超低滲油藏寬帶壓裂物理模擬實驗研究

夏德斌，楊正明，趙新禮，張亞蒲，駱雨田

（1.中國科學院大學工程科學學院，北京 100049；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 100083）

0 引言

低／超低滲透油藏的動用規模和產量貢獻比例逐漸增加，成為石油實現穩產和增產的重要來源，其有效開發對緩解中國原油供需矛盾，保證國家能源安全具有重要的戰略意義［1-2］。但是低滲透儲層物性差：微觀機構復雜、孔喉細小、滲透率低，自然產量遞減速度快，累計產量低［3-5］，需要進行壓裂增產措施。長慶油田老區直井大量剩余油分布在人工裂縫的兩側，油井單井產量和最終采收率低［6］，常規壓裂難以動用，需要進行寬帶壓裂。姬塬油田針對老區直井側向剩余油難以動用的問題進行了寬帶壓裂研究。結果表明，合理增加帶寬能夠增大泄油面積，增加累計產量［7］。

對于物理模擬實驗，目前進行最多是一維的物理模擬實驗，然而一維模型只能把流體在孔隙介質中的流動看作是線性流動，無法考慮井網注采方式的變化［8-9］，這與油田實際開發情況不相符。國內外實驗所用的二維或三維實驗模型多采用人工封裝的填砂模型［10-12］，但是人工方法制作的二維或三維填砂模型很難制作低滲透和超低滲透的填砂模型［13］，并且填砂模型無法模擬實際儲層的孔喉特征。大量的實驗研究和礦場實際表明儲層的微觀孔隙結構影響低滲透油藏的開發效果［14-18］，因此實驗模型和儲層在微觀孔隙結構上要相似。本文首先從孔喉分布規律和黏度礦物含量方面選取與儲層巖心相似的天然露頭砂巖作為實驗巖心，這樣能夠使模型最大程度接近實際儲層中流體的流動特征。根據無因次導流能力，按照油田的兩種裂縫類型制作了實驗模型，研究不同壓裂帶寬對壓裂效果的影響，該研究對油田后續挖潛剩余油具有實際指導意義。

1 實驗裝置與模型制作

1.1 實驗裝置

實驗裝置由驅動系統、實驗模型、壓力數據采集系統、采出液測量系統四部分組成。驅動系統由空氣壓縮機、ISCO驅替泵、中間容器（內裝實驗用地層水）、壓力傳感器（監測供給壓力的大小）等組成。壓力測量系統由高精度壓力傳感器組成。將壓力傳感器連接在超低滲透平板模型的測壓孔處，本實驗所用壓力傳感器為瑞士TRAFAG公司生產的高精度壓力傳感器，量程為0～0.6 MPa。使用壓力巡檢儀實時監測超低滲透平板模型各個測壓點的壓力變化，并將信號傳輸給計算機記錄。

實驗時，利用驅動系統提供實驗所需的穩定、連續的壓力，在注采井處用微流量計采集流體流量，分別記錄模型上各測壓點處的壓力及注采井的流體采出量隨生產時間的變化情況，實驗流程如圖1所示。

圖1 大型物理模擬系統實驗流程示意圖

1.2 平板模型制作

（1）露頭巖樣的選取。實驗模型的制作是實驗關鍵所在，模型與實際儲層的相似度關系著實驗的說服力。將從平均孔隙度為13.2%，平均滲透率為0.31 mD的砂巖露頭上鉆取小巖心和選取的一塊孔隙度為13.5%，滲透率為0.35 mD的長慶油田儲層巖心都進行恒速壓汞［19］和黏土礦物含量測試，測試結果如圖2和表1所示。

圖2 露頭巖樣與實際儲層巖樣孔喉孔道半徑分布圖

表1 長慶低滲透露頭與儲層巖樣黏度礦物含量對比 %

可以看出，所選取的露頭巖樣和儲層巖樣的孔道半徑分布規律相似，黏土礦物含量接近，由此可以說明用選取的露頭巖樣進行實驗能夠較好地反映流體儲層中的流動特征。

（2）實驗模型的制作。為了研究不同壓裂帶寬對壓裂效果的影響，采用長慶油田的井與單一裂縫驅替和井與復雜裂縫驅替（見圖3）［7］。

按照等效無因次導流能力［20］將上述砂巖露頭制作成如圖4所示的實驗模型，表2為實際井組和實驗模型井組的參數表。

圖3 長慶油田兩種驅替方式（m）

圖4 兩種平板模型注采井及測壓點的分布圖

表2 井組與實驗模型參數

在實驗模型兩角和裂縫中間鉆取深孔模擬注水井和采出井，根據注采井間壓力梯度的分布規律，鉆取表層淺孔（降低鉆孔對平板模型流場的影響）布置測壓點，壓力測量點的布設遵循測量點需要模型的主要區域，但數量不應過多。探頭對模型的壓力分布不可避免地產生影響，而且探頭過多不利于實驗模型的制作，注采井及測壓點的分布如圖4所示。

