聞?dòng)畛?，?鳴，侯吉瑞，梁 拓，馬仕希，吳偉鵬，楊景斌

（1.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 前言

油氣資源在現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步中起著不可替代的作用［1］。碳酸鹽巖油氣藏在常規(guī)油藏中占據(jù)著重要地位，世界上40%的大型油藏均屬于碳酸鹽巖油氣藏，其地質(zhì)儲(chǔ)量約占常規(guī)油藏總儲(chǔ)量的60%，產(chǎn)量約占常規(guī)油藏總產(chǎn)量的50%［1-4］。碳酸鹽巖油氣藏對世界油氣產(chǎn)量作出了巨大的貢獻(xiàn)［5］。

塔河油田奧陶系縫洞型碳酸鹽巖油藏是國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最大碳酸鹽巖油藏［6-9］?？p洞型碳酸鹽巖油藏主要以大型溶洞和溶蝕孔洞為主要的儲(chǔ)集空間，以裂縫為主要的流動(dòng)通道［10-11］。塔河縫洞型碳酸鹽巖油藏初期依靠天然能量彈性水驅(qū)衰竭式開采，造成底水錐進(jìn)、采出程度下降以及地層能量急劇下降的后果；中期依靠注氣補(bǔ)充地層能量，穩(wěn)油控水，達(dá)到增產(chǎn)目的。但由于縫洞型碳酸鹽巖油藏中溶洞、裂縫尺寸差異明顯，縫洞連通程度復(fù)雜，非均質(zhì)性極強(qiáng)。其中裂縫是主要的流動(dòng)通道且發(fā)育程度高，產(chǎn)狀多樣，裂縫開度變化劇烈，嚴(yán)重影響氣體在裂縫中的波及路徑和特征，造成氣體竄逸，導(dǎo)致氣體優(yōu)勢通道快速形成，最終采收率較低［12-13］。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)者對縫洞型碳酸鹽巖油藏注氣提高采收率技術(shù)的研究很多，但是對于氣體在裂縫中的流動(dòng)規(guī)律和氣竄機(jī)理尚不明確，尤其對不同開度裂縫中氣體流動(dòng)規(guī)律的研究甚少。本文旨在通過設(shè)計(jì)不同開度的單裂縫模型以及變開度裂縫模型，研究不同開度裂縫中氣體運(yùn)移規(guī)律，為縫洞型碳酸鹽巖油藏注氣提高采收率技術(shù)提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

根據(jù)塔河縫洞型碳酸鹽巖油藏地層流體特征和物理模型相似性設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)條件如下：實(shí)驗(yàn)用模擬油（μ=23.9 mPa·s，ρ=0.821 g/cm3，25℃）由煤油與液體石蠟按一定比例復(fù)配而成，為了增強(qiáng)可視化效果，用蘇丹紅將模擬油染為紅色；實(shí)驗(yàn)用水為模擬塔河油田地層水，礦化度235828.4 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Na+61385.4、，為了實(shí)驗(yàn)觀察方便用亞甲基藍(lán)染色；實(shí)驗(yàn)所用氣體為純度99.9%的氮?dú)?；?shí)驗(yàn)溫度為25℃。

1.2 模型的設(shè)計(jì)制作

1.2.1 單裂縫模型的相似性設(shè)計(jì)

為研究縫洞型碳酸鹽巖油藏中氣體在裂縫中的波及路徑和特征，設(shè)計(jì)制作物理模型進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。物理模型參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)以相似準(zhǔn)則為根據(jù)，依據(jù)實(shí)際縫洞型碳酸鹽巖油藏裂縫以及裂縫中流動(dòng)流體參數(shù)確定室內(nèi)裂縫物理模型實(shí)驗(yàn)條件及相關(guān)參數(shù)。但天然縫洞型碳酸鹽巖油藏中裂縫發(fā)育程度極高，產(chǎn)狀、尺度以及裂縫角度差異較大；因此對于同一個(gè)模型要同時(shí)滿足多種相似準(zhǔn)則很難實(shí)現(xiàn)，只能對局部條件進(jìn)行相似性設(shè)計(jì)。流體在裂縫中的流動(dòng)主要受黏滯力和重力的影響，因此優(yōu)先選擇運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似設(shè)計(jì)室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)［14-15］。

