黨海龍，葛宏選，趙鵬飛

(陜西延長(zhǎng)石油 (集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710069)

特低滲透油藏具有“低壓、低孔、低滲”特征，地層導(dǎo)流能力差，動(dòng)用難度大，給開發(fā)帶來(lái)很大困難。此類油藏的油井初始含水率與中高滲透油藏不同，中高滲透油藏初始含水率分布主要受構(gòu)造和沉積環(huán)境控制，高部位和低部位初始含水率差異明顯，一般物性較差及低部位初始含水率高。而特低滲油藏初始含水率除受構(gòu)造、沉積及成巖作用影響外，還受毛細(xì)管壓力、巖石特征、賈敏效應(yīng)、水鎖效應(yīng)、微裂縫、啟動(dòng)壓力等微觀因素影響［1－6］。以上各種影響因素導(dǎo)致初期含水率較高，嚴(yán)重影響初期產(chǎn)量及后期水驅(qū)油開發(fā)，制約特低滲透油藏的高效開發(fā)。本文主要從宏觀因素和微觀機(jī)理分析初期含水率較高原因，選取典型子北采油廠毛家河區(qū)塊長(zhǎng)6油層組為例進(jìn)行剖析，并且在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，避免或者降低對(duì)地層傷害，希望為特低滲透油田開發(fā)起到借鑒意義。

1 研究區(qū)開發(fā)簡(jiǎn)況

毛家河區(qū)塊位于陜西省延安市子長(zhǎng)縣澗峪岔鎮(zhèn)北部，主要生產(chǎn)層位為長(zhǎng)6油層組，物性較差，非均質(zhì)性較強(qiáng);2006年投入開發(fā)時(shí)共完鉆7口井，初期含水率都在80%～90%之間，平均為84.4%。2個(gè)月后，含水率開始下降。半年后，其中5口井含水率均值下降到79.4%(圖1)。對(duì)毛家河區(qū)塊開發(fā)資料分析發(fā)現(xiàn)，油井初始含水較高，隨著開發(fā)進(jìn)行，含水率呈下降趨勢(shì)，趨于穩(wěn)定后仍然較高。毛家河鄰近區(qū)塊特低滲透油藏也有此種現(xiàn)象，尤其是新鉆油井，投產(chǎn)后含水率非常高。

圖1 研究區(qū)單井含水率變化特征圖Fig.1 Variation of single－well water cut of the study area

2 初始含水率與原始含水飽和度關(guān)系

含水飽和度與初始含水率之間的關(guān)系符合分流量方程。初始含水率公式為:

式中 fw——初始含水率，%;

Qrw——產(chǎn)水量，t;

Qro——產(chǎn)油量，t;

μrw——水的黏度，mPa·s;

μro——原油的黏度，mPa·s;

Krw——水的滲透率，mD;

Kro——原油滲透率，mD;

Srw——原始含水飽和度，%。

若定義:

式中 a、b——指數(shù)函數(shù)系數(shù)。

由式 (2)代入式 (1)，得:

從式 (3)中可以看出，frw與Srw表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，Srw越大，frw越大，反之亦然。

室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)也表明，原始含水飽和度越大，初始含水率越高［7］。2008年研究區(qū)兩口密閉取心井——理A井和理B井長(zhǎng)6油層組初始含水飽和度分別為53%和60%，對(duì)目的層射孔投產(chǎn)，初始含水率分別為70%和81%，表明原始含水飽和度越高，則初始含水率較高。

3 初始含水率控制因素研究

3.1 宏觀因素分析

3.1.1 構(gòu)造因素

毛家河區(qū)塊延長(zhǎng)組為一東高西低單斜構(gòu)造，從東到西初始含水率分布規(guī)律不明顯，油井實(shí)際初始含水率與構(gòu)造相關(guān)性較差 (圖2)。且研究區(qū)長(zhǎng)6油藏屬巖性油藏，構(gòu)造不是油井初期含水率的主要影響因素。

