低滲儲層滲流研究及主要開發對策

鄧 輝

（西北大學地質學系，陜西西安 710069）

世界油氣資源面臨的挑戰日益嚴峻，在我國常規儲層無法滿足工業需求，因此低滲儲層的勘探開發在我國顯得尤為重要[1]。低滲儲層特點孔喉細小，主要滲流空間非常有限；儲層橫向微相變化快，非均質性很強；裂縫相對比較發育；流體滲流為非達西流；對多種因素敏感性非常強。

敏感性強決定在開發低滲儲層時儲層保護成為開發過程中的關鍵技術和難點所在。近些年來關于低滲儲層各種敏感性及其應對措施已有大量文獻報道，其中以應力敏感性[1-6]、水鎖損害[7-13]為主，也包括敏感性礦物[14]及酸、堿性[15]等。

低滲儲層開發的關鍵過程在于保證油氣在其中的滲流過程。一切研究技術和方法應當以提高有效滲流為目的。本文將在滲流機制及其影響因素，以及開發、布井措施等方面予以綜述，探討最近國內外研究現狀、進展以及仍需解決的主要問題。

1 滲流機制及其影響因素

1.1 滲流機制

低滲儲層的孔喉系統基本上由相對微小孔道組成，每個孔道均有各自的啟動壓力梯度，只有外界驅動壓力梯度大于其啟動壓力梯度時，該孔道中的流體方能流動。因各個孔喉啟動壓力大小不盡相等，驅動壓力梯度不斷提高時，更多孔喉相繼打通，儲層滲透性隨之增強，滲透率變大，因此其滲透率也為一變量。低滲儲層中流體的滲流屬于微尺度流動[16,17]，在宏觀尺度常常被忽略的因素（如流體本身的性質、流體的極性與非極性、小分子間作用力以及界面吸附效應等[17]）此時占據主導地位。因此許多在宏觀流動中被忽略的或一些影響較小的因素，此時占據主導地位，致使其流量和壓力梯度呈非線性關系（見圖1）。在實驗室，恒速壓汞、核磁共振、離心試驗及微量驅替等多種技術已在實驗室中研究巖樣滲流規律[18]。

地質模型經常被用來研究地質參數發展和變化的規律，對于非線性滲流的研究也不例外。姜瑞忠等（2011）分別用達西、擬啟動壓力梯度及非線性模型計算，得出地層中壓力梯度場[19]。結果表明，由于微尺度流動效應，非線性滲流與線性滲流規律對比分析指示，如果使用擬啟動壓力梯度模型，地層整體滲流阻力被夸大；而達西模型則夸大儲層的滲透性，該兩類情況在實際生產中應當予以考慮。同時計算出的達西流、擬線性流以及非線性流三種情況下油藏含水率（見圖2）顯示，擬啟動壓力梯度模型最快而達西模型最慢，非線性模型居中。其原因是跟水相比，油相的滲流阻力與達西模型相對較大，因此水相滲透能力相對強。

1.2 應力敏感性

流體在儲層中滲流受到流體自身性質、巖石性質及其相互作用的影響。流體在儲層中滲流受到應力影響表現為兩方面：一方面作用于流體的應力場直接影響滲流作用；另一方面巖石骨架應力場變化使得巖石可能發生變形，二者之間耦合作用的變化使得滲流作用受到影響[20]。近些年來應力敏感性研究主要集中在實驗評價、滲流模型以及油氣藏產能三方面[1]，其中以實驗評價的研究居多數。

在試驗評價中，國內外學者多以各種函數形式建立應力與有效滲流之間的關系。亦有學者認為研究滲透損害與應力之間的關系更為直接，并總結出應力敏感性的各種控制因素[1]。實驗研究表明隨著有效應力增加，巖樣的滲透率呈規律減?。ㄒ妶D3 a），其原因是壓力增加使得閉合壓力閥門相對低的孔喉關閉，整體滲流能力降低；且滲透率下降速度亦隨著應力增加速率提高而加快（見圖3b）[3,5,20,21]。在開采中，如果孔喉結構發生塑性變形，則造成的傷害過程具有不可逆性，并且滲透率越小、有效應力加載速度越快，永久傷害率也越大[5]。同時，應力敏感性損害亦可因粘土礦物遇水膨脹、微粒堵塞、流體潤滑作用滲流通道變窄而加劇[3]。

