低渗透裂缝油藏生产曲线特征及提高采收率技术研究∗

李永太，李辰，张建国，郝化武，王振生

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065；2.延长油田股份有限公司子北采油厂，陕西子长717300；3.陕西省石油化工研究设计院，陕西西安710054)

0 引言

目前，我们对石油资源的需求逐渐加大．但是中高渗透油藏的可采储量的递减率在逐渐提高．由此对低渗透裂缝油藏的开发成为当前研究的重点．低渗透裂缝油藏具有微裂缝发育、脆性大、储集层岩石密度大、渗透率低、峰度低以及压力小等特点，无形中就加大了井区的开发难度．低渗透裂缝油藏中具有溶蚀洞、基质孔隙和裂缝等类型的存储介质，这些存储介质的渗流能力和存储方式是不同的，但是介质之间是相互连通的．H.JI布兹列夫斯基[1]提出了启动压力梯度的概念．Q.A.特列宾[2]提出非线性达西渗流问题，随后Y.S.Wu与Karsten Pruess等[3]确定了流变模型，对多相宾汉与多孔介质单相流体的流动进行了详细的叙述，并对B-L方程进行了修正．而黄延章等人[4]对多数学者的研究成果进行分析，推导出了低渗透油藏中垂直生产井产量以及水平生产井的产量公式，同时发现，合理的井距和良好的储层流体无疑可以提高低渗透裂缝油藏的采收率．但是当启动压力梯度到达一定值，油井产量会随着启动压力梯度的升高而减少，而这一极限值是不能事先确定的．随后Muskat[5]提出各向异性储层的渗流理论，并通过坐标转换给出平面各向异性储层定常渗流的解析解；通过这一解可确定不同井网条件下的见水时间与波及效率，这为各向异性储层的合理布井下奠定了坚实的基础．依据这一理论，Dusseault与L.Zhang[6]提出通过采用不同方位水平油井计算低渗透裂缝油藏储层渗透率的各向异性参数的数值法与图解法，数值法的计算虽然计算比较精确，但过程相对比较复杂；而图解法的计算过程得以简化，但计算结果的精确度不太高．针对上述情况，本文首先通过各向异性、压力敏感以及启动压力梯度等参数建立了低渗透裂缝油藏的渗流产能公式，实现了对其生产曲线特征的分析．通过求解油井的产能方程得出的生产曲线特征，综合了油井的实际情况，对提高低渗透裂缝油藏的采收率有一定的帮助．

目前常用的提高低渗透裂缝油藏采收率的方法主要是通过注入介质实现的，常用的注入介质有CO2、空气泡沫、空气、氮气泡沫等，通过注入介质能有效的提高油藏的采收率，但还是不能满足当前的需要，本文通过分析低渗透裂缝油藏的生产曲线特征，提出通过提高油藏润湿性、改变平面渗流场、注入聚合物微凝胶等方法提高低渗透裂缝油藏的采收率．

1 低渗透裂缝油藏的产能方程

1.1 连续等效介质的处理

如果油井地层当中的裂缝是垂直型裂缝，而且各个裂缝之间相互平行，且方向相同．假设油井中某一地层岩块的高度是H、宽度是B、长度是L．沿着裂缝的延伸方向确定坐标系，油井储层纵向用Z表示、垂直裂缝的延伸方向用Y表示、水平裂缝的延伸方向用X表示．如果X方向有m组裂缝，这些裂缝的长度是相同的，将其设为Lfxi，而各个裂缝之间的基质区域的长度用Lmxi；而在Z方向包含n组裂缝，这些裂缝的切深都为hfzi，裂缝之间的基质区域长度为Lmzi；这样地层可划分为裂缝发育与纯基质两个区域．

图1 低渗透裂缝油藏的地层图

1.1.1 水平裂缝的等效渗透率

裂缝的延伸方向和X轴是相同且平行的，则在X轴方向的油藏的渗透量Q可定义为：

式（1）中Qf为油藏裂缝的流量，Qmx为地层的基质流量．

式（2）和（3）中的If表示裂缝的长度，Kf为油藏的渗透率，bf表示的是油藏裂缝的开度．

通过式（2）和（3）就可将式（1）替换为：

1.1.2 垂直裂缝的等效渗透率

假设油藏裂缝和Y轴平行且方向一致的，则在Y轴方向的总的压降就可以表示为油藏裂缝与基质的压降的和，那么：

则垂直裂缝的等效渗透率为：

1.1.3 储层纵向Z轴方向的等效渗透率

该方向的等效渗透率和X轴方向相似，计算得：

1.2 低裂缝渗透油藏的产能方程

为建立低渗透裂缝油藏的产能方程，需要做以下假设：

（1）油藏裂缝的形状是矩形的；

（2）储层介质是可以压缩的，同时压缩系数是恒定不变的；

（3）油藏的等效渗流是等温的；

（4）油藏地层的孔隙度和渗透率都对压力比较敏感[7,8]；

（5）流体的流动是依据一维非达西方式渗流的[9]；

（6）不考虑油藏的毛管力与重力．

一维非达西渗流方式见图2．

图2 低渗透裂缝油藏的一维非达西渗流图

在上述假设的基础之上，可以计算出：

通过式（9）得到的连续性方程为：

将矩形油藏裂缝的长度设为L，人工裂缝的宽度设为W．油藏的渗流为：

假设u=eα(p−pe)，则：

进一步可解得：

通过上式计算的低裂缝渗透油藏的产量和油井底部压强的关系为:

