低渗透油藏的开发技术及其发展趋势

低渗透油藏的开发技术及其发展趋势

摘要：中国低渗透油气资源丰富，具有很大的勘探开发潜力。近20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，储层精细描述和保护油气层是开发关键。多分支井技术、地震裂缝成像和裂缝诊断技术、新型压裂技术、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勘探开发技术日趋成熟。本文主要介绍了低渗透油藏的开发技术及其未来发展趋势。

关键词：低渗透油藏；开发技术；发展趋势

1 前 言

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、开采成本、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。

2 低渗透油藏的特点

2.1 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]。

世界上对低渗透油藏并无统一的标准和界限，不同的国家是根据不同时期的石油资源状况和经济技术条件来制定其标准和界限，变化范围较大。而在同一国家、同一地区，随着认识程度的提高，低渗透油气藏的标准和概念也在不断的发展和完善。目前，在我国石油行业中，一般将低渗透砂岩储层分为低渗透（渗透率50～10mD）、特低渗透（渗透率10～1mD ）、超低渗透（渗透率1～0. 1mD）储层[2]。我国陆相储层的物性普遍较差，相当一批低渗透油田储层渗透率在10mD 以下。

针对我国油气资源状况、经济技术条件及低渗透油气藏勘探开发的实践，低渗透的标准可重新划分，见表1[3]。

新版低渗透标准的提出，解放了一大批低品质储量使之转化为可动用储量，坚定了人们开发低渗透油田的信心，同时对开发工作提出了更高的要求。

2.2 低渗透油气开发地质理论

矿物成熟度和结构成熟度低，长石和岩屑含量高，粘土或碳酸岩胶结物多，一般为长石砂岩和岩屑砂岩，石英砂岩少。原生粒间孔和次生溶孔发育，微孔隙多，孔径细小，微孔隙喉道发育，孔隙结构差。基质孔隙具有低孔隙度和低渗透率。储层裂缝发育，严重影响开发效果。储层非均质性强，使含油性差异大。具有压力敏感性，随着压力增大，孔隙和裂缝的渗透率呈负指数函数递减，并具有一定的不可恢复性。含油饱和度低，可动流体饱和度更低，原因为粘土矿物和毛细管的吸附作用，裂缝和溶蚀孔洞提高可动流体饱和度。由于物源较远碎屑物质

经过长距离搬运以后颗粒变细沉积以后形成细粒、孔隙半径小、泥质或钙质含量高的低孔低渗储层。沉积后的成岩作用和后生作业（包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用）使岩石随埋藏深度增大孔隙体积明显减小岩石颗粒排列变紧使储层物性变差岩石变得致密低渗。在低孔低渗储层常形成次生溶蚀空隙对改善储层的孔渗性有积极作用。裂缝提供了储层基本的孔隙度和渗透率裂缝造成储层强烈的非均质性。

2.3 低渗透油藏开发的基本情况

最近20年来，低渗透油气产量持续增长，其在产量中的地位越来越重要。2008年，中国低渗透原油产量0. 71 ×108 t （包括低渗透稠油），占全国总产量的37. 6 %。低渗透产量比例逐年上升，近三年分别为34. 8 % ， 36 % ，37. 6 %。低渗透资源在油气田开发中的地位越来越重要，正在成为开发的主体[3]。

2.4 低渗透油气田开发所面临的主要难题

1）流体流动在渗流力学上表现为“非达西流”，从本质上影响采收率的提高。2）低压储层导致投产初期过后，采液、采油指数下降，一般常规注水很难恢复。

3）“低渗、低压、低丰度”，造就了“多井低产”，给资本投资和运行成本造成了巨大的压力。

4）低渗透水平井水平段规模压裂改造提产始终是一大难题，现在仍在探索规模化实施。

3 低渗透油气藏开发技术

目前，对于低渗透油气藏已经形成了勘探开发配套技术系列。这些技术包括：分类评价与相对富集区优选技术，特低渗透渗流机理与井网优化技术，超前注水技术，储层压裂改造技术，水平井与规模丛式井开发技术，低成本提高单井产量及采收率技术，地面简化集输处理技术等。实践表明，这些技术的成功研发与应用，对低渗透油气藏的增储上产发挥了十分重要的作用。组织重点科技攻关，提高单井产量，推广适用新技术、新工艺、新材料、新装置，这是低渗透油气藏开发成功之道的关键所在。