滲流模型大概分為兩類：其一基于混合物理論，其二基于傳統的流動模型[22,23]。而在生產中應當根據實際情況選擇合適者。應力敏感性對產能的影響較難把握，其研究尚處于理論的模型建立和公式推導，實際應用方面較為欠缺。

1.3 水鎖損害

注水開發過程外來水相流體滲入油氣層孔道后克服其毛細管阻力方能使得油氣滲向井筒。外加能量不能克服這一阻力，就無法消除水的堵塞，最終降低采收率，稱“水鎖損害”。水鎖損害被認為主要由毛管壓力和賈敏效應產生的附加壓力引起，同時受含水飽和度、巖石潤濕性、水相物理侵入深度、流動壓差、鉆井工藝等綜合影響[9,11,12,24]。

如果儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度，油、氣反排工作液最多只能將儲層中含水飽和度降至束縛水飽和度，這一過程中產生的水鎖稱暫時性水鎖。只要時間足夠長，暫時性水鎖可以完全解除。但是滲透率越低，解除傷害所需時間越長。但如不幸將地層中含水飽和度降低至原始含水飽和度，產生的水鎖稱永久性水鎖，無法解除[7]。低滲儲層開采過程中水鎖損害隨工作液壓力增大和時間加長而加重，因此在對低滲儲層修井作業或壓裂改造作用時，不僅需降低流體密度，更應盡量縮短其時間[9]。

多種實驗方法被用于水鎖傷害的評價研究，如靜態巖心流動實驗，巖樣浸泡實驗等。近些年來學者甚至嘗試室內定性分析的手段，認為在某一極限內，水鎖傷害隨著地層含水飽和度的增加而嚴重。

1.4 其他影響

除應力敏感及水鎖損害之外，低滲儲層滲透率也受到酸敏、堿敏及微顆粒等影響。酸敏指數主要受碳酸鹽及綠泥石影響，隨綠泥石含量增大而加重，隨鹽酸鹽含量增加而減弱；堿敏、微顆粒均隨著粘土礦物含量的增多而加重[15]。同時，低滲儲層普遍發育微型裂縫，對儲層滲透性起到不同程度的改善作用，但同時增加了其非均質性。另一方面，低滲儲層滲透率受到諸多外因影響，如流體自身特性、地層溫度等。多種因素之間又相互影響，使得低滲儲層滲流參數更為復雜。如流體損害可通過影響儲層應力敏感新進一步影響滲透率[3]；再如正壓射孔附近壓力增大可以使得水鎖傷害增加[8]；又如流體應力場的增加導致微顆粒堵塞（賈敏效應）更加重。近些年來鑄體薄片、壓汞、掃描電鏡等試驗方法以及灰色關聯分析法、相對比較法等分析思路的創新有助于研究工作的更深一步進行，并指導實際開采工作。

2 應對措施

低滲低產的油氣井,為了達到理想的開采效果,人們根據實際情況進行了一系列的努力和探索。在低滲儲層開發中，對儲層的保護顯得尤為重要。研究者根據實際情況以及實驗結論，從解除水鎖傷害、注水措施、布井措施等方面提出各種應對措施。

2.1 解除水鎖傷害

低滲儲層中，水鎖損傷是最嚴重的。如是水鎖損傷只是暫時性的，在解除之后其他傷害異客得到不同程度的緩解[25]。因此對暫時性水鎖傷害的解除技術、方法非常關鍵。水鎖傷害的機理有毛細管自吸作用、液相滯留效應，因此在抑制或解除水鎖傷害當以此為治本之策。

在水鎖傷害的抑制和解除中，以各種表面活性劑的使用居多，其機理是表面活性劑降低界面張力，從而在降低含水飽和度方面發揮作用。以往較為常用的是2%的KCl，近些年來根據實際地層情況應用較好者諸如FHB-10在中原油田文23氣田中得到較好效果[13]；復配體系0.8%石油磺酸鹽加0.05%鼠李糖脂和1%碳酸鈉在平湖油氣田應用效果非常好[12]。除此之外，亦有通過熱處理、增強井周圍滲流性以及提高反派速度等措施。比如，巖心實驗表明，高頻微波加熱不僅效率高，而且不會對儲層產生二次傷害。而在凝析氣開采中，近井區反凝析及反滲析引起的動態地層傷害成為研究的重點和難點[26]。

