致密砂岩储层渗吸采油理论及应用

国内致密砂岩储层资源较为丰富，目前在鄂尔多斯盆地三叠系延长组长 5 段和长 7 段、准噶尔盆地二叠系芦草沟组、四川盆地中侏罗统和下侏罗统、松辽盆地白垩系青山口组和泉头组等取得了一些重要的勘探发现，初步预测我国致密油地质资源总量为 1.09×10 10 t，是我国未来较为现实的石油接替资源。

当前，国内致密砂岩储层开发仍然面临着较大的技术难题，现场生产数据显示，致密油藏水平井体积压裂产能曲线呈“L”型递减规律：初期产能高，持续时间短，产量递减快，当产量降到一定程度后将稳产相当长的一段时间，如果采用“井网压裂+注水”方式开发，体积压裂造成复杂裂缝网络相互交错，裂缝间距较小的部位容易形成水流优势通道，导致水窜，影响生产。

“缝网压裂+油水置换”方式是致密砂岩储层有效开发的一种新的尝试，储层致密性及储层流体物性差异为流体置换提供了条件，压裂液不仅是造缝携砂的载体，更是驱油置换的工具，对探究致密砂岩储层渗吸作用机制，致密砂岩储层评价及筛选，提高致密砂岩储层压裂液置换效率及单井产能都具有重要意义。

近年来，作者的科研团队在多个科研项目，特别是在长庆油田低渗透油气田勘探开发国家工程实验室项目的资助下，对致密砂岩储层渗吸采油理论及应用开展了一定的研究。

《致密砂岩储层渗吸采油理论及应用》第 1 章主要介绍渗吸技术概念、技术研究现状及未来发展趋势等。

在我国，通常将覆压基质渗透率小于等于 0.1mD，孔隙度小于等于 10%的砂岩储层定义为致密砂岩储层。这类储层多发育微纳米级孔喉，席状、弯片状孔喉连通性较差，较大的毛细管压力（简称“毛管压力”）为油水渗吸置换提供了不竭的动力。以渗吸的方式进行油气开发，最大化毛管压力的驱动力作用，是开发致密砂岩储层的重要手段。因此，本章首先对致密砂岩储层渗吸基本机理、渗吸影响因素和渗吸模型建立等方面予以介绍。

渗吸是指多孔介质中润湿相在毛管压力作用下将非润湿相驱替出来的过程，渗吸具有自发性，因此也称自发渗吸，简称自吸 。本书主要研究油、水两相的驱替过程，在亲水岩石中，水为润湿相，油为非润湿相，毛管压力为水驱油的动力，水优先进入较细小的基质孔喉，将原油从较大孔喉中驱替出来。

▲逆向渗吸和同向渗吸示意图

第 2 章主要分析长庆油田三个区块致密砂岩储层及流体特征，并给出了该类储层的分类标准。

目前，我国石油与天然气对外依存度已分别高达 72% 与 43% ，而常规油气资源开发逐渐枯竭，故高效开发非常规油气资源尤其是致密油气势在必行。因为致密砂岩储层的孔隙度和渗透率极低、孔喉结构非常复杂，所以借助渗吸法采油方式能够实现对该类储层的有效开采。渗吸法采油通常受到储层特性、地下流体特性等多种因素的影响，因此明确储层和流体性质，研究这些因素如何影响渗吸过程，对致密砂岩储层的大规模开发具有重要的指导意义。

本章主要针对长庆油田的三个致密砂岩储层区块，以室内实验为主要研究手段，分别对该地区的岩心进行岩样及流体物性测试、铸体薄片测试、扫描电镜测试、 X 射线衍射、界面张力测试、润湿性测试、毛管压力曲线测试、相对渗透率曲线测试等实验。基于测试结果对致密砂岩储层特征及流体性质进行分析研究，并建立研究区致密砂岩储层分类标准。

▲渗透率与孔隙度分布情况

第 3 章以室内实验为主要研究手段，探究影响致密砂岩储层渗吸效果的主控因素。

裂缝性致密油藏常规注水开发难度较大，利用渗吸作用进行采油是一种经济有效的开发方式。所谓渗吸采油，就是润湿相流体（水）在毛管压力的作用下进入基质岩块，将非润湿相流体（原油）置换到裂缝中的采油方式。致密砂岩储层渗吸驱油的研究，大多致力于各影响因素与岩心驱油效率、驱油速率等之间的关系。为进一步量化表征各影响因素对于致密砂岩储层渗吸驱油影响的强弱，本章通过渗吸实验研究岩心尺寸、储层品质指数、界面张力、润湿性、矿化度、初始含水、原油黏度等因素对渗吸效果的影响，并针对三个区块进行实验，分析影响致密砂岩渗吸的主控因素，验证所建立的储层渗吸效率值恢复方法的准确度，并对储层渗吸效率进行归一化分析。

