注水压力对低渗透储层渗流特征的影响

压力梯度的变化很小，也就是在低压下，注入水很难进入地层；当压力梯度较大时，渗流速度与压力梯度
的关系呈近似的直线关系；在上覆压力和压力梯度不变的条件下，注入压力越高，岩石渗透率就越高。 由
此可见，在考虑储层保护的前提下，对低渗透储层采用高压注水，有利于提高注水效果。
关键词：低渗透油藏；注水；非线性渗流；压力梯度
根据岩石力学理论可知，具有一定孔隙性的地 层岩石具有弹性，岩石所承受的压力分别来自岩石 孔隙内液体传递的地下流体系统压力，即孔隙压力 或内压力，该压力作用于岩石孔隙内壁或内表面， 以及储层上覆岩层所产生的上覆压力。 当注入压力 增加时，油层孔隙压力上升，岩石孔隙体积发生变 化。 虽然岩石的弹性压缩性很小，但当地层水动力 系统范围较大时，孔隙体积的变化可能对岩石的其 它物性产生影响。 在高压注水条件下，注入水中的 悬浮固相颗粒也可能受到压缩而更容易进入储层 的深处。
本项实验采用的流体为精细过滤后的模拟地 层水，水中不含悬浮固相颗粒以及其它杂质。 实验 所用岩心为油藏天然岩心，岩心基本参数见表 1。
表 1 实验岩心基本参数 Table 1 Basic parameters of the experiment core
基本参数
气 测 渗 透 率 （mD ） 孔 隙 度 （%） 长 度 （cm ） 直 径 （cm ）
15.16 μm，细 菌 含 量 为 2.5×104 个/mL， 实 验 岩 样 采 自王场油田王广区广 11 井的不同层位，实验数据见 表 2。
表 2 不同注入压力下固相侵入深度试验结果 Table 2 The experiment result of the solid invasion in different depths under the different injection pressures
在保持上覆压力不变的前提下（实验中通过保 持环压不变来实现），逐渐升高注入压力，测定在不 同注入压力下岩石的绝对渗透率，测定结果见图 1。
1.4
1.3
1.2 1.1
1.0
0.9
0.8
0
10
20
30
40
50
注 入 压 力 （MPa）
图 1 注入压力与渗透率关系曲线 Fig. 1 The relation curve of the injection pressure
X1 9.05 15.13 7.08 2.54
岩心号 X2 9.09
15.08 6.79 2.54
X3 1.30 13.69 6.81 2.54
1. 2 实验步骤 （1） 选取渗透率相近的 3 块岩心，将岩心饱和
水后放置 24 h，以达到盐水与岩石间的离子平衡。 （2） 将饱和水后的 3 块岩心依次放入岩心夹持
态 特 征 ［J］.石 油 勘 探 与 开 发 ，1986 ，13（5）：52-57.
［2］ 杨秋莲，李爱琴，孙燕妮，等.超 低 渗 储 层 分 类 方 法 探 讨 ［J］.岩
性 油 气 藏 ，2007 ，19 （4）：51-56.
［3］ 才汝 成 ，李 晓 清.低 渗 透 油 藏 开 发 新 技 术 ［M］.北 京 ：中 国 石 化
2. 1 实验方法 在 25 ℃ 的实验温度下，针对不同渗透率的天然
岩心，研究了模拟原油（地面脱气原油加煤油配制 而成）通过岩心时，单相流体的渗流规律。
实验时首先将岩心抽提、烘干、测量岩心的空 气渗透率，然后将岩心抽空，饱和实验流体，测定其 孔隙度，最后将饱和实验流体的岩心置入岩心夹持 器，在岩心两端加压差 Δ p，并测定岩心出口端液体 的流量。 建立岩心两端压差的过程遵循由低到高， 逐步加压的原则。 每建立一个压差，待流动稳定时， 测得该压差下的流量，绘制流速与压力梯度的关系 曲线。 2. 2 实验结果及分析
江大学地球科学学院。 E-mail：zyk860811@
2010 年
张宇焜等：注水压力对低渗透储层渗流特征的影响
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渗 透 率 （mD） 渗流速度（×10-4 m/s）
5 MPa，在此压力下将水注入岩心，当出口流量稳定 时记录该压力所对应的流量值，计算此时的渗透率。
（4） 保持环压和压力梯度不变，依次将注入压 力设置为 10 MPa，15 MPa，20 MPa，25 MPa，30 MPa， 35 MPa，40 MPa，45 MPa，50 MPa， 分 别 测 定 在 不 同 注入压力下的流量值，计算各注入压力所对应的渗 透率。 1. 3 实验结果及分析
