低渗透油藏开发技术的研究.doc

摘 要 低渗透油田是指油层储层渗透率低、丰度低、单井产能低的油田。随着建设时间的延长，低渗透油田普遍出现原油产量下降，综合含水上升，地面系统布局不合理、负荷不平衡、设施腐蚀老化等问题，需更新的站、所、设备设施、管线数量日益增多，导致生产运行费用、维修维护费用和管理费用逐年增高，不仅影响了油田的安全生产，同时影响了油田开发的经济效益。在我国各大油田进入开发中后期、能源紧缺的情况下，加紧低渗透油气的勘探开发具有很重要的现实作用和战略意义。中国低渗透油气资源丰富，具有很大的勘探开发潜力。近二十年来，在低渗透砂岩、海相碳酸盐岩、火山岩勘探方面取得了很大的发现，形成了国际一流的开发配套技术。低渗透油气田开发成熟技术有注水、压裂、注气等。多分支井技术、地震裂缝成像和裂缝诊断技术、注气提高采收率等新技术快速发展，发达国家低渗透油气田开发技术日趋成熟。本文主要介绍了当前低渗透油藏的开发技术。关键词：低渗透油藏；油藏表征；油气藏保护；欠平衡钻井；井网部署 Abstacct Refers to the low permeability oilfield reservoir reservoir, low permeability, low abundance and low single well production capacity of the oil field. As the extension of construction time, low permeability oil field oil production decline generally, comprehensive water cut rise, ground system layout is unreasonable, unbalanced load, facilities corrosion problems such as aging, need to update the number of stand, facility, equipment, pipeline, led to the production operation cost, maintenance maintenance costs and management fees increased year by year, not only affect the oilfield production safety, at the same time affected the economic benefits of oilfield development. In our country each big oilfield in mid and late into the development, energy shortage situation, tightening of low permeability oil and gas exploration and development have very important realistic and strategic significance. China is rich in low permeability oil and gas resources，Has a great potential for exploration and development. Over the past twenty years, In low permeability sandstone, Marine carbonate rock, volcanic rock exploration has made great discovery, Formed the international first-class supporting technology development. Low permeability oil and gas