低滲透油藏滲吸采油技術(shù)研究進(jìn)展*

劉 凱，高振東，王成俊，高怡文，孟選剛

（1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710065；2.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西延安 716000）

0 前言

近年來(lái)，中、高品質(zhì)易開(kāi)發(fā)的中高滲油氣資源在新增勘探儲(chǔ)量中所占比例越來(lái)越少，低滲油氣資源所占比例不斷增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017 年，在新增探明油氣儲(chǔ)量中低滲儲(chǔ)量所占例高達(dá)73.7%［1］。同時(shí)，隨著現(xiàn)有儲(chǔ)量開(kāi)采程度的不斷加大，以往較難開(kāi)發(fā)的低滲透油藏油氣資源在石油天然氣開(kāi)發(fā)中的重要程度不斷加大。根據(jù)美國(guó)能源信息署的預(yù)計(jì)，在2035年致密油產(chǎn)量將占世界原油總產(chǎn)量的45%以上［2］，因此實(shí)現(xiàn)低滲透油藏的高效開(kāi)發(fā)變得愈發(fā)重要。

低滲透油藏通常具有“三低兩高”特征，即原始地層壓力低、孔隙度低、滲透率低、毛管壓力高、有效應(yīng)力高［3］，一般均需要進(jìn)行油藏改造才能具有有效產(chǎn)能，如鄂爾多斯盆地的長(zhǎng)慶油田、延長(zhǎng)油田在新井投產(chǎn)初期均采取壓裂造縫的方式［4-6］。同時(shí)，低滲透油藏普遍微裂縫發(fā)育，儲(chǔ)層呈現(xiàn)基質(zhì)-裂縫雙重流動(dòng)系統(tǒng)，在注水開(kāi)發(fā)中表現(xiàn)出無(wú)水采油期短、見(jiàn)水后含水上升快等問(wèn)題，特別是見(jiàn)水后基質(zhì)中仍存有大量原油，采收率低，因此低滲透油藏的有效開(kāi)發(fā)一直是一大難題。

滲吸采油是低滲透油藏開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)重要機(jī)理，在油藏開(kāi)發(fā)中起著十分重要的作用，特別是該類(lèi)油藏中壓裂造縫未波及區(qū)域，儲(chǔ)層致密，啟動(dòng)壓力高，難以建立有效的驅(qū)替系統(tǒng)，產(chǎn)油主要依靠?jī)?chǔ)層基質(zhì)-天然裂縫之間的油水滲吸交換。因此，滲吸采油技術(shù)的研究對(duì)于低滲透油藏提高采收率有重要的指導(dǎo)意義。在廣泛調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，本文介紹了滲吸采油的基本概念、機(jī)理和主要研究進(jìn)展，并提出了低滲透油藏滲吸采油技術(shù)的發(fā)展方向。

1 滲吸采油技術(shù)

滲吸采油是指通過(guò)多孔介質(zhì)自發(fā)滲吸將基質(zhì)油開(kāi)采出來(lái)的方法，在這個(gè)過(guò)程中，動(dòng)力為毛管力，阻力為原油移動(dòng)時(shí)的黏滯力。相比于中高滲儲(chǔ)層，低滲儲(chǔ)層由于其喉道半徑微小（多小于1 μm），滲吸過(guò)程中的毛管力更大，滲吸動(dòng)力更強(qiáng)，因此滲吸作用不容忽視。

滲吸主要是在重力與毛管力的共同作用下發(fā)生的，毛管力占主導(dǎo)地位的為逆向滲吸，重力占主導(dǎo)地位的為同向滲吸［7］。由于在低滲儲(chǔ)層中重力的作用基本可以忽略，而毛管力起著絕對(duì)支配作用，加上復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)的存在，所以在低滲儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)生著大規(guī)模的自發(fā)逆向滲吸［8］，滲吸是低滲透油藏儲(chǔ)層基質(zhì)出油的主要方式。

2 低滲透油藏滲吸采油技術(shù)研究進(jìn)展

有關(guān)滲吸最早的研究可追溯到1918 年Lucas等［9-10］對(duì)于水在單管模型中自發(fā)滲吸過(guò)程的分析，之后對(duì)于滲吸的研究不斷深入，研究?jī)?nèi)容不斷細(xì)化，如在復(fù)雜條件下滲吸模型的建立［11-12］，數(shù)值模型的求解［13-16］等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)低滲透油藏滲吸采油的研究主要集中在如下幾個(gè)方面。