裂缝性低渗透油藏是21世纪石油增储上产的重要资源基础。目前这类油田储量动用程度低，开发效果不理想，经济效益差。水力压裂是目前改善低渗透油藏的主要开发手段，是提高低渗透油田开采速度和效率的有效工艺措施之一。压裂的作用，不仅仅是由于裂缝的产生和存在，更重要的是使油藏渗流流场发生了变

化，由于增加了油藏的泄油面积，提高了油藏的导流能力，因此可以在一定阶段内提高油田采油速度，但不能提高最终采收率。压裂效果的好坏，不仅仅取决于裂缝参数的变化，更重要的还取决于能量的消耗（胡永乐）。

目前低渗透油气藏开发技术较多，大致可归结为一下几种大类[4]：

（1）油气藏描述技术

包括野外露头天然裂缝描述技术、岩心裂缝描述技术、成像与常规测井裂缝描述、储层生产动态测试资料表征、三维地震、四维地震、井间地震和井间电磁波等油气藏表征、三维可视化、综合地质研究技术。油藏描述技术是对油气藏特征进行定性与定量描述、预测是进行剩余油分布预测和开发决策主要技术。由于决策的内容不同油藏描述技术和方法也不同描述内容和精度有差别。对进入中后期开发的老油田以确定剩余油分布为目的的油气藏描述必须通过集成化的精细表征提供准确的剩余油分布状况指导油气田调整挖潜改善开发效果。

（2）钻井技术

包括气体钻井、雾化钻井、泡沫钻井和欠平衡钻井技术等。欠平衡钻井亦称为欠平衡压力钻井这一概念早在20世纪初就已提出但是直至20世纪80年代初期井控技术和井控设备出现才使防止井喷成为可能这种钻井技术也得以发展和应用。在美国和加拿大欠平衡钻井已经成为钻井技术发展的热点并越来越多地与水平井、多分支井及小井眼钻井技术相结合在美国欠平衡钻井占钻井数的比例已经达到30%。

（3）完井技术

包括裸眼井完井、水平井裸眼分段压裂和智能完井。

裸眼完井法是将套管下至生产层顶部进行固井，生产层段裸露的完井方法。多用于碳酸盐岩、硬砂岩和胶结比较好、层位比较简单的油层。优点是生产层裸露面积大，油、气流入井内的阻力小，但不适于有不同性质、不同压力的多油层。根据钻开生产层和下入套管的时间先后，裸眼完井法又分为先期裸眼完井法和后期裸眼完井法。

水平井裸眼分段压裂是对完井时未下油层套管的水平油气井进行的一种分段压裂改造，可以提高水平段的孔渗情况，提高储层的渗透能力。

智能完井管柱，每一个分支的流量可控制，如果某一分支井眼含水超过80%，就关闭这一分支井眼的生产，因此智能完井管柱可以实现分层开采，缓解层间矛盾改善开发效果。

裸眼完井法的操作相对简单，在油田的开发中被广泛应用，水平段裸眼分段压裂技术是对油藏的一种改造技术，可以大幅度提高储集层渗透能力，智能完井管柱在油井开发过程中后期使用，是提高层间开发效果的可靠手段。

（4）储层增产技术

包括氮气泡沫压裂、泡沫酸化压裂、水平井裸眼分段泡沫压裂、液态CO2加砂压裂、重复压裂、微聚无聚压裂液、耐高温延迟交联压裂液、轻型支撑剂、可变形支撑剂和加纤维支撑剂、无聚合物CO2压裂、斜井水平井多级压裂、水力喷射压裂技术。

