于 友，魏建光，張寶忠，李江濤

(1. 中國(guó)石油吉林油田分公司，吉林 松原 138000；2. 陸相頁(yè)巖油氣成藏及高效開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；3.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；4. 中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163514)

0 引 言

低滲透油藏相比與常規(guī)油藏，不適用經(jīng)典達(dá)西滲流理論，表現(xiàn)出獨(dú)特的啟動(dòng)壓力梯度特征[1-2]。在壓力梯度較小時(shí)表現(xiàn)為非線(xiàn)性滲流，導(dǎo)致生產(chǎn)規(guī)律難以掌握，一定程度上降低了低滲透油藏的開(kāi)發(fā)效益[3-4]。吉林油田扶余油層是典型的上生下儲(chǔ)型油藏，油藏類(lèi)型屬于構(gòu)造或構(gòu)造-巖性油藏，具有滲透率低、開(kāi)發(fā)難度大等特點(diǎn)。為提高目標(biāo)區(qū)塊的開(kāi)發(fā)效果，亟需研究啟動(dòng)壓力梯度與不同驅(qū)替介質(zhì)對(duì)開(kāi)發(fā)井網(wǎng)設(shè)計(jì)的影響。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者對(duì)啟動(dòng)壓力梯度進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和探討：王曉東等[5]解釋了各類(lèi)啟動(dòng)壓力梯度的物理含義；王亮亮等[6]發(fā)現(xiàn)特低滲透油藏縫網(wǎng)壓裂改造區(qū)域泄壓行為受啟動(dòng)壓力梯度影響較大；朱維耀等[7]研究了致密油藏內(nèi)部滲流狀態(tài)與啟動(dòng)壓力梯度之間的關(guān)系，在經(jīng)濟(jì)效益的考量下，常規(guī)油氣藏會(huì)盡量采用較大的開(kāi)發(fā)井距，然而，低滲透油藏由于具有啟動(dòng)壓力梯度特征，過(guò)大的井距會(huì)嚴(yán)重降低驅(qū)替效率，因此，低滲透油藏在理論上存在最大井距；張鵬飛等[8]開(kāi)展了真實(shí)油藏條件下啟動(dòng)壓力梯度的實(shí)驗(yàn)研究，并給出了水驅(qū)開(kāi)發(fā)的井距優(yōu)化方法；郭粉轉(zhuǎn)等[9]研究了啟動(dòng)壓力梯度對(duì)四點(diǎn)井網(wǎng)注水單元波及效率的影響；基于長(zhǎng)慶油田特低滲透油田實(shí)際情況，史成恩等[10]開(kāi)展了正方形反九點(diǎn)、菱形反九點(diǎn)與矩形井網(wǎng)提高水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的研究。然而，對(duì)于考慮啟動(dòng)壓力梯度影響的不同驅(qū)替方式下井距界限研究相對(duì)較少。因此，基于壓力梯度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，有必要開(kāi)展啟動(dòng)壓力梯度與驅(qū)替介質(zhì)、井距優(yōu)化、注采壓差的關(guān)系研究，對(duì)低滲透油藏開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由注入系統(tǒng)、驅(qū)替系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)3部分組成。注入系統(tǒng)主要為ISCO泵，流速為0.001～100.000 mL/min，工作壓力為0～70 MPa；驅(qū)替系統(tǒng)主要由恒溫箱、巖心夾持器、環(huán)壓泵、中間容器和管線(xiàn)組成，工作溫度為0～200 ℃，工作壓力為0～50 MPa；測(cè)量系統(tǒng)由油水分離裝置、量筒和壓力傳感器組成，流量測(cè)量精度為0.05 mL，壓力測(cè)量精度為0.001 MPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 巖心準(zhǔn)備。將巖心洗油、烘干、抽真空24 h，巖心樣品在熒光燈下達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；測(cè)定巖心孔隙度與滲透率；飽和油至采出液不含水，夾持器出口端閥門(mén)打開(kāi)使巖心在恒溫箱中熟化24 h。

