裂縫性低滲透油藏的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

裂縫性低滲透油藏的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

低滲透油田的開發(fā)低滲透油氣藏廣泛分布在中國(guó)的主要?dú)馓锖团璧刂?，在中?guó)的石油工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。未來幾年，這類油藏將成為中國(guó)石油工業(yè)增儲(chǔ)和生產(chǎn)的重要資源基礎(chǔ)。低滲透儲(chǔ)層中,由于巖石致密程度增加,巖石的強(qiáng)度和脆性加大,因而在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下,巖石會(huì)不同程度的產(chǎn)生裂縫,常常使裂縫和低滲透儲(chǔ)層相伴生,形成裂縫性低滲透儲(chǔ)層。由于裂縫發(fā)育及分布的復(fù)雜性,使低滲透油田開發(fā)困難。目前這類油田儲(chǔ)量動(dòng)用程度低,開發(fā)效果不理想,經(jīng)濟(jì)效益差。因此研究如何進(jìn)一步經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)好這類油田,對(duì)我國(guó)石油工業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外,從世界石油工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來看,物性好、規(guī)模大的陸上油田也愈來愈少,低滲透油田所占比例逐年增高,因此研究這類油田經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)問題對(duì)世界石油工業(yè)也有重要意義。1996年我國(guó)著名的油田開發(fā)專家秦同洛教授撰寫的“對(duì)低滲透油田開發(fā)的幾點(diǎn)意見”中提出:“低滲透油田之所以能夠進(jìn)行開發(fā),與油藏中存在的裂隙系統(tǒng)有關(guān),不存在裂縫系統(tǒng)的低滲透油藏一般是不能經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)的”。對(duì)于低滲透的特殊性,秦先生也很早就指出“低滲透油藏開發(fā)研究的重點(diǎn)應(yīng)不是油藏滲透率的分布和變化,而是油藏中裂縫系統(tǒng)的發(fā)育及分布”。李道品也指出,低滲透油田的油藏描述重點(diǎn)是仔細(xì)研究地層裂縫,包括裂縫的生成、形態(tài)、展布、規(guī)模以及對(duì)流體滲流的影響。因?yàn)榱芽p(無論是原生的還是人工壓裂形成的)是控制低滲地層滲流的主要因素。因此,裂縫在低滲透油藏開發(fā)中的作用愈來愈受到重視。雖然對(duì)巖石中天然裂縫的研究早在上世紀(jì)20年代就已開始,但始終發(fā)展緩慢。從20世紀(jì)70年代以來,國(guó)外許多學(xué)者對(duì)天然裂縫的成因、形成機(jī)理及分布預(yù)測(cè)方法做了大量有意義的研究工作。而我國(guó)則是在開發(fā)玉門油田時(shí)發(fā)現(xiàn)了天然裂縫對(duì)注水的控制作用,遂于20世紀(jì)60、70年代開展了此方面的研究工作。目前,人們從一系列的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中對(duì)裂縫的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新水平:即在油田投入開發(fā)前就要對(duì)裂縫特征和作用高度重視。正確認(rèn)識(shí)和研究裂縫將成為裂縫性低滲透油田開發(fā)成敗的關(guān)鍵因素之一。