超低渗油藏宽带压裂物理模拟实验研究

夏德斌，杨正明，赵新礼，张亚蒲，骆雨田

（1.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049；2.中国科学院渗流流体力学研究所，河北廊坊 065007；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

低／超低渗透油藏的动用规模和产量贡献比例逐渐增加，成为石油实现稳产和增产的重要来源，其有效开发对缓解中国原油供需矛盾，保证国家能源安全具有重要的战略意义［1-2］。但是低渗透储层物性差：微观机构复杂、孔喉细小、渗透率低，自然产量递减速度快，累计产量低［3-5］，需要进行压裂增产措施。长庆油田老区直井大量剩余油分布在人工裂缝的两侧，油井单井产量和最终采收率低［6］，常规压裂难以动用，需要进行宽带压裂。姬塬油田针对老区直井侧向剩余油难以动用的问题进行了宽带压裂研究。结果表明，合理增加带宽能够增大泄油面积，增加累计产量［7］。

对于物理模拟实验，目前进行最多是一维的物理模拟实验，然而一维模型只能把流体在孔隙介质中的流动看作是线性流动，无法考虑井网注采方式的变化［8-9］，这与油田实际开发情况不相符。国内外实验所用的二维或三维实验模型多采用人工封装的填砂模型［10-12］，但是人工方法制作的二维或三维填砂模型很难制作低渗透和超低渗透的填砂模型［13］，并且填砂模型无法模拟实际储层的孔喉特征。大量的实验研究和矿场实际表明储层的微观孔隙结构影响低渗透油藏的开发效果［14-18］，因此实验模型和储层在微观孔隙结构上要相似。本文首先从孔喉分布规律和黏度矿物含量方面选取与储层岩心相似的天然露头砂岩作为实验岩心，这样能够使模型最大程度接近实际储层中流体的流动特征。根据无因次导流能力，按照油田的两种裂缝类型制作了实验模型，研究不同压裂带宽对压裂效果的影响，该研究对油田后续挖潜剩余油具有实际指导意义。

1 实验装置与模型制作

1.1 实验装置

实验装置由驱动系统、实验模型、压力数据采集系统、采出液测量系统四部分组成。驱动系统由空气压缩机、ISCO驱替泵、中间容器（内装实验用地层水）、压力传感器（监测供给压力的大小）等组成。压力测量系统由高精度压力传感器组成。将压力传感器连接在超低渗透平板模型的测压孔处，本实验所用压力传感器为瑞士TRAFAG公司生产的高精度压力传感器，量程为0～0.6 MPa。使用压力巡检仪实时监测超低渗透平板模型各个测压点的压力变化，并将信号传输给计算机记录。

实验时，利用驱动系统提供实验所需的稳定、连续的压力，在注采井处用微流量计采集流体流量，分别记录模型上各测压点处的压力及注采井的流体采出量随生产时间的变化情况，实验流程如图1所示。

图1 大型物理模拟系统实验流程示意图

1.2 平板模型制作

（1）露头岩样的选取。实验模型的制作是实验关键所在，模型与实际储层的相似度关系着实验的说服力。将从平均孔隙度为13.2%，平均渗透率为0.31 mD的砂岩露头上钻取小岩心和选取的一块孔隙度为13.5%，渗透率为0.35 mD的长庆油田储层岩心都进行恒速压汞［19］和黏土矿物含量测试，测试结果如图2和表1所示。

图2 露头岩样与实际储层岩样孔喉孔道半径分布图

表1 长庆低渗透露头与储层岩样黏度矿物含量对比 %

可以看出，所选取的露头岩样和储层岩样的孔道半径分布规律相似，黏土矿物含量接近，由此可以说明用选取的露头岩样进行实验能够较好地反映流体储层中的流动特征。

（2）实验模型的制作。为了研究不同压裂带宽对压裂效果的影响，采用长庆油田的井与单一裂缝驱替和井与复杂裂缝驱替（见图3）［7］。

按照等效无因次导流能力［20］将上述砂岩露头制作成如图4所示的实验模型，表2为实际井组和实验模型井组的参数表。

图3 长庆油田两种驱替方式（m）

图4 两种平板模型注采井及测压点的分布图

表2 井组与实验模型参数

在实验模型两角和裂缝中间钻取深孔模拟注水井和采出井，根据注采井间压力梯度的分布规律，钻取表层浅孔（降低钻孔对平板模型流场的影响）布置测压点，压力测量点的布设遵循测量点需要模型的主要区域，但数量不应过多。探头对模型的压力分布不可避免地产生影响，而且探头过多不利于实验模型的制作，注采井及测压点的分布如图4所示。

