低滲透油藏滲吸采油技術研究進展*

劉 凱，高振東，王成俊，高怡文，孟選剛

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710065；2.陜西省二氧化碳封存與提高采收率重點實驗室，陜西西安 710065；3.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000）

0 前言

近年來，中、高品質易開發的中高滲油氣資源在新增勘探儲量中所占比例越來越少，低滲油氣資源所占比例不斷增大。據統計，截至2017 年，在新增探明油氣儲量中低滲儲量所占例高達73.7%［1］。同時，隨著現有儲量開采程度的不斷加大，以往較難開發的低滲透油藏油氣資源在石油天然氣開發中的重要程度不斷加大。根據美國能源信息署的預計，在2035年致密油產量將占世界原油總產量的45%以上［2］，因此實現低滲透油藏的高效開發變得愈發重要。

低滲透油藏通常具有“三低兩高”特征，即原始地層壓力低、孔隙度低、滲透率低、毛管壓力高、有效應力高［3］，一般均需要進行油藏改造才能具有有效產能，如鄂爾多斯盆地的長慶油田、延長油田在新井投產初期均采取壓裂造縫的方式［4-6］。同時，低滲透油藏普遍微裂縫發育，儲層呈現基質-裂縫雙重流動系統，在注水開發中表現出無水采油期短、見水后含水上升快等問題，特別是見水后基質中仍存有大量原油，采收率低，因此低滲透油藏的有效開發一直是一大難題。

滲吸采油是低滲透油藏開發中的一項重要機理，在油藏開發中起著十分重要的作用，特別是該類油藏中壓裂造縫未波及區域，儲層致密，啟動壓力高，難以建立有效的驅替系統，產油主要依靠儲層基質-天然裂縫之間的油水滲吸交換。因此，滲吸采油技術的研究對于低滲透油藏提高采收率有重要的指導意義。在廣泛調研和分析的基礎上，本文介紹了滲吸采油的基本概念、機理和主要研究進展，并提出了低滲透油藏滲吸采油技術的發展方向。

1 滲吸采油技術

滲吸采油是指通過多孔介質自發滲吸將基質油開采出來的方法，在這個過程中，動力為毛管力，阻力為原油移動時的黏滯力。相比于中高滲儲層，低滲儲層由于其喉道半徑微小（多小于1 μm），滲吸過程中的毛管力更大，滲吸動力更強，因此滲吸作用不容忽視。

滲吸主要是在重力與毛管力的共同作用下發生的，毛管力占主導地位的為逆向滲吸，重力占主導地位的為同向滲吸［7］。由于在低滲儲層中重力的作用基本可以忽略，而毛管力起著絕對支配作用，加上復雜縫網系統的存在，所以在低滲儲層開發過程中發生著大規模的自發逆向滲吸［8］，滲吸是低滲透油藏儲層基質出油的主要方式。

2 低滲透油藏滲吸采油技術研究進展

有關滲吸最早的研究可追溯到1918 年Lucas等［9-10］對于水在單管模型中自發滲吸過程的分析，之后對于滲吸的研究不斷深入，研究內容不斷細化，如在復雜條件下滲吸模型的建立［11-12］，數值模型的求解［13-16］等。近年來，國內外學者針對低滲透油藏滲吸采油的研究主要集中在如下幾個方面。

2.1 滲吸的影響因素

儲層中的滲吸是一個十分復雜的現象，它主要受油水界面張力、乳化性、潤濕性、溫度、原油黏度、含油飽和度、滲透率等因素的影響，且各因素之間相互作用，作用機理復雜，因此針對滲吸影響因素的研究一直以來都是滲吸采油研究的重點［17-28］。

儲層的潤濕性［29-30］決定了能否發生自發滲吸，在水濕性儲層中，毛管力為滲吸的驅動力；相反，在油濕性儲層中，毛管力為滲吸的阻力，阻礙油相從基質向裂縫流動，因此油濕性油藏無法發生自發滲吸。對于長期水驅后的油濕性油藏，潤濕性一般會自發轉變為水濕，這主要是由于儲層介質在水的長期沖刷與浸泡下，含油飽和度不斷降低，介質表面附著的油分子被不斷剖離，從而潤濕性不斷向親水轉變。

