致密油藏自渗吸提高采收率影响因素研究

未志杰 康晓东 刘玉洋 杨光

(1. 海洋石油高效开发国家重点实验室， 北京 100028； 2. 中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028)

致密油藏渗透率极低，采用常规开发方式难以获得有效产能，需要实施大规模人工压裂，然后采用衰竭式开采方式。在水湿型致密油藏中，初期阶段的弹性力起主要作用，裂缝压力下降快，基质压力下降慢，基质中的油流向裂缝；当两者的压力接近平衡状态时，毛管力引起的渗吸作用起到主要作用[1-2]，基质与裂缝之间发生油水交换，进一步采出基质中的剩余油[3]。而油湿型致密地层因无法产生自发渗吸，则基质内原油动用效果较差[4-5]，需进一步挖掘采收率潜力。

表面活性剂具有改变储层润湿性与提高驱油效率的作用，因此将合适的表面活性剂注入亲油致密油藏，改变岩石润湿性，使之由亲油向中性乃至亲水方向转变，从而诱导产生自发渗吸，可提高基质与裂缝之间油水交换强度，进一步提高致密油采收率[5]。目前，国内外已有通过油湿致密油藏润湿改性诱导自发渗吸提高采收率的研究成果。国外研究成果侧重于室内实验研究，关于采油理论的研究不多[5-7]；国内的渗吸法采油研究多关注于裂缝型低渗透储层，且不涉及润湿性反转，较少涉及致密储层[8-10]。亲油致密储层注表面活性剂增油机理及多重孔隙系统渗流机制十分复杂，如基质与裂缝之间表面活性剂的运移、储层润湿性反转、自发渗吸过程的表征等，都对现有的数值模拟技术提出了挑战。

本次研究中，从多孔介质渗流理论出发，建立了亲油致密油藏渗吸提高采收率数学模型，并采用有限体积法进行离散数值求解；通过数学模型研究自发渗吸作用对油湿致密油藏采油效果的影响，分析主要影响因素。

1 致密油藏渗吸提高采收率数学模型

人工压裂后的致密油藏一般通过双孔、双渗模型进行描述[11]。该模型包括裂缝与基质2套孔隙系统，前者渗透率大、孔隙度小，后者渗透率小、孔隙度大。裂缝提供主要的渗流通道，基质虽然也能够存在渗流，但其主要作用仍然是提供原油储存空间。原油流动过程一般描述为：裂缝压力随开采的持续进行而迅速下降，基质压力下降相对缓慢；在势差作用下，原油由基质流入裂缝，并以达西渗流方式进入井筒后被采出。

1.1 控制方程

裂缝系统有以下主要方程：

ρofφfSofRf)

式中：p—— 压力，Pa；

K—— 绝对渗透率，μm2；

Kr—— 相对渗透率；

ρ—— 密度，kgm3；

μ—— 黏度，mPa·s；

g—— 重力常数，ms2；

h—— 高度，m；

q—— 源汇项，kgs；

φ—— 孔隙度；

t—— 时间，s；

pc—— 毛细管力，Pa；

S—— 饱和度；

R—— 溶解汽油体积比；

C—— 浓度。

文中各变量符号的上下标定义如下：w表示水相；o表示油相；g表示气相；r表示固相；f表示裂缝；well表示开发井；a表示吸附态；m表示基质;l表示流体项(w、o、g)；η表示孔隙系统(m、f)。

基质系统主要方程如下：

ρomφmSomRm)

采用Sonier模型[12]计算裂缝与基质之间的物质交换量：

ql,mf=δKmfλl,mf(Φl,m-Φl,f)

式中：δ—— 形状因子，m-2；

Φ—— 相势，Pa；

λ—— 流度，(mPa·s)-1。

在各类形状因子模型中选用Zimmerman模型[12-13]]，其表达式为：

δ= π2(1

式中：Lx—— 基质在x方向上的长度，m；

Ly—— 基质在y方向上的长度，m；

Lz—— 基质在z方向上的长度，m。

相势Φ表达式为：

Φl,η=pl,η+ρl,ηghη

用于计算裂缝与基质物质交换量所用的渗透率取两者渗透率的调和平均值，即：

Kmf=KmKf(Km+Kf)

对于致密油藏，有Km≪Kf，Kmf≈Km。为了保证计算的稳定性，一般采用迎风格式，依据裂缝与基质相势Φ的相对大小来确定流度λl,mf：

裂缝与基质水、油之间的交换量可表示为：

基质与裂缝之间导流量取决于压力差、毛管力差、重力势差，一般情况下重力势差几乎可以忽略不计。另外，致密油藏基质孔径远小于裂缝，导致基质毛管力远大于裂缝(pcow,m≫pcow,f)。可以看出，导流效果主要依赖于压力与基质毛管力的影响。

对于水湿油藏，在毛管力驱动下，诱导产生自发渗吸，裂缝中的水吸入基质，利于原油渗入裂缝，实现油水间的逆向渗流，从而有助于提高采收率；相反，对于油湿油藏，毛管力阻碍了自发渗吸，不利于原油采出，更多原油滞留于基质中，无法被采出。

1.2 数值离散

根据前述控制方程式，需求解的主要未知量包括水相压力(pwf、pwm)、水相饱和度(Swf、Swm)、油相饱和度(Sof、Som)、表面活性剂浓度(Cf、Cm)。采用有限体积法离散控制方程：