(2) 恒壓注入。巖心兩端壓差從0.001 MPa逐漸升高，壓力點(diǎn)穩(wěn)定5 h直至沒(méi)有油流出，再提高壓差。

(3) 繪制曲線(xiàn)。依次記錄第(2)步的壓差和注入流量，直至連續(xù)3個(gè)點(diǎn)形成線(xiàn)性關(guān)系，認(rèn)為流體進(jìn)入達(dá)西滲流階段；繪制壓力梯度與流量散點(diǎn)圖，壓力梯度曲線(xiàn)開(kāi)始不為0時(shí)的啟動(dòng)壓力梯度為最小啟動(dòng)壓力梯度。

考慮到實(shí)際致密油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中氮?dú)怛?qū)容易發(fā)生氣竄，實(shí)驗(yàn)使用的滲流流體為水和二氧化碳。

1.3 巖心基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)共采用8組巖樣，均來(lái)自黑71區(qū)塊扶余油層，巖心參數(shù)如表1所示。巖心孔隙度為4.38%～14.56%，滲透率為0.02～1.22 mD，巖心物性參數(shù)差異較大，有利于獲取代表性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 不同驅(qū)替介質(zhì)下儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度

2.1 水驅(qū)儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度

圖1為水驅(qū)時(shí)巖樣壓力梯度與流量關(guān)系曲線(xiàn)。由圖1可知，8塊不同滲透率巖心均表現(xiàn)出較強(qiáng)的低速非達(dá)西滲流特征。當(dāng)巖心壓力梯度達(dá)到較大數(shù)值時(shí)，滲流流量與壓力梯度才表現(xiàn)為線(xiàn)性關(guān)系，直線(xiàn)段的斜率可用于評(píng)價(jià)儲(chǔ)層水測(cè)滲透率(表1)。

表1 扶余油層巖心基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 The core parameters of Fuyu Oil Reservoir

圖1 巖樣壓力梯度與流量關(guān)系曲線(xiàn)(水驅(qū))

實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)了水驅(qū)條件下8塊巖心的最小啟動(dòng)壓力梯度與滲透率數(shù)據(jù)，并繪制了相應(yīng)的關(guān)系曲線(xiàn)(圖2)。由圖2可知，最小啟動(dòng)壓力梯度與滲透率之間滿(mǎn)足冪函數(shù)關(guān)系[10]：

dp/dL=0.0725K-0.675，(R2=0.9889)

(1)

式中：dp/dL為巖心最小啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m；K為巖心滲透率，mD。

分析圖2關(guān)系曲線(xiàn)可知，滲透率為0.20 mD是曲線(xiàn)重要拐點(diǎn)。當(dāng)巖心滲透率低于0.20 mD時(shí)，最小啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的增加快速下降，處于“快降”階段；當(dāng)滲透率高于0.20 mD時(shí)，最小啟動(dòng)壓力梯度隨滲透率的升高緩慢下降，處于“慢降”階段。因此，在低滲透油藏實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，儲(chǔ)層滲透率低于0.20 mD時(shí)，采用儲(chǔ)層改造措施能夠有效減小啟動(dòng)壓力梯度對(duì)開(kāi)發(fā)的影響[11-14]。

圖2 最小啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系曲線(xiàn)(水驅(qū))Fig.2 The relation curve between minimumstarting pressure gradient and permeability (water flooding)

2.2 二氧化碳驅(qū)儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度

圖3為二氧化碳驅(qū)時(shí)巖樣壓力梯度與流量關(guān)系曲線(xiàn)。由圖3可知，二氧化碳驅(qū)情況下巖心滲流流量與壓力梯度同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的非達(dá)西滲流特征。但與水驅(qū)相比，二氧化碳驅(qū)的最小啟動(dòng)壓力梯度明顯變小，表明二氧化碳的驅(qū)替效率明顯要優(yōu)于水驅(qū)。

圖3 巖樣壓力梯度與流量關(guān)系曲線(xiàn)(二氧化碳驅(qū))Fig.3 The relation curve between rock samplepressure gradient and flow rate (carbon dioxide flooding)

