动态渗吸对超低渗透油藏开发的影响及应用

胡亚斐，李军诗，胡水清，吴峙颖，3，姜 晶，董 宁，胡泊旸，吕彦兵

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油咨询中心，北京 100120；3.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；4.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459；5.天津昆仑燃气有限公司，天津 300459；6.中国石油技术开发有限公司，北京 100028；7. 中国石油华北油田分公司，山西 晋城 048203)

0 引 言

超低渗透油藏是指渗透率为0.10 ～1.00 mD的油藏，此类油藏非常致密，束缚水饱和度较高，基本没有自然产能[1-2]。中国超低渗透油藏储量丰富，开发潜力巨大，主要集中在鄂尔多斯、松辽、准噶尔、柴达木等盆地[3-4]。与常规油藏相比，超低渗透油藏孔喉结构更加复杂，非均质性更强，流体流动阻力更大、流动性更差。由于裂缝系统发育，注水过程中注入水容易沿裂缝窜流，而基质中的油难以动用，导致含水上升快，常规注水开发效果差，采收率不足15%[5-7]。1952年，国外学者Aronofskfsky[8-10]等提出渗吸是裂缝性油藏注水开发的主要机理。近年来，国内外学者对静态渗吸进行了相关的研究[11-14]，明确了静态渗吸的驱油机理、数学模型和主要影响因素，但对超低渗透油藏的动态渗吸研究较少，对裂缝-基质间动态渗吸的渗流规律和影响因素认识不清。而在超低渗透油藏中，大部分原油是通过裂缝与基质间的动态渗吸采出，因此，加强超低渗透油藏裂缝-基质间的动态渗吸机理及影响因素研究，对提高该类储层采收率至关重要。文中选取长庆油田超低渗透油藏的天然岩心，通过室内渗吸实验研究了超低渗透油藏裂缝-基质间动态渗吸的渗流规律及影响因素。制备带缝岩心，探索裂缝对超低渗透油藏动态渗吸的影响，为该类油藏的大规模开发提供理论依据。

1 超低渗油藏动态渗吸驱油机理

超低渗透油藏由基质和裂缝双重介质组成，流体在双重介质内流动，基质是油的主要储集空间，裂缝是油的主要流动通道。毛管力是渗吸的主要动力，根据毛管力公式(1)可以看出，孔隙半径越小毛管力越大。超低渗透储层的孔隙度低、孔隙半径小，因此，毛管力大，渗吸作用强，适合进行渗吸采油。

(1)

式中：p为毛管力，Pa；σ为界面张力，mN/m；θ为接触角，°；r为孔隙半径，mm。

地层条件下，注水过程中发生的渗吸叫动态渗吸。在动态渗吸过程中，渗吸作用和驱替作用同时存在，注入水在驱替作用下沿裂缝推进的同时，裂缝中的水在渗吸作用下靠毛管力置换基质中的油，油置换到裂缝后再通过注入水的驱替作用采出。

2 动态渗吸实验方法

室内实验采用长庆油田露头岩心和模拟地层水，通过周期注水、动静结合的方式对动态渗吸进行模拟。将地层水注入岩心后闷井，使岩心充分发挥渗吸作用。将基质中的原油置换到大孔道和裂缝后，再采用水驱将原油驱替出来。实验主要分析动态渗吸效率的关键影响因素，并探索适合超低渗透油藏的闷井时间、注入速度、闷井周期等关键生产参数。

2.1 实验装置

动态渗吸装置由美国Quizix5000系列高压精密驱替泵、自动压力采集系统、岩心夹持器、高压活塞容器、环压系统、计量系统等部分组成(图1)。

图1 动态渗吸实验装置示意图

2.2 实验方法

实验用岩心参数见表1。实验步骤参考行业标准SY/T 6424—2014《复合驱油体系性能测试方法》中驱油物理模拟实验的相关规定，结合动态渗吸工艺参数优化的实验目的，具体步骤：①岩心处理。将岩心放入105 °的烘箱内干燥4 h，达到恒重。②饱和水。干燥后的岩心放入岩心夹持器，将模拟地层水注入中间容器内，两者同时抽真空。打开水阀，使模拟地层水在真空负压与大气压下充满整个岩心孔隙，随后采用质量差法计算岩心孔隙度。③饱和油。采用油驱水的方式进行饱和油，根据驱出水的体积控制驱入油量为60%～80%，制造束缚水饱和度。④水驱：恒速为0.02～0.30 mL/min水驱至含水率达98%以上。⑤闷井。为了使渗吸作用充分发挥，恒温48 h以上。⑥再水驱。渗吸不再发生后继续恒速水驱至含水98%。⑦重复步骤④～⑥，根据岩心情况进行2～3个周期。