水平井开发技术：低渗透油藏水平井开发与直井开发相比，具有以下优点水平井系统的压裂梯度远高于直井系统的压力梯度降低井筒周围的压降水平段增加了钻遇较多垂直裂缝的机率低渗透油藏利用水平井注水，注人压力低，注人能力高。

酸化解堵技术：酸化解堵技术是通过酸液近井地带的堵塞矿物以及部分无机垢，从而达到油层解堵的目的。该工艺的缺点是绿泥石是典型的酸敏矿物，与酸生成化学沉淀，因此对油层存在潜在损害。

物理法增产技术：油田开发过程中由于钻井、完井、压裂、注水、注气及措施引起的机械杂质对油层近井地带造成污染和损坏，以及地层本身的结垢和结蜡使近井地带油层渗透率降低，阻碍了原油向井筒的会聚，使油井产量急剧下降，致使油井的实际产能和其潜在产能之间存在很大差距，使部分井成为低产井、停产甚至死井，物理法技术可以有效解决该问题。物理法技术的增油机理主要表现5个方面[5]。1）物理法作用导致油、水与岩层产生重力分离2）油层产生疲劳裂缝有利于原油流动3）改变油层岩石的润湿性，消除“贾敏效应”，产生空化效应，加速油流向井筒汇聚4）物理法振动解堵效应5）物理法振动可使残余油参与运移。物理法增产技术类型包括：依靠水力作为动力源；依靠电作为能源；依靠油水井自身能量作为动力源。

（5）驱替技术

包括弹性驱、注水、注气及水气交注（图1）、人造气顶驱、蒸汽驱。目前由于CO2排放引发环境问题各大石油公司重视和发展CO2驱油技术（图2）。

图1 CO2水气交替注入驱油示意图

图2 美国CO2EOR与埋存工艺流程

高压注水对提高和改善低渗透油田的开发效果起到了至关重要的作用。合理提高注水压力可以增加油层的吸水能力改善和提高低渗透油藏的注水开发效果；但必须注意加强高压注水形成裂缝延伸方向的研究避免注水形成裂缝后造成油井过早水淹[6]。

超前注水是指在新区投产前一段时间先将油井关井，通过水井先期注水使地层压力升高，当地层压力或者注水量达到设计要求后，油井开始投入生产，并且在开发过程中通过调整注采比控制油藏压力。超前注水技术是开发低渗透及特低渗透油田的一种行之有效的方法，能合理地补充地层能量，提高地层压力，使油井长期保持较高的生产能力，产量递减明显减小。同时，能避免因地层压力下降造成的储层伤害，有效地保证原油渗流通道的畅通，提高注入水波及体积[7]。超前注水对于压力敏感性储层具有较好的效果，有利于保持低渗透油藏的地层压力，建立有效的驱替压力系统，提高注入水的有效波及体积，降低了因地层压力下降造成的地层伤害，抑制了油井的初始含水率，从而提高了单井产量和最终采收率。超前注水技术还需要根据所开发油田的地质特征，进一步研究注水期间及开采过程中的压力保持水平、注水强度、注水时机等问题。

注空气驱油是低渗透油田进一步挖掘剩余储量的经济而有效的方法[8]。注空气开采低渗透轻质油油藏是一项富有创造性的提高采收率新技术。空气来源广阔，不受地域和空间的限制，气源最丰富、成本最廉价。矿场经验表明，它既可以作为二次采油方式，也可用于三次采油。注空气提高采收率，最重要的条件是油藏温度必须足够高、石油活性强，氧气通过低温氧化而消耗掉，以免生产系统内存在氧气而导致爆炸和产生严重的腐蚀。

深部调剖和表面活性剂驱油技术结合是一门新兴的稳油控水技术，即深调后采用表面活性剂驱提高原油采收率。研究结果表明[9]，深部凝胶调剖处理后，采用表面活性剂驱能在一定程度上进一步提高采收率。提高采收率的原因是因为凝胶和化学驱油剂本身具有提高驱油效率和波及体积的作用，而且还具有良好的协同作用，即凝胶发挥深部液流改向作用，使得后续注入的表面活性剂体系及后续水能够有效地进入低渗透等开发程度不够的地层，在这些残余油集中的区域充分发挥化学驱油剂提高采收率的作用。

