精控压裂薄差储层渗流特征实验研究

于倩男，刘义坤，姚 迪，刘 学，于 洋

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江大庆163002）

随着中国油气开发进程的深入和相关理论技术的发展，高含水老油田水驱开发的主要对象已由物性较好，厚度较大的储层转变为薄差储层。当前开发条件下，薄差储层的整体动用状况仍有待提高。精控压裂指精细控制压裂范围及措施层位，对应压裂连通砂体的注采井，是探索完善薄差层注采关系，提高薄差层动用程度的新工艺途径。

渗流特征是渗流机理具象直观的表征，是影响生产动态的直接原因，是承接机理与生产状况的中间过程。定性描述并定量表征不同精控压裂规模下不同非均质性薄差储层的渗流特征，对深入研究渗流机理并指导生产实践有一定的指导作用。

精控压裂薄差储层中流体的渗流问题为水平裂缝影响下低渗透非均质薄储层中流体的渗流问题，压力梯度的分布及变化是储层流体流动的动态反映，可表征渗流规律和流场及势场的分布规律。目前薄差储层渗流特征的研究还不够系统和完善，实验多限于渗流压差流量关系[1-3]或天然岩心相对渗透率曲线的测定[4-5]，而表征渗流特征的压力梯度分布状况这一重要参数的相关研究并不多见。物理模拟实验手段方面，常规一维物理模型因成本低廉和测试方便得到了广泛的应用，但仅可模拟一维线性流动，在流体渗流机理模拟方面存在缺陷，且无法模拟不同注采关系及压裂措施对渗流特征的影响，与矿场实际出入较大[6-8]。三维的非均质低渗透平板模型可模拟出储层物性差、渗透率低的特征，同时模拟注采关系、非均质特性及措施裂缝对渗流的影响，可以更好地表征薄差储层平面上的渗流特征[9-11]。

本实验在平板模型相似理论基础上，设计并制作了含有水平裂缝的非均质低渗透平板模型，处理分析平板模型内部对称布置的压力传感器获取的压力数据，明确压力梯度分布状况，绘制渗流特征区域划分图件，进而分析不同性质精控压裂薄差储层的渗流特征。

1 实验介绍

1.1 实验原理

利用平板模型开展精控压裂薄差储层渗流特征实验，需遵守相似理论。实验条件应满足物性特征的相似，以保证平板模型的流动规律和渗流特征与储层具有对比价值，同时几何尺寸与形状相似、注采关系对应，且边界属性和注采制度相似。

必要相似条件约束下，室内实验的物理量比例应缩小到合理的尺度[12-13]。将相关物理量对应比例带入模型和地层的油水两相控制方程中，简化得到各物理量相似比例尺。在对应的时间点和位置上平板模型和油藏中的3 个组合物理量应相等，才可保证模型对薄差储层渗流特征模拟的精确性。

计算得到精控压裂薄差储层平板模型实验参数（表1），据此设计制备平板模型，确定平板模型物理模拟实验条件。由于平板模型的尺寸标准及强度要求，模型厚度无法严格根据地层厚度比例缩放。

1.2 平板模型

平板模型是精控压裂薄差储层渗流特征实验的基础，平板模型的设计与制作是实验的基础环节。以渗透率为基准，参考薄差储层的孔隙度等其他物性特征，结合精控压裂井的注采关系和注采井间平面非均质特征，设计制作平板模型。

1.2.1 平板模型的设计

薄差储层物性差，非均质性强，注采井间沉积相变化较大。精控压裂措施形成的水平裂缝的导流能力远大于薄差储层的渗透性。平板模型设计中，根据注采控制面积相等的原则将平板模型分为不同控制区域（图1a），不同区域根据对应的物性特征采取相应的配方和工艺进行制作，来模拟储层的渗透性、非均质状况及精控压裂裂缝性质。

精控压裂措施使注采井筒地层同时生成裂缝，简化为以井筒为中心的圆形，在注入与采出端划分出直角扇形区域，区域内渗透率远大于储层区域的渗透率，形成极高渗透性质模拟裂缝导流能力。