式中，F(xiàn)Q為采液速率和注入速率的比值；Q為注入速度，m3/d；r 為井徑，mm；μ為流速，m/s；FG表征為注入壓力與重力之比；Δp為生產(chǎn)壓差，kPa；ρ0為原油密度，g/cm3；g 為重力加速度，m/s2；B 為裂縫開度，cm；μ為流體黏度，mPa·s。

當(dāng)相似準(zhǔn)數(shù)為1 時(shí)，證明實(shí)際油藏裂縫與室內(nèi)物理模型之間存在相似性。通過實(shí)際油藏裂縫與室內(nèi)物理模型各相似項(xiàng)之間相除得到相似系數(shù)，再將相似系數(shù)代入對應(yīng)的相似準(zhǔn)則中得到相應(yīng)的相似準(zhǔn)數(shù)?；谙嗨茰?zhǔn)數(shù)為1 的前提下，得到室內(nèi)裂縫物理模型參數(shù)如表1。

根據(jù)相似系數(shù)得到相似準(zhǔn)數(shù)FQ=0.99、FG=1.06，證明實(shí)際油藏裂縫與室內(nèi)裂縫物理模型滿足上述相似準(zhǔn)則。

1.2.2 單裂縫和微裂縫模型的制作

為研究實(shí)際縫洞型碳酸鹽巖油藏裂縫中氣體驅(qū)油效果和波及規(guī)律，設(shè)計(jì)制作兩套物理模型，即“比例相似模型”和“微觀機(jī)理模型”?！氨壤嗨颇Ｐ汀笔腔谙嗨茰?zhǔn)則得到的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)參數(shù)而設(shè)計(jì)組裝的物理模型。為研究不同裂縫開度及變裂縫開度下的注氣效果，本文設(shè)計(jì)裂縫開度分別為0.2、0.5、1、2.5和5 mm的等開度單裂縫模型以及開度變化分別為0.2數(shù)1、0.5數(shù)2.5 mm 的均勻變開度單裂縫模型?！氨壤嗨颇Ｐ汀钡耐庥^尺寸為50 cm×4.5 cm×4.5 cm，模型中每隔5 cm設(shè)有1個(gè)測壓點(diǎn)，共設(shè)7個(gè)測壓點(diǎn)。物理模型如圖1所示。

圖1 比例相似模型

“微觀機(jī)理模型”旨在研究氣體在不同裂縫開度下的流動(dòng)機(jī)理而設(shè)計(jì)制作的微觀可視化裂縫物理模型?？紤]與單裂縫模型相對應(yīng)，設(shè)計(jì)制作與單裂縫模型開度變化相對應(yīng)的微觀裂縫物理模型。微觀裂縫模型主要以有機(jī)玻璃為材料，其裂縫利用激光刻蝕技術(shù)形成，刻蝕深度0.5 mm。微觀裂縫物理模型外觀尺寸為3 cm×5 cm×0.5 mm。模型如圖2所示。

表1 室內(nèi)裂縫物理模型和實(shí)際油藏裂縫參數(shù)及相似系數(shù)

圖2 微觀機(jī)理模型

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

1.3.1 單裂縫模型

單裂縫物理模型實(shí)驗(yàn)裝置包括實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)、縫洞介質(zhì)物理模型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)由高純高壓氮?dú)馄亢蜌怏w流量計(jì)以及恒速恒壓泵組成，其中氣體流量計(jì)用于控制氣體注入速度和記錄氣體累計(jì)注入量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選用CS200A型氣體流量計(jì)（量程為0數(shù)50 mL/min，精度為1%）；注入泵用于控制注入水的流速，選用2PB-2020 型注入泵（量程為0.1數(shù) 20 mL/min，精度為1%）?？p洞介質(zhì)物理模型系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)制作的不同裂縫物理模型；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括采出液計(jì)量裝置、壓力圖像采集軟件以及穩(wěn)壓罐等。單裂縫物理模型實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示：