圖2 毛家河區(qū)塊油井初始含水率與構(gòu)造關(guān)系圖Fig.2 Correlation between the initial water cut and the structure of oil wells in Block Maojiahe

3.1.2 沉積微相因素

根據(jù)巖石相、測(cè)井相及野外剖面資料綜合分析，研究區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)6油層組主要發(fā)育三角洲平原亞相［8］。微相類型為水上分流河道、河道側(cè)緣及分流間洼。

沉積微相對(duì)物性具有控制作用，從而控制原始含水飽和度。直接影響初始含水率，水上分流河道砂體泥質(zhì)含量少、粒度粗;分流間洼砂體泥質(zhì)含量多，粒度細(xì)。而水上分流河道頂部和底部泥質(zhì)含量相對(duì)較高，粒度相對(duì)細(xì)，因此，水上分流河道中部砂體物性好 (圖3)，初始含水飽和度低，初始含水率較低，分流間洼沉積泥質(zhì)含量高、粒度細(xì)、束縛水飽和度較大，原始含水飽和度較高。

3.1.3 成巖作用因素

成巖作用中的溶蝕作用可產(chǎn)生次生孔隙，改善儲(chǔ)層物性。本區(qū)長(zhǎng)6油層組砂巖中的溶蝕作用發(fā)生在成巖作用的中—晚期［9］。溶蝕作用主要表現(xiàn)為碎屑顆粒 (長(zhǎng)石、巖屑)和填隙物 (濁沸石、黏土)的溶蝕，以碎屑顆粒溶蝕最為重要。長(zhǎng)石、巖屑沿其節(jié)理縫、微裂縫及顆粒邊緣被溶蝕 (圖4)，溶孔直徑從數(shù)微米到數(shù)十微米，本區(qū)溶蝕作用形成的粒間溶孔一般占總孔隙度的40%左右。

圖3 理825井長(zhǎng)6油層組沉積微相與物性關(guān)系Fig.3 Correlation between the microfacies and the physical property of Chang 6 Oil Layer in Well Li 825

圖4 長(zhǎng)石粒內(nèi)溶蝕孔隙Fig.4 Dissolution pores in feldspar

石英加大和方解石的交代充填導(dǎo)致孔喉變小，進(jìn)而影響原始含水飽和度的分布［10］。在研究區(qū)，次生孔隙發(fā)育，形成大量的有效孔隙;而且夾雜大溶孔形成，產(chǎn)生碎屑溶蝕微粒和自生黏土礦物，使得束縛水飽和度和原始含水飽和度增加，新井投產(chǎn)后初始含水率響應(yīng)增加。

3.1.4 儲(chǔ)層非均質(zhì)性因素

研究區(qū)主力儲(chǔ)層中存在的4種類型砂巖組合，即石英、長(zhǎng)石、巖屑和黏土基質(zhì)，分別經(jīng)歷了不同的成巖演化過(guò)程。高塑性巖屑砂巖和鈣質(zhì)致密膠結(jié)砂巖因早期成巖作用變致密，常以隔夾層的形式存在。不同尺度的鈣質(zhì)隔夾層、軟巖屑隔夾層及泥巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖隔夾層以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分隔主力儲(chǔ)層，使儲(chǔ)層在流體動(dòng)力學(xué)上具有隔而不斷、封而不閉的特征。儲(chǔ)層中差異化的流體流動(dòng)、成巖過(guò)程和油氣聚集導(dǎo)致該區(qū)特低滲透油藏具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性。宏觀統(tǒng)一的油藏實(shí)質(zhì)上是由多個(gè)相對(duì)封閉或半封閉的含油和含水空間所組成，造成“油藏”油水關(guān)系復(fù)雜，油水混儲(chǔ)，無(wú)統(tǒng)一油水界面。開采過(guò)程中油井壓裂投產(chǎn)，打破了這種封閉—半封閉體系，使油水同時(shí)釋放，導(dǎo)致油井初期含水率較高。