注采端及压力传感器布置见图1b，压力传感器设置过多则扰动流体渗流状态，影响平板模型整体承压性；过少则无法获取足够的特征值进而来表征平板模型内部压力分布规律。考虑获取尽可能多的特征压力值同时减少对渗流特征的影响，12 个测压点以注入采出连线对称分布在平板模型上，纵向上压力传感器则布置在模型中部位置。

表1 典型精控压裂薄差储层参数与平板模型实验参数Table 1 Experimental conditions and typical parameters of fine controlled fractured thin and poor reservoirs

图1 精控压裂薄差储层平板模型设计图及样品Fig.1 Design and sample of plate model in fine controlled fractured thin and poor reservoirs

1.2.2 平板模型的制备

平板模型的制备流程主要包括胶结物配制、混料、填砂、成型和胶结等工艺环节[14]。通过调节石英砂粒度控制平板模型的渗透率和孔喉比，利用胶结物含量比例控制孔隙度，添加黏土矿物和天然岩心碎屑模拟岩石的孔隙结构，以期更准确地模拟精控压裂薄差储层的物性特征。初步测试结果表明，平板模型（图1c、图1d）的尺寸规格及密封性符合设计标准并达到室内模拟实验要求。

1.3 实验条件

1.3.1 实验设备

实验采用自主设计的平板模型物理模拟实验装置（图2a），装置由注入及控制系统，平板模型，压力测量及记录系统，采出及计量系统四部分组成。

注入及控制系统由高压气瓶、中间容器和低压稳定装置组成，稳压装置控制的氮气压力源可提供低至0.001 MPa的稳定压力；压力测量及记录系统由高精度压力传感器，巡检仪和记录系统组成。压力传感器测量范围为0 ～15 MPa，精度为0.001 MPa。采出及计量系统包括高精度微流量计和高精度电子天平，微流量计的液面位移测量精度为0.1 mm，配合高精度电子天平可对采出流体精确计量。

1.3.2 饱和方法

薄差储层平板模型具有体积大、渗透率低和非均质性强的特点，常规一维人造岩心和天然岩心的流体抽真空及饱和方法不再适用。

图2 自主设计的平板模型物理模拟实验装置Fig.2 Self-designed physical simulation apparatuses of plate model

采用多点抽真空及饱和方法处理平板模型。利用平板模型封装后与外界连通的注采端及预留测压孔（图2b）多点抽真空，保证模型平面不同位置保持较高的真空度。同时连接真空压力表监测真空度变化情况，平板模型完全真空后，从非抽真空点处饱和流体。当所有测量点的真空压力表恢复到大气压时平板模型完全饱和。

1.3.3 实验条件

为了探讨不同精控压裂薄差储层的渗流特征，设计制备符合不同研究需求的注采单元平板模型，注入端渗透率设置为10×10-3μm2，控制采出端渗透率在（10 ～50）×10-3μm2。重点分析注采端均质及注采端渗透率极差为2和5的三种情况，利用含有水平裂缝的平板模型模拟精控压裂措施的影响。

安装调试实验装置，利用煤油处理地层油并过滤地层水，使油水的黏度和密度等流体性质满足平板模型实验要求。模型饱和流体模拟薄差储层含油含水状况，恒定压差0.42 MPa下注入地层水，模拟定压生产情况。为获得注采过程中注采单元控制面积内压力传播与分布状态，实时测量平板模型各测量点压力值和采出端流量。采出端流量稳定后获取平面上各点压力稳定状态的压力值，之后更换平板模型，重复实验流程。计算处理压力值和采出端流量等实验数据，绘制相应图件分析精控压裂薄差储层的渗流特征。

2 实验结果与讨论

平板模型中压力传感器完全均匀分布，部分未监测部位数据的缺失，将板模型平面网格划分后，依据测试点压力值外推内插算法填充数据，得到压力梯度数据，进而绘制压力梯度分布图和渗流区域划分图件，进而分析精控压裂薄差储层的渗流特征。

2.1 压力梯度分布特征

储层流体渗流是消耗能量流体流动的过程，即消耗压力获得流量的过程。压力梯度是沿压力传播及流体流动方向单位长度上的压力变化，精控压裂薄差储层平板模型的压力梯度的分布状况可反映精控压裂薄差储层的渗流特征。