對于處于開發初期的油濕性油藏，若需要盡快改變潤濕性則需要通過往注入水中添加潤濕反轉劑以改變儲層潤濕性。常用的潤濕反轉劑是表面活性劑，大量研究已經證明表面活性劑在巖心表面的吸附能改變潤濕性（圖1）［29-33］。同時，表面活性劑除了能改變油藏巖石的潤濕性以外，還能通過改變驅替液乳化能力來影響滲吸過程。通過促進原油在巖心中的自發乳化，使乳化的油滴變小，從而降低原油在巖心中流動的阻力，進而有利于滲吸［34-35］。但是，強潤濕能力與乳化性需要較高的表面活性劑濃度，從而導致界面張力過低。姚同玉、謝坤等［36-37］認為不同于單純的表面活性劑驅油，因為毛管力是滲吸的動力，所以界面張力不宜過低，否則會轉變為同向滲吸，故存在一個對滲吸最為有利的界面張力最優值。

圖1 表面活性劑改變巖心表面潤濕性示意圖［30］

目前常用的潤濕反轉劑還有活性納米材料，其中油田常用的是改性二氧化硅。通過往SiO2分子上引入其他基團使其表面改性，從而具有了憎水、親水或雙重潤濕性的能力。徐鵬等［38-39］通過實驗研究了改性納米SiO2改變儲層介質潤濕性的機理：改性納米SiO2在鹽水中分散性能較好，所以可通過傳統注水方式被注入儲層，由于具有特殊的界面性質，改性納米SiO2將會吸附在砂巖表面形成親水層，從而使巖石潤濕性發生反轉。

李愛芬等［34］、姚同玉等［36］認為，在逆向滲吸中，界面張力越低，滲吸采收率越高；在同向滲吸中則相反。界面張力與滲透率決定了滲吸發生的方式，不同滲透率級別對應著一個最佳的界面張力范圍。王銳等［28］認為，滲透率極小時，滲吸采收率較小；隨著滲透率增大，滲吸采收率增大；當滲透率較大時，滲吸采收率又緩慢減小。

王敬等［17］研究發現，原油的黏度越小，初期滲吸速度越快；滲吸采出程度隨黏度增加而降低。王家祿［18］研究發現，原始含油飽和度越高，滲吸采收率越高。李愛芬等［34］研究發現，溫度不直接影響滲吸，而是通過影響原油黏度、潤濕性等間接影響滲吸。Ehrlich［40］認為溫度對潤濕性的影響存在一個極限值，超過該值后潤濕性將不再變化，并在理論方面對溫度對潤濕性的影響進行了分析研究。

在前人研究的基礎上，近年來，很多學者［41-42］開始將研究目標轉向了滲吸液的綜合性質方面，主要是滲吸液改變界面張力、乳化地層原油和改變儲層潤濕性3 方面的能力，以期指導現場滲吸劑體系的建立。張翼等［42］通過對不同滲吸劑體系對靜態滲吸采收率的影響研究發現，高油水界面張力和高接觸角不利于油砂靜態滲吸采收率；強乳化性能有利于油砂靜態滲吸采收率，滲吸劑體系各性能影響程度從大到小依次為油水兩相界面張力、原油乳化性能和潤濕能力。因此，當使用表面活性劑作為滲吸劑進行滲吸采油時，應首先考慮滲吸劑體系降低油水界面張力的能力，其次考慮體系乳化性，最后考慮體系潤濕能力，以此來綜合確定對目標油藏最適用的滲吸劑體系。

2.2 滲吸采油速度與滲吸采收率

衡量滲吸采油的指標主要是滲吸采收率與滲吸采油速度，在不同條件下的滲吸采油速度和滲吸采收率均不同［43-46］，因此存在一個最佳的滲吸時機，以得到最高的滲吸采收率。王家祿等［46］通過研究基質的原始含油飽和度對滲吸效果的影響發現（圖2），基質的原始含油飽和度越高，滲吸采收率越高。這是因為隨著基質含水飽和度變大，毛管力相應減小，滲吸效果變差。對于處于開發后期的油藏，基質含水上升，毛管力小于開發初期，滲吸的驅動力減弱，基質與裂縫的滲吸交換能力降低，滲吸速度慢于開發初期的，效率降低。許建紅等［47］通過研究得出類似結論，對于低滲透裂縫性油藏，滲吸采油的適當時機是開發早期。