1低滲透儲(chǔ)層及采動(dòng)裂縫發(fā)育特征低滲透是一個(gè)相對(duì)的概念,不同國(guó)家、不同時(shí)期對(duì)其的限定也有所不同。近20a來,我國(guó)低滲透油田的勘探開發(fā)取得了很大的進(jìn)展,根據(jù)我國(guó)的生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究,對(duì)于低滲透儲(chǔ)層范圍和界限已有了比較一致的認(rèn)識(shí)。前蘇聯(lián)的蘇爾古伊耶夫、唐曾熊、羅蜇潭、王允誠(chéng)、閻慶來、李道品等都對(duì)低滲透儲(chǔ)層滲透率的上限進(jìn)行了不同的定義,我國(guó)一般采用李道品(1997)的定義,即50×10-3μm2,因?yàn)闈B透率低于50×10-3μm2的儲(chǔ)層必須經(jīng)過壓裂施工改造才能有效地投入正常開發(fā)。低滲透儲(chǔ)層滲透率的下限值為0.1×10-3μm2。低滲透的內(nèi)在原因是孔隙喉道小。低滲透儲(chǔ)層按地質(zhì)成因分為3種類型:即原生低滲儲(chǔ)層(沉積型低滲透儲(chǔ)層)、次生低滲透儲(chǔ)層(成巖型低滲透儲(chǔ)層)和裂縫性低滲透儲(chǔ)層(構(gòu)造型低滲透儲(chǔ)層)。按滲透率大小及開采方式亦可分為3類:一類儲(chǔ)層滲透率50×10-3~10×10-3μm2;二類儲(chǔ)層滲透率10×10-3~1×10-3μm2;三類儲(chǔ)層滲透率1×10-3~0.1×10-3μm2。天然裂縫的定義分廣義和狹義2種。按巖石力學(xué)的觀點(diǎn),所謂裂縫是指巖石中失去結(jié)合力的一種地質(zhì)界面。因?yàn)閹r石的破裂是導(dǎo)致其失去結(jié)合力的過程,于是裂縫被視為破裂作用的結(jié)果。油藏工程上的裂縫是指破裂面兩側(cè)巖體未發(fā)生明顯位移時(shí)的情況,可以由構(gòu)造變形作用或物理成巖作用形成,因此它不包括斷層在內(nèi)。裂縫的分類有多種:按成因分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫;按力學(xué)性質(zhì)分為張性縫、剪性縫和張剪性縫;按裂縫面的形態(tài)分為開啟裂縫、閉合裂縫、變形裂縫和充填裂縫;按裂縫的規(guī)模分為大裂縫、小裂縫和微細(xì)裂縫;按裂縫的產(chǎn)狀分為水平縫、垂直縫、斜交縫和網(wǎng)狀縫。裂縫性低滲透油藏具有以下特點(diǎn):①埋藏深,一般大于2000m;②儲(chǔ)層滲透性差,小于50×10-3μm2,非均質(zhì)性嚴(yán)重,油層更易污染,產(chǎn)能低而且遞減速度快;③能量不足,提液難度較大,存在啟動(dòng)生產(chǎn)壓差現(xiàn)象,滲流阻力和壓力消耗特別大;④儲(chǔ)集空間變化大、油層頂面深度難以預(yù)測(cè)準(zhǔn)確;⑤油藏的產(chǎn)能受裂縫發(fā)育程度控制;⑥裂縫多以大于70°的垂直縫為主;⑦裂縫發(fā)育在平面和縱向上非均質(zhì)性嚴(yán)重等等?；谝陨咸卣?在分支水平井開采裂縫性低滲透油藏時(shí),應(yīng)加強(qiáng)儲(chǔ)層研究,尋找相對(duì)高滲儲(chǔ)層;加強(qiáng)應(yīng)力和裂縫分布研究,水平井延伸方向應(yīng)盡量與裂縫方向垂直,優(yōu)化水平段設(shè)計(jì);采用欠平衡鉆井,加強(qiáng)油層保護(hù),減少油層污染。2前蘇聯(lián)按照裂縫發(fā)育程度、發(fā)育特征及其對(duì)儲(chǔ)集層滲流的影響,Hubbert、Wills(1995)、R.A.Nelson,以及前蘇聯(lián)的一些學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行過分類。