn)注采情況，對于后期采油井改注及注采壓差調(diào)整、注采井距選擇等都能提供理論支撐。

1 實驗過程

1.1 實驗方法與裝置

對于室內(nèi)啟動壓力梯度實驗方法的選擇，大體上分為恒速法和恒壓法，輸出動力主要是通過液體泵驅(qū)替。首先，采用恒速法實驗的過程中，特別對于低滲透巖心來說，很難實現(xiàn)較小流量下穩(wěn)定輸出，實驗穩(wěn)定時間長，數(shù)據(jù)滯后性嚴重；其次，液體泵長時間工作狀態(tài)下，泵壓精度降低，雙泵切換過程中的壓力轉(zhuǎn)換對實驗數(shù)據(jù)有影響，偏差超過可修正區(qū)間?；谝陨显?，本文采用氣源輸出的恒壓法進行驅(qū)替實驗，可有效避免由于設(shè)備原因造成的實驗誤差。

1.2 實驗準備

本文選取南堡凹陷東二段共60塊天然巖心，其中水相啟動壓力梯度實驗巖心20塊，油相啟動壓力梯度實驗巖心20塊，束縛水下油相啟動壓力梯度實驗巖心20塊。所有天然巖心均參照標準GB/T 29172-2012《巖心分析方法》進行洗油處理，并經(jīng)過烤箱恒溫105℃烘烤48 h。巖心氣體滲透率為2.15～16.68 mD，直徑為2.49～2.52 cm，長度為4.20～4.25 cm(表1)，地層流體礦化度3 000～25 000 mg/L，模擬油粘度2～50 mPa·s。在實驗進行前，先要把樣品抽空處理24 h，然后根據(jù)地層礦化度及油粘度配置模擬地層水和模擬油進行加壓飽和，一般依據(jù)樣品氣體滲透率確定飽和時間，同時保持實驗室內(nèi)溫濕度恒定。

表1 南堡凹陷東二段巖心實驗數(shù)據(jù)(部分)

1.3 實驗步驟

1.3.1 單相水啟動壓力梯度

將飽和模擬地層水的巖心放入夾持器中，環(huán)壓恒定設(shè)置2 MPa，檢查管線接頭氣密性，優(yōu)化管線減少死體積。根據(jù)巖心氣體滲透率擬定實驗方案，選定足夠小壓力作為實驗起始壓力，起始壓力選取越小實驗數(shù)據(jù)精度越高。通過精密氣體計量泵調(diào)節(jié)起始壓力為0.001 MPa，如果夾持器尾端沒有液體流出，逐漸增加起始壓力，直到巖心驅(qū)替通過液體，待驅(qū)替液輸出穩(wěn)定，一般驅(qū)替10～15倍孔隙體積后，使用秒表計量單位時間液體驅(qū)替量，準確計算流速，然后繼續(xù)下一個壓力點的測量(壓力間隔選取不宜過大)。待10個壓力點數(shù)據(jù)測量結(jié)束后，以壓力梯度為橫坐標、流速為縱坐標繪制實驗曲線圖(圖1)。

圖1 啟動壓力梯度典型實驗曲線圖(單相水)

1.3.2 單相油啟動壓力梯度

單相油啟動壓力梯度實驗與單相水的實驗大體相同，區(qū)別在于巖心飽和模擬油，且驅(qū)替介質(zhì)亦為模擬油。一般氣體滲透率相同或相差不大的情況下，單相油啟動壓力梯度比單相水大，主要受巖心潤濕性及流體粘度等影響，所以在進行單相水實驗后，單相油實現(xiàn)壓力點的取值一般大于單相水實驗壓力。實驗結(jié)束后繪制曲線圖(圖2)。

圖2 啟動壓力梯度典型實驗曲線圖(單相油)