表 2 中的数据还反映了注入压力对伤害深度 的影响。 以王广区广 11 井岩样为例，随着注入压力 从 15 MPa 上升到 50 MPa，距入口端 1.87～4.87 cm 处 岩 样 的 伤 害 程 度 从 27％ 上 升 到 42％ ， 距 入 口 端 4.87 ～8.00 cm 处 岩 样 的 伤 害 程 度 从 3％ 上 升 到 11％。 因此，在较高的注入压力下，固相颗粒更容易 进入岩石孔隙深处，形成献标识码：A
0 引言
由于低渗透油藏的特殊性， 许多情况下必须进行高压注水才 能满足生产需要。 随着注水压力 的不断提高，地层压力也不断上 升，地层岩石的一些性质以及流 体的性质和渗流特征也会受到影 响［1］。 因此，研究在高 压 注 水 过 程 中 储 层 的 渗 流 机 理，以及注入压力对渗透率的影响，是设计合理注采 压 差 ，有 效 提 高 低 渗 透 油 田 注 水 效 果 的 重 要 依 据 ［2］。 目前，国内外对高压注水过程中储层岩石性质的研 究，主要集中在岩石破裂产生裂缝，以及破裂压力 的准确计算等问题上，但对低渗透油层在高压注水 过程中岩石特征和渗流特征的研究还很不够［3］。 笔 者以室内岩心流动实验为手段，研究了注入压力对 岩石渗透率以及流体渗流规律的影响因素。
本实验采用多点渗透率测定仪，测定在不同注 入压力下，注入 100 倍孔隙体积的注入水后岩心各
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岩性油气藏
第 22 卷 第 2 期
段渗透率值，以此分析注入压力对岩心伤害深度 及程度的影响。 注入水取自江汉王场油田广 6 站， 水 中 悬 浮 固 体 含 量 为 3.36 mg /L，颗 粒 粒 径 中 值 为
具有一定孔隙性的地层岩石由于具有弹性，因 此是可以被压缩的 。 ［6，7］ 当上覆压力不变，注入压力 增加时，岩石的孔隙压力也随之增加，岩石骨架发 生弹性变形，孔隙体积变大。 对低渗透岩石，孔喉大 小稍有变化，渗透率都会有所变化。
从力学角度来讲，增加注入压力对注水井的近 井地带渗透率有一定改善，可增加单井吸水能力。 但根据压力传播原理，离注水井较远的地方则影响 较小。
34md渗透率上升了52曲线趋势表明当注入压力增加到mpa时渗透率增加82具有一定孔隙性的地层岩石由于具有弹性因此是可以被压缩的67当上覆压力不变注入压力增加时岩石的孔隙压力也随之增加岩石骨架发生弹性变形孔隙体积变大对低渗透岩石孔喉大小稍有变化渗透率都会有所变化从力学角度来讲增加注入压力对注水井的近井地带渗透率有一定改善可增加单井吸水能力但根据压力传播原理离注水井较远的地方则影响较小由于具有弹性的多孔岩石受力发生变形是有一定限度的岩石所受的周向应力由压缩变成拉伸当这种拉伸力大到足以克服岩石的抗拉强度时地层则产生破裂89因此油田若采用高压注水的方式来提高注水能力就必须使注水压力低于地层破裂压力这也是高压注水所要遵循的基本原则实验方法在25的实验温度下针对不同渗透率的天然岩心研究了模拟原油地面脱气原油加煤油配制而成通过岩心时单相流体的渗流规律实验时首先将岩心抽提烘干测量岩心的空气渗透率然后将岩心抽空饱和实验流体测定其孔隙度最后将饱和实验流体的岩心置入岩心夹持器在岩心两端加压差p并测定岩心出口端液体的流量建立岩心两端压差的过程遵循由低到高逐步加压的原则每建立一个压差待流动稳定时测得该压差下的流量绘制流速与压力梯度的关系曲线实验结果及分析通过对岩样进行流量与压差的关系测定可得出单相渗流规律为模拟地层原油通过低渗透岩心时测得的流速与压力梯度关系曲线岩心渗透率为2
4 结论
（1） 室内岩心流动实验表明，当注入压力较低 时（渗流曲线的非线性段），流体在岩心中流动速度 很低，注入水难以进入地层；当压力梯度较大时，渗 流速度与压力梯度呈近似直线关系。 因此，要使得 低渗透储层注水能够见效，就必须设计较高的注入
压力。 （2） 实验所测得的注入压力和岩石渗透率关系
曲线表明，在上覆压力和压力梯度不变的条件下， 注入压力越高，岩石渗透率越高。 因此，采用高压注 水有利于提高注水效果。
由于具有弹性的多孔岩石受力发生变形是有 一定限度的，岩石所受的周向应力由压缩变成拉伸， 当这种拉伸力大到足以克服岩石的抗拉强度时，地 层则产生破裂 。 ［8，9］ 因此，油田若采用高压注水的方 式来提高注水能力，就必须使注水压力低于地层破 裂压力，这也是高压注水所要遵循的基本原则。
2 注入压力对渗流特征的影响
and the permeability
通过分析图 1 可以得出，低渗透岩石在上覆压 力不变时，岩石渗透率随注入压力的升高而升高。 当注入压力为 5 MPa 时，岩石渗透率为 0.88 mD；当 注入压力为 50 MPa 时，岩石渗透率为 1.34 mD，渗透 率上升了 52%。 曲线趋势表明，当注入压力增加到 10 MPa 时，渗透率增加 8%～12%。
