致密砂岩油藏能量补充方式评价及优化

李斌会，苑盛旺，董大鹏，付兰清，王瑞晗，史晓东

(1.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163712； 2.黑龙江省油层物理与渗流力学重点实验室，黑龙江 大庆 163712)

0 引 言

致密油已成为全球非常规油气勘探开发的热点领域[1-3]。中国松辽盆地北部致密砂岩储层发育着较为丰富的致密油，地质资源量约为16×108t[4-5]。致密砂岩储层内流体非达西渗流特征明显，常规技术难以有效开发[6-7]，水平井大规模体积压裂技术虽然可有效扩大致密储层的泄流面积，提高单井产量和储层动用程度[8-9]，但水平井大规模体积压裂弹性开发后，产量递减快、地层压力低、缺乏后续有效动用方式等问题制约了致密砂岩油藏的进一步开发。该文以松辽盆地扶余致密储层物性参数为基础，在考虑温度、压力、岩心模型维度尺寸、水平井分段压裂、吞吐渗吸介质等因素的基础上，利用大型人造岩心制作技术、三维高温高压实验舱及岩心内部压力场和饱和度场监测技术[10-11]，建立了致密储层大型三维岩心水平井压裂吞吐渗吸采油物理模拟实验装置和方法，开展了致密砂岩储层能量补充方式优化室内物理实验研究，并结合数值模拟方法，对优选的吞吐渗吸介质注入参数进行优化设计，为致密砂岩油藏有效开发提供了技术支持。

1 实验条件及方法

1.1 实验条件

实验用油为模拟油，由大庆外围致密砂岩储层生产井脱水脱气原油和煤油混合而成，50 ℃条件下黏度为4.50 mPa·s；实验用水为松辽盆地北部致密砂岩储层模拟地层水，总矿化度为6 778 mg/L，50 ℃条件下黏度为0.57 mPa·s。致密砂岩储层压裂开发后用于能量补充的注入介质分别是CO2和活性水，其中，活性水由模拟地层水配制，表面活性剂质量分数为0.1%。

实验用岩心为模拟致密砂岩储层物性特征的大型人造三维岩心物理模型，此次实验设计并制作2种类型岩心模型各2块(图1、表1)，模型1和模型2在裂缝的设计上有所差异，模型1上有2条主裂缝，裂缝长度均为15 cm，基质渗透率为1 mD，岩心模型孔隙度为10.94%，饱和水量为443 mL，饱和油量为259 mL，含油饱和度为58.46%；模型2上设置有6条裂缝，有2条主裂缝和4条微裂缝。其中，主裂缝长度为15 cm，微裂缝长度为10 cm，基质渗透率为1 mD，岩心模型孔隙度为11.70%，饱和水量为474 mL，饱和油量为285 mL，含油饱和度为60.13%。2种岩心模型上均布置电极和测压点，用于对饱和度场和压力场的测定。

图1 岩心模型1与模型2测压点及裂缝分布

表1 岩心模型具体参数

1.2 实验方法

实验在自主研发的大型物理模拟实验舱内进行，该实验装置可在近地层条件下注入不同吞吐渗吸介质进行致密储层压裂开发后能量补充。实验过程中通过岩心上布置的不同测压点来监测能量传播情况，通过测定岩心不同位置的电极得到相应的含油饱和度，从而研究不同渗吸介质对岩心内饱和油的动用情况，最终优选出吞吐渗吸介质。实验中具体工作参数如表2所示。

表2 室内物理模拟实验工作参数

模型1、模型2注活性水吞吐实验过程中，以0.05 mL/min的速度注入活性水，当注入压力达到13.50 MPa时停止注入并关井；模型1、模型2注CO2吞吐实验过程中，由于注气量难以计量，选择以恒压注入的方法，以定压13.50 MPa进行CO2的注入，注入时间达到30 min后停止注入并关井。

2 结果分析

表3对比了2种岩心模型在不同阶段的采出程度，反映了裂缝规模和吞吐渗吸介质对最终采收率的影响。对比2种岩心模型的开发效果可知，模型2的衰竭开发采收率略高，这主要是因为模型2中多布置的2组微裂缝不仅提供了额外的原油渗流通道，还对原油的富集起着重要的作用；在注入活性水补充能量过程中，2组微裂缝的存在对压力传导起到了积极的作用，降低压力损耗，减小了无效波及区域的面积。同时，活性水与岩心的接触面积增大使其充分发挥洗油功效，最终使得模型2采收率增幅比模型1高出1.22个百分点。注CO2吞吐的实验结果也可以发现相同的规律，但是增幅要小得多。这是因为CO2的流动性比活性水要更好，对压力的传递更有利，裂缝对于最终采收率的影响被削弱。对比2种吞吐渗吸介质提高采收率效果可知，注CO2吞吐提高采收率增幅均高于注活性水吞吐，这是因为注活性水开发过程中，由于裂缝的影响，采出井见水过早，见水过后层内矛盾加剧，层内的低含水层难以动用，使得注活性水吞吐开发效果较差[12]。

