孫紅霞

(1.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

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高含水期水驅(qū)特征曲線上翹新認(rèn)識(shí)

孫紅霞1，2

(1.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

傳統(tǒng)水驅(qū)特征曲線在高含水階段明顯偏離直線關(guān)系，曲線普遍存在上翹現(xiàn)象。通過(guò)孔隙尺度油水兩相流動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了不同水驅(qū)階段剩余油賦存特征，建立了微觀剩余油賦存狀態(tài)的定量表征方法，利用微觀數(shù)值模擬手段分析了水驅(qū)油過(guò)程中的油水流動(dòng)形態(tài)及剩余油賦存狀態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明，水驅(qū)特征曲線的上翹與剩余油賦存狀態(tài)的變化存在必然的聯(lián)系，水驅(qū)過(guò)程是油相由連續(xù)相向非連續(xù)相甚至分散相逐漸轉(zhuǎn)化的過(guò)程；通過(guò)分散比量化油相的分散程度，建立分散比與水驅(qū)特征曲線的關(guān)系，得出了水驅(qū)特征曲線上翹的內(nèi)在原因。研究結(jié)果對(duì)中、高滲透油藏水驅(qū)開(kāi)發(fā)機(jī)理研究具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

水驅(qū)特征曲線；微觀滲流模擬；曲線上翹；剩余油賦存狀態(tài)；水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)；定量表征

0 引 言

水驅(qū)特征曲線已經(jīng)廣泛用于水驅(qū)油田的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，隨著中國(guó)部分注水開(kāi)發(fā)油田逐步進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段，發(fā)現(xiàn)常用的甲型和乙型水驅(qū)特征曲線在含水達(dá)到某一值時(shí)，實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)偏離直線段，發(fā)生“上翹”現(xiàn)象[1-3]。陳元千[4]對(duì)高含水期甲型和乙型水驅(qū)特征曲線進(jìn)行了推導(dǎo)，指出油、水相對(duì)滲透率比與含水飽和度之間的半對(duì)數(shù)直線關(guān)系在高含水階段發(fā)生偏離是甲型和乙型水驅(qū)特征曲線上翹的理論原因。劉世華[5]指出隨著含水飽和度的增加，油相由大片的連續(xù)相變?yōu)椴糠诌B續(xù)，再進(jìn)一步變?yōu)榉沁B續(xù)相，使得油相滲流能力驟減，導(dǎo)致油、水相對(duì)滲透率比的對(duì)數(shù)值與含水飽和度關(guān)系曲線出現(xiàn)下彎，是水驅(qū)曲線在高含水期上翹的根本原因。對(duì)于水驅(qū)曲線在高含水期存在上翹現(xiàn)象的研究目前主要集中在理論及定性的原因分析方面，缺乏定量研究。利用微觀孔隙尺度水驅(qū)油物理實(shí)驗(yàn)可視化的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了不同水驅(qū)階段剩余油的賦存形態(tài)，并建立定量化表征方法，通過(guò)孔隙尺度數(shù)值模擬再現(xiàn)水驅(qū)油流動(dòng)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)水驅(qū)過(guò)程各項(xiàng)開(kāi)發(fā)指標(biāo)參數(shù)及剩余油賦存特征變化規(guī)律，將水驅(qū)特征曲線上翹時(shí)機(jī)與剩余油賦存形態(tài)變化規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，從孔隙尺度方面揭示了水驅(qū)特征曲線上翹的內(nèi)在原因。

1 微觀水驅(qū)油物理實(shí)驗(yàn)