field development mature technology with water injection, fracturing, gas injection. Multi-branch Wells, seismic imaging and cracks diagnosis technology, ior by gas injection, etc. New technology rapid development, Low permeability oil and gas field development technology in the developed countries has become increasingly mature. This paper mainly introduces the development of low permeability reservoirs.Key words: Low permeability reservoirs; Reservoir characterization; Hydrocarbon reservoir protection; Underbalanced drilling; Well pattern deployment 目 录前言.1第1章 低渗透油藏概论.2 1.1 低渗透油藏的概念.2 1.2 低渗透油藏的划分.2 1.3 低渗透油气藏特点.3 1.4 国内低渗透油田储量动用情况.3 1.5 低渗透油田开发现状.4 1.6 低渗透油藏开发的主要问题.5 1.7 低渗透油田开发意义.6第2章 低渗透油藏渗流基本规律.7 2.1 低渗透油藏渗流特征.8 2.1.1 低渗透油藏渗流呈现非线性特征. 8 2.1.2 低渗透油藏存在启动压力梯度. 10 2.1.3 低渗透油藏存在应力敏感性. 12 2.2 低渗透油藏渗流基本方程.17 2.2.1 低渗透油藏运动方程. 17 2.2.2 低渗透油藏平面径向流公式. 18 第3章 低渗透油藏开发技术.20 3.1 油气藏表征技术. 20 3.1.1 油气藏表征技术的发展历程. 20 3.1.2 油藏表征的主要内容. 21 3.1.3 油气藏表征的主要技术. 22 3.2 低渗油藏钻井技术. 22 3.2.1 气体钻井.22 3.2.2 雾化钻井.23 3.2.3 泡沫钻井.23 3.2.4 欠平衡钻井.24 3.3 完井技术. 24 3.3.1 裸眼井完井.24 3.3.2 水平井裸眼分段压裂.24 3.3.3 智能完井.25 3.4 油气藏增产改造技术. 25 3.4.1 水平井开发技术.25 3.4.2 酸化解堵技术.25 3.4.3 物理增产技术.26 3.5 低渗油气藏保护技术. 26 3.5.1 射孔过程中的油层保护技术. .26 3.5.2 压裂过程中的油层保护技术. 27 3.5.3 酸化过程中的油层保护技术. 28 3.5.4 井下作业中的油层保护技术. 28 3.6 水平井多支井技术. 29 3.6.1 水平井技术.29 3.6.2 多分支井技术.30 3.7 注水、注气开采技术.32 3.7.1 注水技术.32 3.7.2 注气技术. 34 3.8 低渗透油气藏的井网部署.36 3.8.1 井网部署介绍.36 3.8.2 合理井网的探讨.37 3.8.3 部署合理井网的建议.38 第4章 结论.40谢辞.41参考文献.42 前 言随着我国石油勘探和开发程度的提高，低渗透油田储量所占的比例越来越大，目前探明未动用石油地质储量中低渗透储量所占比例高达60%以上。低渗透砂岩储层广泛发育于我国各含油气盆地之中，中国陆地发现并探明的低渗透油田（油藏）共300多个，广泛分布于全国勘探开发的21个油区，其中地质储量在1×108t以上的有11个油区，占一半以上。在当前石油后备储量紧张的形势下，如何动用和开发好低渗透油田储量，提高开发效益，对我国石油工业的持续稳定发展具有十分重要的现实意义。