2.1.1 平板模型压力梯度分布

利用代号为（10～10）×10-3μm2、（10～20）×10-3μm2和（10～50）×10-3μm2的3 组平板模型表征薄差储层注采单元注入端渗透率控制为10×10-3μm2，采出端渗透率分别为10×10-3μm2、20×10-3μm2和50×10-3μm2的平面非均质变化状况，进行渗流特征物理模拟实验，利用获取的压力数据及计算得到的压力梯度数据绘制平板模型的压力梯度分布图（图3），进而分析薄差储层的渗流特征，为方便对比分析，不同图件采用相同的色度标尺。

不同非均质状况的平板模型内部平面上压力梯度等值线整体形态相近，压力梯度等值线以井筒为圆心以注采端连线为长轴近似椭圆形分布。注采单元近井地带压力消耗很大，注采井筒周围压力梯度非常高，注采端相对的平板模型对角处压力梯度最小。

平板模型采出端渗透性变化，注采端平面非均质程度变化，使得注入端井筒周围压降增加，且随着非均质性的增强，井筒周围压力梯度变化幅度增大。由于采出端渗透率的增加，采出井井筒周围低压力梯度降低，压力梯度等值线的分布更加稀疏，即等距离压降减小，压力传播范围变大。此时，平板模型注采对角处的低压力梯度区域形态改变，区域面积变小。

图3 平板模型压力梯度场分布Fig.3 Pressure gradient field distribution of plate model

2.1.2 含裂缝平板模型压力梯度分布

利用代号为LF（10～10）×10-3μm2、LF（10～20）×10-3μm2和LF（10～50）×10-3μm2的3组含水平裂缝的平板模型模拟相同非均质状况精控压裂措施后薄差储层注采单元，进行渗流特征物理模拟实验获取平板模型内部平面的压力分布数据，绘制压力梯度平面分布图分析精控压裂薄差储层渗流特征。

由含裂缝薄差储层平板模型压力梯度场分布图（图4）可知，含水平裂缝的不同非均质状况的平板模型内部平面上的压力梯度等值线整体形态相近，压力梯度等值线呈近似椭圆形分布，以井筒为圆心，以水平裂缝为边界，以注采端连线为长轴。此时高压力梯度带集中在裂缝边界处，压力梯度最小区域仍为注采端相对的平板模型对角处。由于注采端精控压裂措施形成裂缝的存在，裂缝渗透率远高于储层，流体短时间流经裂缝区域，几乎没有压力消耗，压力梯度几乎没有变化。因此，裂缝内部形成了一定面积的低压力梯度区。

对比不同平面非均质程度精控压裂薄差储层平板模型的压力梯度分布，采出端的渗透率升高使得平面整体压力梯度分布相应发生小幅度变化，采出端裂缝边界处的高压力梯度值有明显降低，注入端缝边界处的高压力梯度值降低幅度小于采出端，此时注采对角的低压力梯度区域面积小幅度减小。

2.2 渗流特征区域划分

2.2.1 渗流特征区域划分基本原理

选取典型薄差储层取心的天然岩样开展渗流实验，根据渗流实验结果绘制薄差储层的渗流速度与压力梯度关系曲线，即为典型薄差储层渗流特征曲线（图5a）。典型薄差储层渗流特征曲线表明，当压力梯度小于启动压力梯度时薄差储层不启动，此时流体渗流速度为零；压力梯度在较低的范围时储层启动，渗流速度呈上凹型曲线非线性增加。当压力梯度大于临界启动压力梯度时，渗流速度随着压力梯度的增大而线性增加。薄差储层中渗流速度关系式见式1。

图4 含裂缝平板模型压力梯度场分布Fig.4 Pressure gradient distribution maps of artificial core plate models with cracks

图5 典型薄差储层渗流特征曲线及划分图版Fig.5 The typical seepage flow curve and section division chart of thin and poor reservoir