以孤島中13斜檢9井116號(hào)樣品CT掃描圖片為基礎(chǔ)，根據(jù)其孔隙結(jié)構(gòu)分布特征制作了微觀物理模型。模型材料為透明玻璃，采用化學(xué)刻蝕方法[6]在玻璃表面刻蝕一定大小及形狀的孔隙和喉道。模型尺寸為1.25 cm×2.25 cm，通過(guò)控制刻蝕路徑，建立不同孔喉大小分布、具有一定連通性的孔隙模型。模型最小孔隙半徑為15 μm，最大孔隙半徑為146 μm，平均孔隙半徑為26 μm。將一定濃度的SiO2納米顆粒溶膠吸附在玻璃模型表面，使模型的潤(rùn)濕性為油性潤(rùn)濕，潤(rùn)濕角為140 °。模型初始狀態(tài)飽和油，右側(cè)為注入端，以定驅(qū)替壓力梯度0.1 MPa/m注水，左側(cè)為采出端，接大氣。地層水黏度為1.0 mPa·s，原油密度為0.94 g/cm3，原油黏度為17.6mPa·s。

2 微觀水驅(qū)油數(shù)值模擬

應(yīng)用圖像閾值分割技術(shù)[7]將模型初始狀態(tài)以數(shù)字圖像的形式表示，定義0為黑色，表征充填原油的孔隙空間；1為白色，表征巖石骨架。對(duì)孔隙空間進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分[8]，建立微觀數(shù)值模擬模型，剖分后網(wǎng)格模型總規(guī)模為5.6×104格。采用自主研制微觀數(shù)值模擬軟件對(duì)水驅(qū)油流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行跟蹤模擬，模擬器通過(guò)求解離散形式的Nervier-Stokes動(dòng)量守恒方程及VOF方程(Volume of fluid)實(shí)現(xiàn)對(duì)油水兩相流體的跟蹤[9]。其他巖石流體性質(zhì)及驅(qū)替條件與物理實(shí)驗(yàn)條件相同。

由于微觀物理模型直觀可視，易于觀察水驅(qū)油過(guò)程中的油水流動(dòng)特征，通過(guò)錄像捕捉可以直接得到水驅(qū)不同時(shí)刻的剩余油賦存狀態(tài)圖像，進(jìn)一步采用圖像處理技術(shù)可以計(jì)算不同時(shí)刻的含油飽和度，從而建立含油飽和度與剩余油賦存特征的聯(lián)系。但是微觀物理模型較小，難以對(duì)出口端采出量進(jìn)行精確計(jì)量，因此，通過(guò)擬合不同水驅(qū)階段的波及動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)物理模擬與數(shù)值模擬驅(qū)替過(guò)程的統(tǒng)一(圖1)。計(jì)算同一時(shí)刻的數(shù)模模型飽和度及出口端的產(chǎn)油量、產(chǎn)水量、含水等采出指標(biāo)，從而建立水驅(qū)過(guò)程開(kāi)發(fā)指標(biāo)參數(shù)與剩余油賦存特征的聯(lián)系。

圖1 不同時(shí)刻水驅(qū)波及動(dòng)態(tài)及含油飽和度擬合

3 剩余油賦存狀態(tài)定量表征

應(yīng)用圖像閾值分割技術(shù)[7]將不同水驅(qū)階段以數(shù)字圖像的形式表示，定義0為黑色，表征剩余油；1為白色，表征巖石骨架及注入水。物理模型孔隙體積可以由初始飽和原油時(shí)刻0值對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)目計(jì)算得出。水驅(qū)各階段的含油飽和度為：

(1)

式中：So為含油飽和度；No為當(dāng)前時(shí)刻模型中剩余油對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)目，個(gè)；Np為模型初始飽和原油時(shí)刻孔隙空間對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)目，個(gè)。