圖2 基質初始含水飽和度對滲吸的影響規律［46］

對于中性砂巖油藏，彭昱強等［31］通過實驗發現，在表面活性劑滲吸前若先進行鹽水滲吸，則采收率要小于單獨使用表面活性劑進行滲吸的采收率。因此滲吸采油技術在中性砂巖油藏進行應用時宜在開發初期采用化學滲吸。

2.3 滲吸過程的劃分

水濕型致密油藏注水開發初期，主要是通過水的驅替作用將裂縫和大孔道中的原油驅出，此時對基質油的動用程度較低，滲吸采油占比較低；隨著裂縫和大孔道中的油被驅出，剩余油主要集中在基質和小孔道中，滲吸作用占比開始上升，滲吸對采油的貢獻逐漸超過驅替［25］。

對于單純靠地層能量開采的油藏，開發初期時彈性力起主要作用，這個階段裂縫中的壓力下降快，而基質壓力下降相對較慢，油從基質流向裂縫，主要發生的是裂縫中的驅替作用；當兩者的壓力差不斷變小并逐漸達到平衡時，滲吸開始占到主導地位，主要發生滲吸作用，此時基質油與裂縫水之間發生物質交換，進一步采出基質中的剩余油［48-49］。

沈安琪等［50-53］把毛管滲吸劃分為早期階段和晚期階段，其中早期階段分為：（1）慣性流動階段，此時流體剛進入毛細管內，黏滯力作用較小，流體在毛管力和慣性作用下流動；（2）黏滯流動階段，此時流體在毛管力及黏滯力作用下流動。晚期階段可分為：（1）重力階段，隨著滲吸高度增加，重力作用不可忽略，甚至重力影響將超過黏滯力；（2）振蕩狀態階段，滲吸高度達到靜水壓力平衡高度后，液面在此高度上下振蕩。

楊勝來［54］提出了層滲吸理論（圖3），將滲吸按發生的位置分為表層滲吸與深層滲吸。初期，滲吸主要發生在基質外部即表層，毛管力起主要作用；后期，滲吸主要發生在基質內部，受驅動速度差的影響。靜態滲吸初期由于表層中的整個孔隙喉道內都充滿了油氣，所以油僅有一端受到毛管力的影響，當水從一端進入后，在毛管力的作用下表層中的油可快速滲吸排出。表層滲吸結束之后，在毛管力的作用下深層的油離開基質內的孔隙喉道進入表層，但由于這部分油不能完全充滿整個表層的孔隙喉道，所以此時驅油動力為驅動速度差造成的含油段兩端界面的界面張力差。

圖3 層滲吸理論示意圖［54］

2.4 滲吸模型

基于實驗數據與現場實踐，不少學者從建模與數模角度去表征滲吸［55-58］。在考慮滲透壓的基礎上，劉雄等［55］建立了致密砂巖儲層滲吸半解析數學模型，提高了滲吸采收率的計算精度。李勇明等［56］在考慮非達西效應和啟動壓力梯度的前提下，建立了針對低滲透油氣藏的自發滲吸數學模型，通過對該模型的求解，進一步提高了滲吸模型的準確性，擴寬了適用性。殷代印等［57］針對采取周期性關井方式的滲吸采油方法進行了數學建模，建立了雙孔雙滲滲吸法采油數學模型，并給出了具體的數值解法和流動系數的取值方法。目前的滲吸模型多側重某一方面，尚未得到一個通用性的模型。