3.2 初始含水率微觀影響因素

3.2.1 巖石物性特征

根據(jù)成藏理論，初始狀態(tài)下地層中主要為水，原油運(yùn)移到達(dá)儲(chǔ)層后將地層水驅(qū)走，形成油藏。特低滲透油藏的孔喉半徑特別小，流體最先進(jìn)入大孔隙，由于毛細(xì)管壓力作用，流入小孔隙的流體主要為地層水［11－12］。因此與中高滲透油藏相比，特低滲透油藏的原始含水飽和度較高。巖心分析表明，其原始含水飽和度高于束縛水飽和度。根據(jù)分流量方程，原始含水飽和度高，導(dǎo)致油井初始含水率也比較高。研究區(qū)理839井的巖心資料分析發(fā)現(xiàn) (圖5)，巖石孔喉越細(xì)小，原始含水飽和度越高，油井初始含水率也越高。

3.2.2 水鎖效應(yīng)

鉆完井過(guò)程中，鉆井液會(huì)進(jìn)入井底附近的地層，造成油層傷害［13］。特低滲透儲(chǔ)層投產(chǎn)之前要經(jīng)過(guò)壓裂，壓裂液進(jìn)入地層，也會(huì)對(duì)井底地層造成傷害。雖然壓裂后都有壓裂液的返排過(guò)程，但是即使少量的殘留液體也會(huì)對(duì)油藏造成強(qiáng)烈的傷害［14］。油井投產(chǎn)后，地層中的侵入水首先排出。而且此類油藏由于孔喉極小，在毛細(xì)管壓力影響下會(huì)發(fā)生水鎖效應(yīng)。

圖5 理839井巖心分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.5 Core analysis test data of Well Li 839

目前一般根據(jù)毛細(xì)管束模型研究水鎖程度［13］，地層中毛細(xì)管壓力公式如下。

式中 p——毛細(xì)管壓力，MPa;

pwf——井底流壓，MPa;

pe——原始地層壓力，MPa;

Re——平均井距，m;

Rw——井底半徑，m;

R——?jiǎng)討B(tài)變化的半徑，m。

式中 pc——地層中毛細(xì)管壓力，MPa;

σ——油水界面張力，mN/m;

θ——潤(rùn)濕角度，(°);

r——孔喉半徑，μm。

根據(jù)毛細(xì)管束模型可以得出以下3種情況:

(1)當(dāng)巖心兩端流動(dòng)壓差大于最大毛細(xì)管壓力時(shí)，壓差能夠克服所有毛細(xì)管壓力，不會(huì)發(fā)生水鎖效應(yīng)。油井生產(chǎn)時(shí)，初始含水高，但是含水呈下降趨勢(shì)。

(2)當(dāng)流動(dòng)壓差處于最大與最小毛細(xì)管壓力，時(shí)，這時(shí)外加壓差只能克服大孔道毛細(xì)管壓力，不能克服小孔道阻力，此時(shí)生產(chǎn)井初始含水較高，呈下降趨勢(shì)，但是持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

(3)當(dāng)流動(dòng)壓差小于最小毛細(xì)管壓力時(shí)，這時(shí)油層被“憋死”，開井生產(chǎn)，含水非常高，而且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

根據(jù)研究區(qū)60塊樣品資料統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)層平均孔隙度為11.13%，平均滲透率為0.43mD，最大孔喉半徑為0.56μm，平均孔喉半徑為0.26μm，排驅(qū)壓力平均為 0.61MPa，平均中值壓力為3.5MPa。該區(qū)平均井距為 300m，井底半徑為0.1m，設(shè)流體侵入的距離為井底周圍1m范圍，原始地層壓力為5.7MPa，井底流壓力為1.5MPa，地層水黏度為0.5mPa·s，油水界面張力為3mN/m，潤(rùn)濕角度θ為零。公式計(jì)算距離井底1m位置的地層壓力為2.7MPa，流動(dòng)壓差為1.3MPa，可知油井在開抽以后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)含水率比較高，但隨著開采時(shí)間延長(zhǎng)，含水率持續(xù)下降。