表1 岩心参数

3 实验结果及动态渗吸主要影响因素

3.1 润湿性

润湿性是影响渗吸的主要因素之一。5-1、5-2、5-3岩心为亲油性，核磁共振结果显示岩心饱和油后呈双峰分布，且大孔隙中的原油较多。5-1中注入地层水，结果显示动态渗吸采收率为0，表明未发生渗吸。注入5-2和5-3的地层水中分别加入阴离子表面活性剂(CS124，质量分数为0.1%)和非离子型表面活性剂(JO2，质量分数为0.1%)，改变岩心的润湿性为亲水后进行动态渗吸，实验结果见图2。由图2可知，加入渗吸剂后的亲油岩心可以发生动态渗吸，2种渗吸剂均可以提高岩心的渗吸采收率。这是由于岩石水湿性越强，油水毛管力越大，油水逆向渗吸的驱动力越强，渗吸效率越高。因此，亲水的超低渗透油藏适合进行渗吸采油，亲油的储层可以采用加渗吸剂的方法改变润湿性后再进行渗吸采油。

图2 亲油岩心渗吸采收率

3.2 渗透率

选取不同渗透率的3块岩心2-1、2-3、2-4，通过实验探索渗透率对渗吸作用的影响。3块岩心渗透率分别为0.21、1.52、8.16 mD，实验结果见图3。由图3可以看出，随着渗透率的增加渗吸采出程度也相应增加，并且渗吸开始的时间和达到渗吸平衡的时间较短。这是由于动态渗吸中作用力主要为逆向渗吸和驱替作用，逆向渗吸包括水的吸入和油的排出，渗透率越大原油的启动压力和渗流阻力越小，越有利于原油的排出。同时，驱替作用也越强烈，渗吸采出程度越高。

图3 渗透率对渗吸采出程度的影响

3.3 裂缝

4块岩心7042-08、7042-07、7042-06、7042-03(有裂缝)进行对照性实验时，发现有裂缝的岩心动态渗吸采收率比没有裂缝的岩心明显提高。3块无裂缝岩心(7042-08、7042-07、7042-06)平均动态渗吸采收率为13.70%，有裂缝岩心(7042-03)动态渗吸采收率为29.96%。这主要是由于储层的非均质性越强，“小孔道吸水，大孔道和裂缝排油”的渗吸作用越强。裂缝可以增加储层的非均质性，有利于提高渗吸效率。同时，复杂的裂缝增加了油水的接触面积和渗流通道，降低了油的排出阻力，加速了渗吸发生。因此，对超低渗透油藏进行体积压裂后进行渗吸采油可以明显提高采油速度和采出程度。

3.4 注入速度

分别测试注入速度为0.01、0.03、0.10、0.30 mL/min时岩心的渗吸效率，结果见表2。实验表明，随着注入速度的增加，渗吸采收率先增大再减小，当注入速度为0.10 mL/min时，渗吸采收率最高，能够达到18.50%。这是由于在动态渗吸过程，中大孔道和裂缝中的油是靠驱替作用排出，而小孔隙中的油通过毛管力作用置换到大孔隙及裂缝中后由驱替作用排出。注入速度越大，压力差越大，驱替作用越大，水相则更快地进入大孔隙及裂缝中，提高了大孔隙的动用程度。同时也提高了流体流过大孔隙及裂缝的速度，但减少了水相经过毛管力进入小孔隙的机会，小孔隙的动用程度减小。当流速超过0.10 mL/min后，增加注入速度只会增加原油排出的速度，不会提高采出程度。因此，过高的流速只是提高了采油速度，携带水相快速的通过裂缝和大孔隙，不利于小孔隙中的油水置换，但过低的流速又会影响采油速度，降低生产效率。超低渗透油藏合理的注入速度为0.03～0.10 mL/min。