在中国特有的以陆相沉积为主的含油气盆地中，普遍具有储层物性较差的特点，相应发育了丰富的低渗透油气田资源。经过长期不懈的探索，中国低渗透油藏的勘探开发取得了很大的突破。通过持续不断的开发技术攻关和创新，中国的低渗透资源实现了规模有效开发，形成了国际一流的低渗透开发配套技术系列。在中国油气产量构成中低渗透产量的比例逐步上升，地位越来越重要。低渗透油藏通常具有低丰度、低压、低产“三低”特点，其有效开发难度很大。低渗储层中油气富集区，特别是裂缝发育带和相对高产区带的识别评价、开发方案优化、钻采工艺、储层改造、油井产量、开发成本、已开发油田的综合调整等技术经济问题，制约着低渗透油藏的有效和高效开发。如何经济有效地开发低渗透油气藏已成为世界共同关注的难题。 国外低渗透油田开发中，已广泛应用并取得明显经济效益的主要技术有注水保持地层能量、压裂改造油层和注气等，储层地质研究和保护油层措施是油田开发过程中的关键技术。 小井眼技术、水平井、多分支井技术和CO2泡沫酸化压裂新技术应用，较大幅度地提高了单井产量，实现了低渗透油田少井高产和降低成本的目的。 第1章 低渗透油藏概论1.1 低渗透的概念严格来讲，低渗透是针对储层的概念，一般是指渗透性能低的储层，国外一般将低渗透储层称之为致密储层，而进一步延伸和概念拓展，低渗透一词又包含了低渗透油气藏和低渗透油气资源的概念，现在讲到低渗透一词，其普遍的含义是指低渗透油气藏，具体来说低渗透油气田是指油层孔隙度低，喉道小，流体渗透能力差，产能低，通常需要进行油藏改造才能维持正常生产的油气田，目前，低渗透储层的岩石类型包括砂岩，粉砂岩，砂质碳酸岩，灰岩，白云岩以及白垩等，但主要以致密砂岩储层为主。1.2 低渗透油藏的划分根据低渗透油层上限和下限的分类，把渗透率为（0.150）×10-3的储层通称为低渗透油层。根据实际生产特征，按照油层平均渗透率可以进一步把低渗透油田分为三类：第一类为一般低渗透油田，油层平均渗透率为（10.150）×10-3这类油层接近正常油层，油井能够达到工业油流标准，但产量太低，需采取压裂措施提高生产能力，才能取得较好的开发效果和经济效益。第二类为特低渗透油田，油层平均渗透率为（1.110.0）×10-3这类油层与正常油层差别比较明显，一般束缚水饱和度增高，测井电阻率降低，正常测试达不到工业油流标准，必须采取较大型的压裂改造和其他相应措施，才能有效地投入工业开发，例如长庆安塞油田、大庆榆树林油田、吉林新民油田等。第三类为超低渗透油田，其油层平均渗透率为（0.11.0）×10-3这类油层非常致密，束缚水饱和度很高，基本没有自然产能，一般不具备工业开发价值。但如果其它方面条件有利，如油层较厚，埋藏较浅，原油性质比较好等，同时采取既能提高油井产能，又能减少投资、降低成本的有力措施，也可以进行工业开发，并取得一定的经济效益，如延长石油管理局的川口油田等。1.3 低渗透油气藏特点低渗透油田一般具有储层渗透率低，丰度低，单井产能低，与中高渗透油田相比具有以下特点1： (1)是低渗透油层连续性差，砂体发育规模小，井距过大，水驱控制程度低； (2)是储层渗透低，流度低，孔隙喉道半径小，存在“启动生产压差现象”，渗流阻力和压力消耗特别大； (3)是低渗透油层见水后，采液和采油指数急剧下降，对油田稳产造成严重威胁； (4)是储层丰度低，含油饱和度低，自然产能低，压裂投产后产量递减较快，无稳产期。1.4 国内低渗透油田储量动用情况 2004年，我国探明低渗透油层的石油地质储量为52.1×108t，动用的低渗透油田地质储量约26.0×108t,动用程度为50。从我国每年提交的探明石油地质储量看，低渗透油田地质储量所占的比例越来越大，1989年探明低渗透油层的石油地质储量为9989×108t，占当年总探明储量的27.1。1990年探明低渗透油层的石油地质储量为21214×104t，占当年总探明储量的72.7，年探明的石油地质储量中大约三分之二为低渗透油层储量。可见，今后低渗透难采储量的开发所占的比重逐年加大，如何经济有效做好难采储量的评价，动用和开发理论技术的研究是我们攻关的主要目标和方向。