3.2.3 賈敏效應(yīng)的影響

研究區(qū)中砂巖儲(chǔ)層屬于細(xì)孔微喉型，非均質(zhì)性強(qiáng)。油滴或氣泡通過(guò)細(xì)小喉道時(shí)，在兩端產(chǎn)生毛細(xì)管壓力 (阻力)，喉道改變了油滴形狀，從而增加額外的阻力，在水驅(qū)油過(guò)程中，容易產(chǎn)生“卡斷”現(xiàn)象［14］。由于潤(rùn)濕性差異，水可以通過(guò)巖石的表面以水膜的形式流動(dòng)，在一些極小孔道中，主要是水在流動(dòng)，這也是導(dǎo)致油井初始含水率較高的一個(gè)主要原因。

3.2.4 微裂縫的影響

研究區(qū)長(zhǎng)6油層組巖心薄片分析發(fā)現(xiàn)，存在大量方向?yàn)槟媳薄|西向10°～45°的微裂縫，因此可認(rèn)為研究區(qū)油藏為雙重介質(zhì)，具有孔隙基質(zhì)和天然微裂縫介質(zhì)。

油藏未動(dòng)用前，微裂縫可能處于開啟、半開啟或閉合狀態(tài)。由于特低滲透油藏滲流能力差，周圍注水井井底壓力異常高，將開啟部分閉合或者半開啟狀態(tài)的微裂縫，注入水沿著微裂縫向遠(yuǎn)處傳播，并從微裂縫向基質(zhì)中滲流，改變了地層中油水分布特點(diǎn)，含水飽和度上升。微裂縫傳播水量與微裂縫發(fā)育程度有很大關(guān)系，距井底越遠(yuǎn)的微裂縫存儲(chǔ)的水量越少，2006年子北426－2井開發(fā)初期地層水礦化度為84133.9mg/L，而后期未動(dòng)用區(qū)域的新井地層水礦化度低于該值 (74324.7mg/L)，說(shuō)明地層水受到了注入水影響。

毛家河區(qū)塊利用超前注水開發(fā)，注水一段時(shí)間后對(duì)新井壓裂投產(chǎn)，井底壓力降低很快，井底周圍微裂縫中的水很快流入井底，導(dǎo)致油井初始含水率較高。隨著油井繼續(xù)生產(chǎn)，井底流壓繼續(xù)降低，井底附近能量得不到及時(shí)補(bǔ)充，微裂縫隨之閉合，基質(zhì)開始向油井中供油，這即是特低滲透油藏生產(chǎn)初期含水率較高，但持續(xù)一段時(shí)間后逐漸降低的原因。

3.2.5 啟動(dòng)壓力梯度

啟動(dòng)壓力梯度公式為:

式中 Gdp——啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m;

K——滲透率，mD;

τ0——流體的屈服應(yīng)力;

φ——孔隙度，%。

根據(jù)毛細(xì)管束模型，滲透率與孔隙度存在以下關(guān)系［15］:

式中 r——孔喉半徑，μm。

將式 (7)代入到 (6)的表達(dá)式中，整理得:

從式 (8)可以看出，Gdp與r成反比關(guān)系。r越小，Gdp越大，非均質(zhì)程度越嚴(yán)重，地層壓降越大。

根據(jù)油水兩相流動(dòng)模型得知:在同一壓差下，水相易流動(dòng)，油相流速慢，油井的含水率上升較快［16］，因此初期含水率較高。根據(jù)研究區(qū)敏感性試驗(yàn)資料對(duì)5塊不同滲透率 (1號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、25號(hào)及40號(hào)巖心滲透率分別為0.1mD、0.23mD、0.31mD、0.56mD和0.77mD)的巖心進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)壓力敏感性較強(qiáng)，當(dāng)井底壓力下降4MPa時(shí)，平均滲透率下降40%，根據(jù)式 (8)可知，孔喉半徑減小25%，啟動(dòng)壓力梯度增加25%，結(jié)果導(dǎo)致初始含水率上升 (圖6)。