李道品等針對(duì)我國(guó)低滲透油田裂縫的實(shí)際情況,綜合分析基質(zhì)孔隙度、滲透率和裂縫系統(tǒng)孔隙度、滲透率的相對(duì)大小及在儲(chǔ)集層中所起作用大小,對(duì)我國(guó)裂縫性低滲透油藏進(jìn)行了分類:(1)裂縫儲(chǔ)層儲(chǔ)層的滲流通道主要由裂縫系統(tǒng)提供。(2)裂縫型儲(chǔ)層裂縫的存在加深了儲(chǔ)層的各向異性。根據(jù)裂縫和基質(zhì)塊體孔隙度和滲透率的大小,又可分為裂縫型和潛裂縫型儲(chǔ)層,其共同特征是裂縫在初始狀態(tài)下在地下是閉合的、潛在的,或雖比較發(fā)育但呈孤立狀,沒有構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),對(duì)流體影響很少,或只有微弱的方向性顯示,甚至沒有影響。但隨著油田的開發(fā),裂縫將逐漸張開,并極大地影響著油田的開發(fā)生產(chǎn)。(3)無效裂縫錯(cuò)誤裂縫這類儲(chǔ)層中裂縫發(fā)育程度很低,或雖然發(fā)育有一定程度的裂縫,但大部分裂縫被充填而成為無效裂縫。其油氣的儲(chǔ)集空間和滲流空間主要由孔隙系統(tǒng)來提供,并且裂縫在以后的開發(fā)生產(chǎn)中基本不起作用或其作用忽略不計(jì),具孔隙型儲(chǔ)層的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征。3低滲透油田壓裂工藝儲(chǔ)層裂縫既是滲流通道,又可作為儲(chǔ)集空間,控制著油氣的滲流和分布。因此深入研究?jī)?chǔ)層裂縫,對(duì)于提高低滲透油藏的采收率具有重要意義。裂縫研究是一門涉及面很廣、綜合性極強(qiáng)的學(xué)科。儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的分布十分復(fù)雜,呈現(xiàn)出周期性和隨機(jī)性并存的混沌狀態(tài)。對(duì)裂縫檢測(cè)的最直接方法是露頭調(diào)研,實(shí)際主要靠巖心、測(cè)井及地震方法。對(duì)裂縫的預(yù)測(cè)主要有以下4種方法:裂縫地質(zhì)建模與隨機(jī)模擬方法、構(gòu)造方法、地震方法和綜合分析方法。在描述裂縫時(shí),通常用裂縫密度來評(píng)價(jià)裂縫的發(fā)育程度。裂縫密度有3種表示方法:①體積密度,單位體積內(nèi)裂縫壁表面積的一半;②面密度,單位面積內(nèi)裂縫的長(zhǎng)度;③線密度,微裂縫與垂直于該組裂縫的單位測(cè)線上的交點(diǎn)數(shù)。但是這種方法存在以下缺陷:一是在裂縫發(fā)育段取心收獲率一般很低,巖心多破裂成小的碎塊,歸位和裂縫統(tǒng)計(jì)都十分困難;二是由于巖心直徑有限,高角度、大間距的裂縫密度統(tǒng)計(jì)無法進(jìn)行。日本學(xué)者平田隆幸證明了巖石破裂具有自相似結(jié)構(gòu)。人們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn):儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的復(fù)雜形態(tài)及分布可概括為具有隨機(jī)表象的多重尺度問題,具有明顯的分形特征。于是便開始采用分形方法研究和評(píng)價(jià)儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫,并由此進(jìn)一步定量預(yù)測(cè)其三維分布。水力壓裂是目前改善低滲透油藏的主要開發(fā)手段,是提高低滲透油田開采速度和效率的有效工藝措施之一。水力壓裂是靠巨大的水力壓能在地層形成以井身為對(duì)稱軸的具有一定縫寬和縫長(zhǎng)的裂縫,改變地層中的滲流場(chǎng),從而減少地層的滲流阻力,來提高油氣井產(chǎn)能和延緩產(chǎn)量遞減。