圖3 單裂縫模型實(shí)驗(yàn)流程圖

1.3.2 微觀裂縫物理模型

微觀裂縫物理模型實(shí)驗(yàn)裝置主要包括高純高壓氮?dú)馄俊怏w流量計(jì)、流量泵、高清攝像頭（最大分辨率為1080P）、LED光板和計(jì)算機(jī)等。微觀裂縫物理模型實(shí)驗(yàn)流程圖如圖4。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

單裂縫物理模型實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將單裂縫物理模型抽真空飽和模擬油；以1 mL/min的速率注入模擬地層水開展水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，當(dāng)產(chǎn)出的含水率達(dá)到98%時(shí)停止注水；③以1 mL/min的速率注入氮?dú)怛?qū)替剩余油，直至產(chǎn)出井氣竄；④替換尺寸不同的單裂縫物理模型重復(fù)①數(shù)③步實(shí)驗(yàn)流程。

微觀裂縫模型實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將微觀裂縫物理模型抽真空飽和模擬油；②打開高清攝像頭和LED光板，將微觀模型平立豎直放在LED光板正前方；③以50 μL/min注入高純高壓氮?dú)猓ㄟ^高清攝像頭觀察記錄氣體在裂縫中的運(yùn)移規(guī)律和特征。④替換尺寸不同的微觀裂縫模型，重復(fù)①數(shù)③步實(shí)驗(yàn)流程。

圖4 微裂縫模型實(shí)驗(yàn)流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 等開度單裂縫模型中的驅(qū)替情況

2.1.1 氣驅(qū)采收率

圖5是不同等開度單裂縫模型中的采收率隨N2注入體積變化情況，等開度裂縫采收率與注入體積的擬合關(guān)系見表2。隨著N2注入體積的增加，采收率逐漸增大。不同等開度裂縫下的最終采收率有明顯差異：裂縫開度分別為0.2、0.5、2.5、5 mm 下的最終采收率分別為11%、12%、44%和40%。當(dāng)裂縫開度很?。ㄈ?.2 mm）時(shí)，氣體進(jìn)入細(xì)小裂縫需要克服較大附加阻力，從而導(dǎo)致采收率的增加存在延遲，氣體進(jìn)入裂縫后沿裂縫中部運(yùn)移，造成細(xì)小裂縫壁面油膜相對較厚，采收率低。對于裂縫開度為0.5 mm和1 mm的裂縫，注入的氣體進(jìn)入裂縫后，受到壓縮的氣體迅速釋放能量，沿裂縫中部氣竄，導(dǎo)致采收率較低。隨裂縫開度的增加，毛管阻力效應(yīng)逐漸減弱，重力分異作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)裂縫開度為2.5 mm時(shí)，毛管阻力和重力分異作用均處于較弱階段，采收率最高達(dá)到44%。裂縫開度繼續(xù)增大（如5 mm）時(shí)，毛管阻力效應(yīng)明顯減弱，但氣液密度差異引起的重力分異作用占據(jù)主導(dǎo)地位，造成氣體沿裂縫高部位指進(jìn)氣竄，采收率較低。

圖5 等開度裂縫采收率與注入體積關(guān)系

表2 等開度裂縫采收率與PV擬合公式

2.1.2 氣驅(qū)壓力響應(yīng)特征

由于油藏巖石為油潤濕，氣體在進(jìn)入裂縫時(shí)可能在氣油界面上產(chǎn)生曲面附加阻力。等開度裂縫氣驅(qū)過程中裂縫兩端壓差變化見圖6。對于開度小于0.5 mm 的裂縫，只有驅(qū)替壓差高于23 kPa，氣體才能進(jìn)入裂縫，進(jìn)而啟動(dòng)裂縫中的原油。對于開度大于1 mm的裂縫，驅(qū)替壓差達(dá)到11.5 kPa即可使氣體進(jìn)入裂縫。這是由于在小開度裂縫中，氣驅(qū)初期的氣體以氣泡形式進(jìn)入裂縫，氣泡直徑與裂縫寬度相近，受潤濕性和賈敏效應(yīng)影響較大，縫內(nèi)壓差較高。對于較大開度的裂縫，氣泡直徑遠(yuǎn)小于裂縫寬度，氣體比較容易進(jìn)入，縫內(nèi)壓差較低。