分別從剩余油的形態(tài)、占據(jù)孔隙數(shù)的多少、與孔隙壁面的關(guān)系及油水相界面多少等方面，對(duì)不同賦存狀態(tài)的剩余油進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)表征，可分為：①連片狀，剩余油連續(xù)貫穿于多個(gè)(大于等于5個(gè))孔隙中，區(qū)域內(nèi)油的覆蓋空間與孔隙覆蓋空間大致相同，剩余油有多個(gè)孔隙出口；②油柱，剩余油連續(xù)貫穿于多個(gè)(大于2個(gè)，小于5個(gè))孔隙中，有2個(gè)或2個(gè)以上油水相界面，相界面的面積遠(yuǎn)小于覆蓋在壁面上的面積(小于20%)；③油滴，剩余油分布于1個(gè)孔隙或喉道中，僅有1個(gè)油水相界面，剩余油各點(diǎn)遠(yuǎn)離孔隙壁面或者相界面的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于覆蓋壁面的面積(大于80%)；④油膜，孔喉中心為水相，剩余油覆蓋在孔隙壁面，且油水相界面面積與覆蓋孔隙壁面面積接近(大于90%)。依據(jù)上述剩余油定量表征方法，編制不同賦存形態(tài)剩余油表征程序，定量分析水驅(qū)過(guò)程中的剩余油賦存形態(tài)變化規(guī)律。

4 水驅(qū)特征曲線上翹認(rèn)識(shí)

4.1 水驅(qū)特征曲線上翹原因分析

基于水驅(qū)不同階段的剩余油賦存狀態(tài)可知，隨著含油飽和度降低，各種賦存狀態(tài)的剩余油變化明顯呈現(xiàn)2種趨勢(shì)：隨著含油飽和度降低，剩余油體積所占比例逐漸減少，以連片狀剩余油為主；隨著含油飽和度降低，剩余油體積所占比例逐漸增大，以分散態(tài)的油柱、油滴、油膜為主(表1)。

表1 不同賦存狀態(tài)剩余油體積相對(duì)比例變化

為了定量分析油流分散程度，根據(jù)剩余油的賦存形態(tài)，將油柱、油滴及油膜狀態(tài)的剩余油作為分散態(tài)油，以連片狀剩余油作為連片狀油，定義分散比為當(dāng)前時(shí)刻分散態(tài)剩余油體積與連片狀剩余油體積比，即：

(2)

式中：Rdis為分散比；V油柱、V油滴、V油膜、V連片分別為當(dāng)前時(shí)刻油柱、油滴、油膜及連片狀剩余油體積，cm3。

圖2為甲型水驅(qū)特征曲線，在含水95%時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯上翹的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后產(chǎn)水量明顯增加。圖3為分散比與含水關(guān)系曲線，含水大于95%后連片狀油急劇減少，分散態(tài)油呈大比例上升。水驅(qū)特征曲線上翹時(shí)機(jī)與分散比出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)機(jī)存在一致性。水驅(qū)特征曲線的上翹與剩余油賦存狀態(tài)的變化兩者存在必然的聯(lián)系。

水驅(qū)特征曲線是通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型出口端生產(chǎn)動(dòng)態(tài)指標(biāo)反映含水上升規(guī)律的典型曲線，特征曲線上翹說(shuō)明開(kāi)發(fā)進(jìn)入特高含水期后，產(chǎn)油量急劇減少，產(chǎn)水量急劇增大，含水急劇上升，是水驅(qū)開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)[12-13]。剩余油分散特征曲線是通過(guò)定量描述模型內(nèi)部流體形態(tài)變化反映水驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程流動(dòng)現(xiàn)象的一種方式，水驅(qū)開(kāi)發(fā)初期，剩余油占據(jù)并充滿(mǎn)孔隙，呈連片狀分布，油相連續(xù)性較強(qiáng)。隨著注入水不斷增加，油相由大塊的連片狀油不斷被分割、沖刷，逐漸向分散的油柱、油滴、油膜轉(zhuǎn)化，油相體積減小，塊數(shù)增多，并且不再充滿(mǎn)孔隙，油相的連續(xù)性逐漸減弱，分散性加劇，使得油相流動(dòng)性變差，水相流動(dòng)性相對(duì)增強(qiáng)，分散態(tài)的油只能通過(guò)注入水?dāng)y帶采出，造成模型出口端含水極不穩(wěn)定，且水油比明顯增大，表現(xiàn)為水驅(qū)特征曲線上翹。因此，水驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油流分散程度的變化是決定水驅(qū)特征曲線上翹的直接原因。