从我国近些年来对低渗透油田的研究和开发水平看，有了较大进展和提高，但与中高渗透油田相比仍有较大的差距，我国低渗透油田平均采收率只有21.4，比重高渗透油田（34）低12.6个百分点。目前有五十多个油田（区块）年开采速度小于0.5，这些低速低效油田（区块）的地质储量约3.2×108t，其平均采油速度仅0.27，预测最终采收率只有15.5。1.5 低渗透油田开发现状我国第一个规模开发的低渗透油田长庆安塞油田2，是一个特低渗透油田，1997年产量为100万吨，2008年产量300万吨，11年间增产2倍，年均增长10.5%；而我国最大的天然气田苏里格低渗透砂岩气藏，经过努力，实现了规模而有效的开发，2008年建成80亿立方米的生产能力，总体开发规划将达到200亿立方米以上。 在技术创新和体制创新中，长庆油田开创的“安塞模式”、“苏里格模式”被大力推广，为我国原油产量稳定增长和天然气产量快速发展作出了重大贡献，也为我国低渗透油气藏的开发积累了技术和经验。 与此同时，吉林油田、新疆油田和大庆油田也针对该油区低渗透油藏特性开展技术攻关，并取得了不同程度的突破。我国已经形成了一套具有自主知识产权的低渗透油气田勘探开发技术，从而使得对低渗透油气的经济而有效的开发有了充足的底气。 在低渗透油气田的开发上，我国与国外相比还有一定的差距。美国将小于1个毫达西的低渗透油气藏称之为致密油气藏。美国开发的一座名为“松鼠”的整装低渗透气田，已成为它的第二大气田，其中应用的勘探理念和开发技术，我国还不具备。在地质观念和技术等方面，我国还有许多值得学习与借鉴的地方。 要实现低渗透油气田的经济有效开发，面临很多需要解决的问题，其中最主要的就是技术难题。因为低渗透油气田不是构造油气层，而是岩性地层油气藏，勘探难度很大。在勘探期间，如何准确认识低渗透油气田的分布规律，控制它的面积、寻找油气的富集区等都是需要继续探究的课题。 此外，低渗透油田往往伴有低丰度和低压的特点，天然能量不足，导致油井自然产量很低。因此，通过技术创新提高该类油气田的单井产量也是一个课题，否则就不能奢谈经济有效开发。由于低渗透油气田开发的高成本性，如何通过技术创新降低成本也是各油田公司都在考虑的问题，尤其是在低油价时代。所以，如何发展高技术、攻克核心技术也是我国面临的一个问题。在挑战低渗透的各项难题中，长庆油田为我国低渗透油田的勘探开发提供了一些主要经验。长庆油田在国内低渗透油气田开发方面作出了举足轻重的贡献。它创造性地提出了超前注水理论，通过超前注水保持较高的地层压力，建立较高的驱替压力系统，从而降低了因地层压力下降造成的渗透率伤害，提高最终采收率。此外，长庆油田还创造了以“滚动勘探开发技术、早期油藏描述技术、井网优化技术、储层压裂改造技术、丛式井钻配套技术、地面优化简化技术”为主要内容的特低渗油藏配套开发技术，形成了一套具有我国特色的低渗透油气开发技术。 在我国各大油田进入开发中后期、能源紧缺的情况下，加紧低渗透油气的勘探开发具有很重要的现实作用和战略意义。1.6 低渗透油藏开发的主要问题低渗透油田油层储层渗透率低、丰度低、单井产能低的油田。随着建设时间的延长，低渗透油田普遍出现原油产量下降，综合含水上升，地面系统布局不合理、负荷不平衡、设施腐蚀老化等问题，需更新的站、所、设备设施、管线数量日益增多，导致生产运行费用、维修维护费用和管理费用逐年增高，不仅影响了油田的安全生产，同时影响了油田开发的经济效益。低渗透油气田与高渗透油气田相比，其储层特性，伤害机理，流动规律不仅仅是量的变化，实际上在一定程度上已经发生了质的变化，因此在开发中遇到的主要问题是：油藏表征准确度差，渗流机理尚未研究清楚；对油层伤害的敏感度强；储层能量低，单井产量低；基质中的油难以开采。归结起来是成本，效益和风险问题。1.7 低渗透油田开发意义低渗透油田在我国油气开发中有着重要意义。我国发现的低渗透油气田占到新发现油气藏的一半以上，而低渗透油气田产能建设的规模则占到油气田产能建设规模总量的70%以上，低渗透油气田已经成为油气开发建设的主战场。