致密储层超前注气压力传导与开采特征研究

安维青，岳湘安，李 丹，张雪楠，席皓轩

(1.石油工程教育部重点实验室 中国石油大学，北京 102249；2.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710021)



致密储层超前注气压力传导与开采特征研究

安维青1，岳湘安1，李 丹2，张雪楠1，席皓轩1

(1.石油工程教育部重点实验室 中国石油大学，北京 102249；2.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710021)

为及时补充致密油储层的地层能量，利用长岩心与回压阀装置模拟对某油田致密储层超前注气压力传导特征与开采特征进行研究。研究表明，同一注气压力下，渗透率越小，压力传导速率越慢，当渗透率小于某临界渗透率时，压力传导速率急剧降低，增大压力有助于降低临界渗透率影响；同一渗透率下，注气压力越高，压力传播越快。定压边界与封闭边界条件下产量初期下降速度均较快，但定压边界情况下产量迅速降低后稳定在相对较大值，而封闭边界情况下，产量持续降低。定压边界条件下，不同渗透率流量达到稳定的时间均相同，但稳定流量不同，渗透率越大稳定流量越大；在不同渗透率封闭条件下，起始流量与最终流量均一样，渗透率越低下降速度越快，流量下降到0的时间越短。致密油储层的渗透率对于产量存在一定的影响，超前注气有利于改善地层渗透性，不同边界条件下产量递减规律有较大差异。

致密储层；超前注气；压力传导；开采特征；渗透率；边界条件

0 引 言

与低渗透油气藏相比，致密油开采的产量递减更快，采收率更低，利用天然能量和注水开采的周期很短[1-3]。由于压力在致密基质中的传导很慢，很难通过常规注水补充致密基质中的能量[4-6]。为此，目前主要开展了以补充地层能量为主要目标的注气研究与应用。为了缓解开采过程中致密储层的压敏伤害，避免由于一次开采过程中储层内部物性的不可逆变化，提高后续开采阶段的采收率，注气时机选择超前注气。致密油储层的压力传导规律决定了注气速度与致密气藏的开发速度。但目前国内外对于致密油储层的压力传导规律的研究还很少[7-10]，开发致密油储层时采取超前注气方式还不普遍，致密油储层采收率普遍不高。利用长岩心与回压阀装置模拟研究某油田致密储层气体在不同压力下的传导特征与开采特征，进而探索致密油藏超前注气开发相关规律。

1 实验准备

实验采用30 cm五测压点长岩心装置模拟压力传导特征及开采规律。其主要实验设备：高压流体泵(ISCO高精度泵)、流量计量仪、压力传感器(7个，0.2级精度，70 MPa)、中间容器(500、1 000 mL)、气瓶、恒温箱、数据采集装置、回压阀。

长岩心模拟系统采用多根直径为2.5 cm的致密天然岩心拼接而成。选用岩心为国内某油田取得的致密天然岩心，实验分组情况及岩心基础数据见表1。沿渗流方向布置5个测压点，通过压力传感器与数据采集装置采集实时压力数据。系统入口压力采用ISCO高精度泵压缩中间容器内氮气完成，模拟油气藏压力。出口压力由回压阀控制，模拟不同井底流压。实验围压由恒压泵控制，出口气体流量由气体流量计计量。

表1 实验岩心基础数据

2 实验方法

实验采用同一地层18块天然致密岩心分为4组进行注气压力传导实验，其渗透率范围为0.053×10-3～0.715×10-3μm2。

实验步骤：①将岩心放入80 ℃恒温箱烘干48 h以上；②将岩心放入岩心夹持器内，关闭出口，围压加至13 MPa后，入口恒压10 MPa注入氮气，饱和压力直至岩心内部各点压力恒定在10 MPa后关闭入口阀门；③在恒定有效应力为3 MPa的情况下逐渐提高中间容器内的入口压力至稳定(11、12、13、14、15、16、17 MPa)，岩心夹持器出口阀门关闭，在岩心夹持器内初始压力分别为10、11、12、13、14、15、16 MPa的情况下打开入口阀门采集各测压点数据，模拟超前注入过程。待岩心各测压点压力稳定后继续停留1 h，结束实验，改为进行下一组实验。

实验采用第2、3、4组岩心进行模拟开采特征实验。实验步骤：①在岩心夹持器内初始压力为17 MPa的情况下，关闭入口，控制回压为5 MPa，模拟有限边界单相流体开采，用气体流量计记录出口流量，待内部各点压力稳定后停止；②岩心夹持器内各测压点压力稳定在15 MPa下，入口恒压为15 MPa，控制回压为5 MPa，模拟恒压边界单相流体开采过程，用气体流量计记录出口流速，直到岩心内部各压力点稳定。

3 实验结果与讨论

3.1 超前注气情况下致密储层气体压力传导特征

在不同入口压力、恒定初始压差1 MPa、恒定有效应力3 MPa、出口阀门关闭的情况下打开入口阀门，测得各测压点压力自打开入口阀门至恢复稳定状态所需时间，以其稳定时间表征气体在致密储层中压力传导速度。图1是4组岩心中各测压点距岩心入口端距离与稳定时间的关系。

由图1可知，同一渗透率下注气压力相同时，压力传播到岩心不同距离的稳定时间与岩心距离呈指数上升趋势，该趋势随着注气压力的减小而增大。这说明在注气压力较小时，压力稳定时间较长，在未稳定的同一时间内压力分布平均性较差。注气压力越大，压力稳定时间越短，在未稳定的同一时间内压力分布平均性越好。