2 实验流程与结果分析

2.1 实验流程

（1）按照图4在注采井和压力测量点钻孔，并用水冲洗，将钻孔过程中残留在孔中的粉末清洗干净，然后放入80℃的恒温箱中烘干24 h。

（2）从恒温箱将平板露头模型取出，静置在空气中让其自然冷却，将传感器接头粘贴在钻孔处并做密封，防止封装用胶流入钻孔中。组装封装模具并将模具进行加固和密封处理，防止封装用胶泄露。将平板露头模型垂直居中放置在模具的中间位置，使用一定原料混合而成的封装用胶对平板露头进行浇注，放在空气中静置24 h，待其固化后拆掉摸具。

（3）采用多点抽真空饱和技术对平板露头模型抽真空，饱和地层水［21］。先将模型进行抽真空，然后将模型在常压下进行饱和。当在常压下模型不能够继续饱和进水时，将模型在0.1 MPa压力下进行饱和24 h，然后将模型静止放置48 h，以使模型充分均匀地饱和地层水。

（4）在0.1 MPa驱替压力下，进行单相驱替实验，并记录驱替过程中各点的压力以及采井的采出量数据。

2.2 实验结果分析

利用上述实验方法和流程进行了单一裂缝和复杂裂缝两种模型的实验，表3为单一裂缝模型各个测压点在不同渗流时刻的压力值。

表3 单一裂缝模型各测量点在不同渗流时的压力值kPa

根据表3各测压点的数据，利用Surfer作图软件，绘制了平板模型的等压线分布曲线，如图5所示，图中右上角为注入井，下中和左上角为产出井。

由图5可以看出，在渗流状态由非稳态到稳态的变化过程中，注水井附近压力梯度逐渐变小（图右上角中等压线由密集逐渐变稀疏），采出井附近压力梯度逐渐变大（等压线由稀疏逐渐变密集）。这是由于超低渗透平板露头启动压力梯度的存在，使得在驱替刚开始时在注水井附近形成局部的高压区。随着流动时间的延长，压力逐渐向采出井附近传播。压力优先于沿注水井与裂缝前端的方向传播，然后再沿着裂缝方向向采出井方向传播。裂缝的存在相当于缩短了渗流距离，使得裂缝周围压力梯度增大（裂缝周围等压线逐渐变密集）。

同理，将复杂裂缝模型在100 kPa驱替压力下进行实验，表4为各测压点在不同渗流时刻的压力值。

根据表4中各个测压点的数据，利用Surfer作图软件，绘制了平板模型的等压线分布曲线，如图6所示，图中右上角为注入井，下中和左上角为产出井。

图5 单一裂缝模型驱替过程中压力分布随时间的变化图

图6 复杂裂缝模型驱替过程中压力分布随时间的变化图

表4 复杂裂缝模型各个测点在不同渗流时刻的压力值kPa

由图6可见，相比于常规压裂，体积压裂模型压力波及的范围更大，侧向压降漏斗更大，动用程度更大，更有利于流体的采出，稳定所需时间更短。

将两种实验模型的累计产液量进行统计，结果如表5所示。

表5 两种实验模型累计产液量 mL

由于裂缝的存在，两种实验模型在最初18 h内，采1井都有液体采出，而采2井没有；相比于单一裂缝模型，复杂裂缝模型采1井在最初18 h内采出的液体更多。到达47 h时，复杂裂缝模型中采2井有液体采出，说明此时压力已经传播到了采2井处，而单一裂缝模型没有。在相同实验条件下，复杂裂缝模型达到稳定的时间更短，采1井和采2井最终的采出量也比常规压裂模型多，说明复杂裂缝更有利于流体的流动和采出。

3 结语

建立了不同压裂带宽条件下平板渗流效果物理模拟实验，相比较一维岩心实验，可以研究平面压力场的变化过程，能够更好地模拟压裂后实际油藏的渗流规律。通过实验研究发现，注入井附近压力梯度逐渐减小，采出井和裂缝附近压力梯度逐渐增加，这也说明了非线性渗流特征的存在。对比于单一裂缝模型，复杂裂缝模型能够更好地波及侧向储层，侧向压降漏斗更大，有利于侧向流体的采出，复杂裂缝模型累计采液量更多，采出速度也更快。

·名人名言·

科学上的许多重大突破，都是一点点细微的成绩积累起来的。

——童第周