仅2008年，低渗透原油产量就占全国原油总产量的37.6%，低渗透天然气产量则占全国天然气总产量的42.1%。 其次，我国低渗透油气资源分布具有含油气多、油气藏类型多、分布区域广以及“上气下油、海相含气为主、陆相油气兼有”的特点，在已探明的储量中，低渗透油藏储量的比例很高，约占全国储量的2/3以上，开发潜力巨大。 第2章 低渗透油藏渗流基本规律在我国，通常把渗透率低于50×10-3的油藏称之为低渗透油藏，并根据储层平均渗透率的差异，将低渗透油藏进一步分为3种类型：一般低渗透油田、特低渗透油田、超低渗透油田3。一般低渗透油田是指油层平均渗透率介于10×10-350×10-3油田3。这类油层接近于正常油层，油井一般能达到工业油流标准，但产量太低，需要采取压裂措施提高生产能力，才能获得较好的开发效果和经济效益。特低渗透油田是指油层平均渗透率介于1×10-310×10-3的油田。这类油层与正常油层差别比较明显，一般束缚水饱和度较高，正常测试达不到工业油流标准，必须采取大型压裂改造和其他相应措施。超低渗透油田是指油层平均渗透率介于0.1×10-31×10-3的油田。这类油层非常致密，束缚水饱和度很高，基本没有自然产能，一般不具备工业开发价值。只有当油藏埋深、油层厚度、原油性质等条件较好时，通过采取适当措施，才具备一定的经济开采价值。长期以来，研究地下油气渗流都是以达西定律为指导，即以简单的线性渗流系统作为研究基础。然而，在低渗透油田的开发过程中出现了一系列有别于中高渗油田开发的特殊问题，开发效果普遍较差：1）天然能量小、产量和一次采收率低；2）注水井吸水能力低，启动压力和注水压力上升快；3）生产井见水效果差，低压、低产现象严重；4）油井见水后产液（油）指数急剧下降，稳产难度大；5）裂缝型砂岩油田吸水能力较强，水驱各项异性明显。2.1 低渗透油藏渗流特征2.1.1 低渗透油藏渗流呈现非线性特征 国内外大量研究已表明，低渗透油藏孔喉细小，渗透率低，流体在其内流动时，具有明显不同于中高渗油藏的渗流规律，即不符合达西渗流定律4。图2-1是典型的低渗透油藏渗流特征曲线。从图中我们可以看出低渗透油藏的渗流规律呈现出非线性规律：当驱替压力梯度较低时，流体不能形成流动，只有当驱替压力梯度大于一定的值（图中a点），流体才具有渗流速度；驱替压力梯度继续增加，流体渗流速度在ad段呈下凹型曲线增加；驱替压力梯度继续增大，渗流速度在de段渗流速度呈直线型增加。图中a点是流体开始流动的点，称之为启动压力梯度点。图中d点是渗流特征线由曲线变为直线的点，称之为临界压力梯度。图中c点是直线de的反向延伸与压力梯度坐标的交点，称之为拟启动压力梯度点。 图2-1 低渗透非线性渗流特征曲线上述非线性渗流规律是由多种原因共同作用造成的，其中，主要原因有:（1）孔喉细小，孔隙连通性差低渗透油藏孔隙较小、喉道较细、孔隙连通性差是造成低渗透非达西渗流的重要因素。李道品认为，在低渗透孔隙介质中，孔隙喉道的狭窄将引起如下效应：a.贾敏效应显著。油层的孔隙系统是由大小不同的孔隙“连通的”喉道所组成的更复杂的孔喉网络。当珠泡由较大的孔隙流动到较窄的喉道时就遇到阻挡。要使珠泡通过孔道窄口，需要克服珠泡遇阻变形所产生的毛管力，也就是贾敏效应现象。低渗透油层孔喉变化频繁、孔喉比大，因而贾敏效应更为显著。b.卡断现象严重。在连续液流通过岩石孔隙喉道时，由于低渗透层喉道半径很小，毛管力急剧增大，当驱动压力不足以抵消毛管力效应时，液流将被卡断，连续的液流变为分散的液滴。这种流动形态的变化将导致渗流阻力的增大，降低渗透率。(1) 比表面积比表面积表示岩石的分散程度，与孔隙孔道半径的分布及大小有关。液体的渗透率与平均孔道成正比，因此，比表面积与渗透率之间也存在一定的关系。黄延认为，比表面积与渗透率的平方根成反比，渗透率越小，比表面积就越大。岩石的比表面积越大，表明流体与固体表面之间分子力作用越强，它将影响孔隙系统中流体的分布及渗流特征。(2) 固液界面张力作用显著，原油边界层影响不可忽略在任何一个不可混相的二相体系中，相间都存在着界面。