彭彩珍，孟立新，郭 平，鐘功祥，孫 雷

(1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都 610500； 2.大港油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，天津 300280；3.西南石油大學(xué) 理學(xué)院，成都 610500；4.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

三維物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置研制與應(yīng)用

彭彩珍1，孟立新2，郭 平3，鐘功祥4，孫 雷1

(1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都 610500； 2.大港油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，天津 300280；3.西南石油大學(xué) 理學(xué)院，成都 610500；4.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

針對(duì)小巖心不能模擬注采井網(wǎng)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、填砂模型不能模擬低滲透儲(chǔ)層和高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，研制了一套能在高溫高壓下進(jìn)行不同滲透率儲(chǔ)層多層組合的巖心、多口直井和水平井組成的注采井網(wǎng)、大尺度三維物理模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，能進(jìn)行不同驅(qū)替介質(zhì)和吞吐實(shí)驗(yàn)研究。利用該實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展了縱向三層組合的正韻律和反韻律模型、平面5個(gè)滲透帶的五點(diǎn)注采井網(wǎng)模型、以及直井和水平井組成的十三點(diǎn)注采井網(wǎng)模型在高溫高壓下的水驅(qū)和聚合物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)研究，得到了平面和縱向非均質(zhì)性對(duì)水驅(qū)油效果的影響程度、直井和水平井的水驅(qū)油效果以及聚合物驅(qū)油效果。通過(guò)該裝置模擬實(shí)驗(yàn)可為油田注采井網(wǎng)調(diào)整和注入開(kāi)發(fā)方式調(diào)整提供技術(shù)指導(dǎo)。

三維物理模型；實(shí)驗(yàn)裝置；高溫高壓；水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)；聚合物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

1 大尺度三維物理模型研究現(xiàn)狀

物理模擬與礦場(chǎng)試驗(yàn)相比，具有費(fèi)用少、時(shí)間短、可重復(fù)性和可預(yù)見(jiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，它是研究提高原油采收率的主要手段之一。任何物理模擬都需要借助于實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)完成。目前國(guó)內(nèi)外的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)主要采用小巖心和填砂模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。小巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)盡管能考慮平面和縱向非均質(zhì)性對(duì)驅(qū)油效果的影響，但不能實(shí)現(xiàn)有井油層的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)；填砂模型盡管能做低壓有井的中高滲透油層的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，但不能模擬低滲透有井的儲(chǔ)層驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，也不能做高壓有井的中高滲透油層的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。高壓低滲透油藏和中高滲透油藏井網(wǎng)調(diào)整和注入開(kāi)發(fā)方式調(diào)整是油田急需通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)解決的主要問(wèn)題。因此，需要研制大尺度三維物理模型高溫、高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置。

目前國(guó)內(nèi)中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院、廊坊分院、遼河油田、西南石油大學(xué)、華北油田、勝利油田等對(duì)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)大模型進(jìn)行過(guò)研制及應(yīng)用探索，但每種實(shí)驗(yàn)裝置和三維物理模型的適應(yīng)條件和范圍是不同的(表1)[1-7]。三維物理模型有天然露頭巖心、填砂模型和高溫高壓燒結(jié)而成的人造砂巖模型。根據(jù)三維物理模型制作方式不同、幾何尺寸不同和用途不同，其實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置的特點(diǎn)也不同。利用這些實(shí)驗(yàn)裝置和物理模型進(jìn)行驅(qū)油模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模型的幾何尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大，幾何尺寸越大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果越接近于礦場(chǎng)實(shí)際。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文研制出了一種新型三維物理模型巖心夾持器實(shí)驗(yàn)裝置，利用該實(shí)驗(yàn)裝置能開(kāi)展多層、直井和水平井的多井型、大尺度三維物理模型高溫、高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)[7-8]，能了解油層在注水過(guò)程中儲(chǔ)層非均質(zhì)性、不同注采井網(wǎng)對(duì)驅(qū)油效果的影響，對(duì)確定提高原油采收率合理開(kāi)發(fā)方案具有一定的指導(dǎo)作用，為確定水驅(qū)后剩余油的合理挖潛方式提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及功能

為了完成高溫、高壓、不同滲透率儲(chǔ)層多層組成的巖心、有直井和水平井的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文研制了一套大尺度三維物理模型巖心夾持器配套的實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置的主要組成部件為：1)三維物理模型巖心夾持器，用來(lái)裝大尺度三維物理模型巖心；2)恒溫箱，用來(lái)給巖心室的巖心和流體加熱加溫；3)自動(dòng)泵，用來(lái)加圍壓、內(nèi)壓、回壓；4)活塞式中間容器，用來(lái)裝驅(qū)替介質(zhì)；5)壓力計(jì)量裝置和流量計(jì)量裝置。