實(shí)驗(yàn)中同樣統(tǒng)計(jì)了二氧化碳驅(qū)條件下8塊巖心的啟動(dòng)壓力梯度與其滲透率數(shù)據(jù)(圖4)。由圖4可知，二氧化碳驅(qū)情況下最小啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系同樣可由冪函數(shù)表征：

圖4 最小啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系曲線(xiàn)(二氧化碳驅(qū))Fig.4 The relation curve between minimum startingpressure gradient and permeability (carbon dioxide flooding)

dp/dL=0.0139K-0.827，(R2=0.9250)

(2)

由圖1、3可知：相同條件下同一巖心水驅(qū)的最小啟動(dòng)壓力梯度約為二氧化碳驅(qū)的2～4倍。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要為：①流體在細(xì)小孔喉中的流動(dòng)阻力一部分來(lái)自于毛管力，而毛管力與界面張力呈正相關(guān)，油水的界面張力大于油氣的界面張力[15]，因此，二氧化碳驅(qū)受到的流動(dòng)阻力相對(duì)較?。虎诹鲃?dòng)阻力的另一部分來(lái)自于黏滯力，黏滯力與流體黏度正相關(guān)，二氧化碳驅(qū)替時(shí)必然存在二氧化碳在原油中的溶解現(xiàn)象[16]，這會(huì)降低流體黏度，從而降低流動(dòng)阻力。

3 不同驅(qū)替介質(zhì)下合理井距設(shè)計(jì)

在給定注采壓差情況下，井距設(shè)計(jì)過(guò)大，流體驅(qū)動(dòng)壓差必然減小，會(huì)導(dǎo)致注入井波及范圍縮小和驅(qū)替效率大幅降低；井距設(shè)計(jì)過(guò)小，部署井?dāng)?shù)將增加，影響油藏開(kāi)發(fā)效益。因此，有必要給出考慮啟動(dòng)壓力梯度影響下的井距界限。

以?xún)?chǔ)層內(nèi)流體壓力梯度的最小值大于最小啟動(dòng)壓力梯度作為目標(biāo)函數(shù)來(lái)確定合理井距，計(jì)算過(guò)程中最小啟動(dòng)壓力梯度采用上面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。假設(shè)注入量與采出量相等，基于“一注一采”模式計(jì)算儲(chǔ)層壓力梯度，則壓力梯度計(jì)算方程如下[17]。

(3)

式中：R為井距，m；rw為井筒半徑，m；dp/dr為流體壓力梯度，MPa/m；△p為注采壓差，MPa。

聯(lián)立式(3)、(1)得到水驅(qū)情況下最大井距；聯(lián)立式(3)、(2)得到二氧化碳驅(qū)下最大井距。式(3)可以被其他壓力梯度計(jì)算公式替代，取決于具體注采方式[18-23]。

3.1 水驅(qū)井距部署界限

兩井之間的注采壓力梯度大于最小啟動(dòng)壓力時(shí)，注采井之間的流體才能流動(dòng)，結(jié)合水驅(qū)情況下最小啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與合理井距求解方法，可得到水驅(qū)情況下低滲透油藏合理井距確定圖版(圖5)，圖中次縱坐標(biāo)為不同滲透率和注采壓差條件下流體能夠克服最小啟動(dòng)壓力梯度開(kāi)始流動(dòng)的最大井距。由圖5可知：采用注水開(kāi)發(fā)、注采壓差為25.000 MPa條件下，儲(chǔ)層滲透率為0.1 mD時(shí)動(dòng)用條件為井距小于70 m，而儲(chǔ)層滲透率為0.2 mD時(shí)動(dòng)用條件為井距小于120 m?？梢园l(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層滲透率增加導(dǎo)致了啟動(dòng)壓力梯度的降低，啟動(dòng)壓力梯度降低儲(chǔ)層可以采用的合理注采井距也相應(yīng)有所增加。

圖5 低滲透油藏合理水驅(qū)井距確定圖版Fig.5 The final drawing of reasonable well spacingfor low-permeability reservoirs (water flooding)