壓裂的作用,不僅僅是由于裂縫的產(chǎn)生和存在,更重要的是使油藏滲流流場(chǎng)發(fā)生了變化,由于增加了油藏的泄油面積,提高了油藏的導(dǎo)流能力,因此可以在一定階段內(nèi)提高油田采油速度,但不能提高最終采收率。壓裂效果的好壞,不僅僅取決于裂縫參數(shù)的變化,更重要的還取決于能量的消耗。傳統(tǒng)認(rèn)為,對(duì)低滲透油田主要靠縫長(zhǎng)來提高增產(chǎn)倍數(shù),實(shí)際上油田開發(fā)的過程中水力裂縫的導(dǎo)流能力是不斷降低的,張琪等提出注水開發(fā)的低滲透油田變裂縫導(dǎo)流能力下水力壓裂整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法,并指出提高裂縫初始導(dǎo)流能力也是提高低滲透油田壓裂效果的基礎(chǔ)。李留仁等也指出用增產(chǎn)倍數(shù)來評(píng)價(jià)水力壓裂增產(chǎn)效果只是一種靜態(tài)方法,無法考慮時(shí)間因素的影響。應(yīng)從以下2個(gè)方面進(jìn)行:①瞬時(shí)地考察井的產(chǎn)量;②動(dòng)態(tài)地考察生產(chǎn)過程。同樣,對(duì)注水井壓裂可以有效地提高注水井的注入能力,降低啟動(dòng)壓力,增大驅(qū)替壓力梯度,從而增加油井產(chǎn)能。對(duì)于注水井壓裂,注入量主要受地層參數(shù)、注入壓差、導(dǎo)流能力及縫長(zhǎng)控制,但縫長(zhǎng)僅對(duì)注水初期的注入量影響較大,而裂縫導(dǎo)流能力對(duì)注水全過程的影響都很大,因此,對(duì)注水井壓裂應(yīng)以短寬縫為宜,裂縫穿透比應(yīng)控制在0.2以內(nèi)。另外,對(duì)一些低滲透油田有時(shí)還需進(jìn)行有針對(duì)性的重復(fù)壓裂技術(shù)。除水力壓裂技術(shù)外,中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所和滲流流體力學(xué)研究所的一些學(xué)者借鑒井內(nèi)爆炸法和新興的高能氣體壓裂技術(shù)的一些經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn),利用現(xiàn)代水力壓裂技術(shù),提出了低滲透油氣田“層內(nèi)爆炸”新技術(shù),即利用水力壓裂技術(shù)將適當(dāng)?shù)谋妓帀喝霂r石裂縫,點(diǎn)燃爆炸藥,從而在主裂縫周圍產(chǎn)生大量裂縫,達(dá)到提高地層滲透率的目的。關(guān)于儲(chǔ)層天然裂縫和人工裂縫的關(guān)系,曾有學(xué)者指出:壓裂裂縫的特征主要受地應(yīng)力差、巖石抗張強(qiáng)度等因素的影響;天然裂縫在壓裂時(shí)是否活動(dòng),主要取決于地應(yīng)力差、巖石和裂縫的抗張強(qiáng)度以及裂縫面與最大主應(yīng)力間的夾角;儲(chǔ)層中不同天然裂縫的組合及其與最大主應(yīng)力間的相對(duì)方位,決定了壓裂裂縫的方位和裂縫帶寬度等空間分布規(guī)律。4低滲透復(fù)雜介質(zhì)的滲流力學(xué)研究達(dá)西定律一直是滲流力學(xué)界的主流理論基石,但人們很早就意識(shí)到了其存在局限性。Fancher和Lewis(1933)、Elenbaas、Katz(1947)和Cornell(1953)、Hubbert(1956)、Houpeurt(1956)、Wright(1968)等都對(duì)高速非線性滲流進(jìn)行了研究,其中以二項(xiàng)式的模型最為廣泛。有關(guān)低速非達(dá)西滲流的起源可以追溯到20世紀(jì)20年代布茲列夫斯基的實(shí)驗(yàn)成果,當(dāng)時(shí)他所提出的門限值就是今天常提到的啟動(dòng)壓力梯度。