2.5 滲吸應用研究

大量實驗研究證明，水驅油過程中存在著一個最優注水速度，在該速度下滲吸驅油效率達到最高［59-61］，且隨著滲透率的增大最優速度變大。為了充分發揮滲吸-驅替雙重作用，國內很多油田［62］提出了“適度溫和”的開發技術，并進行了礦場應用。該技術在溫和注水的基礎上，根據油藏地質條件進一步調整水驅前緣推進的速度，使注入水在地下與儲層介質充分接觸，提高了油水兩相交換的時間，促進了裂縫與基質間的滲吸作用，從而提高了采收率。

低滲透油藏在壓裂施工過程中，注入的壓裂液返排率很低，往往只有10%～50%，超過一半的壓裂液無法反排而滯留于地層中。同時，由于壓裂液的成分復雜，化學藥劑種類多，造成壓裂液返排液的回收利用率很低，且常規處理方法會造成很大浪費，綜合經濟效率較差［63-65］。考慮到壓裂液中含有大量表面活性劑，很多學者從壓裂液對儲層滲吸作用的影響角度出發進行了相關研究。

于欣等［66］針對清潔壓裂液返排液對致密油藏自發滲吸效果的影響進行了室內實驗研究，研究結果表明，壓裂液返排液的滲吸采收率可達到單純地層水滲吸采收率的2倍多。蘇玉亮等［67］從滲吸機理出發，根據水平井壓裂模型建立了水平井體積壓裂耦合滲吸產能預測模型，研究了致密油水平井體積壓裂過程中壓裂液滯留量、啟動壓力梯度和儲層巖石潤濕性等參數對產能的影響規律。研究結果表明，較高的壓裂液滯留量在一定條件下有利于提升水平井產能，有利條件為較小的啟動壓力梯度和水濕性儲層。

3 技術展望

我國低滲透油田多處于生態環境脆弱地區，如陜北鄂爾多斯盆地延長油田、長慶油田，石油資源的高效開發與環境保護之間的矛盾突出。因此，在保證環境友好的前提下，加強新材料［38，68］的應用，研發兼顧高效滲吸能力的環保型表面活性劑，以充分發揮滲吸采油的技術潛力。

相對于單獨滲吸，組合式開發可以具有更高的開發效率，因為組合式開發往往具有協同效應，既可以結合多種開發方式的優勢，又可以克服單一開發方式的劣勢。如周萬富等［69］針對“滲吸液+增能劑”組合方式的研究，滲吸液可以將增能劑帶入孔隙內部，增能劑可以提高孔隙排驅動力，兩者協同作用，共同提高采收率。滲吸采油與其他開發技術的組合應用，將進一步擴寬滲吸采油技術的應用范圍。

目前室內靜態滲吸實驗多采取巖心置于滲吸瓶內進行自發滲吸的方式以及動態滲吸實驗采取巖心人工造縫后進行驅替的方式，兩者均無法模擬實際地層復雜的縫網系統，對現場的指導性有限。因此，有必要開發新的實驗方式，以更好地模擬油藏中的滲吸過程，從而更好地指導油田開發。同時，在現有CT掃描技術與核磁共振技術［70-72］的基礎上，加強多學科協同，進一步加強其他技術在滲吸研究中的應用。

隨著研究的深入和實驗方法的不斷創新、改進，對于滲吸的認識不斷深化，研究趨向于精細化、復雜化。如在以往的研究中多將毛管力視為定值，但近來已有學者提出在使用動態毛管力以更精確地代表實際油藏情況［73］。在認識深化和技術進步的基礎上，研究參數全面、可行性強、操作簡便的低滲透油藏滲吸采油油藏數值模擬軟件變得可行。

4 結語

目前對于滲吸采油的研究已經形成了較成熟的研究體系與實驗方法，在滲吸機理等方面取得了很大認識，但受限于實驗條件等因素的制約，目前的研究還不夠深入與細致，對現場應用的指導性有限。為了進一步加大滲吸采油在低滲透油藏開發中的作用，應加強滲吸劑的研究，研究高效環保的綠色滲吸劑；應加強新技術、新方法在滲吸研究中的應用，使得滲吸的研究更加全面化、定量化、精細化，從而更好地指導現場應用；應加強滲吸采油技術與其他開發方式的聯合應用，從而進一步發掘滲吸采油的潛力。