致 密 大 模 型 注 水 吞 吐 物 理 模 擬

王向陽， 楊正明， 劉學偉， 丁云宏， 雷啟鴻

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

0 引 言

隨著石油工業的發展，常規油氣資源日趨減少，致密油等非常規油氣資源已經成為全球石油勘探開發的主體[1-3]。隨著分段壓裂水平井和體積壓裂改造技術的突破，我國成功開發了鄂爾多斯新安邊、松遼扶余、準噶爾口，吉木薩爾3個億t級致密油區，2015年致密油產量1.50×106t，基本實現工業化生產[4-5]。通過致密油的有效開發，美國 2015年產量達到2.1×108t，由石油進口國轉向出口國，石油對外依存度降至33%[6]。

目前我國致密油的勘探開發和相關研究仍處于準備階段，在致密油開發理論方面尚有欠缺。在致密油開發初期，一般采用衰竭式開發的政策，初期產量高，產能遞減快，采收率低，急需補充能量[7-8]，而致密儲層由于微納米孔喉發育，傳統注采井網難以建立有效驅替壓力體系[9]。因此，需要針對致密儲層提出新的能量補充方式。國內外研究表明，體積壓裂改造形成的復雜縫網增加了裂縫與基質間的接觸面積，有利于發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濟、有效開發的方式。基于此，本文利用自主研發的大型露頭巖樣高壓物理模擬實驗系統，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方式的可行性，為致密油藏有效開發提供技術支持。

1 注水吞吐物理模擬實驗系統及方法

1.1 露頭巖樣的制作和封裝

物理模擬實驗是滲流機理研究的重要手段之一,而模型的選取、設計又是物理模擬實驗的關鍵。物理模型制作主要按以下步驟進行：① 露頭選取，首先對砂巖露頭的滲透率、微觀孔隙結構進行評價、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，在兩相流動物理模擬中可以保證反映兩相流動規律的相滲曲線、毛管力曲線、非線性滲流特征與儲層相同[15]，再根據物理模擬實驗條件以及研究內容挑選延長組長6、長7段致密儲層露頭巖樣。② 模型制作，根據分段壓裂水平井一條主裂縫縫控基質單元制作模型，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，并在模型右端運用線切割設備制作一條長9 cm的無限導流能力裂縫，模擬分段壓裂水平井的一條主裂縫。③ 測點布設，模型測點為壓力測量點(見圖1)，布置在模型正面。在模型封裝前根據實驗要求布設壓力及流場測量探頭，同時12個壓力測點布置可以作為將來飽和原油的注采口，因此，均勻的測點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個注采口與外界聯通，常規的方法無法對大模型進行抽真空及飽和水處理，因此采用多點抽真空飽和水的方法。多點抽真空，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設置真空表觀察真空度變化情況，當模型抽真空達到真空以后，從非抽真空點2、11飽和水至模型整體真空度恢復到大氣壓力，至此模型飽和完全，稱重計算孔隙度。

圖1 露頭模型實物圖

將實驗模型放置在大型露頭模型高壓夾持器內飽和油樣，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。具體實驗過程為：①根據壓力測點分布，選取注入點和采出點；②按照實驗規劃，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及方法

如圖3所示,注水吞吐實驗裝置包括巖樣、注入系統、采出系統、監測系統四部分。其中，注入系統是由Quizix驅替泵和裝有地層水的中間容器經管閥件連接模型注采口6、12而成；采出系統是由調速型蠕動泵、油水分離計量裝置經管閥件連接模型注采口6、12而成，由于裂縫為無限導流能力裂縫，裂縫兩端注采口6、12之間壓差很小，可以忽略不計，吞吐采油階段采出的原油在蠕動泵的驅動下進入油水分離計量裝置；壓力監測系統由模型正面均勻分布的12個壓力測點組成，裝配有高精度的壓力傳感器，實時精確記錄模型不同位置不同時間的壓力變化規律。將實驗模型在大型露頭模型高壓夾持器內，模擬地層壓力下的注水吞吐實驗。

通過致密油藏注水吞吐物理模擬實驗，模擬現場注水吞吐過程中注水、關井、采油3個階段。實驗流程為: ①關閉所有注入口只保留裂縫端測點6、12開啟(見圖1注入系統)，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關閉注入口6、12，在恒定壓力下悶井15 h，模擬關井過程，在此過程中注入水通過毛管力進行滲吸置換，形成新的油水平衡；③開啟裂縫兩端測點6、12(圖1采出系統)，模擬采油過程，模型中滲吸出來的原油被驅入裂縫，在裂縫中持續注水將滲吸出來的原油帶出計量，采出時間72 h；④以同樣的流程進行第2、第3輪次吞吐實驗。