表3 吞吐渗吸实验结果

图2和图3分别展示了模型1在注活性水吞吐和注CO2吞吐实验过程中每个阶段的压力场变化情况。能量补充过程中，能量都是以水平井与主裂缝组成的系统向远端传播，地层能量得到恢复，关井一段时间，在毛细管力作用下，注入介质与小孔隙内的原油发生置换。重新开井后，将置换出的原油和部分注入介质开采出来[13-17]。不同的是，在注活性水补充能量时，闷井结束后，水平井与裂缝压力明显高于远端，能量补充并不充分，而在注CO2补充能量时，闷井结束后，整个地层的压力趋于平均。在“吐”水过程中，流线主要指向裂缝与水平井，且整体压力梯度较大；而在“吐”CO2过程中，流线主要指向水平井与主裂缝以及两者之间包含的基质，局部压力梯度较大。

图2 模型1注活性水吞吐实验各阶段压力场

图3 模型1注CO2吞吐实验各阶段压力场

图4和图5分别展示了岩心模型2在注活性水吞吐和注CO2吞吐实验过程各阶段压力场变化情况，与模型1趋势相同。模型2中多布置的2组微裂缝使得能量传播范围更广，裂缝规模越大，流线越简单而且整个地层压力分布越均匀。闷井结束后，模型2的井口压力要高于模型1的井口压力，为后续的开发提供了更有利的条件。经过对比后发现，对于不同裂缝规模的地层，裂缝规模越大，提高采收率效果越明显；从能量补充角度出发，注CO2能量补充效果要优于注活性水，这直接决定了注CO2吞吐的开发效果好于注活性水吞吐的开发效果。

图4 模型2注活性水闷井和吞吐结束压力场

图5 模型2注CO2闷井和吞吐结束压力场图

为了进一步分析不同吞吐渗吸介质提高致密砂岩油藏提高采收率效果，测定岩心模型上布置的电极得到不同区域的含油饱和度，然后通过surfer软件绘制岩心内部含油饱和度平面分布图。图6为模型2活性水与CO2吞吐渗吸结束时含油饱和度分布情况，由图6可知，相比活性水，CO2吞吐渗吸结束时模型内部波及区域的含油饱和度明显下降，有效波及范围也有所增加。统计结果显示，CO2吞吐渗吸结束时模型平面平均含油饱和度为45.81%，相对于活性水吞吐结束时的平均含油饱和度(49.08%)下降3.27个百分点；波及系数方面，CO2吞吐渗吸最终的波及系数为0.653，相对于活性水的波及系数(0.592)增大0.061，相对增量为10.30%，两者共同作用使吞吐渗吸相比活性水最终采出程度提高了4.66个百分点，表明CO2吞吐无论从提高驱油效率还是扩大波及系数方面均优于活性水。因此，推荐CO2作为松辽盆地北部致密砂岩油藏能量补充的首选吞吐渗吸介质。

图6 不同介质吞吐结束含油饱和度分布图

3 典型井区CO2吞吐注入参数优化

根据CO2吞吐补充地层能量物理模拟实验取得的效果及认识，选取松辽盆地北部致密砂岩油藏YP1井区为研究对象，利用Eclipse油藏数值模拟软件建立油藏数值模型。结合地质认识，优选人工裂缝监测结果取值，应用petrel软件fracture network模块，裂缝监测结果做为输入数据，应用经验公式法模拟人工裂缝，计算裂缝孔隙度、渗透率、宽度等参数，通过Scal Up Fracture Network Properties模块实现与基质模型合并。开展YP1-7井注CO2吞吐补充地层能量过程中注气量、注气速度、闷井时间和注入周期等参数的优化设计研究。

图7展示了CO2吞吐周期注气量和注气速度优化结果，综合成本控制和开发效果考虑，确定周期注气量为7 500 t，合理注气速度为180 t/d。

表4和表5给出了CO2吞吐闷井时间和注气周期优化结果，确定YP1-7井的闷井时间为30 d。在注气量为7 500 t、注入速度为180 t/d、闷井时间为30 d条件下，模拟并对比4个周期注气的开发效果，每个周期的注入CO2时机为闷井后返排生产至地层压力的0.6倍，最终确定注气周期为3个，3个周期累计增油为5 961 t，加权平均后综合换油率为0.27。

表5 YP1-7井CO2吞吐注气周期优化设计

依据上述YP1-7井CO2吞吐注入参数数值模拟实验结果，选取该井为试验井开展现场CO2吞吐能量补充试验。从2016年10月开始进行CO2吞吐试验，注气速度为180 t/d，注气量达到设计的7 200 t时，压力远低于设计注入末点压力，矿场施工设计再追加注入气量2 700 t，注入末点井口压力为11.20 MPa。闷井53 d开井后，开井压力为8.70 MPa，放喷21 d后见油。放喷结束后，采用机采方式生产，前期最高日产油为28.0 t/d，日均产油量为8.1 t/d。截至2018年年底，CO2吞吐方式生产617 d，日产油为3.4 t/d，累计增油为3 201 t，预计提高采收率2.13个百分点。

4 结论与认识

(1) 致密砂岩油藏压裂开发后采取注水或注气方式进行能量补充均见到一定效果，在增加原油流动性、提高洗油效率的同时，通过高压吞吐对压力场的扰动，使油水重新分布，进而提高波及体积和微观剩余油动用程度。

(2) 对于不同裂缝规模的地层，裂缝规模越大，提高采收率效果越明显；从能量补充角度出发，注CO2能量补充效果要优于注活性水，波及系数和洗油效率均有所提高，其最终开发效果也好于活性水吞吐。

(3) CO2吞吐开发在矿场典型井组试验中取得了显著的增油效果，表明CO2吞吐作为一种有效的能量补充方式在致密油开发中拥有良好的应用前景。