▲原油置换率与渗透率的关系

第 4 章和第 5 章结合核磁、岩心薄片观测等实验技术，探索渗吸置换微观机理，明确渗吸置换的基本渗流规律，阐明储层流体物性参数与渗吸置换之间的关系，建立考虑重力及毛管压力影响，包含渗吸和渗透压两种渗吸置换模式的机理模型，研究渗吸和驱替两者之间的差异。

目前，关于渗吸数值模拟方面的研究大多针对的是裂缝性储层、低渗透储层或页岩气储层，对于致密砂岩储层渗吸置换规律的数值模拟研究尚不明确，有待进一步深入探究。因此，第4章基于致密砂岩储层，分别建立三种不同情况下的渗吸物理模型和数学模型，利用该模型研究不同情况下压裂液渗吸置换规律并对参数敏感性进行分析。

▲压裂液-原油逆向渗吸置换一维模型

▲压裂液-原油同向渗吸置换一维模型

▲渗透压置换模型示意图

传统意义上低渗致密砂岩储层压裂后，压裂液进入地层会对地层造成伤害。因此，工程上认为压裂施工后应快速返排，返排率越高，单井产量越大。但现场生产监测统计结果显示，大多数压裂液返排率极低的致密砂岩储层压裂后产量很高，少数储层虽然压裂液返排率高，但单井产量却相对较低，这与传统认识恰恰相反。因此，为分析致密砂岩储层该现象，第5章利用岩心薄片技术和核磁技术，研究微观情况下渗吸对致密砂岩储层流体渗流以及压裂后生产的影响，分析如何充分挖掘渗吸增产的作用效果，研究结果将对现场水力压裂施工有着重要的指导意义。

▲岩心渗吸从小孔喉到大孔喉的置换机理示意图

▲薄片观测实验流程示意图

第 6 章主要基于室内实验及数值模拟方法给出压裂后返排制度优化方案。

致密砂岩储层水力压裂完成后，合理的闷井再生产可以增强滞留在裂缝网络中压裂液的渗吸扩散作用。滞留的渗吸液一方面能增加地层压力，使地层能量得以恢复；另一方面能将小孔道中的油气驱替至中、大孔道，有效扩大致密砂岩储层压裂改造体积，提高原油采收率。因此，合适的闷井时间是加强油水渗吸置换的关键。本章从渗吸实验和数值模拟两方面探究闷井时间对渗吸作用的影响规律，通过优化不同条件下的闷井时间来确定合理的返排制度，以确保渗吸采油效果最佳。

▲渗透率与渗吸稳定时间散点图

▲致密油藏体积压裂改造理想模型示意图

本书主要是对致密砂岩储层渗吸采油理论及应用研究的一些认知，适用于石油院校、科研院所和企事业单位从事非常规油气开发的技术人员和科研人员。

周德胜 等 著

北京：科学出版社，2023.1

ISBN 978-7-03-073164-7

责任编辑：宋无汗

内容简介

本书在系统介绍致密砂岩储层特征、渗吸实验方法、渗吸理论的基础上，结合先进的实验手段和数值模拟方法对影响致密砂岩储层渗吸置换效果的主控因素进行全面系统的分析，对致密砂岩储层渗吸置换微观机理和渗吸置换的基本渗流规律进行深入研究。在考虑重力与毛管压力双重因素的影响下，本书建立渗吸和渗透压两种渗吸置换模式共同作用的机理模型，并在此基础上进行研究分析，给出可行的压裂后返排制度优化方案。