2.1 滲吸的影響因素

儲(chǔ)層中的滲吸是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它主要受油水界面張力、乳化性、潤(rùn)濕性、溫度、原油黏度、含油飽和度、滲透率等因素的影響，且各因素之間相互作用，作用機(jī)理復(fù)雜，因此針對(duì)滲吸影響因素的研究一直以來(lái)都是滲吸采油研究的重點(diǎn)［17-28］。

儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性［29-30］決定了能否發(fā)生自發(fā)滲吸，在水濕性儲(chǔ)層中，毛管力為滲吸的驅(qū)動(dòng)力；相反，在油濕性儲(chǔ)層中，毛管力為滲吸的阻力，阻礙油相從基質(zhì)向裂縫流動(dòng)，因此油濕性油藏?zé)o法發(fā)生自發(fā)滲吸。對(duì)于長(zhǎng)期水驅(qū)后的油濕性油藏，潤(rùn)濕性一般會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂?，這主要是由于儲(chǔ)層介質(zhì)在水的長(zhǎng)期沖刷與浸泡下，含油飽和度不斷降低，介質(zhì)表面附著的油分子被不斷剖離，從而潤(rùn)濕性不斷向親水轉(zhuǎn)變。

對(duì)于處于開(kāi)發(fā)初期的油濕性油藏，若需要盡快改變潤(rùn)濕性則需要通過(guò)往注入水中添加潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑以改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性。常用的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑是表面活性劑，大量研究已經(jīng)證明表面活性劑在巖心表面的吸附能改變潤(rùn)濕性（圖1）［29-33］。同時(shí)，表面活性劑除了能改變油藏巖石的潤(rùn)濕性以外，還能通過(guò)改變驅(qū)替液乳化能力來(lái)影響滲吸過(guò)程。通過(guò)促進(jìn)原油在巖心中的自發(fā)乳化，使乳化的油滴變小，從而降低原油在巖心中流動(dòng)的阻力，進(jìn)而有利于滲吸［34-35］。但是，強(qiáng)潤(rùn)濕能力與乳化性需要較高的表面活性劑濃度，從而導(dǎo)致界面張力過(guò)低。姚同玉、謝坤等［36-37］認(rèn)為不同于單純的表面活性劑驅(qū)油，因?yàn)槊芰κ菨B吸的動(dòng)力，所以界面張力不宜過(guò)低，否則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥驖B吸，故存在一個(gè)對(duì)滲吸最為有利的界面張力最優(yōu)值。

圖1 表面活性劑改變巖心表面潤(rùn)濕性示意圖［30］

目前常用的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑還有活性納米材料，其中油田常用的是改性二氧化硅。通過(guò)往SiO2分子上引入其他基團(tuán)使其表面改性，從而具有了憎水、親水或雙重潤(rùn)濕性的能力。徐鵬等［38-39］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了改性納米SiO2改變儲(chǔ)層介質(zhì)潤(rùn)濕性的機(jī)理：改性納米SiO2在鹽水中分散性能較好，所以可通過(guò)傳統(tǒng)注水方式被注入儲(chǔ)層，由于具有特殊的界面性質(zhì)，改性納米SiO2將會(huì)吸附在砂巖表面形成親水層，從而使巖石潤(rùn)濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)。

李?lèi)?ài)芬等［34］、姚同玉等［36］認(rèn)為，在逆向滲吸中，界面張力越低，滲吸采收率越高；在同向滲吸中則相反。界面張力與滲透率決定了滲吸發(fā)生的方式，不同滲透率級(jí)別對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳的界面張力范圍。王銳等［28］認(rèn)為，滲透率極小時(shí)，滲吸采收率較??；隨著滲透率增大，滲吸采收率增大；當(dāng)滲透率較大時(shí)，滲吸采收率又緩慢減小。

王敬等［17］研究發(fā)現(xiàn)，原油的黏度越小，初期滲吸速度越快；滲吸采出程度隨黏度增加而降低。王家祿［18］研究發(fā)現(xiàn)，原始含油飽和度越高，滲吸采收率越高。李?lèi)?ài)芬等［34］研究發(fā)現(xiàn)，溫度不直接影響滲吸，而是通過(guò)影響原油黏度、潤(rùn)濕性等間接影響滲吸。Ehrlich［40］認(rèn)為溫度對(duì)潤(rùn)濕性的影響存在一個(gè)極限值，超過(guò)該值后潤(rùn)濕性將不再變化，并在理論方面對(duì)溫度對(duì)潤(rùn)濕性的影響進(jìn)行了分析研究。

