安維青，岳湘安，李 丹，張雪楠，席皓軒

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710021)

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致密儲(chǔ)層超前注氣壓力傳導(dǎo)與開采特征研究

安維青1，岳湘安1，李 丹2，張雪楠1，席皓軒1

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710021)

為及時(shí)補(bǔ)充致密油儲(chǔ)層的地層能量，利用長(zhǎng)巖心與回壓閥裝置模擬對(duì)某油田致密儲(chǔ)層超前注氣壓力傳導(dǎo)特征與開采特征進(jìn)行研究。研究表明，同一注氣壓力下，滲透率越小，壓力傳導(dǎo)速率越慢，當(dāng)滲透率小于某臨界滲透率時(shí)，壓力傳導(dǎo)速率急劇降低，增大壓力有助于降低臨界滲透率影響；同一滲透率下，注氣壓力越高，壓力傳播越快。定壓邊界與封閉邊界條件下產(chǎn)量初期下降速度均較快，但定壓邊界情況下產(chǎn)量迅速降低后穩(wěn)定在相對(duì)較大值，而封閉邊界情況下，產(chǎn)量持續(xù)降低。定壓邊界條件下，不同滲透率流量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間均相同，但穩(wěn)定流量不同，滲透率越大穩(wěn)定流量越大；在不同滲透率封閉條件下，起始流量與最終流量均一樣，滲透率越低下降速度越快，流量下降到0的時(shí)間越短。致密油儲(chǔ)層的滲透率對(duì)于產(chǎn)量存在一定的影響，超前注氣有利于改善地層滲透性，不同邊界條件下產(chǎn)量遞減規(guī)律有較大差異。

致密儲(chǔ)層；超前注氣；壓力傳導(dǎo)；開采特征；滲透率；邊界條件

0 引 言

與低滲透油氣藏相比，致密油開采的產(chǎn)量遞減更快，采收率更低，利用天然能量和注水開采的周期很短[1-3]。由于壓力在致密基質(zhì)中的傳導(dǎo)很慢，很難通過(guò)常規(guī)注水補(bǔ)充致密基質(zhì)中的能量[4-6]。為此，目前主要開展了以補(bǔ)充地層能量為主要目標(biāo)的注氣研究與應(yīng)用。為了緩解開采過(guò)程中致密儲(chǔ)層的壓敏傷害，避免由于一次開采過(guò)程中儲(chǔ)層內(nèi)部物性的不可逆變化，提高后續(xù)開采階段的采收率，注氣時(shí)機(jī)選擇超前注氣。致密油儲(chǔ)層的壓力傳導(dǎo)規(guī)律決定了注氣速度與致密氣藏的開發(fā)速度。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于致密油儲(chǔ)層的壓力傳導(dǎo)規(guī)律的研究還很少[7-10]，開發(fā)致密油儲(chǔ)層時(shí)采取超前注氣方式還不普遍，致密油儲(chǔ)層采收率普遍不高。利用長(zhǎng)巖心與回壓閥裝置模擬研究某油田致密儲(chǔ)層氣體在不同壓力下的傳導(dǎo)特征與開采特征，進(jìn)而探索致密油藏超前注氣開發(fā)相關(guān)規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用30 cm五測(cè)壓點(diǎn)長(zhǎng)巖心裝置模擬壓力傳導(dǎo)特征及開采規(guī)律。其主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：高壓流體泵(ISCO高精度泵)、流量計(jì)量?jī)x、壓力傳感器(7個(gè)，0.2級(jí)精度，70 MPa)、中間容器(500、1 000 mL)、氣瓶、恒溫箱、數(shù)據(jù)采集裝置、回壓閥。

