楊海博,武云云,王 濤,張紅欣，孫志剛

(1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257015;2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院)

窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅(qū)三維物理模擬實(shí)驗(yàn)

楊海博1,武云云1,王 濤2,張紅欣1，孫志剛1

(1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257015;2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院)

為了研究人工邊水驅(qū)技術(shù)的提高采收率機(jī)理與可行性，以勝利油區(qū)辛1沙一4窄屋脊斷塊油藏為原型，通過自主研發(fā)的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置開展了水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高注水倍數(shù)下，模型的最終采出程度可達(dá)到70%左右；轉(zhuǎn)邊水驅(qū)之后，點(diǎn)狀模型平均提高采出程度15.69%；點(diǎn)狀注水會(huì)將一部分油推向邊水方向，轉(zhuǎn)邊水驅(qū)后這部分油可反推回來；“靜置”一段時(shí)間后，重新生產(chǎn)時(shí)可取得良好的效果，但后續(xù)效果依次減弱；人工邊水驅(qū)可提高油藏采出率。研究成果應(yīng)用于勝利油田現(xiàn)河采油廠礦場(chǎng)試驗(yàn)，已取得良好的開發(fā)效果。

斷塊油藏；人工邊水驅(qū)；物理模擬；提高采收率

“十五”以來，勝利斷塊油藏普遍進(jìn)入特高含水階段，迫切需要新的提高采收率技術(shù)[1-5]。生產(chǎn)實(shí)踐表明，邊水能量較強(qiáng)的斷塊油藏一般可以獲得較好的開發(fā)效果[1-3]。

在勝利東辛油田辛1沙一4斷塊油藏開展了人工邊水驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)[4]。該單元地質(zhì)儲(chǔ)量65×104t，有效厚度12.5 m，地層傾角12.5°，油層孔隙度25%，滲透率464×10-3μm2，原油地面黏度310 mPa·s。試驗(yàn)前，單元開井2口，日產(chǎn)液28 m3，日產(chǎn)油1.1 t，含水96.2%，基本處于技術(shù)廢棄狀態(tài)。2008 年 4 月，先后在原始含油邊界之外利用鄰塊報(bào)廢的油水井上返注水，最高單井日注水達(dá)到500 m3，在累計(jì)注水量達(dá)15×104m3后，2 口停產(chǎn)井恢復(fù)生產(chǎn)。這兩口井都停產(chǎn)近10年的時(shí)間，停前的含水都在97.5%以上，恢復(fù)生產(chǎn)后含水分別下降到55%和88%，日產(chǎn)油達(dá)到10 t，之后又先后在構(gòu)造高部位補(bǔ)孔上返了2口油井，其中1口最高日產(chǎn)油40 t，自噴生產(chǎn)。實(shí)施人工邊水驅(qū)試驗(yàn)以來，該單元已累增油3.2×104t，提高采收率5.9%，取得了很好的開發(fā)效果 。

借助于生產(chǎn)實(shí)踐的成功經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步解釋現(xiàn)象、明晰機(jī)理，本文以辛1 沙一4斷塊油藏為原型設(shè)計(jì)物理模型，直接模擬油藏流體、儲(chǔ)集層物性等參數(shù)，真實(shí)地研究油藏滲流規(guī)律，對(duì)比開展邊水驅(qū)、邊內(nèi)點(diǎn)狀注水轉(zhuǎn)邊水驅(qū)的模擬實(shí)驗(yàn)，分析人工邊水對(duì)提高采收率的影響。

1 物理模型及模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置是自主研發(fā)的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，主要由模型系統(tǒng)、注入系統(tǒng)、流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)四部分組成。模型系統(tǒng)包括邊水模型、點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型，模型尺寸為40 cm×33.4 cm×1.6 cm。注入系統(tǒng)包括兩臺(tái)ISCO泵、中間容器及連接管線組成，提供的壓力最小可達(dá)1.0 kPa；流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)由電極探片、電阻測(cè)量儀、多路數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成，電阻測(cè)量范圍為0.0001～9 999 kΩ。計(jì)量系統(tǒng)包括油水分離器、天平、相機(jī)和計(jì)算機(jī)，計(jì)量精度可達(dá)0.01 mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