表2 不同注入速度下的采收率

3.5 吞吐周期

渗吸采油量随着吞吐周期的增加而逐渐降低(表3)。相关实验表明，有裂缝的岩心经过2次闷井后采收率不再增加，无裂缝的岩心第3次闷井后仍有少量的油采出，采收率有小幅度增加，但总采收率增加量较有裂缝的岩心低，说明裂缝的存在不仅增加了渗吸采收率而且提高了渗吸效率。根据实验结果，推荐超低渗透油田吞吐周期为2～3个周期，过多的吞吐周期会造成无效注水，增加油田生产成本。

表3 不同吞吐周期下的渗吸采收率

3.6 闷井时间

闷井时间越短，地层压力的保持水平越高，裂缝的导流能力越大，生产压差越大，相应的初期产量会越高，但闷井时间过短会降低小孔喉的动用程度，不利于发挥毛管力的渗吸作用。在实验中，岩心闷井168 h后渗吸采收率不再增加，实验结果见表4。

表4 不同闷井时间下的渗吸采收率

Morrow等[10]提出通过相似理论将实验室的数据与实际油藏的数据进行对比，在流体性质和岩石特征相同的前提下可以得到全油藏的渗吸特征。

根据相似理论在其他因素相同的情况下，达到指定含水饱和度的渗吸时间和特征长度的平方成比例。室内用岩心平均长度为4.87 cm，含水达到98%时用时168 h，假设在油井动态渗吸中注入水可以从裂缝进入基质0.1 m的距离，计算可得用时708 h，大约为30 d。因此，推荐超低渗透油田闷井时间为30 d。

4 注水吞吐采油机理

亲水超低渗透储层中特有的渗吸作用是注水吞吐的基础。超低渗透油藏由于孔喉细小，毛管压力大，渗吸作用强；同时，由于体积改造形成复杂的缝网，增加了基质与裂缝的接触面积，成为渗吸的优势通道。注水阶段水进入裂缝和部分大孔隙；关井后，地层压力重新分布，大孔隙和裂缝中的水与小孔隙中的油发生渗吸置换，水进入小孔隙，油流入裂缝和大孔隙，油水重新达到平衡；开井生产阶段压力下降，裂缝和大孔隙中的油流入井筒。

5 矿场实践

鄂尔多斯盆地A油田为典型超低渗透油藏，主力油层厚度为15～20 m，平均孔隙度为7.9%，平均渗透率为0.17 mD，喉道半径小，岩石弱亲水。试验区采用水平井注水开发，2013年水平井经过分段多簇压裂后形成了一定规模的缝网，注水开发时注入水容易沿裂缝突进，油井发生水淹，产油量持续递减，开发效果不理想。

2014年对该地区开展注水吞吐试验，压裂后初期产量较高、压裂效果好，但产量递减快、能量明显不足、注水效果差。地层累计亏空较大的水平井，选出试验区5口水平井进行注水吞吐试验。设计单次闷井时间为30 d，生产5个月后开展下一周期吞吐试验。2周期吞吐后5口井含水均有所下降，平均单井日产油增加1.3 t/d，井组累计增油2 145 t，整体效果较好，生产情况见表5、6。试验结果对其他同类超低渗透油田注水开发有指导意义。

表5 水平井注水吞吐参数

表6 动态渗吸后产油量与含水率对比

6 结 论

(1) 在超低渗透油藏中基质是原油的储存空间，裂缝是油的流动通道，为该类储层能够开采的关键因素。实验中带缝岩心的动态渗吸采收率比无缝岩心高16.26个百分点，表明裂缝越发育动态渗吸效率越高。建议超低渗透油田进行大规模体积压裂，形成复杂缝网后，利用渗吸采油提高采出程度。

(2) 润湿性是影响渗吸效率的主要因素，岩石亲水性越强，渗吸效果越好。亲油岩石无法发生渗吸，可以通过加入渗吸剂改变润湿性后再进行渗吸。储层渗透率越高，动态渗吸采收率越高。

(3) 动态渗吸中渗吸作用和驱替作用同时存在。对于超低渗透储层注入速度为0.10 mL/min时2种作用力之和达到最大，渗吸采收率最高。

(4) 带缝岩心经过2个周期吞吐后采收率不再增加，无缝岩心经过3个周期吞吐后采收率基本不再增加。建议超低渗透油田设计吞吐周期为2～3个。采用相似理论将实验室数据应用到油田现场，建议超低渗透油田闷井时间为30 d。

(5) 利用渗吸作用采油是开发裂缝性超低渗透油藏的关键技术，该方法能够降低裂缝性水窜促进油水重新分布，渗吸采油技术应用前景广阔。