在前人研究的基礎(chǔ)上，近年來(lái)，很多學(xué)者［41-42］開(kāi)始將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向了滲吸液的綜合性質(zhì)方面，主要是滲吸液改變界面張力、乳化地層原油和改變儲(chǔ)層潤(rùn)濕性3 方面的能力，以期指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)滲吸劑體系的建立。張翼等［42］通過(guò)對(duì)不同滲吸劑體系對(duì)靜態(tài)滲吸采收率的影響研究發(fā)現(xiàn)，高油水界面張力和高接觸角不利于油砂靜態(tài)滲吸采收率；強(qiáng)乳化性能有利于油砂靜態(tài)滲吸采收率，滲吸劑體系各性能影響程度從大到小依次為油水兩相界面張力、原油乳化性能和潤(rùn)濕能力。因此，當(dāng)使用表面活性劑作為滲吸劑進(jìn)行滲吸采油時(shí)，應(yīng)首先考慮滲吸劑體系降低油水界面張力的能力，其次考慮體系乳化性，最后考慮體系潤(rùn)濕能力，以此來(lái)綜合確定對(duì)目標(biāo)油藏最適用的滲吸劑體系。

2.2 滲吸采油速度與滲吸采收率

衡量滲吸采油的指標(biāo)主要是滲吸采收率與滲吸采油速度，在不同條件下的滲吸采油速度和滲吸采收率均不同［43-46］，因此存在一個(gè)最佳的滲吸時(shí)機(jī)，以得到最高的滲吸采收率。王家祿等［46］通過(guò)研究基質(zhì)的原始含油飽和度對(duì)滲吸效果的影響發(fā)現(xiàn)（圖2），基質(zhì)的原始含油飽和度越高，滲吸采收率越高。這是因?yàn)殡S著基質(zhì)含水飽和度變大，毛管力相應(yīng)減小，滲吸效果變差。對(duì)于處于開(kāi)發(fā)后期的油藏，基質(zhì)含水上升，毛管力小于開(kāi)發(fā)初期，滲吸的驅(qū)動(dòng)力減弱，基質(zhì)與裂縫的滲吸交換能力降低，滲吸速度慢于開(kāi)發(fā)初期的，效率降低。許建紅等［47］通過(guò)研究得出類(lèi)似結(jié)論，對(duì)于低滲透裂縫性油藏，滲吸采油的適當(dāng)時(shí)機(jī)是開(kāi)發(fā)早期。

圖2 基質(zhì)初始含水飽和度對(duì)滲吸的影響規(guī)律［46］

對(duì)于中性砂巖油藏，彭昱強(qiáng)等［31］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在表面活性劑滲吸前若先進(jìn)行鹽水滲吸，則采收率要小于單獨(dú)使用表面活性劑進(jìn)行滲吸的采收率。因此滲吸采油技術(shù)在中性砂巖油藏進(jìn)行應(yīng)用時(shí)宜在開(kāi)發(fā)初期采用化學(xué)滲吸。

2.3 滲吸過(guò)程的劃分

水濕型致密油藏注水開(kāi)發(fā)初期，主要是通過(guò)水的驅(qū)替作用將裂縫和大孔道中的原油驅(qū)出，此時(shí)對(duì)基質(zhì)油的動(dòng)用程度較低，滲吸采油占比較低；隨著裂縫和大孔道中的油被驅(qū)出，剩余油主要集中在基質(zhì)和小孔道中，滲吸作用占比開(kāi)始上升，滲吸對(duì)采油的貢獻(xiàn)逐漸超過(guò)驅(qū)替［25］。

對(duì)于單純靠地層能量開(kāi)采的油藏，開(kāi)發(fā)初期時(shí)彈性力起主要作用，這個(gè)階段裂縫中的壓力下降快，而基質(zhì)壓力下降相對(duì)較慢，油從基質(zhì)流向裂縫，主要發(fā)生的是裂縫中的驅(qū)替作用；當(dāng)兩者的壓力差不斷變小并逐漸達(dá)到平衡時(shí)，滲吸開(kāi)始占到主導(dǎo)地位，主要發(fā)生滲吸作用，此時(shí)基質(zhì)油與裂縫水之間發(fā)生物質(zhì)交換，進(jìn)一步采出基質(zhì)中的剩余油［48-49］。