启动压力梯度和临界启动压力梯度将薄差储层的渗流特征曲线分为不流动段、非线性渗流段和拟线性渗流段三个阶段。

根据薄差储层非线性流动段端点的驱替压力梯度与流度关系，可得到薄差储层的渗流特征划分图版（图5b）。

由图5可知根据压力梯度的变化，某黏度的流体在薄差储层中有不流动、非线性渗流和拟线性渗流三种流动特征[15-18]，即平板模型内部平面上可划分为不流动区、非线性渗流区和拟线性渗流区三个渗流特征区域。

2.2.2 平板模型的渗流特征区域

利用平板模型的渗流实验结果，根据不同实验条件中注入流体的流度特征及渗流特征划分图版，得到不同非均质性薄差储层平板模型的渗流区域划分图件，表征精控压裂措施前薄差储层注采单元的渗流特征。

由平板模型渗流区域划分图（图6）可知，平板模型中同时存在不流动区、非线性渗流区和拟线性渗流区，则表明精控压裂措施前薄差储层的注采单元内部同时存在三种渗流特征区域。注采端相对的平板模型对角处存在不流动区，即精控压裂薄差储层的注采井组中同类井连线中点处易出现注入流体无法波及区域；整体上低渗透平板模型中非线性流动区域面积占比最大，不流动域面积占比最小；随着采出端渗透率提高，平板模型注采端非均质性增强，各渗流特征区域形态及面积占比相应变化。

平板模型渗流区域划分数据（表2）中给出了不同渗流区域面积占比，及相比均质状况面积占比的变化幅度。三组平板模型中（10～10）×10-3μm2平板模型的不流动区域面积最大，面积占比达到了15.749%，随着采出端渗透率增加，不流动区的面积逐渐减小，（10～50）×10-3μm2平板模型的不流动区域面积占比最低为14.361 %，下降幅度为8.813 %。相应的平板模型中可流动区域面积（非线性渗流区和拟线性渗流区）整体上增加，其中非线性渗流区域面积占比由50.707 %逐渐减小至49.668 %、49.504 %，同时更有利于流体流动的拟线性渗流区域面积占比则由33.544 %逐渐增加至35.721 %、36.135%。

图6 平板模型渗流区域划分Fig.6 Sketch map of seepage flow section of artificial core plate models

表2 平板模型渗流区域划分数据Table 2 Seepage flow sections of artificial core plate models

2.2.3 含裂缝平板模型的渗流特征区域

利用含水平裂缝平板模型的渗流实验结果，根据注入流体的流度特征及渗流特征划分图版，得到不同非均质性精控压裂薄差储层平板模型的渗流区域划分图件，进而表征精控压裂措施后薄差储层注采单元的渗流特征。

由含裂缝平板模型渗流区域划分示意图（图7）可知，精控压裂措施后薄差储层的注采单元内部也同时存在三个渗流特征区域，注采端相对的平板模型对角处仍存在小面积的不流动区；整体上低渗透平板模型中拟线性流动区域面积占比最大，不流动域面积占比最小；各渗流特征区域形态及面积占比随着注采端非均质性变化而相应变化。

由含裂缝平板模型渗流区域划分数据表（表3）可知，LF（10～10）×10-3μm2平板模型平板模型的不流动区域面积占比为4.199%，为三组模型中的最小值，LF（10～20）×10-3μm2平板模型的不流动区域面积占比低为4.058%，下降幅度为3.358%，LF（10～50）×10-3μm2平板模型的不流动区域面积占比最低为4.013%，下降幅度为4.430%。相应的平板模型中可流动区域面积整体上有小幅度增加，其中非线性渗流区域面积占比由29.852 %逐渐降低至29.425 %、28.405%，拟线性渗流区域面积占比则由65.949%逐渐增加至66.517%、67.582%。

