王向陽， 楊正明， 劉學(xué)偉， 丁云宏， 雷啟鴻

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；2.中國科學(xué)院 滲流流體力學(xué)研究所，河北 廊坊 065007；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100089；4.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安 710018)

0 引 言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，常規(guī)油氣資源日趨減少，致密油等非常規(guī)油氣資源已經(jīng)成為全球石油勘探開發(fā)的主體[1-3]。隨著分段壓裂水平井和體積壓裂改造技術(shù)的突破，我國成功開發(fā)了鄂爾多斯新安邊、松遼扶余、準(zhǔn)噶爾口，吉木薩爾3個(gè)億t級致密油區(qū)，2015年致密油產(chǎn)量1.50×106t，基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[4-5]。通過致密油的有效開發(fā)，美國 2015年產(chǎn)量達(dá)到2.1×108t，由石油進(jìn)口國轉(zhuǎn)向出口國，石油對外依存度降至33%[6]。

目前我國致密油的勘探開發(fā)和相關(guān)研究仍處于準(zhǔn)備階段，在致密油開發(fā)理論方面尚有欠缺。在致密油開發(fā)初期，一般采用衰竭式開發(fā)的政策，初期產(chǎn)量高，產(chǎn)能遞減快，采收率低，急需補(bǔ)充能量[7-8]，而致密儲層由于微納米孔喉發(fā)育，傳統(tǒng)注采井網(wǎng)難以建立有效驅(qū)替壓力體系[9]。因此，需要針對致密儲層提出新的能量補(bǔ)充方式。國內(nèi)外研究表明，體積壓裂改造形成的復(fù)雜縫網(wǎng)增加了裂縫與基質(zhì)間的接觸面積，有利于發(fā)揮毛管力作用滲吸采油[10-14]，因而選擇注水吞吐作為致密油藏經(jīng)濟(jì)、有效開發(fā)的方式?；诖?，本文利用自主研發(fā)的大型露頭巖樣高壓物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立了致密油藏注水吞吐物理模擬方法，探索了致密油藏注水吞吐開發(fā)方式的可行性，為致密油藏有效開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 注水吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 露頭巖樣的制作和封裝

物理模擬實(shí)驗(yàn)是滲流機(jī)理研究的重要手段之一,而模型的選取、設(shè)計(jì)又是物理模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。物理模型制作主要按以下步驟進(jìn)行：① 露頭選取，首先對砂巖露頭的滲透率、微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)、篩選，要求選擇的露頭模型與所模擬的儲層相比, 具有相同的孔隙介質(zhì)，在兩相流動物理模擬中可以保證反映兩相流動規(guī)律的相滲曲線、毛管力曲線、非線性滲流特征與儲層相同[15]，再根據(jù)物理模擬實(shí)驗(yàn)條件以及研究內(nèi)容挑選延長組長6、長7段致密儲層露頭巖樣。② 模型制作，根據(jù)分段壓裂水平井一條主裂縫縫控基質(zhì)單元制作模型，保證幾何相似，首先將其切割成40 cm×10 cm×2.7 cm的長方體模型，并在模型右端運(yùn)用線切割設(shè)備制作一條長9 cm的無限導(dǎo)流能力裂縫，模擬分段壓裂水平井的一條主裂縫。③ 測點(diǎn)布設(shè)，模型測點(diǎn)為壓力測量點(diǎn)(見圖1)，布置在模型正面。在模型封裝前根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求布設(shè)壓力及流場測量探頭，同時(shí)12個(gè)壓力測點(diǎn)布置可以作為將來飽和原油的注采口，因此，均勻的測點(diǎn)布置有利于獲得較好的飽和效果。④ 模型封裝，將平板露頭模型垂直居中放置在模具的中間位置，使用一定原料混合而成的封裝用膠對平板露頭進(jìn)行澆注，靜置24 h，至此，注水吞吐物理模擬模型制作完成。

1.2 露頭巖樣飽和流體物理模擬方法

模型飽和地層水，由于露頭模型體積大，滲透率低，模型封裝后只有圖1中的12個(gè)注采口與外界聯(lián)通，常規(guī)的方法無法對大模型進(jìn)行抽真空及飽和水處理，因此采用多點(diǎn)抽真空飽和水的方法。多點(diǎn)抽真空，即在大模型注采口3～10抽真空，保證不同位置真空度都很高，注采口1、12設(shè)置真空表觀察真空度變化情況，當(dāng)模型抽真空達(dá)到真空以后，從非抽真空點(diǎn)2、11飽和水至模型整體真空度恢復(fù)到大氣壓力，至此模型飽和完全，稱重計(jì)算孔隙度。

圖1 露頭模型實(shí)物圖

將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖迷诖笮吐额^模型高壓夾持器內(nèi)飽和油樣，由于模型尺寸大，飽和過程中存在平面波及效果差，滲流能力低，油驅(qū)水壓差大等問題，通過異步注采的方式(見圖2)，飽和模擬油可以解決上述問題。具體實(shí)驗(yàn)過程為：①根據(jù)壓力測點(diǎn)分布，選取注入點(diǎn)和采出點(diǎn)；②按照實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，連接管線，采用排狀注采的方式飽和模擬油；③改變注采方向和驅(qū)替次序，采用交叉注采的方式飽和模擬油至地層原始含油飽和度。