1.3.3 束縛水下油相啟動壓力梯度

依據(jù)國標GB/T 28912-2012《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》，將飽和模擬地層水的巖心經(jīng)模擬油進行驅(qū)替，先從低流速進行油驅(qū)水，逐漸增加驅(qū)替速度直至沒有水流出為止，建立穩(wěn)定的束縛水狀態(tài)。再依據(jù)前文提到的驅(qū)替流程，進行束縛水下油相啟動壓力梯度實驗。實驗結(jié)束后繪制曲線圖(圖3)。

圖3 啟動壓力梯度典型實驗曲線圖(束縛水下油相)

2 實驗結(jié)果

歸納60個樣品的驅(qū)替實驗結(jié)果，繪制單相水、單相油及束縛水下油相啟動壓力梯度的“流速-壓力梯度”關(guān)系曲線圖。通過關(guān)系曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，曲線起始點無限接近于x軸，且不過原點，曲線形態(tài)近似二次曲線(拋物線)，且相關(guān)系數(shù)較高。曲線存在較明顯的線性段和非線性段，當壓力較小時，非線性段的實驗數(shù)據(jù)對實驗結(jié)果影響更大，這就是前文提到的以更小的實驗壓力作為起始壓力的原因。通過求解拋物線方程，即在y=0(流速為0 mL/min)時，曲線與x軸的正向交點為最小啟動壓力梯度。

y=ax2+bx+c

(1)

(2)

其中a、b、c為方程回歸常數(shù)。通過此方法所得實驗結(jié)果，可較好地用于低滲透油藏，但很難判斷達西段與非達西段區(qū)間，需要進一步加強中高流速狀態(tài)的研究，建立起完整的滲流體系。通過實驗求得南堡凹陷東二段巖心啟動壓力梯度實驗結(jié)果見表2。

表2 南堡凹陷東二段巖心啟動壓力梯度實驗結(jié)果

3 氣體滲透率與啟動壓力梯度的對應關(guān)系

3.1 單相水啟動壓力梯度

通過表2數(shù)據(jù)可見，單相水啟動壓力梯度受氣體滲透率的影響存在差異。氣體滲透率越大的樣品，往往出現(xiàn)啟動壓力梯度更小的現(xiàn)象。不同氣體滲透率的樣品存在啟動壓力梯度變化的拐點，一旦拐點出現(xiàn)，隨著氣體滲透率的降低啟動壓力梯度增大趨勢明顯，而氣體滲透率增大時啟動壓力梯度降低趨勢變緩。依據(jù)曲線形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)氣體滲透率和單相水啟動壓力梯度呈現(xiàn)較好的乘冪負相關(guān)關(guān)系(圖4)。

圖4 氣體滲透率與單相水啟動壓力梯度的關(guān)系曲線

3.2 單相油啟動壓力梯度

單相油啟動壓力梯度與氣體滲透率的關(guān)系曲線與單相水的類似。拐點位置向原點方向偏移，說明同樣氣體滲透率條件下，單相油啟動壓力梯度大于單相水啟動壓力梯度，且氣體滲透率的正反向變化對單相油啟動壓力梯度的影響更突出。氣體滲透率和單相油啟動壓力梯度呈現(xiàn)較好的乘冪負相關(guān)關(guān)系(圖5)。

圖5 氣體滲透率與單相油啟動壓力梯度的關(guān)系曲線

3.3 束縛水下油相啟動壓力梯度

束縛水下油相啟動壓力梯度實驗是本文周期最長、干擾因素影響最大的實驗。從實驗結(jié)果(圖6)也可以發(fā)現(xiàn)，其受限于造束縛水結(jié)果的好壞，可動用地層

圖6 氣體滲透率與束縛水下油相啟動壓力梯度的關(guān)系曲線

水是否完全排出，束縛水下油相啟動壓力梯度結(jié)果遠大于單相水、單相油實驗結(jié)果。但與氣體滲透率的對應關(guān)系類似，說明通過物性參數(shù)氣體滲透率的數(shù)值可以與不同流體狀態(tài)下的啟動壓力梯度進行關(guān)聯(lián)評價，兩者良好的乘冪負相關(guān)關(guān)系是實驗中不同流體狀態(tài)下的共性。

