低滲透油藏注入流體竄流及滲漏力學機理研究

倪維蔚

摘 要：高壓注水開采是低滲透油田主要的開采方式，注入水沿隔夾層及斷層竄流和滲漏使注水達不到預期效果，嚴重影響開發效果。本文針對導致竄流的主要因素，通過實驗研究、理論建模和數值模擬的方法，建立了考慮隔夾層滲流損傷的力學模型，通過數值模擬，對影響竄流、滲漏的主要因素進行了敏感性分析，給出了竄流、滲漏的防控措施。

關鍵詞：低滲透油藏;注水開采;敏感性分析;竄流

1 緒論

我國低滲透油氣藏探明量占總新探明油氣藏半數以上。且其生產潛力大，生產建設規模占總規模七成以上。可開發的低滲透油田一般微裂縫發育，這些微裂縫具有良好的導流能力，是油藏內流體滲流的主要通道。在開發過程中，注入流體很容易沿著裂縫竄流或滲漏到相鄰其他層位，造成竄流。弄清注入流體竄流和滲漏的基本規律，對于提高注水開釆的成效以及油氣藏的采收率具有十分重要的理論意義和實際應用價值。

2 考慮滲流--損傷本構的竄流及滲漏敏感性分析

2.1 孔隙度滲透率演化對竄流及滲漏的影響分析

取研究區域為地下1000m處油層，模型上邊界與蓋層相接，并取上覆巖層壓力20MPam，模型上邊界為不透水邊界;設儲層厚度為61m，其中被隔層分隔的上部油藏層厚度為20m，上部油層與工作層間隔層厚0.5m，工作層厚為20m，工作層與下部油層間隔層厚0.5m，下部儲層厚度為20m，其中只對中部油層進行注水開采。 儲層及隔層孔隙度及物性參數如表1所示。對照組物性參數只采用動態演化組的初始計算數據，計算過程中不考慮動態演化過程。

注水10年后，在考慮有效應力與孔隙度、滲透率之間關系關系模型中，儲層中部滲透率最大達到10.3 （m/D），初始滲透率為10.0（m/D），變化幅度不大;夾層滲透率0.039（mD），初始滲透率為0.41（mID），增加幅度幾乎為400%，在高壓注水條件下，骨架有效應力減小，儲層孔隙度變化不如滲透率變化顯著，且增加幅度較小;而對于夾層，孔隙度與滲透率均有明顯變化，且滲透率變化明顯。

2.2 滲流一損傷演化模型對竄流及滲漏的影響分析

本節研究一注一采油藏，其中注水井壓力為15MPa采收邊界壓力為5MPa，地層壓力7.5MPa，模型四周及底面約束軸向位移。模擬區域長寬高為100m×60m×20m。其中油藏上部油層厚度為4.9m;上部油層與工作層間隔層厚0.1m;工作層厚為10m;工作層與下部油層間隔層厚0.lm;下部油層厚度為4.9m。整個區域有限元模型共有單元數3840個，結點數4641個。

對工作區油層持續注水10年。取注水邊界正上方單元為研究對象，在連續注水約1000天后開始產生塑性變形，然后塑性應變迅速增加，在此過程中，隔層滲透性的變化趨勢與其損傷因子保持一致。取最小井距間各結點為研究對象，注水10年后，在注水井80m以內范圍的隔層均處于損傷指標相對較高，其損傷因子達到2.5E-2;而80m到90m內損傷因子迅速減小，損傷因子由2.5E-2降低至1.4E-2;900m以后的損傷變化情況不明顯。計算結果說明隔層滲透性變化趨勢與損傷指標變化趨勢保持一致，且塑性部分滲透率變化較大，注入流體沿著損傷區域竄入了上下層。

2.3 不同形態天然裂縫對竄流的影響分析

通過比較在裂縫長度分別為10m，15m，及30m時地層內部的滲流速度場分布，我們發現隨石裂縫長度的改變，滲流場的狀態也相應隨之改變。從總體上來看，裂縫內部的滲流流體流速較高，而又由于裂縫滲流率的各向異性，其延伸方向的流速遠高于其法問流速。因此在當裂縫長度較短時，地層內部通過裂縫的流體較小，裂縫內部的流體速度也較小;而當裂縫穿整個地層時，裂縫內部流體流速也較大。當裂縫延伸穿過隔層時，流體就會延著裂縫竄向臨層，導致層間竄流現象發生。

2.4 不同形態人工縫對竄流的影響分析

以上是對天然裂縫進行的研究。然而壓裂開采是低滲流油藏的主要開采方式，在壓裂過程中，會產生各種人工裂縫，因此本節對不同形態的人工縫進行研究。在人工裂縫未與天然裂縫連通時，天然裂縫對于地層內部的滲流場分布的影響相對較小;而一旦二者互相連通，注入流體會先沿著人工縫注入天然裂縫，然后再由天然裂縫滲入地層。豎直的天然裂縫對于其法向滲流場影響較大，而人工裂縫則對于水平方向上的滲流場影響較大。在注入井到天然裂縫之間的地層內，流體基本上是通過天然裂縫反向注入地層的。因此，這部分油藏不能很好的得到驅替，在人工裂縫一天然裂縫的組合裂縫形式下，竄流現象極可能發生。

2.5 環空竄流模擬

通過比較水泥環與地層之間有微裂隙與無微裂隙時的情況，我們可以發現，當無微裂隙存在時，地層內部孔壓分布均勻，隔層以外地層孔壓無明顯變化;而有微裂隙存在時，微裂隙使得地層內部孔壓急劇減小，隔層以外孔壓變化明顯。在滲流速度矢量場上，無微裂隙時儲層內部流體流動速度比地層中其他位置的流體流動速度快，隔層以外流體流動不明顯。這說明微裂隙改變了地層內部的流體流動情況，在有微裂隙存在的情況下，大部分注入流體會沿著微裂隙穿過隔層，并降低地層內流體流動速度，影響注水開采的效果。

3 結論

通過對不同形態天然裂縫及人工裂縫進行數值模擬研究得出，由于裂縫滲透率的各向異性特征，其在延伸方向上具有良好的導流能力，裂縫的存在將明顯改變地下滲流場的分布情況。

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