基于前人對(duì)油藏物理模型相似準(zhǔn)則的研究與歸納[5-10]，物理模型的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似等，對(duì)油藏特征參數(shù)進(jìn)行相似性設(shè)計(jì)，實(shí)際油藏參數(shù)及模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。假設(shè)實(shí)驗(yàn)流體是不可壓縮的，水驅(qū)過程是絕熱等溫度，不考慮壓力和溫度對(duì)流體的影響，因此實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，實(shí)驗(yàn)流體介質(zhì)為模擬原油和3%KCl溶液。

1.3 模型設(shè)計(jì)

模型及井網(wǎng)示意圖如圖1所示，井網(wǎng)為一注兩采，其中模型下方③為邊內(nèi)點(diǎn)狀注水井，上方④和⑤為采出井；在模型下方安裝一個(gè)40 cm×1.5 cm×1.6 cm的水槽來模擬邊水；模型上布置了11口用來飽和油水的模擬井；在模型上下面對(duì)稱布置了40對(duì)電極探片；設(shè)置油水過渡帶。其中，注入井①和②作為邊外井模擬邊水驅(qū),注入井③作為點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型的注水井，用注入井③下部的一排飽和用井和電極監(jiān)測(cè)的電阻值來控制飽和油的過程。

表1 水驅(qū)實(shí)驗(yàn)參數(shù)值

圖1 模型及井網(wǎng)設(shè)計(jì)示意圖

1.4 模型制備

利用大物理模型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鼮檎鎸?shí)地模擬實(shí)際油藏條件，物理模型采取燒結(jié)方式制作[11-12]，模型以多級(jí)目數(shù)的石英砂及大青土為主要材料，加入一定比例的磷酸鋁膠結(jié)劑充分混合，填置于特制的模具中以20 MPa的壓力壓制而成，后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)。將制成的模型切割成符合要求的尺寸，在切下來的部分可以鉆取小巖心測(cè)量孔隙度和滲透率等物性參數(shù)。得到符合幾何尺寸的模型兩塊，滲透率1140×10-3μm2，孔隙度27.3%。然后在模型上布置電極探片，采用特殊材料固定密封在模型上，對(duì)模型整體澆鑄密封。澆鑄采用耐壓耐高溫的特殊材料，保證模型能夠在0～1.5 MPa注采壓差和0～100℃溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D1在模型上鉆深孔模擬注入井、采出井、飽和井，再進(jìn)行最后的密封。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

(1)物理模型抽真空，飽和水。對(duì)模型抽真空，飽和3%的KCl溶液，得到模型總孔隙體積和孔隙度，測(cè)量模型平面各測(cè)點(diǎn)原始電阻值。

(2)飽和油。對(duì)于大尺寸模型來說，飽和油過程是決定實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開始階段速度要慢，先由模型上方的一排飽和井注入，然后依次下移。在飽和過程中交替改變?nèi)肟诤统隹冢瑫r(shí)通過觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)電阻值反映飽和油的均勻程度，直至模型不再出水，得到模型的初始含油飽和度。用模型下方的飽和井和電極來控制模型油水過渡帶上的飽和程度。

(3)水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)。采用定壓的方法，進(jìn)行了高低壓差下兩組水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)測(cè)量注入過程中模型測(cè)點(diǎn)的電阻值和產(chǎn)液量，當(dāng)含水達(dá)到高含水階段，邊內(nèi)點(diǎn)狀模型轉(zhuǎn)為邊水驅(qū)，對(duì)邊水模型和點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型提速，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。記錄各井的采出油量及采出水量，計(jì)算采出程度及階段含水率。

(4)數(shù)據(jù)處理。通過對(duì)產(chǎn)液量的計(jì)算得到不同時(shí)間段油水的產(chǎn)出值，繪制注水倍數(shù)與綜合含水、采出程度的關(guān)系曲線。通過對(duì)電阻率值歸一化處理，繪制模型內(nèi)油水飽和度場(chǎng)分布圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

共完成了兩組實(shí)驗(yàn)，初始?jí)毫Ψ謩e為16 kPa和3.3 kPa，模擬實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了見水、點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水、提速等幾個(gè)過程。