圖6 等開度裂縫氣驅(qū)縫內(nèi)壓差變化曲線

2.2 變開度單裂縫模型的驅(qū)替情況

2.2.1 氣驅(qū)采收率

不同變開度單裂縫模型中的采收率隨N2注入體積變化情況見圖7。在變開度裂縫模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中，采收率增加率差異性比等開度裂縫模型驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的小，四個(gè)變開度裂縫模型的最終采收率均較等開度裂縫模型的高。1數(shù)0.2 mm縮徑變開度裂縫模型、0.2數(shù)1 mm 擴(kuò)徑變開度裂縫模型、2.5數(shù)0.5 mm縮徑變開度裂縫模型和0.5數(shù)2.5 mm擴(kuò)徑變開度裂縫模型的最終采收率分別為55%、40%、52%和38%?？s徑變開度裂縫模型的最終采收率均高于擴(kuò)徑變開度裂縫模型。對于擴(kuò)徑變開度裂縫模型，注入井附近裂縫開度小，毛管阻力效應(yīng)明顯，重力分異作用弱，裂縫壁面剩余油較多。當(dāng)氣體進(jìn)入擴(kuò)徑變開度裂縫的深部時(shí)，毛管阻力效應(yīng)弱，重力分異作用明顯增強(qiáng)，氣竄優(yōu)勢通道快速形成，因此擴(kuò)徑變開度裂縫模型最終采收率較低。對于縮徑變開度裂縫模型，注入井附近裂縫開度大，毛管阻力效應(yīng)弱，重力分異作用強(qiáng)，但當(dāng)氣體進(jìn)入裂縫深部時(shí)，毛管阻力效應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，造成近井附近壓力上升，削弱重力分異作用，因此縮徑變開度裂縫模型的氮?dú)怛?qū)采出程度高。

圖7 變開度裂縫采收率與注入體積關(guān)系

2.2.2 氣驅(qū)壓力響應(yīng)特征

變開度裂縫氣驅(qū)過程中裂縫兩端壓差變化見圖8。對于2.5數(shù)0.5 mm的縮徑裂縫，由于裂縫開度逐漸減小，在注入氣體的過程中縫內(nèi)壓差逐漸上升；而對于1數(shù)0.2 mm 的縮徑裂縫，注入0.3 PV 氣體后縫內(nèi)壓力突然升高，之后由于氣體竄逸形成氣體優(yōu)勢通道，注入1 PV 氣體時(shí)縫內(nèi)壓差急劇下降。這是由于受到裂縫內(nèi)黏滯力和迂曲度等因素的影響，在縮徑裂縫中的縫內(nèi)壓力并非按照均勻遞增的趨勢變化。0.2數(shù)1 mm的擴(kuò)徑裂縫的初始縫內(nèi)壓差為29 kPa，0.5數(shù)2.5 mm 的擴(kuò)徑裂縫的初始縫內(nèi)壓差為18 kPa。這是由于裂縫初始開度較小，氣體以氣泡的形式注入裂縫中，受到潤濕性和賈敏效應(yīng)的影響較大，在氣驅(qū)初期的壓差明顯增高。

圖8 變開度裂縫氣驅(qū)縫內(nèi)壓差隨注入體積變化

2.3 裂縫機(jī)理模型分析

2.3.1 等開度裂縫模型微觀可視化驅(qū)油

圖9為等開度裂縫模型微觀可視化氣驅(qū)過程。等開度小裂縫中，氣體以段塞式驅(qū)油，驅(qū)替前緣類似活塞式驅(qū)替，無明顯指進(jìn)現(xiàn)象，剩余油主要富集于裂縫壁面，油氣表面曲率半徑很小造成驅(qū)油過程中毛管阻力（Δpc）較大（圖9a）。等開度大裂縫中，氣體依舊是以段塞式驅(qū)油，但裂縫開度較大時(shí)的重力分異（pG）作用明顯，造成裂縫下端剩余油較多，采收率較低，驅(qū)替前緣也并非是活塞式驅(qū)替，存在較明顯的指進(jìn)現(xiàn)象（圖9b）。

在塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏中，約70%的大尺度裂縫屬于非充填裂縫，裂縫內(nèi)無充填物［16］。結(jié)合實(shí)際油藏特點(diǎn)，重力和毛管力作用為影響裂縫中氣-油流動(dòng)的主控因素，裂縫中油氣兩相表面主要受到三種力的相互作用，分別是驅(qū)替力pd、毛管阻力Δpc、重力分異作用而產(chǎn)生的壓力pG［17］，在三種力的共同作用下，油氣界面以特定的形態(tài)向前運(yùn)移。油氣界面受力關(guān)系如圖10所示。

圖9 等開度微觀裂縫可視化氣驅(qū)

圖10 裂縫中油氣表面受力分析

在三種力的共同作用下，油氣表面呈現(xiàn)不同的運(yùn)移形態(tài)。定義無量綱指數(shù)ω表征毛管阻力和重力分異作用的相對大小，預(yù)判N2在裂縫中波及路徑和主要剩余油類型。

式中，σ—油氣表面張力，mN/m；r—油氣表面曲率半徑，mm；oρ—油相密度，g/cm3；Gρ—?dú)庀嗝芏?，g/cm3；g—重力加速度，m/s2；H—裂縫寬度，mm。

當(dāng)ω接近于0 時(shí)，重力分異作用忽略不計(jì)，在毛管阻力作用下，氣體沿著裂縫中部運(yùn)移，造成裂縫壁面富存剩余油；當(dāng)ω遠(yuǎn)大于1時(shí)，毛管阻力可以忽略不計(jì)，在重力分異作用下，氣體沿著裂縫上部指進(jìn)，形成氣體優(yōu)勢通道，造成剩余油富存于裂縫下部；當(dāng)ω處于1附近時(shí)，毛管阻力和重力分異效應(yīng)均較弱，采收率達(dá)到最大。

2.3.2 變開度裂縫模型微觀可視化驅(qū)油

圖11為變開度裂縫模型微觀氮?dú)怛?qū)動(dòng)態(tài)過程。對于變開度縮徑裂縫，裂縫前段開度大，重力分異作用明顯（ω較大），驅(qū)替前緣存在氣體指進(jìn)現(xiàn)象；裂縫中部開度變小，重力分異作用逐漸變?nèi)酰?qū)替前緣類活塞式驅(qū)替，毛管阻力逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位（ω接近于0），使得裂縫前段重力分異效應(yīng)減弱，受壁面潤濕性為油潤濕影響，油相界面呈凹液面（圖11a）。對于變開度擴(kuò)徑裂縫，裂縫前段開度較小，毛管阻力效應(yīng)明顯（ω接近于0），氣體沿裂縫中部運(yùn)移，裂縫開度逐漸變大，毛管阻力效應(yīng)逐漸變?nèi)?，重力分異作用明顯增強(qiáng)（ω增加），且開度越大重力分異作用越明顯（圖11c，ω＞＞1），驅(qū)替前緣存在明顯指進(jìn)現(xiàn)象。

圖11 變開度微觀裂縫的可視化氣驅(qū)

3 結(jié)論

N2在裂縫中的波及路徑主要受到毛管阻力和重力分異的影響。當(dāng)裂縫開度較小時(shí)，氣體受到毛管阻力作用主要在裂縫中部運(yùn)移，造成裂縫壁面剩余油較多；當(dāng)裂縫開度較大時(shí)，氣體受到重力分異作用主要在裂縫上部運(yùn)移，形成氣竄優(yōu)勢通道，造成裂縫下部剩余油較多。

建立無量綱指數(shù)ω，對流體在裂縫中流動(dòng)時(shí)毛管阻力和重力分異作用的影響程度進(jìn)行評價(jià)，并在此基礎(chǔ)上初步預(yù)判氣體波及路徑。通過改變注氣方式、注泡沫改善注氣剖面、混相驅(qū)等方式，可以削弱毛管阻力和重力分異作用的影響，從而達(dá)到控制氣體流度、擴(kuò)大波及體積的目的，對縫洞型碳酸鹽巖油藏的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)研究具有一定的指導(dǎo)意義。