（6）井网加密技术

为了改善油田目前的开发效果减缓产量递减降低含水上升率延长油田的经济开采期实现较长时间的高产稳产减少储量的损失提高原油采收率井网加密技术在开采中发挥了关键作用。

众所周知，低渗透油层一般连续性差，渗流阻力大，普遍存在着注水井注不进水，形成高压区，采油井降为低压区，采不出油，油田生产形势被动，甚至走向瘫痪。解决这一矛盾的重点是合理缩小井距，增大井网密度。只有这样，才能

建立起有效的驱动体系，使油井见到注水效果，保持产量稳定和提高采收率。国内外研究和试验都已表明，油田采收率与井距和井网密度有密切关系。根据我国实际资料归纳出来的经验公式计算，低渗透油田井网密度为5口/km2，时，采收率为5.3%，井网密度加大到20口/km2，采收率可以达到24.2%[10]。当然，也不是说井网密度越大越好，还是要根据油田实际情况，以达到较高油层连通程度和水驱控制程度，较高的采收率和较好的开发效果的原则同时还要保持较好的经济效益。

4.低渗透油气资源勘探开发技术发展趋势

4.1 低渗透储集层优质储集体预测技术

对低渗透储集层优质储集体的预测主要是对低渗透储集层中天然裂缝的识别和预测。低渗透储层裂缝定量分布预测研究及评价处于油气地质学研究的前沿领域，已经形成很多富有特色的研究方法。近年来，随着测井和地震技术的飞速发展，国内外利用测井和地震等地球物理资料对裂缝进行识别及预测有了很大进展。基于天然裂缝发育的主要控制因素，探索地质数理统计关系，在地质认识指导下定性（或半定量）地研究预测裂缝分布，是当今研究裂缝的主要方法和手段。

4.2 微观孔隙结构分析技术

目前进行油气储层微观孔隙结构分析的技术主要有：真实砂岩微观模型驱替实验技术、核磁共振可动流体分析技术、恒速压汞孔喉分析技术和CT扫描技术等。真实砂岩微观模型驱替实验是近年来发展起来的一项新的研究方法，其主要利用真实砂岩的微观模型研究水驱油过程中注入水在喉道和裂缝中的微观水驱油机理、残余油形成机理和裂缝对驱油效率的影响。核磁共振成像可以对岩心进行三维观察，得到不同角度、不同转向、任意切片方向、任意切片厚度的图像。通过图像可以观察到裂缝、小孔洞、溶洞在岩心内部的分布特征，测量缝隙﹑微裂缝宽度及小孔洞、溶洞直径的大小，直观地观察裂缝、小孔洞、溶洞之间的连通性，判断连通性的好坏。恒速压汞能够将岩样内部的喉道与孔隙区分开，分别给出每个岩样内的有效喉道体积、有效喉道个数、有效喉道半径分布、有效孔隙体积、有效孔隙个数、有效孔隙半径分布及有效孔喉半径比分布等，并由此对岩样的孔喉发育特征（喉道、孔隙、孔喉半径比）进行细致分析。CT扫描技术可以在不改变岩心的外部形态和内部结构的条件下，在几秒钟内就观测到整块岩心的内部结构、矿物分布以及液流状况等。

4.3 压裂技术

水力压裂是低渗透油藏开发中最早使用也是目前最常使用的技术。水力压裂处理的目的是建立能提供很大表面积的长而窄的裂缝。。水力压裂的首要目的是改善储层与井眼之间的流体连通。近年来取得的进展包括：粘弹性表面活性剂压裂液、限流压裂完井等。除水力压裂技术外，连续油管分层压裂技术、相渗调节压裂液（RPM）增产工艺技术、多裂缝压裂技术、重复压裂技术、水平井压裂技术等也是近期压裂工艺技术发展的重要方向。

