底水油藏水平井出水規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

劉懷珠， 李良川， 吳 均， 周 燕， 岳湘安

（1.冀東油田鉆采工藝研究院，河北唐山063004；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京102249）

利用水平井物理模型進(jìn)行底水油藏開采物理模擬實(shí)驗(yàn)，較之理論方法能夠更加真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際油藏或油井中流體的流動(dòng)特征［1］。底水油藏的開采過(guò)程中，水平井往往很快見水甚至嚴(yán)重水淹［2－4］。現(xiàn)有的水平井理論研究主要集中在如何布井、影響水平井產(chǎn)能的因素、水脊位置與形狀等方面［5－11］。關(guān)于對(duì)底水油藏水平井出水規(guī)律的影響國(guó)內(nèi)主要以數(shù)值模擬研究較多［12］，所參考的物理模型都較為簡(jiǎn)單［13－14］。而利用三維物理模型來(lái)模擬和評(píng)價(jià)底水油藏水平井出水規(guī)律的實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)尚處于初步階段［15－16］。最好的三維物理模擬方法是針對(duì)某一具體的油藏狀況建立對(duì)應(yīng)的參數(shù)比例模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，將會(huì)對(duì)研究實(shí)際油藏水平井出水規(guī)律、預(yù)測(cè)水錐位置、堵水工藝選擇和評(píng)價(jià)具有重要參考價(jià)值。制作了底水油藏水平井三維物理模型，并在該模型上對(duì)水平井出水規(guī)律進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

實(shí)驗(yàn)壓制長(zhǎng)、寬、高為70cm×10cm×5cm的儲(chǔ)層模型，模型頂部中間位置開3mm×3mm深的凹槽，中間填充細(xì)篩管模擬水平井通道，篩管水平井長(zhǎng)70cm，井徑2.5mm，跟端位于模型右側(cè)，距出口端18，35，58，69cm處布置4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，監(jiān)測(cè)水平井筒內(nèi)的壓力梯度變化，在模型底部建立底水驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)流體為白油和模擬地層水，白油25℃時(shí)密度0.96g／cm3，粘度66mPa·s，模擬地層水礦化度為1 600mg／L。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M5種不同井身結(jié)構(gòu)的水平井，見表1。

表1 不同模型的井身結(jié)構(gòu)Table 1 Well trajectory of different horizontal well model

2 實(shí)驗(yàn)步驟

①底水油藏水平井三維物理模型抽真空24h。

②取礦化度為1 600mg／L的地層配伍水，從底水處的5個(gè)飽和點(diǎn)和水平井上的5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)飽和水。再通過(guò)平流泵泵入地層水，直至水從水平井上的5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)分別流出。計(jì)算其孔隙體積和孔隙度。

③ 配制與地層溫度60℃下粘度相似的白油（66mPa·s）。以0.2mL／min的驅(qū)替速度飽和油以制造束縛水，用六通閥將中間容器與水平井身上5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)相連接，直至水平井上的5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)水平井出口分別連續(xù)出油為止。計(jì)算飽和油體積及含油飽和度。

就能得出奇異值差分譜序列的峰值譜N,以及相應(yīng)的重構(gòu)階數(shù).如差分譜峰值dk,以角標(biāo)數(shù)字k找出奇異值序列中的對(duì)應(yīng)峰值σk,即在k值前的奇異值變化較大,而之后的奇異值將接近于某一值后穩(wěn)定.說(shuō)明峰值σk是信號(hào)與噪聲的分界點(diǎn),此時(shí)取k值前的奇異值重構(gòu)信號(hào),該信號(hào)就是降噪處理后的真實(shí)振動(dòng)特征數(shù)據(jù).

