張慧 ，鞠斌山 ，劉中春 ，宋傳真 ，朱桂良

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）非常規(guī)天然氣能源地質(zhì)評(píng)價(jià)與開發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

塔河油田縫洞型油藏厚度大（大于200 m），縱向發(fā)育多套儲(chǔ)集體，高角度裂縫發(fā)育。老區(qū)生產(chǎn)井經(jīng)歷了天然能量開采、注水、注氣多個(gè)開發(fā)階段，為了控制底水，大部分井已上返奧陶系頂部酸壓生產(chǎn)。井間剩余油富集，賦存形式多樣。通過加密井網(wǎng)及老井側(cè)鉆有效動(dòng)用井間剩余油成本高、難度大。目前實(shí)施氮?dú)怛?qū)的井組中，注氣層段主要集中在奧陶系上部（0～100 m），以挖潛洞頂剩余油為主，導(dǎo)致奧陶系中下部的剩余油難以動(dòng)用，提高采收率僅 1～2百分點(diǎn)［1-2］。

通過調(diào)研，國外已經(jīng)在裂縫及裂縫孔洞型碳酸鹽巖油藏中開展了氮?dú)廨o助重力驅(qū)技術(shù)的研究及應(yīng)用。在生產(chǎn)層段采用水平井生產(chǎn)，生產(chǎn)層段頂部采用直井注氣。注入氣由于重力分異作用在生產(chǎn)層段頂部形成氣帶，驅(qū)替原油流入底部水平井，利用注入氣與原油的密度差抑制黏性指進(jìn)，從而大幅度提高采收率［3-19］。塔河油田縫洞型油藏埋藏深、非均質(zhì)性極強(qiáng)，亟需探索該技術(shù)在塔河油田縫洞型油藏中的作用機(jī)理，明確該技術(shù)在塔河油田的可行性，為塔河油田縫洞型油藏注氣技術(shù)的發(fā)展提供支持。

1 氮?dú)廨o助重力驅(qū)技術(shù)

針對(duì)塔河油田縫洞型油藏高角度裂縫發(fā)育、縱向發(fā)育多套儲(chǔ)集體的地質(zhì)特點(diǎn)，充分利用油藏厚度大、原油與氣體密度差異大的優(yōu)勢(shì)，通過調(diào)控注氣速度，采用動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)井的生產(chǎn)層段，發(fā)揮油氣重力分異作用，把下部已水淹層段剩余油通過氣體輔助重力驅(qū)作用開采出來。

圖1為縫洞型油藏氮?dú)廨o助重力驅(qū)技術(shù)實(shí)施示意。首先，將礦場(chǎng)大部分生產(chǎn)井的生產(chǎn)層段上返至奧陶系上部，井組注氣多采用低注高采或高注高采，注氣氣竄失效后，井組最淺生產(chǎn)層段控制油氣界面；然后，轉(zhuǎn)換成高注低采或下返生產(chǎn)層段進(jìn)行高注低采，注入氮?dú)馔ㄟ^重力穩(wěn)定驅(qū)油，油氣界面進(jìn)一步下移，直至下部的生產(chǎn)層段氣竄；最后，將生產(chǎn)井的生產(chǎn)層段繼續(xù)下返，再注氣，油氣界面進(jìn)一步下移。通過這種方式，將中下部的剩余油開采出來。