4 探討與評價

在低滲透油藏中，啟動壓力梯度的存在已經(jīng)得到普遍共識，中高滲透油藏是否存在啟動壓力梯度還處在探討爭論階段。啟動壓力梯度實驗結(jié)果主要應用于注采井距的調(diào)整以及采油井轉(zhuǎn)注的選取。低滲透油藏注采井之間的壓力損耗是采收率降低的直接原因，單純提高注采壓差并不能解決低滲透油藏內(nèi)部由黏土礦物造成的敏感性傷害，加大注采井密度是可以改善采收率降低的有效手段，但考慮到開采成本及開發(fā)風險，基于啟動壓力梯度模擬實驗研究的結(jié)果，建立極限注采井距的圖板，對研究區(qū)低滲透油藏經(jīng)濟有效開發(fā)具有重要意義。

根據(jù)不同流體狀態(tài)下計算的啟動壓力梯度和以下公式[3]可求得不同壓力梯度下的極限注采井距。選取不同注采壓差條件下，氣體滲透率和極限注采井距之間的對應關(guān)系，建立關(guān)系曲線圖(圖7)以便查閱。

圖7 不同注采壓差下地層氣體滲透率和極限井距的關(guān)系曲線

(3)

式中：pH為注水井井底流壓，MPa；pW為采油井井底流壓，MPa；R為注采井距，m;rW為井筒半徑，m；λ為啟動壓力梯度，MPa/m。

通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，啟動壓力梯度和注采井距存在一定相關(guān)性：啟動壓力梯度越大極限注采井距越?。皇`水下油相啟動壓力梯度對應的注采井距比另兩種單相流體對應的結(jié)果明顯變小。通過所選井組實際注采井距發(fā)現(xiàn)，束縛水下油相啟動壓力梯度對應的注采井距更符合實際注采情況，據(jù)此可建立有效的驅(qū)替系統(tǒng)，充分動用井間油藏[4-5]。憑借此數(shù)據(jù)圖板，不斷擴充研究區(qū)數(shù)據(jù)量，進一步豐富完善圖板的應用性，并在南堡凹陷東二段進行有效推廣。

5 結(jié) 論

(1)南堡凹陷東二段低滲透油藏存在啟動壓力梯度，單相水啟動壓力梯度平均值為0.012 4 MPa/m，單相油啟動壓力梯度平均值為0.017 5 MPa/m，束縛水下油相啟動壓力梯度平均值為0.053 2 MPa/m，啟動壓力梯度影響低滲透油藏的注采開發(fā)。

(2)通過對比不同實驗方法及前人的研究成果，總結(jié)出以氣源輸出的恒壓法進行啟動壓力梯度驅(qū)替實驗，該方法實驗精度高，可進行推廣研究。

(3)通過單相流體(單相水、單相油)及束縛水下油相啟動壓力梯度實驗結(jié)果分析，研究區(qū)內(nèi)三種驅(qū)替狀態(tài)下的巖心啟動壓力梯度與氣體滲透率都呈現(xiàn)良好的乘冪負相關(guān)關(guān)系，且后者遠大于單相流體實驗結(jié)果，束縛水下油相啟動壓力梯度更符合生產(chǎn)實際，數(shù)據(jù)結(jié)果應用更優(yōu)于單相流體實驗。

(4)以束縛水下油相啟動壓力梯度實驗數(shù)據(jù)繪制南堡凹陷東二段低滲透油藏不同注采壓差下地層氣體滲透率和極限注采井距的關(guān)系曲線圖，為該區(qū)塊注水壓力的調(diào)整及采油井轉(zhuǎn)注的選取提供理論支撐。