④以泵速4mL／min注入，用六通閥將中間容器與底水5點(diǎn)相連接，水平井出口接量筒分段時(shí)間計(jì)量，至含水率98%。其間記錄井身壓力梯度和各飽和度測(cè)點(diǎn)處的含油飽和度變化。計(jì)算含水率。

3 底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)的建立

從底水驅(qū)水平井開采的理論研究入手，建立統(tǒng)一的、具有普適性的表征出水規(guī)律的準(zhǔn)數(shù)（無(wú)量綱參數(shù)團(tuán)）。該準(zhǔn)數(shù)的意義在于將影響水平井出水規(guī)律、出水部位的諸多因素包含在一個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)團(tuán)——出水動(dòng)態(tài)準(zhǔn)數(shù)中，無(wú)論是總的含水變化還是出水部位均與該準(zhǔn)數(shù)具有很好的相關(guān)性。即對(duì)于哪些影響因素很多、難以找到明顯規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用該準(zhǔn)數(shù)整理后，可以顯示出很好的規(guī)律；不同條件下的出水部位也可以用該準(zhǔn)數(shù)統(tǒng)一地判別。

在實(shí)際底水油藏中，現(xiàn)場(chǎng)有很多復(fù)雜因素，判斷影響水平井出水規(guī)律非常困難。出水規(guī)律主要敏感因素包括井身結(jié)構(gòu)因素如套管漏失、管外竄流等，油藏因素包括如底水、裂縫、高滲透層、粘滯力／重力、密度差、油水粘度比等因素互相作用。在實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)條件下，利用儲(chǔ)層厚度、滲透率分布，水平井井眼軌跡位置、狗腿深度，水體驅(qū)替壓差，油水粘度等主要參數(shù)建立出水準(zhǔn)數(shù)。

設(shè)在沿水平井井筒各點(diǎn)處的壓力為pi，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層截面處的滲透率和孔隙度分別為ki，φi，底水至井筒的油層厚度為hi、原油和水（驅(qū)油劑）的粘度分別為μoi，μsi。設(shè)底水驅(qū)油過(guò)程中xi處的驅(qū)替前緣位于zi，前緣推進(jìn)速度為

若ksi＝koi＝ki，

油水界面運(yùn)移至hi處（突破）所需要的時(shí)間ti可由公式（2）變形積分得到

如果油層均質(zhì)，且水平井與底水面平行，水驅(qū)前緣與水平井平行推進(jìn)，運(yùn)移至hi的時(shí)間為

底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)Tw定義為：整個(gè)水平井的水驅(qū)前緣平均突破時(shí)間ˉt與水平井各點(diǎn)的水驅(qū)前緣突破時(shí)間ti之比。

顯然，底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)在水平井方向上分布越均勻，開采過(guò)程中水驅(qū)前緣推進(jìn)越均勻，越不容易形成水脊，底水的波及效率越高；反之，易于在突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)Tw最大處發(fā)生水竄，含水急劇上升，甚至導(dǎo)致暴性水淹。

4 底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)的驗(yàn)證

以底水開采PV數(shù)為橫坐標(biāo)，以計(jì)算出的4個(gè)井筒壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)出水準(zhǔn)數(shù)為縱坐標(biāo)繪制出水準(zhǔn)數(shù)動(dòng)態(tài)分布圖。

以模型底水開采結(jié)束后，含水飽和度接近100%時(shí)，模型縱向上的3層含水飽和度點(diǎn)取飽和度平均值為縱坐標(biāo)，以模型橫向7個(gè)點(diǎn)的空間分布為橫坐標(biāo)作含水飽和度空間分布圖；將4個(gè)井筒壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在位置為橫坐標(biāo)，其底水開采結(jié)束后的出水準(zhǔn)數(shù)為縱坐標(biāo)作底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)空間分布圖。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)水平井底水驅(qū)出水部位預(yù)測(cè)

圖1為標(biāo)準(zhǔn)水平井底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布及含水飽和度分布圖。

Fig.1 Bottom water drive number and water saturation distribution diagram of standard horizontal well圖1 標(biāo)準(zhǔn)水平井底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布及含水飽和度分布

從圖1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)水平井底水開采時(shí)，跟端的底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)遠(yuǎn)高于其他各段。底水驅(qū)至含水接近100%時(shí)，跟端至趾端平均出水準(zhǔn)數(shù)為1.704，0.970，0.642，0.682。出水準(zhǔn)數(shù)和含水飽和度都是水平井跟端處值最高，用底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)預(yù)測(cè)的出水部位與實(shí)測(cè)含水飽和度點(diǎn)所反映出水部位完全吻合。