圖1 縫洞型油藏氮?dú)廨o助重力驅(qū)技術(shù)實(shí)施示意

2 氮?dú)廨o助重力驅(qū)啟動(dòng)剩余油機(jī)理

對(duì)于高角度裂縫發(fā)育的縫洞型油藏，經(jīng)過天然底水驅(qū)和注水開發(fā)后，仍存在大量因復(fù)雜縫洞配置關(guān)系導(dǎo)致的洞頂剩余油和水竄裂縫通道屏蔽的剩余油。對(duì)于裂縫溝通的無泄壓溶洞（盲端洞），裂縫內(nèi)油氣毛細(xì)管力為阻力，上行縫油氣重力分異作用力為動(dòng)力，油氣重力分異作用力與驅(qū)替壓力克服毛細(xì)管力后，氣體克服阻力通過裂縫進(jìn)入溶洞頂部，向下驅(qū)替原油。下行縫中油氣重力分異作用力為阻力，氣體驅(qū)替力克服毛細(xì)管力與重力分異作用力，才能驅(qū)替下行裂縫溝通的溶洞剩余油（見圖2a）。因此，注氣更容易啟動(dòng)上行裂縫溝通的溶洞剩余油。水驅(qū)與氣驅(qū)相反，更易啟動(dòng)下行裂縫屏蔽溶洞剩余油（見圖2b）。對(duì)于裂縫溝通的有泄壓溶洞，在驅(qū)動(dòng)力作用下注入氣可啟動(dòng)下行裂縫屏蔽剩余油（見圖2c），注入水可啟動(dòng)上行裂縫屏蔽剩余油（見圖 2d）。

圖2 氣驅(qū)、水驅(qū)力學(xué)機(jī)制示意

在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，研究了縫洞型油藏中啟動(dòng)最小裂縫尺度計(jì)算公式。式（1）為注氣啟動(dòng)最小裂縫尺度Wog，min的計(jì)算公式，式（2）為注水啟動(dòng)最小裂縫尺度Wow，min的計(jì)算公式。

式中：θ′為裂縫傾角，（°）；p 為驅(qū)動(dòng)力沿裂縫方向的分量，N；Δρog，Δρow分別為油氣、 油水密度差，kg/m3；g 為重力加速度，取值 9.8 m/s2；σog，σow分別為油氣、油水界面張力，mN/m；θ為油氣接觸角，（°）。

依據(jù)塔河油田油、氣、水物性參數(shù)可知，油氣密度差為834.75 kg/m3，油水密度差為251 kg/m3，油氣接觸角為50°，油氣界面張力為38 mN/m。通過計(jì)算注水、注氣啟動(dòng)最小裂縫尺度可知，注氣更容易克服小尺度裂縫的重力和毛細(xì)管力。當(dāng)裂縫寬度達(dá)到1.0 mm以上時(shí)，其溝通的盲端剩余油可被動(dòng)用；當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.2 mm以上時(shí)，其溝通的溶洞剩余油可被動(dòng)用。因此，在相同注入地下體積的前提下，注水啟動(dòng)裂縫尺度小，注氣可波及更多儲(chǔ)集體中的剩余油。

3 氮?dú)廨o助重力驅(qū)力學(xué)機(jī)制

3.1 二維可視化剖面模型

基于露頭、巖心、成像測(cè)井描述的裂縫尺度、角度、縫洞組合關(guān)系及充填情況，利用有機(jī)玻璃材料，依據(jù)動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則，確定物理模型參數(shù)（見表1），制作了縫洞體二維可視化剖面模型（見圖3）。

圖3 縫洞體二維可視化剖面模型

表1 油藏原型和物理模型參數(shù)對(duì)比

3.2 氮?dú)廨o助重力驅(qū)發(fā)揮作用的生產(chǎn)界限

以二維可視化剖面模型為基礎(chǔ)，改變注氣速度（1，3，6 mL/min）分別進(jìn)行高注低采和低注高采注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（見圖4、圖5。圖中黃色箭頭為氣體從此處注入，紅色箭頭為油從此處采出，橙色為模擬油）。當(dāng)注氣速度為1 mL/min時(shí)，氣體通過頂部連通溶洞的裂縫注入，并運(yùn)移至生產(chǎn)井井底，但是僅驅(qū)替頂部溶洞的模擬油。當(dāng)注氣速度為3 mL/min時(shí)，氣體通過上、下2個(gè)高導(dǎo)流通道驅(qū)替模擬油，氣體橫向竄逸量增加，波及體積增大。當(dāng)注氣速度為6 mL/min時(shí)，氣體橫向竄逸量更大，沿上部溶洞運(yùn)移的分量變小，驅(qū)替效果變差。由此可知，氣體橫向竄逸量隨注氣速度的增加而增大，如獲得較平穩(wěn)的驅(qū)替效果，需要較低的注氣速度。