2 低渗透裂缝油藏的生态特征曲线

2.1 油藏产能和油井底部流压的关系

油藏产能和油井底部流压的关系曲线（IPR）能够体现低裂缝渗透油藏对此油井的供油情况．如果矩形低裂缝渗透油藏的高、宽、长分别是4 m、100 m和200 m，油藏的井底压力为20MPa，从油藏的一边开始供给，而其另外一边是垂直压裂井，其缝宽为0.02 m，启动压力梯度是0.01MPa/m，有效渗透率为0.005µm2，压力敏感系数为,体积系数为1.1 mVm3．通过先前的公式计算的油井底部的生态特征曲线见图3和图4．

通过图3可以看出，图中曲线与井底流压的焦点是低于起始油井地层的压力的，这就表明在油井的底部流压小于某一特定值之后，地层才会有流体渗流．随着启动压力梯度的不断增加，油井地层的流体的流动压力就会变小，压力损失就会加剧，此时随之启动压力梯度的增加，采收率会下降．

当层间位移角加载到8%rad(101.84 mm)时，前推至位移极值时，角钢被掀起，角钢柱侧钢肢变形严重，而此时上角钢加劲肋焊缝裂缝已经扩展到全长，回拉至位移极值时，发生较大响声，下角钢加劲肋出现受拉断裂。由于此时荷载已经下降到峰值荷载85%左右，且由于作动器三段牵引绳的限制而结束试验。

图3 启动压力梯度不同的IPR曲线

图4 压力敏感系数不同的IPR曲线

从图4中可以看出，在不同压力敏感系数的条件下，油井底部有流体开始渗流式的油井底部的压强是相同的．在这之后，随着压力敏感系数的增大，油井的采收率逐渐下降．原因在于压力敏感系数的增加导致油井地层的压力降低，从而使得油井地层的有效渗透率降低．

2.2 油藏产能和油井地层压力分布的关系

油井的蝉联和地层压力分布的关系见图5．

从图5中可以看出，当低裂缝渗透油藏的产量一定时，油井地层压力曲线呈现向上微凸的形式．但是随着油藏产量的不断增加，油井地层的压力会呈现快速下降的趋势．随着油井距离的升高，产量不同的油井地层压力趋于相同，最终表现为油井原始的地层压力．

图5 地层压力分布和产量之间的关系

图6 油井产量不同下的地层渗透率变化情况

2.3 低裂缝渗透油藏渗透率变化情况

当油井的产量不同时，地层渗透率的变化情况见图6．

从图6中可以看出，当油井的产量不同时，在产量比较低的情况下，油井地层的有效渗透率越高，渗透率的损失也比较小．

3 提高低裂缝渗透油藏采收率的有效措施

3.1 改变油井的渗流场

通过多此实验可以发现，通过使用水动力学技术能够有效的提高低裂缝渗透油藏的水驱效果[10,11]．由此可以通过变换油井的水动力情况，对流体的流向进行改变，从而提高油井的驱扫面积，减低在油井中注入水介质引起的无效循环．

3.1.1 不稳定注水

孔隙型地层见效程度比较低的油井，可采用加强注水的方式加强油井地层的能量，提高油藏的采收率．X18油井通过加强注水这种方式，使得油井的产能从1吨提高到1.2吨．对孔隙型地层见效程度比较高、地层压力也比较高的地层，可以通过采用强脉冲注水的方式实现不同储层能量的交换，提高油井的采收率．对油井地层的含水量比较高、孔渗性较好、开采程度较高的油井地层，采用不稳定注水的方式，可提高采收率，如：对WX区的100多个油井进行不稳定注水，平均每个油井的产油量提高了0.2吨．具体见表1．

表1 WX区油井不稳定注水之后产量变化

3.1.2 改变油井流体的液流方向

部分低裂缝渗透油藏的开采程度较高、含水量也比较高，通过采用转采和转注等方式能改变水流的压力场和水流方向，实现对油井中死油的二次开采，提高采收率．

对WX区油井的23个井组采用这种方式，增加油井中水驱面积，其采收率提高了0.9%．

3.2 改变低裂缝渗透油藏的润湿性

3.2.1 化学离子活化剂

水溶性盐可以改变油藏的润湿性．它是通过改变油井中注入水的矿化程度实现油井中岩石润湿程度来控制的．在温度比较低的情况下，注入水介质中的Ca2+可有效分离岩石表层上的极性物质；但是随着温度的升高，离子会在岩石表层聚集，促进Mg2+聚集在岩石表层，提高岩石表层的润湿性．具体实现机理见图7．

图7 化学离子引起的岩石润湿性变化原理

在高温情况下，CaCO3沉积于油井岩石表面，提高油井地层表面的油湿性和亲水性，从而进一步提高油井油相的渗透率和油井的采收率．

3.2.2 阴离子表面活化剂

阴离子表面活化剂提高油井中碳酸盐岩石表面润湿性的原理见图8．

图8 阴离子表面活化剂提高油井润湿性机理

从图8中可以看出，阴离子表面活化剂的浓度比CMC高时，阴离子表面活化剂在油井的固体表面就会构成双层结构，提高了注入水的水驱波及面积．

4 总结

（1）低裂缝渗透油藏的采收率和压力敏感系数、启动压力梯度和油藏的各向异性有着极大的关系．（2）本文从这三个参数出发建立了低裂缝渗透油藏的产能方程，并通过求解产能方程，分析了油藏的生产曲线特征；发现下述情况：第一，随着启动压力梯度的不断增加，油井地层的流体的流动压力就会变小，压力损失就会加剧，此时随之启动压力梯度的增加，采收率会下降．第二，随着压力敏感系数的增大，油井的采收率逐渐下降．第三，当油井的产量不同时，在产量比较低的情况下，油井地层的有效渗透率越高，渗透率的损失也比较小．（3）依据油藏的生产曲线特征，通过改变油井的渗流场、改变低裂缝渗透油藏的润湿性的方法提高了油藏的采收率．

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