沈安琪等［50-53］把毛管滲吸劃分為早期階段和晚期階段，其中早期階段分為：（1）慣性流動(dòng)階段，此時(shí)流體剛進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)，黏滯力作用較小，流體在毛管力和慣性作用下流動(dòng)；（2）黏滯流動(dòng)階段，此時(shí)流體在毛管力及黏滯力作用下流動(dòng)。晚期階段可分為：（1）重力階段，隨著滲吸高度增加，重力作用不可忽略，甚至重力影響將超過(guò)黏滯力；（2）振蕩狀態(tài)階段，滲吸高度達(dá)到靜水壓力平衡高度后，液面在此高度上下振蕩。

楊勝來(lái)［54］提出了層滲吸理論（圖3），將滲吸按發(fā)生的位置分為表層滲吸與深層滲吸。初期，滲吸主要發(fā)生在基質(zhì)外部即表層，毛管力起主要作用；后期，滲吸主要發(fā)生在基質(zhì)內(nèi)部，受驅(qū)動(dòng)速度差的影響。靜態(tài)滲吸初期由于表層中的整個(gè)孔隙喉道內(nèi)都充滿了油氣，所以油僅有一端受到毛管力的影響，當(dāng)水從一端進(jìn)入后，在毛管力的作用下表層中的油可快速滲吸排出。表層滲吸結(jié)束之后，在毛管力的作用下深層的油離開(kāi)基質(zhì)內(nèi)的孔隙喉道進(jìn)入表層，但由于這部分油不能完全充滿整個(gè)表層的孔隙喉道，所以此時(shí)驅(qū)油動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)速度差造成的含油段兩端界面的界面張力差。

圖3 層滲吸理論示意圖［54］

2.4 滲吸模型

基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，不少學(xué)者從建模與數(shù)模角度去表征滲吸［55-58］。在考慮滲透壓的基礎(chǔ)上，劉雄等［55］建立了致密砂巖儲(chǔ)層滲吸半解析數(shù)學(xué)模型，提高了滲吸采收率的計(jì)算精度。李勇明等［56］在考慮非達(dá)西效應(yīng)和啟動(dòng)壓力梯度的前提下，建立了針對(duì)低滲透油氣藏的自發(fā)滲吸數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)該模型的求解，進(jìn)一步提高了滲吸模型的準(zhǔn)確性，擴(kuò)寬了適用性。殷代印等［57］針對(duì)采取周期性關(guān)井方式的滲吸采油方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，建立了雙孔雙滲滲吸法采油數(shù)學(xué)模型，并給出了具體的數(shù)值解法和流動(dòng)系數(shù)的取值方法。目前的滲吸模型多側(cè)重某一方面，尚未得到一個(gè)通用性的模型。

2.5 滲吸應(yīng)用研究

大量實(shí)驗(yàn)研究證明，水驅(qū)油過(guò)程中存在著一個(gè)最優(yōu)注水速度，在該速度下滲吸驅(qū)油效率達(dá)到最高［59-61］，且隨著滲透率的增大最優(yōu)速度變大。為了充分發(fā)揮滲吸-驅(qū)替雙重作用，國(guó)內(nèi)很多油田［62］提出了“適度溫和”的開(kāi)發(fā)技術(shù)，并進(jìn)行了礦場(chǎng)應(yīng)用。該技術(shù)在溫和注水的基礎(chǔ)上，根據(jù)油藏地質(zhì)條件進(jìn)一步調(diào)整水驅(qū)前緣推進(jìn)的速度，使注入水在地下與儲(chǔ)層介質(zhì)充分接觸，提高了油水兩相交換的時(shí)間，促進(jìn)了裂縫與基質(zhì)間的滲吸作用，從而提高了采收率。

低滲透油藏在壓裂施工過(guò)程中，注入的壓裂液返排率很低，往往只有10%～50%，超過(guò)一半的壓裂液無(wú)法反排而滯留于地層中。同時(shí)，由于壓裂液的成分復(fù)雜，化學(xué)藥劑種類(lèi)多，造成壓裂液返排液的回收利用率很低，且常規(guī)處理方法會(huì)造成很大浪費(fèi)，綜合經(jīng)濟(jì)效率較差［63-65］?？紤]到壓裂液中含有大量表面活性劑，很多學(xué)者從壓裂液對(duì)儲(chǔ)層滲吸作用的影響角度出發(fā)進(jìn)行了相關(guān)研究。