圖4 不同注氣速度下高注低采注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)剩余油分布

圖5為不同注氣速度下低注高采注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)剩余油分布。當(dāng)注氣速度為1 ml/min時(shí)，氣體僅通過頂部連通溶洞的裂縫注入，并運(yùn)移至生產(chǎn)井的井底。隨著注氣速度的增大，氣體通過上、下2個(gè)高導(dǎo)流通道驅(qū)替模擬油。由于注入井的位置低于采油井的位置，在較低的注氣速度下才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定驅(qū)替，此時(shí)氣體橫向竄逸量更大，溶洞的啟動(dòng)程度降低，驅(qū)替效果變差。

圖5 不同注氣速度下低注高采注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)剩余油分布

對(duì)比高注低采和低注高采注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)剩余油分布情況可看出，高注低采注氣驅(qū)替更能發(fā)揮重力分異作用，有效抑制氣體竄逸，增大溶洞的啟動(dòng)程度。

由于油氣流度比遠(yuǎn)大于油水流度比，氣體橫向驅(qū)替原油的能力不及水驅(qū)，因此，充分發(fā)揮油氣的重力分異作用，實(shí)現(xiàn)垂向重力穩(wěn)定驅(qū)替，是提高氣驅(qū)效果的關(guān)鍵。為了定量表征氣驅(qū)垂向重力分異力與水平驅(qū)替力相互作用的大小，提出驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)η的概念，其值為水平驅(qū)替力pl與垂向重力分異力pv的比值：

在實(shí)驗(yàn)過程中，注氣井周邊驅(qū)替壓力隨注氣速度的改變而變化。驅(qū)油效率與驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系曲線見圖6。隨著驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)增大，重力分異作用增強(qiáng)，驅(qū)油效率升高。如要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)較好的重力驅(qū)替作用，驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)應(yīng)大于0.05。

圖6 驅(qū)油效率與驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于上述對(duì)氮?dú)廨o助重力驅(qū)啟動(dòng)剩余油機(jī)理及其力學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，確定了試驗(yàn)井組或單元的選取原則：1）高含水率或暴性水淹失效井組；2）生產(chǎn)層位有高低部位組合；3）縱向上有多個(gè)層位。X6井組具備實(shí)施氮?dú)廨o助重力驅(qū)的地質(zhì)條件，選擇為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)區(qū)。設(shè)計(jì)一注一采的低注高采井網(wǎng)，實(shí)施氮?dú)廨o助重力驅(qū)后，井組含水率從71.7%下降到39.7%，累計(jì)增油3 100 t，預(yù)計(jì)增加井組可采儲(chǔ)量1.58×104t。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的成功，首次論證了氮?dú)廨o助重力驅(qū)技術(shù)在塔河油田縫洞型油藏應(yīng)用的可行性，為縫洞型油藏改善注氣效果提出了技術(shù)方向。建議在目前生產(chǎn)層位氣竄后，下封隔器，下返生產(chǎn)層段，繼續(xù)實(shí)施氮?dú)廨o助重力驅(qū)。

5 結(jié)論

1）建立了縫洞油藏中啟動(dòng)最小裂縫尺度的計(jì)算公式。當(dāng)裂縫寬度達(dá)到1.0 mm以上時(shí)，其溝通的盲端剩余油即可被動(dòng)用；當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.2 mm以上時(shí)，其溝通的溶洞剩余油即可被動(dòng)用。在相同注入地下體積的前提下，注氣可波及更多儲(chǔ)集體中的剩余油。

2）根據(jù)縫洞體二維可視化剖面模型，改變注氣速度分別進(jìn)行高注低采和低注高采注氣驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。對(duì)比分析剩余油分布情況可知，高注低采注氣驅(qū)替更能發(fā)揮氣體的重力分異作用，有效抑制氣體竄逸，增大溶洞的啟動(dòng)程度。

3）提出驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)的概念，定量表征了氣驅(qū)垂向重力分異力與水平驅(qū)替力相互作用的大小。隨著驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)增大，重力作用增強(qiáng)，驅(qū)油效率升高。要實(shí)現(xiàn)較好的重力驅(qū)替作用，驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)數(shù)應(yīng)大于0.05。

4）氮?dú)廨o助重力驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了成功，井組含水率從71.7%下降到39.7%，累計(jì)增油3 100 t。論證了氮?dú)廨o助重力驅(qū)技術(shù)在塔河縫洞型油藏應(yīng)用的可行性，為塔河油田縫洞型油藏改善注氣效果提出了技術(shù)方向。