圖3 大模型注水吞吐實驗裝置

2 注水吞吐實驗結果及分析

利用以上建立的致密油藏注水吞吐物理模擬系統和實驗方法對中石油典型致密油區露頭模型進行注水吞吐物理模擬實驗，模擬油田現場注水吞吐試驗。注入、燜井、采油過程中利用壓力測點實時監測模型內部壓力分布，研究注水吞吐開發過程中壓力變化規律。實驗露頭模型的基礎物性參數如表1所示，實驗過程中模擬地層水和注入水用50 000×10-6濃度的礦化水，注入水量統一按照0.1倍孔隙體積進行設計，在此基礎上對不同滲透率露頭模型在其他實驗條件均相同的條件下進行兩組吞吐實驗。

表1 露頭模型基礎物性參數

2.1 注水吞吐實驗采出程度分析

實驗過程中保持注入壓力、悶井時間等各項參數不變，對比分析不同滲透率露頭模型注水吞吐效果。實驗結果如圖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現，隨著吞吐次數的增加，周期采出程度逐漸降低，每一輪次均呈現初期產量高，遞減較快的規律。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，水在壓力下進入地層，起到補充地層能量的作用，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行油水滲吸置換，小孔隙內的原油置換進入大孔隙，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 論

(1) 研發大型露頭致密巖樣注水吞吐物理模擬實驗系統，并通過建立大模型多點抽真空飽和水和異步注采飽和油的物理模擬方法，創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律。

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

參考文獻(References)：

[1] 鄒才能, 張國生, 楊 智, 等. 非常規油氣概念、特征、潛力及技術——兼論非常規油氣地質學[J]. 石油勘探與開發,2013,40(4):385-454.

[2] 關德師. 中國非常規油氣地質[M].北京: 石油工業出版社, 1995：15-17.

[3] 童曉光. 世界石油供需狀況展望——全球油氣資源豐富,仍具有較強的油氣供給能力[J]. 世界石油工業, 2007(3):20-25.

[4] 鄒才能, 翟光明, 張光亞,等. 全球常規-非常規油氣形成分布、資源潛力及趨勢預測[J]. 石油勘探與開發, 2015, 42(1):13-25.

[5] 鄒才能，朱如凱，吳松濤，等. 常規與非常規油氣聚集類型、特征、機理及展望—以中國致密油和致密氣為例[J]. 石油學報，2012，33(2):173-187.

[6] 賈承造，鄒才能，李建忠，等. 中國致密油評價標準、主要類型、基本特征及資源前景[J]. 石油學報，2012，33(3):343-350.

[7] 樊建明, 楊子清, 李衛兵, 等. 鄂爾多斯盆地長 7 致密油水平井體積壓裂開發效果評價及認識[J]. 中國石油大學學報, 2015, 39(4): 103-110.

[8] 王平平, 李秋德, 楊 博, 等. 胡尖山油田安83長7致密油地層能量補充方式研究[J]. 石油化工與應用, 2015, 34(3): 58-62.

[9] 李忠興, 屈雪峰, 劉萬濤, 等. 鄂爾多斯盆地長7段致密油合理開發方式探討[J]. 石油勘探與開發, 2015, 42(2): 217-221.

[10] 吳 奇, 胥 云, 王曉泉, 等. 非常規油氣藏體積改造技術——內涵、優化設計與實現[J]. 石油勘探與開發, 2012, 39(3): 352-358.

[11] Elkins L F, Skov A M. Cyclic water flooding the spraberry utilizes end effects to increase oil production rate[J]. Journal of Petroleum Technology, 1963，15(8)：877-884.

[12] Pooladi-Darvish M, Firoozabadi A. Cocurrent and countercurrent imbibition in a water-wet matrix block[J].SPE Journal, 2000，5(1)：3-11.

[13] 黃大志, 向 丹. 注水吞吐采油機理研究[J]. 油氣地質與采收率, 2004, 11(5): 39-43.

[14] 李愛芬, 凡田友，趙 琳. 裂縫性油藏低滲透巖心自發滲吸實驗研究[J]. 油氣地質與采收率, 2011, 18(5): 67-77.

[15] 楊正明, 張仲宏, 劉學偉, 等. 低滲/致密油藏分段壓裂水平井滲流特征的物理模擬及數值模擬[J]. 石油學報, 2014, 35(1): 85-92.