2.2.4 精控压裂前后薄差储层渗流特征区域变化

对比相同非均质状况不含及含裂缝的平板模型渗流区域划分数据，分析精控压裂前后薄差储层的渗流特征的变化情况（表4）。

整体上含裂缝平板模型的不流动区域的面积占比大幅度下降，表明精控压裂后薄差储层注采单元中不流动区大幅度减小。注采端渗透率均为10×10-3μm2时平板模型中不流动区域面积占比下降幅度最大为73.338%，采出端渗透率增大到100×10-3μm2时下降幅度为三种非均质状况的最小值，此时下降幅度也超过了72 %。可流动区域面积占比整体增加，其中非线性流动区域面积占比下降，下降幅度分别为41.128%、40.755%和42.621%，可流动区域中更利于储层流体流动的拟线性流动区大幅度增加，幅度在86%以上，物性最差注采单元中拟线性流动区面积占比增幅最高，达到96.604%。

由此可知，水平裂缝可大幅度减小平板模型的不流动区域面积占比，即精控压裂可大幅度减小薄差储层的不流动区域，降低幅度在72%以上，可流动区域面积增加，其中更易于流体流动的拟线性渗流区面积增加幅度大于86%。

图7 含裂缝平板模型渗流区域划分Fig.7 Sketch map of seepage flow section of artificial core plate models with cracks

表3 含裂缝平板模型渗流区域划分数据Table 3 Seepage flow sections of artificial core plate models with cracks

表4 精控压裂前后薄差储层渗流区域数据Table 4 Seepage flow sections of thin and poor reservoirs before and after fine controlled fracturing

表5 精控压裂前后薄差储层注采单元中不流动区域变化情况Table 5 Ratio variation of non seepage flow section in thin and poor reservoirs before and after fine controlled fracturing

对比不同注采非均质状况薄差储层注采单元中不流动区域的变化情况（表5），注入端稳定在低渗透率10×10-3μm2时，采出端由10×10-3μm2升高至50×10-3μm2，不流动区面积呈降低趋势。采出端渗透率增加平板模型的渗流能力增强，同时非均质程度变大对压力传播及流体流动则有负面影响，渗透率及非均质性的变化对渗流特征的影响都直观地反映在渗流区域的划分中。由于实验采用精控压裂薄差储层平板模型的整体渗透率较低，采出端渗透率升高使得模型的不流动区域面积减小，即采出端物性变好对渗流特征的影响程度大于非均质的负面影响。

对比相同注采非均质状况精控压裂前后不流动区变化幅度（表5）可知，当采出端渗透率升高至20×10-3μm2、50×10-3μm2时，精控压裂前薄差储层的不流动区减少幅度为3.358%、4.430%，明显小于精控压裂前不流动区的减小幅度7.220%、8.813%。因此，水平裂缝可以减小平板模型中非均质对渗流区域面积的影响，即表明精控压裂措施可减小非均质对地层流体渗流及压力传播的负面影响。

3 结论

1）平板模型压力梯度的分布状况可定性描述并定量表征储层渗流特征；精控压裂薄差储层平板模型的压力梯度分布状况受渗透率、非均质性和裂缝性质影响。

2）精控压裂前近井地带压力消耗大，井筒周围压力梯度高；同号井连线中点压力梯度最小，易形成流体未波及区。精控压裂近似扩大井筒半径，高压力梯度带在水平裂缝边界处；同号井连线中点处仍存在流体未波及区。

3）薄差储层整体渗透率较低，渗透率增大影响程度大于非均质的负面影响；采出端渗透率增大，注采端非均质性增强，同压力梯度的波及面积变大，压力梯度传播距离变大，流体流动区域面积有所增加。

4）精控压裂可减小薄差储层的低渗透率和强非均质性对压力传播的负面影响；精控压裂薄差储层中同时存在不流动区、非线性渗流区和拟线性渗流区。精控压裂使不流动区域面积降低72%以上，可流动区域面积相应及流体渗流增加，其中更易于流体流动的拟线性渗流区面积增加86%以上。

符号注释：

P为压力，MPa；L为平板模型尺寸，m；t为时间，天；μ为流体黏度，mPa·s；σ为界面张力，N/m；θ为润湿角，（°）；v为渗流速度，m/s；a为非线性渗流速度拟合参数，小数；K 为渗透率，10-3μm2；G 为压力梯度，MPa/m；Gs为启动压力梯度，MPa/m；Gq为拟启动压力梯度，MPa/m；Gc为临界启动压力梯度，MPa/m。