表2是不同壓差下兩組水驅(qū)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果，圖2是初始?jí)毫?6 kPa下點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型與邊水模型綜合生產(chǎn)的對(duì)比曲線。可以看出，經(jīng)過轉(zhuǎn)邊水、提高注水倍數(shù)后，兩個(gè)模型的總體采出程度相接近，總采出程度可達(dá)到70%左右。點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型的含水率上升是比較快的，無水期采出程度要小于邊水模型，尤其是在高壓差的情況下，點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型更容易突進(jìn)，見水較早，無水期采出程度低，為11.58%。在轉(zhuǎn)為邊水驅(qū)之后，兩組實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型分別提高采出程度16.61%和14.76%。在相同的注水倍數(shù)下，邊水模型的采出程度始終要高于點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型的采出程度。

對(duì)比驅(qū)替壓差對(duì)采出程度的影響發(fā)現(xiàn)，在較大的驅(qū)替壓力下，點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型和邊水模型的采出程度分別提高了3.75%和4.46%，說明無論是點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型還是邊水模型，強(qiáng)注的效果是比較好的。

繪制了兩組實(shí)驗(yàn)水驅(qū)過程的飽和度場(chǎng)分布圖，如圖3和圖4。在飽和油階段，點(diǎn)狀模型和邊水模型飽和油是比較均勻的。圖2反映了實(shí)驗(yàn)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即見水時(shí)刻、轉(zhuǎn)邊水時(shí)機(jī)、提速時(shí)刻等，總體說來，邊水模型的水線推進(jìn)是比較均勻的，但是兩者差別不大，總注入倍數(shù)都為30 PV左右；圖3反映了轉(zhuǎn)邊水時(shí)機(jī)前含水率達(dá)到90%、95%和99%時(shí)飽和度場(chǎng)的分布情況，邊水模型的水線推進(jìn)確實(shí)要比點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型均勻得多，而且注水倍數(shù)更高;點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型含水率到99%時(shí)注水倍數(shù)為3.87 PV，出現(xiàn)了水侵“優(yōu)勢(shì)通道”，造成水驅(qū)的無效循環(huán)；而邊水模型的注水倍數(shù)達(dá)到7.16 PV含水率才到99%，說明點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型更快進(jìn)入特高含水階段，提高采收率難度大，邊水模型更容易消耗大量的污水。

表2 不同壓差下兩組水驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2 點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型與邊水模型綜合生產(chǎn)曲線(16kPa)

為了更好地研究轉(zhuǎn)邊水對(duì)提高采收率的作用機(jī)理，對(duì)比分析了模型油水過渡帶上電極監(jiān)測(cè)的電阻值曲線，如圖5。實(shí)驗(yàn)開始后，邊水模型油水過渡帶上的電阻值始終呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，經(jīng)高注水倍數(shù)后，殘余油飽和度較低，電阻值維持在很低的狀態(tài)；點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型油水過渡帶上的電阻值先略有升高，隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開始下降，轉(zhuǎn)邊水驅(qū)后又出現(xiàn)了一次“抬高”現(xiàn)象，最后電阻值維持在較低的狀態(tài)。分析原因是邊水模型是將油一直推向采出井方向，油水過渡帶的含油飽和度是一直減小的；點(diǎn)狀注水會(huì)將注水點(diǎn)周圍的一部分油推向模型下方，造成過渡帶上的含油飽和度增大；當(dāng)水線繼續(xù)推進(jìn)造成電極處水淹時(shí)，電阻值會(huì)急劇下降，改為邊水驅(qū)后，油水過渡帶上電極監(jiān)測(cè)的電阻值幾乎在同一時(shí)刻開始升高，說明水線均勻推進(jìn)，下移的這部分油形成“油墻”上移至電極處，電極位置油飽和度變大，電阻值升高，當(dāng)“油墻”通過電極位置，電阻值一直變小直至穩(wěn)定。因此，點(diǎn)狀注水會(huì)將一部分油推向邊水方向，轉(zhuǎn)邊水驅(qū)后這部分油可反推回來。