長(zhǎng)巖心模擬系統(tǒng)采用多根直徑為2.5 cm的致密天然巖心拼接而成。選用巖心為國(guó)內(nèi)某油田取得的致密天然巖心，實(shí)驗(yàn)分組情況及巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。沿滲流方向布置5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，通過(guò)壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置采集實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)。系統(tǒng)入口壓力采用ISCO高精度泵壓縮中間容器內(nèi)氮?dú)馔瓿桑M油氣藏壓力。出口壓力由回壓閥控制，模擬不同井底流壓。實(shí)驗(yàn)圍壓由恒壓泵控制，出口氣體流量由氣體流量計(jì)計(jì)量。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用同一地層18塊天然致密巖心分為4組進(jìn)行注氣壓力傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，其滲透率范圍為0.053×10-3～0.715×10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)步驟：①將巖心放入80 ℃恒溫箱烘干48 h以上；②將巖心放入巖心夾持器內(nèi)，關(guān)閉出口，圍壓加至13 MPa后，入口恒壓10 MPa注入氮?dú)?，飽和壓力直至巖心內(nèi)部各點(diǎn)壓力恒定在10 MPa后關(guān)閉入口閥門；③在恒定有效應(yīng)力為3 MPa的情況下逐漸提高中間容器內(nèi)的入口壓力至穩(wěn)定(11、12、13、14、15、16、17 MPa)，巖心夾持器出口閥門關(guān)閉，在巖心夾持器內(nèi)初始?jí)毫Ψ謩e為10、11、12、13、14、15、16 MPa的情況下打開入口閥門采集各測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)，模擬超前注入過(guò)程。待巖心各測(cè)壓點(diǎn)壓力穩(wěn)定后繼續(xù)停留1 h，結(jié)束實(shí)驗(yàn)，改為進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用第2、3、4組巖心進(jìn)行模擬開采特征實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：①在巖心夾持器內(nèi)初始?jí)毫?7 MPa的情況下，關(guān)閉入口，控制回壓為5 MPa，模擬有限邊界單相流體開采，用氣體流量計(jì)記錄出口流量，待內(nèi)部各點(diǎn)壓力穩(wěn)定后停止；②巖心夾持器內(nèi)各測(cè)壓點(diǎn)壓力穩(wěn)定在15 MPa下，入口恒壓為15 MPa，控制回壓為5 MPa，模擬恒壓邊界單相流體開采過(guò)程，用氣體流量計(jì)記錄出口流速，直到巖心內(nèi)部各壓力點(diǎn)穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 超前注氣情況下致密儲(chǔ)層氣體壓力傳導(dǎo)特征

在不同入口壓力、恒定初始?jí)翰? MPa、恒定有效應(yīng)力3 MPa、出口閥門關(guān)閉的情況下打開入口閥門，測(cè)得各測(cè)壓點(diǎn)壓力自打開入口閥門至恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間，以其穩(wěn)定時(shí)間表征氣體在致密儲(chǔ)層中壓力傳導(dǎo)速度。圖1是4組巖心中各測(cè)壓點(diǎn)距巖心入口端距離與穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系。

由圖1可知，同一滲透率下注氣壓力相同時(shí)，壓力傳播到巖心不同距離的穩(wěn)定時(shí)間與巖心距離呈指數(shù)上升趨勢(shì)，該趨勢(shì)隨著注氣壓力的減小而增大。這說(shuō)明在注氣壓力較小時(shí)，壓力穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，在未穩(wěn)定的同一時(shí)間內(nèi)壓力分布平均性較差。注氣壓力越大，壓力穩(wěn)定時(shí)間越短，在未穩(wěn)定的同一時(shí)間內(nèi)壓力分布平均性越好。

壓力穩(wěn)定時(shí)間越短，說(shuō)明在超前注氣階段地層壓力提升速度越快，壓力分布平均性越好，可快速提升地層壓力及投產(chǎn)，同時(shí)較高的地層壓力可有效防止?jié)B透率和孔隙度的下降，從而提高初期采油速度和最終采收率。

不同滲透率在同一測(cè)壓點(diǎn)下壓力穩(wěn)定時(shí)間隨注入壓力變化特征見圖2。由圖2可知，在滲透率較大時(shí)(K=0.364×10-3μm2或K=0.170×10-3μm2)，注氣壓力越高，壓力穩(wěn)定時(shí)間越短，壓力傳播越快，但是壓力穩(wěn)定時(shí)間并不隨壓力的減小呈線性降低，在14 MPa后壓力的穩(wěn)定時(shí)間趨于平緩。這說(shuō)明在低壓下注氣較為困難，但超過(guò)一定壓力后，相鄰地層壓力注氣的難度不大。在滲透率較小時(shí)(K=0.063×10-3μm2或K=0.092×10-3μm2)，壓力穩(wěn)定時(shí)間隨注入壓力呈線性變化。這充分說(shuō)明超前注氣的必要性，在油藏未開發(fā)前地層壓力最高時(shí)，注氣最容易。

圖1 不同注氣壓力各測(cè)點(diǎn)處壓力穩(wěn)定時(shí)間

圖2 壓力穩(wěn)定時(shí)間隨注入壓力變化(距入口端20cm處)