界面张力是源于分子间的相互作用力，并构成界面两相的性质差异。在流体通过多孔介质流动的过程中，在固液界面张力作用下，多孔介质孔隙的表面形成一个流体吸附滞留层(边界层)。边界层内的流体称为边界流体，其性质受界面现象影响，不易流动。与之相对应的是体相流体，体相流体是边界层外、孔道中心的流体，其性质不受界面现象影响，可以认为遵循达西渗流定律。边界流体中的原油与体相流体中的原油相比，存在组分的有序变化，存在结构粘度特征、屈服值。对于中高渗油藏，边界层厚度不大，其界面影响可以忽略。但是对于低渗透油藏，岩石孔喉细小，同时岩石比表面大，表面分子作用强烈，液体、固体界面作用相对强烈，故原油边界层厚度比例大，边界层影响不可忽略。因此使得低渗透油藏渗流规律不再遵循达西定律。(3)渗流流体的非牛顿性质在自然界，非牛顿流体是普遍存在的，而牛顿流体仅在一定条件下才存在。在低渗透储层中，控制孔隙介质流通的喉道的半径很小，边界层影响显著，因而即使是水和高稀释液体在喉道中也表现为非牛顿流体的性质。上述各种原因是相互影响，相互作用的。并且各种具体原因可以被归纳总结为孔隙结构、储层与流体之间的相互作用和流体性质三大方面。2.1.2 低渗透油藏存在启动压力梯度低渗透油藏原油边界层不可忽略，当流体流动时，除了要克服粘滞阻力外，还必须要克服边界层内固、液界面的相互作用。所以只有当驱替压力梯度大于一定值，流体才能形成流动。此时的驱替压力梯度被称为启动压力梯度。启动压力梯度的存在，使得低渗透油藏的生产不得不增大注采压差，但即使达到了地层的破裂压力，也往往得不到理想的产量。对于单相渗流的启动压力梯度，研究表明：地层渗透率对启动压力梯度有明显的影响，随着渗透率的降低，启动压力梯度则急剧增大，特别是在特低渗透率的范围内，该规律性是突出的。(1) 室内试验回归单相渗流启动压力梯度公式启动压力梯度的试验大都是基于压差流量方法和毛细管平衡法5。对他们的试验资料进行整理，按： （2-1）公式中：G启动压力梯度，MPa/cm；k地层渗透率，；u流体粘度，MPa/s。 在双对数坐标中作图，可以得到较好的直线关系。所以，启动压力梯度与地层渗透率及流体粘度满足下面的关系式： （2-2） 这说明启动压力梯度与Kn呈反比关系，n值取值一般在 1 左右。(2)流变学方法推导单相渗流启动压力梯度公式从流变学角度出发，启动压力梯度的存在意味着渗流过程中呈现某种极限剪切应力，即屈服值。对带极限剪切应力值的流体，有 （2-3）即启动压力梯度为 （2-4）这说明启动压力梯度与呈反比关系。 图2-2 启动压力梯度随含水饱和度变化曲线 对于油水两相渗流情况，试验研究表明：由于相互作用，油水应该具有相同的启动压力梯度，并且启动压力梯度不但与地层绝对渗透率和流体粘度有关，还与含水饱和度有关。随含水饱和度增加，油水的启动压力梯度是呈线性减小趋势的。所以，对于某岩样，如果已经测定了地层水单相的启动压力梯度GW和束缚水饱和度下的油相启动压力梯度G0。根据与含水饱和度的线性关系，可以用下式来表示油水两相的启动压力梯度 （2-5）2.1.3 低渗透油藏存在应力敏感性应力敏感是指储层岩石的渗透率等物性参数随应力变化而变化的性质。通常情况下，油气藏的外压为一常数，当从油气藏岩石的孔隙中采出流体时，孔隙压力从原始地层压力开始下降，有效应力随之升高，岩石因而被压缩，岩石的相关物性参数也跟着发生变化。低渗透油藏的储集层由于原始渗透率和孔隙度很低，所以即使渗透率，孔隙度下降值不大，但其相对变化幅度却很大，所以对生产的影响很大，应力敏感性不可忽略。并且低渗、特低渗油藏往往富含微裂缝，更容易产生介质变形，所以应力敏感性更加严重。渗透率的应力敏感性远比孔隙度的应力敏感性强，故我们只考虑渗透率随压力的变化，其数学表述可以采用如下指数形式： （2-6）其中：渗透率应力敏感系数（反映渗透率与净有效覆压的敏感程度，其值越大，表示渗透率对净有效覆压越敏感），MPa-1； K 油藏压力P时岩石的渗透率，； K0 初始油藏压力P0下岩石的渗透率，； P、P0 油藏压