本书可供从事致密砂岩储层压裂渗吸开发技术工作的科研人员和技术人员，以及高等院校石油工程专业师生参考。

目录速览

前言

第1章　绪论　1
1.1　渗吸简介　1
1.2　致密砂岩储层渗吸研究现状及发展趋势　2
1.2.1　致密砂岩储层渗吸置换模式研究　2
1.2.2　致密砂岩储层渗吸置换影响因素研究　3
1.2.3　致密砂岩储层渗吸置换机理及模型研究　5
1.2.4　致密砂岩储层渗吸置换表征方法研究　6
参考文献　9
第2章　致密砂岩储层及流体特征　12
2.1　岩样及流体物性测试　12
2.1.1　岩心物性　12
2.1.2　地层水物性　15
2.2　铸体薄片测量矿物成分　16
2.2.1　岩心铸体薄片测试　16
2.2.2　测试结果统计及分析　29
2.3　扫描电镜观察孔喉结构　32
2.3.1　岩心扫描电镜测试　32
2.3.2　测试结果统计及分析　45
2.4　X射线衍射技术测试黏土含量　47
2.5　界面张力测试　49
2.5.1　实验原理　49
2.5.2　实验设计方案　51
2.5.3　界面张力测试结果及分析　53
2.6　润湿性测试　55
2.6.1　实验原理　55
2.6.2　实验设计方案　57
2.6.3　润湿性测试及分析　58
2.7　毛管压力曲线测试及分析　62
2.7.1　实验原理　62
2.7.2　岩样挑选　63
2.7.3　压汞曲线孔喉结构特征分析　64
2.7.4　油水毛管压力曲线转化　73
2.8　相对渗透率曲线测试及分析　75
2.8.1　实验原理　75
2.8.2　实验结果分析　77
2.9　致密砂岩储层分类及分类标准　82
2.9.1　储层分类现状　82
2.9.2　储层评价参数建立　83
2.9.3　储层综合分类　86
参考文献　88
第3章　致密砂岩储层渗吸主控因素分析　90
3.1　实验装置及方法流程　90
3.1.1　实验装置及方法原理　90
3.1.2　实验步骤　92
3.1.3　存在问题　92
3.2　渗透率对渗吸效果的影响　93
3.3　矿化度对渗吸效果的影响　95
3.4　黏度对渗吸效果的影响　100
3.5　温度/压力对渗吸效果的影响　103
3.5.1　温度对渗吸效果的影响　103
3.5.2　压力对渗吸效果的影响　115
3.6　界面张力对渗吸效果的影响　116
3.7　主控因素显著性分析　124
3.7.1　庄183区块　124
3.7.2　安83区块　125
3.7.3　西233区块　127
3.8　渗吸置换率参数模拟　128
3.8.1　储层渗吸效率参数建立　128
3.8.2　储层渗吸效率可信度　130
3.8.3　储层渗吸效率归一化分析　131
参考文献　133
第4章　压裂液渗吸数学模型研究　135
4.1　压裂液逆向渗吸数学模型及参数敏感性分析　135
4.1.1　逆向渗吸模型建立　135
4.1.2　逆向渗吸模型参数敏感性分析　139
4.2　压裂液同向渗吸数学模型及参数敏感性分析　142
4.2.1　同向渗吸模型建立　142
4.2.2　同向渗吸模型参数敏感性分析　144
4.3　渗透压油水渗吸置换模型及参数敏感性分析　146
4.3.1　考虑渗透压的渗吸模型建立　146
4.3.2　考虑渗透压的渗吸模型参数敏感性分析　148
4.4　压裂液渗吸数学模型实例应用研究　155
4.4.1　岩样挑选及拟合步骤　155
4.4.2　实例应用　155
4.5　软件编制　161
4.5.1　软件界面　161
4.5.2　软件代码　162
参考文献　191
第5章　渗吸对储层流体渗流及后期生产影响研究　192
5.1　渗吸对储层渗流的影响分析　192
5.1.1　核磁数据分析渗吸规律　192
5.1.2　渗吸对渗流影响的核磁伪彩实验　196
5.2　驱替与渗吸的区别研究　200
5.2.1　岩心薄片实验岩样、试剂及仪器　201
5.2.2　岩心薄片实验流程　202
5.2.3　实验过程及数据记录　203
5.2.4　实验数据分析　210
5.3　主要渗吸孔喉分布界限研究　214
5.3.1　研究思路　214
5.3.2　岩心实验数据及分析　215参考文献　224
第6章　致密砂岩储层压后返排制度优化　225
6.1　渗吸实验研究返排制度优化　225
6.1.1　不同储层渗透率影响下闷井时间优化　225
6.1.2　不同界面张力影响下闷井时间优化　233
6.1.3　不同流体黏度影响下闷井时间优化　233
6.1.4　不同矿化度影响下闷井时间优化　234
6.2　数值模拟研究返排制度优化　235
6.2.1　模型及参数　235
6.2.2　不同参数条件下返排制度优化　236
参考文献　241
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（本期编辑：王芳）

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