压力稳定时间越短，说明在超前注气阶段地层压力提升速度越快，压力分布平均性越好，可快速提升地层压力及投产，同时较高的地层压力可有效防止渗透率和孔隙度的下降，从而提高初期采油速度和最终采收率。

不同渗透率在同一测压点下压力稳定时间随注入压力变化特征见图2。由图2可知，在渗透率较大时(K=0.364×10-3μm2或K=0.170×10-3μm2)，注气压力越高，压力稳定时间越短，压力传播越快，但是压力稳定时间并不随压力的减小呈线性降低，在14 MPa后压力的稳定时间趋于平缓。这说明在低压下注气较为困难，但超过一定压力后，相邻地层压力注气的难度不大。在渗透率较小时(K=0.063×10-3μm2或K=0.092×10-3μm2)，压力稳定时间随注入压力呈线性变化。这充分说明超前注气的必要性，在油藏未开发前地层压力最高时，注气最容易。

图1 不同注气压力各测点处压力稳定时间

图2 压力稳定时间随注入压力变化(距入口端20cm处)

在同一测压点下压力稳定时间随不同渗透率变化特征见图3。由图3可知，同一注气压力下，渗透率越大，稳定时间越短，压力传导速率越快。在注入压力为11 MPa时，当渗透率小于0.1×10-3μm2时，随着渗透率的降低，压力稳定时间急速上升，压力传播速度快速降低。随着压力的增加，稳定时间降低，但整体趋势并无明显变化。这说明在致密储层中存在一个临界渗透率，小于该渗透率下，压力稳定时间迅速增大，压力传导速度大幅下降。因此，在目前的技术条件下挑选超前注气区块时应尽量挑选大于临界渗透率的区块，此时压力在致密岩石中的传导速率较大，压力稳定时间较短，超前注气时间效果较好。在不同注入压力下，压力越高，压力稳定时间越短，且不同渗透率稳定时间变化趋于平缓。这说明增大压力有助于降低临界渗透率，也说明超前注气的必要性，压力越高，可有效影响的渗透率范围就越大。

图3 同一测压点压力稳定时间随不同渗透率变化(距入口端20cm处)

3.2 定压与封闭边界情况下储层生产特征

在入口压力为17 MPa下，关闭入口，打开出口(保持5 MPa回压)模拟封闭条件下单相流体开采特征(图4)。在入口恒压15 MPa下，打开出口(保持5 MPa回压)，模拟恒压边界单相流体开采过程特征(图5)。

在封闭条件、同一渗透率下，随着累计生产时间的增加，流量先急速降低，而后缓慢趋于0(图4)。生产开始时，不同渗透率岩心流量值相同，随着生产的不断进行，同一累计生产时间下，渗透率越大，流量越大。但3种不同渗透率条件下起始流量与最终流量均一样，渗透率越低，下降速度越快，流量下降到0的时间越短。

图4 封闭条件不同渗透率下流量随时间变化

图5 定压条件不同渗透率下流量随时间变化

在定压条件、同一渗透率下，随着累计生产时间的增加，流量先急速降低，而后逐渐稳定于某一流量值(图5)。不同渗透率下，同一累计生产时间时，渗透率越大，流量越大。在岩心长度一定的情况下，达到稳定的时间均相似，但稳定流量不同，渗透率越大稳定流量越大。

由图4、5可知，补充能量的定压边界开采平均产量远高于自然能量开采，而定压边界开采初期产量较大，但产量下降较快，初期产量下降幅度高达50%以上。这主要是由于初期供液，地层压力大幅度降低，能量迅速释放，产生相对较高流量，但随着地层压力降至稳定，孔隙压力急剧降低，有效应力显著增加，渗流条件发生变化，流量较低。

4 结 论

(1) 超前注气有利于改善地层渗透性。同一注气压力下，渗透率越大，压力传导速率越快；当渗透率大于某一临界渗透率时，随着渗透率的降低，压力稳定时间快速上升，压力传播速度急速降低；增大压力有助于降低临界渗透率影响；同一渗透率下，注气压力相同时，压力传播到岩心不同距离的时间与岩心距离呈指数上升趋势，该趋势随着注气压力的减小而增大；同一渗透率下，注气压力越高，压力传播越快。

(2) 不同边界条件下产量递减规律有较大差异。定压边界与封闭边界条件下产量初期下降速度均较快，但定压边界情况下产量迅速减小后稳定在相对较大值，而封闭边界情况下，产量持续减少。

(3) 渗透率对于产量存在一定的影响。定压边界条件下，不同渗透率流量达到稳定的时间均相同，但稳定流量不同，渗透率越大稳定流量越大；在不同渗透率封闭条件下，起始流量与最终流量均一样，渗透率越低下降速度越快，流量下降到0的时间越短。

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编辑 王 昱

20150708；改回日期：20150928

国家自然科学基金重点项目“致密油储层提高采收率关键理论与方法研究”(51334007)；国家科技重大专项“油田开采后期提高采收率新技术”(2011ZX05009-004)

安维青(1985-)，男，2009年毕业于西南石油大学石油工程专业，现为中国石油大学(北京)石油工程专业在读博士研究生，主要从事提高油气开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