之后,特列賓、羅茲(1950)、弗洛林(1951)、米爾扎任扎杰(1953)、VonEngelhardt(1955)、Low(1961)、Jacqum(1965)、Irmay(1968)、Kutilek(1969)、閻慶來(1962)等都對(duì)原油中的低速非達(dá)西滲流做過實(shí)驗(yàn)研究。但是直到20世紀(jì)90年代中后期,這一領(lǐng)域才成為大家競(jìng)相青睞的研究熱門。雜亂的裂縫系統(tǒng)加劇了低滲透儲(chǔ)層介質(zhì)的復(fù)雜性,導(dǎo)致了復(fù)雜滲流現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)研究和礦場(chǎng)實(shí)踐表明,滲流的非線性和流態(tài)的多變性是低滲透復(fù)雜介質(zhì)中的主要滲流特征,也是當(dāng)今滲流力學(xué)界普遍關(guān)注的難題。周涌沂等根據(jù)實(shí)驗(yàn)滲流曲線的非線性特征,結(jié)合微分原理,提出了低滲透復(fù)雜介質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)非線性滲流的微分線性描述方法。此方法不但可以描述經(jīng)典的線性達(dá)西滲流現(xiàn)象,而且可以描述包括高速非達(dá)西滲流和低速非達(dá)西滲流在內(nèi)的非線性滲流現(xiàn)象,也能描述滲流過程中流體流態(tài)的多變性,為非線性滲流力學(xué)提供了一種新的研究思路。劉慈群等運(yùn)用橢圓滲流的概念,建立了垂直裂縫井開發(fā)低滲透油藏的非線性滲流數(shù)學(xué)模型,并運(yùn)用平均質(zhì)量守恒的方法,導(dǎo)出了壓力分布及傳播規(guī)律,并指出了考慮非線性與否的重要差別。劉慈群還與鄧英爾等基于擾動(dòng)橢圓概念和等價(jià)的發(fā)展矩形的思想,建立具有啟動(dòng)壓力梯度的油水兩相非達(dá)西橢圓二維滲流數(shù)學(xué)模型,此模型屬于具有活動(dòng)邊界的非線性問題。并用特征線還有限差分方法進(jìn)行求解,得到含水飽和度分布和活動(dòng)邊界的變化規(guī)律。最后指出了啟動(dòng)壓力梯度對(duì)油藏開發(fā)中一些重要指標(biāo)的巨大影響。劉慈群、宋付權(quán)根據(jù)Buckly-Leverett不混溶兩相驅(qū)替理論,考慮啟動(dòng)壓力梯度的影響,對(duì)水驅(qū)油兩相滲流進(jìn)行了分析,得到了低滲透油藏中線性水驅(qū)、徑向水驅(qū)、垂直裂縫井水驅(qū)和水平井油水兩相滲流的解析解公式。并指出,低滲透油藏中兩相滲流的效果受相滲曲線、注入速率、油水相啟動(dòng)壓力梯度和重力的影響;啟動(dòng)壓力梯度的存在,不僅增大了原油的開采難度,而且降低了原油的最終采收率;增大注入速率可以減少啟動(dòng)壓力梯度對(duì)兩相滲流的不利影響,提高原油的最終采收率;開發(fā)低滲透油藏應(yīng)采用小井距、大流量、大壓差的注水開發(fā)方案;對(duì)于傾斜地層,應(yīng)盡可能采用從高位井注入、低位井采出的方法。賈永祿、李允對(duì)壓裂地層建立特殊復(fù)合油氣藏滲流模型:近井區(qū)為雙孔介質(zhì)達(dá)西滲流(介質(zhì)間為穩(wěn)定竄流),遠(yuǎn)井區(qū)為存在啟動(dòng)壓力梯度的低速非達(dá)西滲流。同時(shí)考慮井筒變井儲(chǔ)問題及外邊界有界的情況。程林松等對(duì)含天然微裂縫變形介質(zhì)滲流現(xiàn)象進(jìn)行了研究。以往都將巖石的絕對(duì)滲透率視為常數(shù),而在微裂縫油藏開發(fā)過程中,油藏流體壓力的上升或下降會(huì)導(dǎo)致微裂縫的張開或閉合,油藏的絕對(duì)滲透率隨之發(fā)生變化,而且微裂縫的存在使油藏滲透率呈現(xiàn)較強(qiáng)的各向異性,從而影響油