3.2 二氧化碳驅(qū)井距部署界限

二氧化碳驅(qū)合理井距設(shè)置與巖心滲透率、注采壓差的變化趨勢(shì)與水驅(qū)情況類(lèi)似，如圖6所示。不同點(diǎn)在于井距量級(jí)上，由于二氧化碳驅(qū)下啟動(dòng)壓力梯度較低，其井距相對(duì)于水驅(qū)情況可以適當(dāng)增大。相同條件下，二氧化碳驅(qū)的合理井距約為水驅(qū)的3～5倍。由圖6可知，在二氧化碳驅(qū)注采壓差25.000 MPa條件下，0.05 mD儲(chǔ)層動(dòng)用條件為井距小于120 m，二氧化碳驅(qū)注采壓差25.000 MPa條件下滲透率0.1 mD儲(chǔ)層動(dòng)用條件為井距小于380 m。

3.3 水驅(qū)和二氧化碳驅(qū)對(duì)比

從圖5和圖6次縱坐標(biāo)可得到不同滲透率和注采壓差條件下水驅(qū)和二氧化碳驅(qū)的最大注采井距。扶余油層目前生產(chǎn)壓差為25.000 MPa左右，表2為注采壓差為25.000 MPa時(shí)不同滲透率條件下水驅(qū)、二氧化碳驅(qū)合理井距對(duì)比情況。由表2可知，巖心滲透率越低，合理井距越小，巖心滲透率為0.05 mD時(shí)二氧化碳驅(qū)合理井距為120 m，滲透率為0.10 mD時(shí)二氧化碳驅(qū)對(duì)應(yīng)合理井距為380 m；巖心滲透率為0.10 mD時(shí)水驅(qū)合理井距為70 m，0.20 mD時(shí)水驅(qū)合理井距為120 m。當(dāng)滲透率較低時(shí)，例如滲透率小于0.10 mD時(shí)，采用水驅(qū)需要密集部井，會(huì)極大增加開(kāi)發(fā)成本；而該情況下二氧化碳驅(qū)井距可以設(shè)置在300 m以下，屬于合理區(qū)間，因此，該情況下二氧化碳驅(qū)開(kāi)發(fā)比水驅(qū)開(kāi)發(fā)更有優(yōu)勢(shì)。滲透率較大時(shí)，從開(kāi)發(fā)角度講，水驅(qū)與二氧化碳驅(qū)均能滿(mǎn)足要求，但二氧化碳驅(qū)開(kāi)發(fā)成本比水驅(qū)高，此時(shí)采用水驅(qū)開(kāi)發(fā)更有優(yōu)勢(shì)。

圖6 低滲透油藏二氧化碳驅(qū)合理井距圖版Fig.6 The drawing of reasonable well spacing forcarbon dioxide flooding in low-permeability reservoirs

表2 不同滲透率條件下水驅(qū)、二氧化碳驅(qū)合理井距對(duì)比Table 2 The comparison of reasonablewell spacing between water flooding and carbondioxide flooding under different permeability conditions

4 結(jié) 論

(1) 繪制了水驅(qū)和二氧化碳驅(qū)時(shí)流量與壓力梯度的關(guān)系曲線(xiàn)，得到不同驅(qū)替方式下的最小啟動(dòng)壓力梯度，表明相同條件下水驅(qū)最小啟動(dòng)壓力梯度為二氧化碳驅(qū)的2～4倍。

(2) 建立了啟動(dòng)壓力梯度與滲透率關(guān)系圖版，二者呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)滲透率低于0.20 mD時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度處于“快降”階段；當(dāng)滲透率高于0.20 mD時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度處于“慢降”階段。

(3) 相同開(kāi)發(fā)條件下，二氧化碳驅(qū)合理井距上限大于水驅(qū)，儲(chǔ)層滲透率為0.10 mD是選擇二氧化碳驅(qū)開(kāi)發(fā)或者水驅(qū)開(kāi)發(fā)的重要臨界點(diǎn)。儲(chǔ)層滲透率為0.05～0.10 mD時(shí)應(yīng)采取二氧化碳驅(qū)，合理井距隨滲透率的降低而減小，合理井距為120～380 m；儲(chǔ)層滲透率為0.10～0.20 mD時(shí)應(yīng)采取水驅(qū)，合理井距亦隨滲透率的降低而減小，合理井距為70～120 m。