圖6 研究區(qū)巖心壓力敏感性分析曲線圖Fig.6 Curves of core pressure sensitivity analysis of the study area

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)特低滲透油藏油井初始含水率較高，投產(chǎn)一段時(shí)間后含水率有所下降。初始含水率與原始含水飽和度呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)與中高滲透油藏相比，研究區(qū)構(gòu)造對(duì)初始含水率沒有起到主導(dǎo)作用;沉積微相對(duì)儲(chǔ)層物性具有控制作用，從而影響原始含水飽和度的分布及油井初始含水率;溶蝕作用產(chǎn)生大量的碎屑溶蝕微粒和自生黏土礦物，增加了原始含水飽和度。

(3)孔喉半徑大小與原始含水飽和度呈負(fù)相關(guān)性，孔喉半徑越小，原始含水飽和度越高，初始含水率越大。

(4)水鎖效應(yīng)阻礙流體通道，使得原油排出侵入水需要更長(zhǎng)時(shí)間;賈敏效應(yīng)和啟動(dòng)壓力梯度使原始含水飽和度升高;油井投產(chǎn)時(shí)首先產(chǎn)出微裂縫中水，隨著地層壓力降低，微裂縫閉合，含水率下降。

［1］曾濺輝，王洪玉.層間非均質(zhì)砂層石油運(yùn)移和聚集模擬實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2000，24(4):108－111.

［2］王友凈，林承焰，董春梅，等.長(zhǎng)堤斷裂帶北部地區(qū)剩余油控制因素與挖潛對(duì)策 ［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2006，30(4):12－16.

［3］張新紅，秦積舜.低滲巖心物性參數(shù)與應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)研究 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2001，25(4):56－60.

［4］宋付權(quán)，劉慈群.含啟動(dòng)壓力梯度油藏的兩相滲流分析［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，1999，23(3):47－51.

［5］谷建偉，于紅軍，彭松水，等.復(fù)雜條件下的低滲透油藏生產(chǎn)特征 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2003，27(3):55－ 57.

［6］馬洪興，史愛萍，王志敏，等.低滲透砂巖油藏水鎖傷害研究 ［J］.石油鉆采工藝，2004，26(4):49－51.

［7］郭龍.特低滲透砂巖油藏初期含水變化機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(4):127－129.

［8］倪俊.子北地區(qū)延長(zhǎng)組油氣成藏條件及富集規(guī)律研究 ［D］.西北大學(xué)，2012:110－114.

［9］姜星，于建青，史飛，等.鄂爾多斯盆地子北地區(qū)長(zhǎng)6段油藏成藏條件及主控因素［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，36(4):64－76.

［10］薛峰.低滲透油藏開發(fā)初期含水差異性研究 ［D］.中國(guó)石油大學(xué)，2007:51－53.

［11］谷建偉，郭志華，趙燕.特低滲油藏生產(chǎn)井初始含水率高的微觀機(jī)理［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，5(31):64－68.

［12］楊勝來(lái)，魏俊之.油層物理學(xué)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004:209－229.

［13］秦積舜，李愛芬，孫仁遠(yuǎn).油層物理學(xué) ［M］.東營(yíng):石油大學(xué)出版社，2001:178－180.

［14］黃延章.低滲透油層滲流機(jī)理［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.

［15］李留仁，趙艷艷，李忠興，等.多孔介質(zhì)微觀孔隙結(jié)構(gòu)分形特征及分形系數(shù)的意義 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2004，28(3):105－107.

［16］宋春濤.考慮應(yīng)力敏感和啟動(dòng)壓力梯度的低滲透油藏?cái)?shù)值模擬研究 ［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，25(12):79－84.