2.2巖心夾持器

巖心夾持器是驅(qū)油實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置的核心設(shè)備。為了克服已有的巖心夾持器不能同時(shí)做高溫、高壓、有井中高滲透巖心、低滲透巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，本文研制了一種多層三維物理模型巖心夾持器[7]。該巖心夾持器不僅能模擬高溫、高壓下縱向多個(gè)儲(chǔ)層三維模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，而且能模擬高溫、高壓下平面非均質(zhì)三維模型具有不同注采井網(wǎng)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，井網(wǎng)形式主要包括五點(diǎn)注采井網(wǎng)、七點(diǎn)注采井網(wǎng)、九點(diǎn)注采井網(wǎng)、排狀注采井網(wǎng)、十三點(diǎn)注采井網(wǎng)、不規(guī)則井網(wǎng)的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)；還可以進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)、氣驅(qū)油實(shí)驗(yàn)、二氧化碳吞吐實(shí)驗(yàn)、化學(xué)劑驅(qū)實(shí)驗(yàn)、調(diào)剖實(shí)驗(yàn)、堵水實(shí)驗(yàn)等，并可開(kāi)展垂直井和水平井等不同井型對(duì)油藏開(kāi)采效果影響的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定三維模型孔隙度和滲透率，測(cè)試縫洞型、裂縫型組合模型驅(qū)替效果等。該實(shí)驗(yàn)裝置可以開(kāi)展高、中、低滲透人造巖心三維物理模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測(cè)試，及高、中、低滲透天然露頭巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)裝置所能達(dá)到的最高壓力為25 MPa、最高溫度為100 ℃。

3 三維物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用

3.1縱向非均質(zhì)性對(duì)水驅(qū)油效果的影響

3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

采用大尺度三維物理模型模擬裝置來(lái)研究縱向非均質(zhì)性對(duì)驅(qū)油效率的影響。

圖1 平面和縱向非均質(zhì)三維物理模型驅(qū)替裝置

3.1.2 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)相似原理，利用白剛玉砂經(jīng)高溫、高壓燒結(jié)，制作了6塊不同滲透率的大尺度三維物理模型巖心，每層三維物理模型的幾何尺寸為30 cm×30 cm×6 cm。測(cè)定高、中、低滲儲(chǔ)層的平均滲透率分別為1 100×10-3,500×10-3,100×10-3μm2，根據(jù)每層的滲透率組合成三層正韻律、反韻律三維物理模型[4,9-12]。

驅(qū)替流體使用模擬地層油(粘度12.6 mPa·s)和模擬地層水(粘度0.42 mPa·s)。實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃，實(shí)驗(yàn)壓力為18 MPa。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用該實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定不同韻律組合模型在同一個(gè)壓力系統(tǒng)中進(jìn)行注水驅(qū)油的驅(qū)油效率，結(jié)果表明，不論正韻律儲(chǔ)層還是反韻律儲(chǔ)層，在合注層段中，低、中、高滲透儲(chǔ)層的驅(qū)油效率不同，低滲透層的驅(qū)油效率小，中、高滲透層的驅(qū)油效率接近且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低滲透層的驅(qū)油效率(高出20個(gè)百分點(diǎn)左右)。

不同沉積韻律儲(chǔ)層的平均驅(qū)油效率不同，反韻律組合模型最終驅(qū)油效率高于正韻律組合模型。含水98%時(shí)，2個(gè)模型的平均驅(qū)油效率相差2.6個(gè)百分點(diǎn)。此外，中滲透層驅(qū)油效率二者基本相近；而高滲透儲(chǔ)層驅(qū)油效率正韻律組合模型要稍高于反韻律組合模型；2個(gè)模型的低滲透儲(chǔ)層驅(qū)油效率相差較大，反韻律組合模型高出正韻律組合模型6.49個(gè)百分點(diǎn)。

3.2平面非均質(zhì)性對(duì)水驅(qū)油效果的影響

3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

采用大尺度三維物理模型模擬裝置來(lái)研究平面非均質(zhì)性對(duì)驅(qū)油效率的影響。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)相似原理，利用白剛玉砂經(jīng)高溫高壓燒結(jié)，制作了2塊人造平面非均質(zhì)平板模型，2塊模型分別由低中高中低滲透帶和高中低中高滲透帶5個(gè)區(qū)域構(gòu)成，在每一塊平面非均質(zhì)三維物理模型中心位置和4個(gè)角上，布置了五點(diǎn)注采井網(wǎng)，即中心注入井、4個(gè)角為采出井，每口井單獨(dú)計(jì)量流量。每一塊平面非均質(zhì)三維物理模型幾何尺寸為30 cm×30 cm×6 cm，高、中、低滲區(qū)域的平均滲透率分別為1 100×10-3,500×10-3,100×10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)條件同上。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將平面非均質(zhì)組合模型在同一個(gè)壓力系統(tǒng)中進(jìn)行注水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，不同沉積相帶下儲(chǔ)層的驅(qū)油效率不同，高注低采組合模型的驅(qū)油效率要高于低注高采組合模型；含水98%時(shí)，2個(gè)組合模型的平均驅(qū)油效率相差7.02個(gè)百分點(diǎn)。