圖2 甲型水驅(qū)特征曲線

圖3 分散比與含水率關(guān)系

4.2 剩余油分散性影響因素分析

水驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，驅(qū)替條件、流體性質(zhì)、巖石性質(zhì)等均會(huì)影響剩余油的分散性。分別采用不同驅(qū)替壓力梯度(0.10、0.15、0.30 MPa/m)、不同油水黏度比(17.6、30.0、50.0)、不同巖石潤(rùn)濕角(140、90、50 °)開(kāi)展水驅(qū)油流動(dòng)數(shù)值模擬(圖4)。結(jié)果表明，驅(qū)替壓力梯度越大，油水黏度比越大，剩余油分散比越大，分散性越強(qiáng)；油濕條件下，剩余油分散性明顯高于水濕與中性潤(rùn)濕；驅(qū)替壓力梯度、油水黏度比對(duì)剩余油分散性的影響明顯大于巖石的潤(rùn)濕性。因此，從孔隙尺度流體流動(dòng)來(lái)看，水驅(qū)開(kāi)發(fā)中，驅(qū)替壓力梯度高、油水黏度比大及油性潤(rùn)濕等條件都會(huì)增大剩余油的分散性，不利于油藏開(kāi)發(fā)。

圖4 不同影響因素條件下的分散比曲線

4.3 下步研究方向

水驅(qū)特征曲線是對(duì)水驅(qū)開(kāi)發(fā)宏觀結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，剩余油分散特征曲線是對(duì)水驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程微觀現(xiàn)象的定量描述，利用剩余油分散特征解釋水驅(qū)開(kāi)發(fā)特征，搭建了微觀現(xiàn)象解釋宏觀結(jié)果的橋梁，是對(duì)微觀與宏觀結(jié)合的較好嘗試。

水驅(qū)開(kāi)發(fā)過(guò)程中剩余油流動(dòng)形態(tài)的轉(zhuǎn)化意味著流體流動(dòng)主要作用力的變化，因此，基于流體力學(xué)微觀數(shù)值模擬方法建立剩余油力學(xué)分析手段，探索剩余油賦存形態(tài)變化的力學(xué)機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步研究高含水期水驅(qū)開(kāi)發(fā)特征機(jī)理，提出規(guī)避或延遲剩余油分散比拐點(diǎn)的油藏開(kāi)發(fā)方式具有重要意義。

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)微觀水驅(qū)油物理實(shí)驗(yàn)建立了剩余油賦存狀態(tài)定量表征方法，開(kāi)展了不同含油飽和度下的剩余油賦存狀態(tài)定量分析，認(rèn)識(shí)到水驅(qū)油過(guò)程中連片狀的剩余油不斷減少，分散態(tài)的油柱、油滴、油膜逐漸增多，油相由連續(xù)相向非連續(xù)相甚至分散相逐漸轉(zhuǎn)化，分散比增大，是導(dǎo)致高含水期甲型水驅(qū)曲線上翹的內(nèi)在原因。

(2) 水驅(qū)開(kāi)發(fā)中，驅(qū)替壓力梯度高、油水黏度比大及油性潤(rùn)濕等條件都會(huì)增大剩余油的分散性，不利于油藏開(kāi)發(fā)。

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編輯 劉 巍

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.020

20150821；改回日期：20151125

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”之“勝利油田特高含水期提高采收率技術(shù)”(2011ZX05011)專(zhuān)題一“精細(xì)油藏描述技術(shù)及剩余油賦存方式研究”(2011ZX05011-001)

孫紅霞(1983-)，女，工程師，2005年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為該校油氣田開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)在讀博士研究生，主要從事水驅(qū)油藏滲流理論及油氣藏?cái)?shù)值模擬等研究工作。

TE327

A

1006-6535(2016)01-0092-04