于欣等［66］針對(duì)清潔壓裂液返排液對(duì)致密油藏自發(fā)滲吸效果的影響進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，壓裂液返排液的滲吸采收率可達(dá)到單純地層水滲吸采收率的2倍多。蘇玉亮等［67］從滲吸機(jī)理出發(fā)，根據(jù)水平井壓裂模型建立了水平井體積壓裂耦合滲吸產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型，研究了致密油水平井體積壓裂過(guò)程中壓裂液滯留量、啟動(dòng)壓力梯度和儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性等參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，較高的壓裂液滯留量在一定條件下有利于提升水平井產(chǎn)能，有利條件為較小的啟動(dòng)壓力梯度和水濕性儲(chǔ)層。

3 技術(shù)展望

我國(guó)低滲透油田多處于生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，如陜北鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)油田、長(zhǎng)慶油田，石油資源的高效開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾突出。因此，在保證環(huán)境友好的前提下，加強(qiáng)新材料［38，68］的應(yīng)用，研發(fā)兼顧高效滲吸能力的環(huán)保型表面活性劑，以充分發(fā)揮滲吸采油的技術(shù)潛力。

相對(duì)于單獨(dú)滲吸，組合式開(kāi)發(fā)可以具有更高的開(kāi)發(fā)效率，因?yàn)榻M合式開(kāi)發(fā)往往具有協(xié)同效應(yīng)，既可以結(jié)合多種開(kāi)發(fā)方式的優(yōu)勢(shì)，又可以克服單一開(kāi)發(fā)方式的劣勢(shì)。如周萬(wàn)富等［69］針對(duì)“滲吸液+增能劑”組合方式的研究，滲吸液可以將增能劑帶入孔隙內(nèi)部，增能劑可以提高孔隙排驅(qū)動(dòng)力，兩者協(xié)同作用，共同提高采收率。滲吸采油與其他開(kāi)發(fā)技術(shù)的組合應(yīng)用，將進(jìn)一步擴(kuò)寬滲吸采油技術(shù)的應(yīng)用范圍。

目前室內(nèi)靜態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)多采取巖心置于滲吸瓶?jī)?nèi)進(jìn)行自發(fā)滲吸的方式以及動(dòng)態(tài)滲吸實(shí)驗(yàn)采取巖心人工造縫后進(jìn)行驅(qū)替的方式，兩者均無(wú)法模擬實(shí)際地層復(fù)雜的縫網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)性有限。因此，有必要開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)方式，以更好地模擬油藏中的滲吸過(guò)程，從而更好地指導(dǎo)油田開(kāi)發(fā)。同時(shí)，在現(xiàn)有CT掃描技術(shù)與核磁共振技術(shù)［70-72］的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)多學(xué)科協(xié)同，進(jìn)一步加強(qiáng)其他技術(shù)在滲吸研究中的應(yīng)用。

隨著研究的深入和實(shí)驗(yàn)方法的不斷創(chuàng)新、改進(jìn)，對(duì)于滲吸的認(rèn)識(shí)不斷深化，研究趨向于精細(xì)化、復(fù)雜化。如在以往的研究中多將毛管力視為定值，但近來(lái)已有學(xué)者提出在使用動(dòng)態(tài)毛管力以更精確地代表實(shí)際油藏情況［73］。在認(rèn)識(shí)深化和技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，研究參數(shù)全面、可行性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便的低滲透油藏滲吸采油油藏?cái)?shù)值模擬軟件變得可行。

4 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)于滲吸采油的研究已經(jīng)形成了較成熟的研究體系與實(shí)驗(yàn)方法，在滲吸機(jī)理等方面取得了很大認(rèn)識(shí)，但受限于實(shí)驗(yàn)條件等因素的制約，目前的研究還不夠深入與細(xì)致，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的指導(dǎo)性有限。為了進(jìn)一步加大滲吸采油在低滲透油藏開(kāi)發(fā)中的作用，應(yīng)加強(qiáng)滲吸劑的研究，研究高效環(huán)保的綠色滲吸劑；應(yīng)加強(qiáng)新技術(shù)、新方法在滲吸研究中的應(yīng)用，使得滲吸的研究更加全面化、定量化、精細(xì)化，從而更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；應(yīng)加強(qiáng)滲吸采油技術(shù)與其他開(kāi)發(fā)方式的聯(lián)合應(yīng)用，從而進(jìn)一步發(fā)掘滲吸采油的潛力。