4.4 水平井和多分支井技术

水平井作为开发低渗透油气田的一项成熟技术已在各国油田中得到广泛应用。从低渗透油田开发的角度来讲，水平井水平段在油层中的位置、延伸长度和延伸方向是决定水平井产能的关键因素，因此在水平井的建井过程中必须应用能保证水平井以最佳井身轨迹钻进的新工艺。多分支井钻井技术是利用单一井眼（主井筒）钻出若干个支井的钻井新技术。。目前，国外常用的多分支系统主要有非重入多分支系统、双管柱多分支系统、分支重入系统和分支回接系统等。4.5 小井眼钻井技术

使用小井眼钻井技术可以大幅度降低钻井投资，提高低渗透油田的经济效益。小井眼钻井技术采用的抽油机、油管、抽油杆、抽油泵和简易防盗采油树都比常规的采油设备小，因此称为“五小”采油技术。除小眼井技术之外，无油管采油技术、车载抽油技术等也是近年来发展起来的节约钻采成本的技术。

4.6 超前注水技术

超前注水是指注水井在采油井投产前投注，油井投产时其泄油面积内含油饱和度不低于原始含油饱和度，地层压力高于原始地层压力并建立起有效驱替系统的一种注采方式。早注水可以使地层压力保持在较高的水平，相应可使油田在一个较高的水平上稳产。超前注水技术开发有如下特点：①可建立有效的压力驱替系统，单井获得较高的产量; ②降低因地层压力下降造成的渗透率伤害; ③有利于提高油相相对渗透率; ④超前注水有利于提高最终采收率。

4.7 层内爆炸增产技术

在低渗透油藏的增产方面，已发展的技术很多，如井内爆炸技术、核爆炸技术、高能气体压裂、爆炸松动等，但目前应用前景较广的为层内爆炸增产技术。层内爆炸增产技术就是利用水力压裂技术将适当的炸药压入岩石裂缝，点燃那里的炸药，从而在主裂缝周围产生大量裂缝，达到提高地层渗透率的目的。炸药释放能量有3种形式：爆轰、爆燃（二者统称为爆炸）和燃烧。深部地层造缝的特

征是压力高、能量大、加载空间狭窄，同时，根据力学原理可知静水压力再大也不能压裂岩石，只有偏应力足够大才能压裂岩石。水力压裂技术满足这些特征，爆破工程经验表明，炸药爆炸也能满足这些基本特征。

4.8 微生物采油技术

微生物采油技术是指利用微生物（主要是细菌）或其代谢产物提高原油产量和采收率的技术。微生物采油方法包括：微生物单井吞吐、微生物驱替、微生物调剖堵水、微生物除蜡以及利用生物工程生产生物表面活性剂和生物聚合物，作为化学驱的注入剂的方法。这些方法可以单独使用，也可以与其他方法结合应用。微生物采油技术特别适合于低渗透油田。

5 结论与认识

（1）低渗透油田数量众多，储藏着丰富的油气资源，美国、俄罗斯、加拿大等产油国都发现了大量的低渗透油田。

（2）低渗透油气田开发成熟技术有注水、压裂、注气等技术，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。

（3）储层精细描述和保护油气层是开发低渗透油气田的关键。多分支井技术、地震裂缝成像和裂缝诊断技术、新型压裂技术、注气提高采收率等新技术快速发展。

（4）世界低渗透油气田勘探开发方兴未艾。发达国家低渗透油气田勘探开发技术日趋成熟。

（5）通过对世界低渗透油气田勘探开发现状进行研究，可实现低渗透油气田资源优化利用，改善勘探开发效果，为低渗透油气资源的高水平、高效益勘探开发和可持续发展提供理论及实践依据。

为了高效开发渗透油气藏起得较好的经济效益渗透油气开发向着应用保护油层为主的小井眼、水平井、多分支井、欠平衡钻井、低密度钻井液及大型水力压裂技术开发低渗透油气田。小井眼技术、水平井技术和CO2泡沫酸化压裂新技术应用较大幅度的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。密井网、油藏保护、水力压裂、水平井、多分支井开发技术和小井眼开发技术为低渗透油田开发的技术方向。

参考文献

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