2.2 注水措施

低滲儲層存在啟動壓力梯度與介質變形，因此在開發過程中很難做到穩產，采收率很低。同時因滲透率降低多具有不可逆性，在注水開采中多采用超前注水。這在鄂爾多斯盆地取得較為理想的效果[27]。

超前注水的重點在于保證注入水與地層水的配伍性，把握壓力平衡以及最佳開采時機[28,29]。一般而言，注入水的壓力應控制在地層破壓的90%以內，而儲層滲透率越低，原始壓力越高，注水當越提前[28]。有巖心（對長慶莊19井區）實驗研究認為，最佳開采時機為注水壓力傳至巖心長度32%之時[29]。

在開發的中后期，注水策略當適當做出積極調整，以適應儲層內部動態的變化。其原則是協調注水壓力與水平最小主應力以及最大主應力之間的平衡關系。如在頭臺油田茂11區塊實施限壓注水、周期輪換注水，取得很好效果[2]。

2.3 布井措施

低滲儲層中，流體多為非達西滲流，因此在地下流體滲流場的分布研究、在油田開發預測、井網井距的選擇等方面受到特別重視。注采井距在很大程度上影響特低滲儲層開發效果，其確定主要以滲透率及啟動壓力梯度為主要參考。一般的規律為，合理的注采井距隨著滲透率和注采壓差的增高而增大，隨著原油粘度、啟動壓力梯度及期望采收率的增大而減小[30]。

低滲儲層開發布井方式除線狀井網外，較為常見的是正方形反九點面積井網（見圖4）。二者見效相當，但后者如果采用強注水，油井含水會迅速上升，因此對注水策略的控制更嚴格。陳淑利以頭臺油田茂11區塊為例，提出排距控制在70～100 m，并采用低量、低壓、平穩的注水策略[2]。

在煤層氣開采方面，王新海綜合考慮三維氣水兩相滲流、壓力敏感性、啟動壓力梯度等因素，提出煤層氣定向羽狀水平井開采模型（見圖5）[31]。該模型中，高效的降壓策略使得煤層氣產量提高，但啟動壓力梯度的存在使得開采效果變差。

2.4 人工裂縫及其他措施

低滲儲層發育的微裂縫在開發過程中產生很重要的增滲作用，因此對裂縫的改造非常重要。對裂縫進行適當改造，亦成為關鍵技術之一。儲層天然裂縫欠發育情況下，人工裂縫一般垂直于期望應力梯度方向，使得沿裂縫注入的水通過兩側驅油。而天然裂縫如果發育，則首先應對天然裂縫的方向進行識別，目前較為先進的方案為定向取心及成像測井；其次分析區域構造應力場，建立儲層厚度和裂縫間距的相關關系，適當實施人工改造，并綜合優選注采井網分布及方向。該策略在安棚油田的應用效果較理想[32]。除此之外，開采工藝和方案的不斷探索和管理制度的不斷完善亦為低滲儲層勘探開發必不可少。近些年來產生新方案如間歇開采、多次開采等。同時，各種方案無法適應所有開采需求，在選擇開采策略時應當根據實際情況，因地制宜，靈活選取與開采區最合適方案。

3 討論與展望

關于低滲儲層的研究，雖有大量客觀成果，但仍存在諸多問題。

在應力研究方面，目前關于應力敏感對油田生產的影響尚缺定量性，且研究多為室內巖樣為對象，對整個非均質儲層的滲透特性難以把握。應力敏感性的研究趨勢應將實驗數據、理論公式及儲層物性融為一體,得到一個全面的應力敏感性評價系統。

在注水開發方面，水氣交替注入方式有利于提高特低滲儲層的原油采收率，是開發低滲、特低滲儲層重要的方法之一，值得深入研究。在氣田生產中也未形成類似油田中間歇開采的理論，建立間歇開采制度優化模型，僅出現一些初步探索。

在低滲儲層開發方案中應當在堅持“整體觀念”的指導思想的同時，具體問題具體分析，不能用簡單的模型套用所有問題。開發儲層是動態的過程，并且受到諸多無法預料或無法定量的因素的影響，因此筆者更傾向于在定量的同時，更加強定性方面的研究。

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