在同一測(cè)壓點(diǎn)下壓力穩(wěn)定時(shí)間隨不同滲透率變化特征見圖3。由圖3可知，同一注氣壓力下，滲透率越大，穩(wěn)定時(shí)間越短，壓力傳導(dǎo)速率越快。在注入壓力為11 MPa時(shí)，當(dāng)滲透率小于0.1×10-3μm2時(shí)，隨著滲透率的降低，壓力穩(wěn)定時(shí)間急速上升，壓力傳播速度快速降低。隨著壓力的增加，穩(wěn)定時(shí)間降低，但整體趨勢(shì)并無(wú)明顯變化。這說(shuō)明在致密儲(chǔ)層中存在一個(gè)臨界滲透率，小于該滲透率下，壓力穩(wěn)定時(shí)間迅速增大，壓力傳導(dǎo)速度大幅下降。因此，在目前的技術(shù)條件下挑選超前注氣區(qū)塊時(shí)應(yīng)盡量挑選大于臨界滲透率的區(qū)塊，此時(shí)壓力在致密巖石中的傳導(dǎo)速率較大，壓力穩(wěn)定時(shí)間較短，超前注氣時(shí)間效果較好。在不同注入壓力下，壓力越高，壓力穩(wěn)定時(shí)間越短，且不同滲透率穩(wěn)定時(shí)間變化趨于平緩。這說(shuō)明增大壓力有助于降低臨界滲透率，也說(shuō)明超前注氣的必要性，壓力越高，可有效影響的滲透率范圍就越大。

圖3 同一測(cè)壓點(diǎn)壓力穩(wěn)定時(shí)間隨不同滲透率變化(距入口端20cm處)

3.2 定壓與封閉邊界情況下儲(chǔ)層生產(chǎn)特征

在入口壓力為17 MPa下，關(guān)閉入口，打開出口(保持5 MPa回壓)模擬封閉條件下單相流體開采特征(圖4)。在入口恒壓15 MPa下，打開出口(保持5 MPa回壓)，模擬恒壓邊界單相流體開采過(guò)程特征(圖5)。

在封閉條件、同一滲透率下，隨著累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間的增加，流量先急速降低，而后緩慢趨于0(圖4)。生產(chǎn)開始時(shí)，不同滲透率巖心流量值相同，隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，同一累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間下，滲透率越大，流量越大。但3種不同滲透率條件下起始流量與最終流量均一樣，滲透率越低，下降速度越快，流量下降到0的時(shí)間越短。

圖4 封閉條件不同滲透率下流量隨時(shí)間變化

圖5 定壓條件不同滲透率下流量隨時(shí)間變化

在定壓條件、同一滲透率下，隨著累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間的增加，流量先急速降低，而后逐漸穩(wěn)定于某一流量值(圖5)。不同滲透率下，同一累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間時(shí)，滲透率越大，流量越大。在巖心長(zhǎng)度一定的情況下，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間均相似，但穩(wěn)定流量不同，滲透率越大穩(wěn)定流量越大。

由圖4、5可知，補(bǔ)充能量的定壓邊界開采平均產(chǎn)量遠(yuǎn)高于自然能量開采，而定壓邊界開采初期產(chǎn)量較大，但產(chǎn)量下降較快，初期產(chǎn)量下降幅度高達(dá)50%以上。這主要是由于初期供液，地層壓力大幅度降低，能量迅速釋放，產(chǎn)生相對(duì)較高流量，但隨著地層壓力降至穩(wěn)定，孔隙壓力急劇降低，有效應(yīng)力顯著增加，滲流條件發(fā)生變化，流量較低。

4 結(jié) 論

(1) 超前注氣有利于改善地層滲透性。同一注氣壓力下，滲透率越大，壓力傳導(dǎo)速率越快；當(dāng)滲透率大于某一臨界滲透率時(shí)，隨著滲透率的降低，壓力穩(wěn)定時(shí)間快速上升，壓力傳播速度急速降低；增大壓力有助于降低臨界滲透率影響；同一滲透率下，注氣壓力相同時(shí)，壓力傳播到巖心不同距離的時(shí)間與巖心距離呈指數(shù)上升趨勢(shì)，該趨勢(shì)隨著注氣壓力的減小而增大；同一滲透率下，注氣壓力越高，壓力傳播越快。

(2) 不同邊界條件下產(chǎn)量遞減規(guī)律有較大差異。定壓邊界與封閉邊界條件下產(chǎn)量初期下降速度均較快，但定壓邊界情況下產(chǎn)量迅速減小后穩(wěn)定在相對(duì)較大值，而封閉邊界情況下，產(chǎn)量持續(xù)減少。

(3) 滲透率對(duì)于產(chǎn)量存在一定的影響。定壓邊界條件下，不同滲透率流量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間均相同，但穩(wěn)定流量不同，滲透率越大穩(wěn)定流量越大；在不同滲透率封閉條件下，起始流量與最終流量均一樣，滲透率越低下降速度越快，流量下降到0的時(shí)間越短。

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編輯 王 昱

20150708；改回日期：20150928

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“致密油儲(chǔ)層提高采收率關(guān)鍵理論與方法研究”(51334007)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)“油田開采后期提高采收率新技術(shù)”(2011ZX05009-004)

安維青(1985-)，男，2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程專業(yè)在讀博士研究生，主要從事提高油氣開采效率方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.028

TE249

A

1006-6535(2015)06-0122-04