圖3 物理模擬飽和度場(chǎng)分布(驅(qū)替壓力16.5kPa)

圖4 物理模擬飽和度場(chǎng)分布(驅(qū)替壓力3.3 kPa)

圖5 模型油水過渡帶電阻值變化曲線(左圖為點(diǎn)狀轉(zhuǎn)邊水模型，右圖為邊水模型)

另外，實(shí)驗(yàn)考察了“靜置”對(duì)提高采收率的影響，水驅(qū)至含水95%時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)，將模型水平放置10天，重新水驅(qū)發(fā)現(xiàn)，含水率從95%降至88%，穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時(shí)間較長；當(dāng)含水升至97%時(shí)進(jìn)行第二次“靜置”，傾斜放置七天，重新生產(chǎn)含水下降至87%，但持續(xù)時(shí)間較上次短；依此又“靜置”了三次。停注“靜置”一段時(shí)間后，模型內(nèi)部油水重新分布，再次生產(chǎn)時(shí)，含水會(huì)發(fā)生明顯下降，但后續(xù)效果依次減弱。這也是現(xiàn)場(chǎng)一些油井在關(guān)停多年后重新開井時(shí)又取得良好效果的重要原因。

綜合物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出，人工邊水驅(qū)在注水方式上屬邊外注水，可提高邊外水體的能量，一方面緩解了點(diǎn)狀注水“水舌”的快速推進(jìn)；另一方面也避免了注水井間干擾產(chǎn)生井間滯留區(qū)域，擴(kuò)大水驅(qū)波及體積，提高平面波及系數(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

(1)河76沙二6-8區(qū)塊具有弱邊水特征，含油面積0.28 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量56.7×104t，油水黏度比3.5，滲透率651×10-3μm2，地層傾角15°，條帶寬度300 m，油層厚度30.9 m，水油體積比0.8，綜合含水達(dá)到96.5%。2013年11月開始實(shí)施人工邊水驅(qū)，實(shí)施后該區(qū)塊單井初增油16.0 t/d，半年區(qū)塊累增油0.313×104t，累注水6.25×104m3。

(2)河46區(qū)塊沙二9上穩(wěn)層系具有封閉型弱邊水特征，含油面積0.20 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量79.5×104t，滲透率585×10-3μm2，油藏埋深2 150 m，地層傾角12°，含油條帶300 m，水油體積比5.1，綜合含水達(dá)到90.5% 。實(shí)施人工邊水驅(qū)后該區(qū)塊單井初增油26.8 t/d，年區(qū)塊累增油1.98×104t，累注水5.75×104t。

僅對(duì)現(xiàn)河復(fù)雜斷塊人工邊水驅(qū)進(jìn)行分析，按提高采收率5個(gè)百分點(diǎn)估算，人工邊水驅(qū)具有450多萬噸的可采儲(chǔ)量潛力，按平均含水97%、30倍注水量計(jì)算，總采出水量15×108m3，總注水量27×108m3，可解決污水近12×108m3，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。截至到2014年6月底，共選擇了14個(gè)斷塊進(jìn)行了推廣應(yīng)用，動(dòng)用地質(zhì)儲(chǔ)量775×104t，已累計(jì)增油2.6×104t，減少污水外排104×104m3。

4 結(jié)論

通過三維物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，邊水模型的水線推進(jìn)更加均勻，水的利用率更高；點(diǎn)狀注水會(huì)將一部分油推向邊水方向，轉(zhuǎn)邊水驅(qū)后能將外推邊水方向的油反推回來；“靜置”一段時(shí)間后重新生產(chǎn)可獲得較好的開發(fā)效果但后續(xù)效果會(huì)逐漸變差。因此，通過邊外大排量注水形成人工邊水驅(qū)，既有效補(bǔ)充地層能量，又提高注入倍數(shù)及驅(qū)替壓力梯度，從而擴(kuò)大水驅(qū)波及體積，提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度，大幅度提高油藏采出率。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)06-0127-04

2015-06-29

楊海博，工程師，碩士，1984年生，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)主要從事油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)研究工作。

國家科技重大專項(xiàng)“勝利油田特高含水期提高采收率技術(shù)”(2011ZX05011-003)。

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