4.2 水平井不同井眼軌跡出水部位預(yù)測(cè)

圖2為水平井不同軌跡的底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布及含水飽和度分布圖。圖2（a），2（c）分別為狗腿3 cm距離跟端10cm、狗腿3cm距離跟端35cm底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布及含水飽和度分布，圖2（b），2（d）分別為狗腿5cm距離跟端10cm、狗腿5cm距離跟端35cm底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布及含水飽和度分布。

Fig.2 Bottom water drive number and water saturation distribution diagram of different well trajectory horizontal well圖2 不同井眼軌跡水平井底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布及含水飽和度分布

圖2中可以看出水平井不同軌跡底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)分布和含水飽和度分布絕大多數(shù)都是一致的，底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)預(yù)測(cè)的出水部位與實(shí)測(cè)含水飽和度點(diǎn)所反映出水部位完全吻合。從圖1，2（a），2（b）和圖2（c），2（d）可以看出隨著狗腿深度的增加，狗腿處的底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)在逐漸增大，含水飽和度分布圖中反映出狗腿深度對(duì)含水飽和度的影響越來(lái)越明顯。

圖2（a）中，水平井狗腿3cm距離跟端10cm，底水開采至接近含水100%，含水飽和度和出水準(zhǔn)數(shù)都是水平井跟端處遠(yuǎn)高于其他各段，二者反映出的出水部位完全吻合。跟端至趾端底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)為3.762，0.791，0.688，0.676。跟端處底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)3.762大于標(biāo)準(zhǔn)水平井跟端底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)1.704，在水平井跟端處表現(xiàn)為更易出水和水淹。

圖2（b）中，水平井狗腿5cm距離跟端10cm，含水飽和度和出水準(zhǔn)數(shù)都是水平井跟端處遠(yuǎn)高于其他各段，二者均反映出水平井跟端出水。跟端至趾端底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)為7.925，0.989，0.552，0.477。相對(duì)狗腿3cm，跟端含水飽和度和底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)更高，在水平井跟端處表現(xiàn)為更易出水和水淹。

圖2（c）中，水平井狗腿3cm距離跟端35cm，含水飽和度表現(xiàn)為水平井跟端和中部出水，跟端至趾端底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)為1.330，2.092，0.842，0.801，中部高于其他各段，反映出水平井中部出水，整體出水趨勢(shì)較緩。

圖2（d）中，水平井狗腿5cm距離跟端35cm，含水飽和度和出水準(zhǔn)數(shù)都是水平井中部處遠(yuǎn)高于其他各段，二者均反映出水平井中部出水。跟端至趾端底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)為1.240，3.984，0.867，0.895。相對(duì)狗腿3cm，中部含水飽和度和底水突進(jìn)準(zhǔn)數(shù)更高，水平井中部更易出水和水淹。

綜上所述，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水平井、斜水平井以及不同井身軌跡水平井底水驅(qū)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)吻合度很高，該準(zhǔn)數(shù)可以用來(lái)作為底水油藏水平井實(shí)際開采過(guò)程中出水部位判斷的依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）利用建立的底水油藏水平井三維物理模型研究了不同井身軌跡水平井底水驅(qū)出水規(guī)律，在底水油藏中狗腿處的含水飽和度明顯高于其他位置，隨著狗腿深度的增加，狗腿處的含水飽和度越來(lái)越高。

（2）根據(jù)底水驅(qū)水平井開采理論建立了底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)。該準(zhǔn)數(shù)預(yù)測(cè)的出水部位與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合，證明了底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的調(diào)剖堵水措施的優(yōu)化提供了依據(jù)，在水平井實(shí)際開采過(guò)程中，還可以根據(jù)底水驅(qū)出水準(zhǔn)數(shù)，通過(guò)控制水平井段各段的產(chǎn)液量來(lái)提高水平井單井產(chǎn)量，從而優(yōu)化水平井開采方式。

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