式中：V—— 单元体积，m3。

展开上式得：

其中：

式中：T—— 流体传导率。

采用全隐式求解上述方程，未知量pwf、pwm、Swf、Swm、Sof、Som、Cf、Cm被同时解出，计算结果显示模型稳定性较高。

2 自渗吸提高采收率数值模拟研究

通过开展油湿致密岩心自发渗吸数值模拟，研究自发渗吸作用对油湿致密油藏采油效果的影响及主要影响因素。模拟3.4 cm×3.4 cm×7.6 cm饱和油致密岩样浸泡于浓度为500 mgL表面活性剂溶液中。除底面外，其他面均与浸泡液接触。岩样物性参数如下：渗透率为2.5×10-7μm2，孔隙度为0.10，原油黏度为3.0 mPa·s，初始含油饱和度为0.68，初始含水饱和度为0.32。相对渗透率及毛管力特征参数值见表1。

表1 相对渗透率及毛管力特征参数值

2.1 自渗吸提高采收率效果

图1为油湿致密岩心自发渗吸采油效果。图中的无渗吸曲线和存在渗吸曲线分别表示油湿致密岩心润湿性改变前后的采油效果。存在渗吸，是指在浸泡液中加入表面活性剂，改变岩石原始润湿性，从而诱导产生自发渗吸作用。对于油湿岩心，几乎无原油采出；而改变润湿性后，采收率可达20%以上。这是由于在原始状态下油湿岩石的毛管力为阻力，几乎不存在自发渗吸；而加入表活剂后，润湿性转变为水湿，毛管力由阻力变成驱动力，外围水在自发渗吸作用下进入岩心，基质原油动用并被采出。自发渗吸作用是提高致密油藏采收率的重要机理，尤其是油湿致密油藏。

图1 油湿型致密岩心自发渗吸采油效果

2.2 自渗吸采油效果影响因素分析

(1) 基质形态。基质形态对渗吸采油效果的影响分析显示，横向宽度、厚度条件下自发渗吸采油效果，随着厚度、宽度降低，采油速度增大，采油效果变好。这是由于基质与裂缝之间相接触的比表面积增大，渗吸强度增大。尽可能增大基质与裂缝接触面积，有助于增强渗吸采油。图2所示为油湿致密岩心厚度对渗吸采油效果的影响曲线。图3所示为油湿致密岩心宽度对渗吸采油效果的影响曲线。

图2 油湿致密岩心厚度对渗吸采油效果的影响曲线

图3 油湿致密岩心宽度对渗吸采油效果的影响曲线

(2) 毛管力大小。表面活性剂使岩石润湿性转变为水湿后，基质毛管力转变为驱动力。随着基质毛管力的加大，渗吸强度增大，裂缝与基质间的渗吸量增加，渗吸法采油效果变好。图4所示为油湿致密岩心毛管力对渗吸采油效果的影响曲线。为了定量研究基质毛管力的影响，按照以下4 种情况分别预测开发效果：① 润湿性改变后毛管力曲线，即“基础毛管力曲线”；② 毛管力值降低为“基础毛管力曲线”的一半，即“0.5倍毛管力”；③ 毛管力值提高为“基础毛管力曲线”的2倍，即“2.0倍毛管力”；④ 毛管力值提高为“基础毛管力曲线”的4倍，即“4.0倍毛管力”。随着毛管力的提高，采油速度也在提高，自发渗吸采油效果改善。“4.0倍毛管力”时自发渗吸的采收率可达28%，而“0.5倍毛管力”采收率仅有5.0%。对于油湿致密储层而言，改变润湿性同时保持相当水平的界面张力或毛管力有助于提高自发渗吸强度，提高采油效果。

图4 油湿致密岩心毛管力对渗吸采油效果的影响曲线

(3) 油水黏度比。给定水相黏度，随着油水黏度比增大，原油的流动能力降低，基质与裂缝之间自发渗吸强度降低，采油速度下降。图5所示为油水黏度比对自发渗吸采油效果的影响曲线。与油水黏度比为3时相比较，黏度比为50时的采收率下降了33%，表明自发渗吸强度随着原油黏度增加而降低。原油黏度越大，油湿致密油藏采油对表面活性剂的性能要求越高。

图5 油水黏度比对自发渗吸采油效果的影响曲线

(4) 基质渗透率。随着基质渗透率增大，自发渗吸强度增大，采油速度提高。图6所示为基质渗透率对自发渗吸采油效果的影响曲线。当渗透率达到2.5×10-5μm2时，自发渗吸可采出39%以上的原油。

图6 基质渗透率对自发渗吸采油效果的影响曲线

3 结 语

本次研究中建立了双孔双渗亲油致密油藏渗吸提高采收率数学模型，给出了多重孔隙介质表面活性剂运移、润湿性反转、自发渗吸的表征方法。注入表面活性剂可使亲油致密储层产生润湿性反转，诱导产生自发渗吸，从而有效提高基质原油的动用程度。这表明渗吸法采油同样适用于亲油致密油藏。渗吸采油效果与基质特征尺寸(即裂缝密度)呈负相关，特征尺寸越大，基质与裂缝接触面积越小，则渗吸强度越低，采油速度越小。渗吸采油效果与毛管力相关，对于亲油致密油藏，注入表面活性剂改变润湿性的同时应尽量保持毛管力水平。渗吸法采油适用于原油黏度低且基质渗透率保持较高水平的亲油致密油藏。

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