76
27
3
71
25
7
69
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11
通过对比表 2 的数据可以发现，尽管注入压力 不同，但岩样距入口端 0～1.87 cm 处的伤害程度远 高于距入口端 1.87～4.87 cm 处和 4.87～8.00 cm 处 的伤害程度，并且距入口端 4.87～8.00cm 处的渗透 率伤害程度很小。 该结果表明，注入水对储层造成 的伤害主要是由注入水中固相悬浮物引起的，而固 相颗粒造成的堵塞以表面伤害为主。
实验分析：当压力梯度小于 0.10 MPa /cm 时，渗 流曲线呈非线性关系，渗流速度的增加表现为上凹 型非线性曲线，渗流速度随压力梯度变化很小；当压 力梯度大于 0.10 MPa /cm 时，渗流速度与压力梯度 的关系呈近似直线关系。
3 注水时注入压力对岩样伤害深度 的影响
高压注水造成岩石特性发生变化，在此情况下 注入不合格的含有固相颗粒等悬浮物的注入水，其 伤害的机理以及伤害深度和伤害程度，会与常规油 藏注水所发生的伤害情况有所差异。
岩心号
广 11-5-13 广 11-5-11 广 11-5-14 广 11-5-12
粒 度 中 值 （μm）
15.16 15.16 15.16 15.16
注 入 压 力 （MPa ）
15 25 35 50
不 同 侵 入 深 度 处 的 伤 害 程 度 （%）
0～1.87 cm
1.87～4.87 cm 4.87～8.00 cm
通过对岩样进行流量与压差的关系测定，可得 出单相渗流规律 。 ［10～12］ 图 2 为模拟地层原油通过低 渗透岩心时测得的流速与压力梯度关系曲线（岩心 渗透率为 20.0 mD）。
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.03 0.06
0.09
0.12 0.15
压 力 梯 度 （MPa/cm）
图 2 单相油渗流规律曲线（K = 20.0 mD，μo= 6.8 MPa·s） Fig. 2 The curve of the seepage law of single-phase oil
摘 要：低渗透油藏中流体的渗流规律是当前渗流力学重要的研究领域。 低渗透油藏储层的主要特征是
渗透率低，油水流动的孔道微细，渗流阻力大，固-液界面及液-液界面之间相互作用显著。 这些特点造成
了低渗透油藏渗流规律的复杂性。 通过室内岩心流动实验，研究了注入压力对岩石渗透率和流体渗流规
律的影响。 结果表明，低渗透储集层存在非线性渗流特征，当注入压力较低时，流体在岩心中流动速度随
（3） 在高压注水条件下，注入水中的悬浮固相 颗粒受到压缩，更容易进入储层的深处。
（4） 低渗透储层渗流规律反映了高压注水的需 要，但注水压力的设计应考虑对储层伤害程度的影 响，因此必须优化设计。
参考文献：
［1］ 冯文 光 ，葛 家 理.单 一 介 质 、双 重 介 质 低 速 渗 流 的 压 力 曲 线 动
第 22 卷 第 2 期 2010 年 6 月
岩性油气藏 LITHOLOGIC RESERVOIRS
文 章 编 号 ：1673-8926（2010）02-0120-03
Vol.22 No.2 Jun. 2010
注水压力对低渗透储层渗流特征的影响
张宇焜1，汪伟英2，周江江1
（1.长江大学地球科学学院； 2.长江大学石油工程学院）
1 注入压力对岩石渗透率的影响
提压增注是低渗透油藏改善区块注水效果最 直接的方法 。 ［4，5］ 但高压注水是否会给 储 层 带 来 新 的伤害，是油田开发中可能遇到的问题。 为了深入
了解高注入压力下岩石物性的变化，采用不含悬浮 固相颗粒的清洁注入水进行高压注水岩心流动实 验，研究在不同注入压力下岩石渗透率的变化趋势。 1. 1 实验材料
器拼接好，拧紧夹持器端盖，加环压至 55 MPa。 （3） 启动 ISCO 泵，根据设计的压力梯度设置岩
心出口端回压和注入压力。 将初始注入压力设置为
收稿日期：2009- 10-26；修回日期：2009- 11- 29 基 金 项 目 ：国 家 科 技 重 大 专 项 项 目 （36课 题1）部 分 研 究 成 果 （编 号 ：2008ZX05036-001 ）。 第一作者简介：张宇焜，1986 年生，男，长江大学在读硕士研究生，主要从事油气田开发与油藏描述的研究。 地址：（434023）湖北省荆州市长