3.3聚合物驅(qū)對(duì)開(kāi)采效果的影響

3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

聚合物驅(qū)油效率測(cè)定是在注水驅(qū)油之后實(shí)施，主要是評(píng)價(jià)二次開(kāi)發(fā)的對(duì)策。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)條件

采用天然石英砂礫巖和碳酸鹽巖組合方式，制作了相似于南堡1-32斷塊NgⅣ①油藏三層儲(chǔ)層的地質(zhì)特征和注采井網(wǎng)(13口注采井，其中5口注水直井、5口采油水平井和3口采油直井)的三維物理模型。第1、2、3層大巖心平板模型的平均滲透率分別為102×10-3，270.4×10-3，183.7×10-3μm2。

實(shí)驗(yàn)壓力為17.1 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度為82 ℃。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用該實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)原注采井網(wǎng)組合模型在實(shí)驗(yàn)壓力17.1 MPa和實(shí)驗(yàn)溫度82 ℃下進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，在累計(jì)采油量為418 mL、采出程度為35.47%、平均含水率為85.4%時(shí)，采用2 000 mg/L交聯(lián)聚合物以1.5 mL/min的注入速度注入孔隙，注入0.2 HPV聚合物，累計(jì)采出原油增量為57 mL，采出程度增量為4.84%；注完聚合物0.2 HPV后水驅(qū)，累計(jì)采出原油增量為85 mL，采出程度增量為7.22%。因此，聚合物驅(qū)油增加累計(jì)采油量為142 mL，提高原油驅(qū)替程度達(dá)12.06%，使得最終驅(qū)油效率增大。

4 結(jié)論

1)本文研制的三維物理模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置是一套大型的室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由新型巖心夾持器以及大尺度三維物理模型組成。

2)該實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，能進(jìn)行多層、多井、三維物理模型在高溫、高壓下不同驅(qū)替介質(zhì)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和二氧化碳單井吞吐模擬實(shí)驗(yàn)。

3)該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅绕渌钌叭S物理模型、全直徑巖心模型以及小巖心模型具有更突出的優(yōu)點(diǎn)，它可以利用相似原理，制作與油田相似的人造巖心和天然露頭巖心三維物理模型，此模型可以真實(shí)地模擬油藏地質(zhì)特征和注采井網(wǎng)分布情況。

4)利用該實(shí)驗(yàn)裝置已成功地開(kāi)展了縱向多層和平面多區(qū)域的非均質(zhì)性對(duì)高溫、高壓下水驅(qū)油效果影響的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究，直井和水平井的多井型三維物理模型在高溫、高壓下的水驅(qū)油和聚合物驅(qū)油等驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究，得到了令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為開(kāi)發(fā)方案調(diào)整提供了一定的基礎(chǔ)。

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(編輯徐文明)

Developmentandapplicationofmodelingdeviceforoil/waterdisplacementby3dphysicalmodel

Peng Caizhen1, Meng Lixin2, Guo Ping3, Zhong Gongxiang4, Sun Lei1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China; 2.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDagangOilfield,Tianjin300280,China; 3.SchoolofScience,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China; 4.SchoolofElectromechanicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

In view of the difficulty of displacement simulation of injection-production pattern in small core sample and the difficulty of displacement simulation of low-permeability reservoir under high pressure in sand-packed model, a new experiment device for 3d physical simulation has been proposed. It deals with cores of different permeability and injection-production pattern of horizontal and straight wells. Water flooding and polymer flooding experiments have been made under high pressure and temperature. Positive-rhythm and counter-rhythm models combined of 3 vertical layers, 5-spots injection-production pattern of 5 horizontal permeability zones, as well as 13-spots injection-production pattern of straight and horizontal wells have been studied. The influence of horizontal and vertical heterogeneity on oil/water displacement, the effect of straight and horizontal wells on oil/water displacement, as well as the effect of polymer flooding have been concluded. Experiment with this device may provide direct technical guidance for oil field flood pattern modification and injection development mode modification.

3d physical model; experiment device; high temperature and pressure; oil/water displacement experiment; polymer flooding experiment

1001-6112(2013)05-0570-04

10.11781/sysydz201305570

TE35

A

2012-08-03；

2013-07-15。

彭彩珍(1963—)，女，碩士，副教授，從事油氣藏開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)分析和特殊巖心實(shí)驗(yàn)研究。E-mail: pengcz918@163.com。

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2008ZX05030-05)資助。