2 實驗流程與結果分析

2.1 實驗流程

（1）按照圖4在注采井和壓力測量點鉆孔，并用水沖洗，將鉆孔過程中殘留在孔中的粉末清洗干凈，然后放入80℃的恒溫箱中烘干24 h。

（2）從恒溫箱將平板露頭模型取出，靜置在空氣中讓其自然冷卻，將傳感器接頭粘貼在鉆孔處并做密封，防止封裝用膠流入鉆孔中。組裝封裝模具并將模具進行加固和密封處理，防止封裝用膠泄露。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，放在空氣中靜置24 h，待其固化后拆掉摸具。

（3）采用多點抽真空飽和技術對平板露頭模型抽真空，飽和地層水［21］。先將模型進行抽真空，然后將模型在常壓下進行飽和。當在常壓下模型不能夠繼續飽和進水時，將模型在0.1 MPa壓力下進行飽和24 h，然后將模型靜止放置48 h，以使模型充分均勻地飽和地層水。

（4）在0.1 MPa驅替壓力下，進行單相驅替實驗，并記錄驅替過程中各點的壓力以及采井的采出量數據。

2.2 實驗結果分析

利用上述實驗方法和流程進行了單一裂縫和復雜裂縫兩種模型的實驗，表3為單一裂縫模型各個測壓點在不同滲流時刻的壓力值。

表3 單一裂縫模型各測量點在不同滲流時的壓力值kPa

根據表3各測壓點的數據，利用Surfer作圖軟件，繪制了平板模型的等壓線分布曲線，如圖5所示，圖中右上角為注入井，下中和左上角為產出井。

由圖5可以看出，在滲流狀態由非穩態到穩態的變化過程中，注水井附近壓力梯度逐漸變小（圖右上角中等壓線由密集逐漸變稀疏），采出井附近壓力梯度逐漸變大（等壓線由稀疏逐漸變密集）。這是由于超低滲透平板露頭啟動壓力梯度的存在，使得在驅替剛開始時在注水井附近形成局部的高壓區。隨著流動時間的延長，壓力逐漸向采出井附近傳播。壓力優先于沿注水井與裂縫前端的方向傳播，然后再沿著裂縫方向向采出井方向傳播。裂縫的存在相當于縮短了滲流距離，使得裂縫周圍壓力梯度增大（裂縫周圍等壓線逐漸變密集）。

同理，將復雜裂縫模型在100 kPa驅替壓力下進行實驗，表4為各測壓點在不同滲流時刻的壓力值。

根據表4中各個測壓點的數據，利用Surfer作圖軟件，繪制了平板模型的等壓線分布曲線，如圖6所示，圖中右上角為注入井，下中和左上角為產出井。

圖5 單一裂縫模型驅替過程中壓力分布隨時間的變化圖

圖6 復雜裂縫模型驅替過程中壓力分布隨時間的變化圖

表4 復雜裂縫模型各個測點在不同滲流時刻的壓力值kPa

由圖6可見，相比于常規壓裂，體積壓裂模型壓力波及的范圍更大，側向壓降漏斗更大，動用程度更大，更有利于流體的采出，穩定所需時間更短。

將兩種實驗模型的累計產液量進行統計，結果如表5所示。

表5 兩種實驗模型累計產液量 mL

由于裂縫的存在，兩種實驗模型在最初18 h內，采1井都有液體采出，而采2井沒有；相比于單一裂縫模型，復雜裂縫模型采1井在最初18 h內采出的液體更多。到達47 h時，復雜裂縫模型中采2井有液體采出，說明此時壓力已經傳播到了采2井處，而單一裂縫模型沒有。在相同實驗條件下，復雜裂縫模型達到穩定的時間更短，采1井和采2井最終的采出量也比常規壓裂模型多，說明復雜裂縫更有利于流體的流動和采出。

3 結語

建立了不同壓裂帶寬條件下平板滲流效果物理模擬實驗，相比較一維巖心實驗，可以研究平面壓力場的變化過程，能夠更好地模擬壓裂后實際油藏的滲流規律。通過實驗研究發現，注入井附近壓力梯度逐漸減小，采出井和裂縫附近壓力梯度逐漸增加，這也說明了非線性滲流特征的存在。對比于單一裂縫模型，復雜裂縫模型能夠更好地波及側向儲層，側向壓降漏斗更大，有利于側向流體的采出，復雜裂縫模型累計采液量更多，采出速度也更快。

·名人名言·

科學上的許多重大突破，都是一點點細微的成績積累起來的。

——童第周