(a) 排狀注采

(b) 交叉注采

1.3 注水吞吐物理模擬系統(tǒng)及方法

如圖3所示,注水吞吐實(shí)驗(yàn)裝置包括巖樣、注入系統(tǒng)、采出系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)四部分。其中，注入系統(tǒng)是由Quizix驅(qū)替泵和裝有地層水的中間容器經(jīng)管閥件連接模型注采口6、12而成；采出系統(tǒng)是由調(diào)速型蠕動泵、油水分離計(jì)量裝置經(jīng)管閥件連接模型注采口6、12而成，由于裂縫為無限導(dǎo)流能力裂縫，裂縫兩端注采口6、12之間壓差很小，可以忽略不計(jì)，吞吐采油階段采出的原油在蠕動泵的驅(qū)動下進(jìn)入油水分離計(jì)量裝置；壓力監(jiān)測系統(tǒng)由模型正面均勻分布的12個(gè)壓力測點(diǎn)組成，裝配有高精度的壓力傳感器，實(shí)時(shí)精確記錄模型不同位置不同時(shí)間的壓力變化規(guī)律。將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诖笮吐额^模型高壓夾持器內(nèi)，模擬地層壓力下的注水吞吐實(shí)驗(yàn)。

通過致密油藏注水吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)，模擬現(xiàn)場注水吞吐過程中注水、關(guān)井、采油3個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)流程為: ①關(guān)閉所有注入口只保留裂縫端測點(diǎn)6、12開啟(見圖1注入系統(tǒng))，以20 MPa恒定壓力從注入口6、12注入地層水，模擬注水過程；②關(guān)閉注入口6、12，在恒定壓力下悶井15 h，模擬關(guān)井過程，在此過程中注入水通過毛管力進(jìn)行滲吸置換，形成新的油水平衡；③開啟裂縫兩端測點(diǎn)6、12(圖1采出系統(tǒng))，模擬采油過程，模型中滲吸出來的原油被驅(qū)入裂縫，在裂縫中持續(xù)注水將滲吸出來的原油帶出計(jì)量，采出時(shí)間72 h；④以同樣的流程進(jìn)行第2、第3輪次吞吐實(shí)驗(yàn)。

圖3 大模型注水吞吐實(shí)驗(yàn)裝置

2 注水吞吐實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用以上建立的致密油藏注水吞吐物理模擬系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法對中石油典型致密油區(qū)露頭模型進(jìn)行注水吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)，模擬油田現(xiàn)場注水吞吐試驗(yàn)。注入、燜井、采油過程中利用壓力測點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測模型內(nèi)部壓力分布，研究注水吞吐開發(fā)過程中壓力變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)露頭模型的基礎(chǔ)物性參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)過程中模擬地層水和注入水用50 000×10-6濃度的礦化水，注入水量統(tǒng)一按照0.1倍孔隙體積進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對不同滲透率露頭模型在其他實(shí)驗(yàn)條件均相同的條件下進(jìn)行兩組吞吐實(shí)驗(yàn)。

表1 露頭模型基礎(chǔ)物性參數(shù)

2.1 注水吞吐實(shí)驗(yàn)采出程度分析

實(shí)驗(yàn)過程中保持注入壓力、悶井時(shí)間等各項(xiàng)參數(shù)不變，對比分析不同滲透率露頭模型注水吞吐效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 2×10-3μm2露頭模型吞吐采出程度

圖5 0.2×10-3μm2露頭模型吞吐采出程度

通過不同滲透率露頭模型采出程度發(fā)現(xiàn)，隨著吞吐次數(shù)的增加，周期采出程度逐漸降低，每一輪次均呈現(xiàn)初期產(chǎn)量高，遞減較快的規(guī)律。2×10-3μm2模型的采出程度由第1次的6.7%降為第3次的4.8%，三輪吞吐后的采出程度為17.1%；0.2×10-3μm2模型的采出程度由第1次的3.8%降為第3次的0.5%，三輪吞吐后的采出程度為5.5%。隨著滲透率的增加，原油采出程度變大，累積采出程度增加3倍。

2.2 注水吞吐過程壓力分布

圖6所示為2×10-3μm2露頭巖樣注水吞吐過程不同階段的壓力分布圖。由圖可以看出，注入過程裂縫壓力高于地層壓力，水在壓力下進(jìn)入地層，起到補(bǔ)充地層能量的作用，使模型中油水飽和度重新分布；燜井過程中模型壓力重新分布，形成新的壓力場，在此過程中注入水通過毛管力進(jìn)行油水滲吸置換，小孔隙內(nèi)的原油置換進(jìn)入大孔隙，形成新的油水平衡；開采過程裂縫開啟，在裂縫附近形成壓降漏斗，使地層能量釋放，模型中滲吸出來的原油進(jìn)入裂縫被采出。 從壓力分布可以看出，建立的致密油藏注水吞吐物理模擬系統(tǒng)和方法較好地描述了分段壓裂水平井注水吞吐的滲流過程。

(a)(b)(c)

(a) “吞”的過程，(b) “燜井”過程，(b) “吐”的過程

圖6 飽注水吞吐的壓力分布

3 結(jié) 論

(1) 研發(fā)大型露頭致密巖樣注水吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過建立大模型多點(diǎn)抽真空飽和水和異步注采飽和油的物理模擬方法，創(chuàng)建了致密露頭模型注水吞吐物理模擬方法，該物理模擬方法較好地模擬了致密油藏注水吞吐的滲流規(guī)律。

(2) 在注水吞吐物理模擬實(shí)驗(yàn)中，2×10-3μm2露頭模型吞吐采出程度達(dá)到17.1%，0.22×10-3μm2露頭模型吞吐采出程度達(dá)到5.5%。這表明注水吞吐可以有效開發(fā)致密油藏，并且滲透率是影響吞吐效果的主要影響因素。

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