窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅三維物理模擬實驗

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.中國石油集團鉆井工程技術研究院)

窄屋脊斷塊油藏人工邊水驅三維物理模擬實驗

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.中國石油集團鉆井工程技術研究院)

為了研究人工邊水驅技術的提高采收率機理與可行性，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)的三維物理模擬實驗裝置開展了水驅油實驗。實驗結果表明，高注水倍數(shù)下，模型的最終采出程度可達到70%左右；轉邊水驅之后，點狀模型平均提高采出程度15.69%；點狀注水會將一部分油推向邊水方向，轉邊水驅后這部分油可反推回來；“靜置”一段時間后，重新生產(chǎn)時可取得良好的效果，但后續(xù)效果依次減弱；人工邊水驅可提高油藏采出率。研究成果應用于勝利油田現(xiàn)河采油廠礦場試驗，已取得良好的開發(fā)效果。

斷塊油藏；人工邊水驅；物理模擬；提高采收率

“十五”以來，勝利斷塊油藏普遍進入特高含水階段，迫切需要新的提高采收率技術[1-5]。生產(chǎn)實踐表明，邊水能量較強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礦場試驗[4]。該單元地質儲量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廢的油水井上返注水，最高單井日注水達到500 m3，在累計注水量達15×104m3后，2 口停產(chǎn)井恢復生產(chǎn)。這兩口井都停產(chǎn)近10年的時間，停前的含水都在97.5%以上，恢復生產(chǎn)后含水分別下降到55%和88%，日產(chǎn)油達到10 t，之后又先后在構造高部位補孔上返了2口油井，其中1口最高日產(chǎn)油40 t，自噴生產(chǎn)。實施人工邊水驅試驗以來，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)實踐的成功經(jīng)驗，為進一步解釋現(xiàn)象、明晰機理，本文以辛1 沙一4斷塊油藏為原型設計物理模型，直接模擬油藏流體、儲集層物性等參數(shù)，真實地研究油藏滲流規(guī)律，對比開展邊水驅、邊內點狀注水轉邊水驅的模擬實驗，分析人工邊水對提高采收率的影響。

1 物理模型及模擬實驗

1.1 實驗裝置

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

1.2 實驗參數(shù)

基于前人對油藏物理模型相似準則的研究與歸納[5-10]，物理模型的設計應滿足幾何相似、運動相似、動力相似等，對油藏特征參數(shù)進行相似性設計，實際油藏參數(shù)及模擬實驗參數(shù)見表1。假設實驗流體是不可壓縮的，水驅過程是絕熱等溫度，不考慮壓力和溫度對流體的影響，因此實驗是在常溫常壓條件下進行，實驗溫度為25 ℃，實驗流體介質為模擬原油和3%KCl溶液。

1.3 模型設計

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為邊內點狀注水井，上方④和⑤為采出井；在模型下方安裝一個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；在模型上下面對稱布置了40對電極探片；設置油水過渡帶。其中，注入井①和②作為邊外井模擬邊水驅,注入井③作為點狀轉邊水模型的注水井，用注入井③下部的一排飽和用井和電極監(jiān)測的電阻值來控制飽和油的過程。

表1 水驅實驗參數(shù)值

圖1 模型及井網(wǎng)設計示意圖

1.4 模型制備

利用大物理模型實驗能夠更為真實地模擬實際油藏條件，物理模型采取燒結方式制作[11-12]，模型以多級目數(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)高溫燒結。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℃溫度下進行實驗。按照圖1在模型上鉆深孔模擬注入井、采出井、飽和井，再進行最后的密封。

1.5 實驗方法

(1)物理模型抽真空，飽和水。對模型抽真空，飽和3%的KCl溶液，得到模型總孔隙體積和孔隙度，測量模型平面各測點原始電阻值。

(2)飽和油。對于大尺寸模型來說，飽和油過程是決定實驗成敗的關鍵環(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入口和出口，同時通過觀察監(jiān)測點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)水驅油實驗。采用定壓的方法，進行了高低壓差下兩組水驅油實驗，實時測量注入過程中模型測點的電阻值和產(chǎn)液量，當含水達到高含水階段，邊內點狀模型轉為邊水驅，對邊水模型和點狀轉邊水模型提速，直至實驗結束。記錄各井的采出油量及采出水量，計算采出程度及階段含水率。

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

2 實驗結果及分析

共完成了兩組實驗，初始壓力分別為16 kPa和3.3 kPa，模擬實驗經(jīng)歷了見水、點狀轉邊水、提速等幾個過程。

表2是不同壓差下兩組水驅實驗的對比結果，圖2是初始壓力為16 kPa下點狀轉邊水模型與邊水模型綜合生產(chǎn)的對比曲線?？梢钥闯觯?jīng)過轉邊水、提高注水倍數(shù)后，兩個模型的總體采出程度相接近，總采出程度可達到70%左右。點狀轉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，點狀轉邊水模型更容易突進，見水較早，無水期采出程度低，為11.58%。在轉為邊水驅之后，兩組實驗中點狀轉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狀轉邊水模型的采出程度。

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

繪制了兩組實驗水驅過程的飽和度場分布圖，如圖3和圖4。在飽和油階段，點狀模型和邊水模型飽和油是比較均勻的。圖2反映了實驗過程中的幾個關鍵點，即見水時刻、轉邊水時機、提速時刻等，總體說來，邊水模型的水線推進是比較均勻的，但是兩者差別不大，總注入倍數(shù)都為30 PV左右；圖3反映了轉邊水時機前含水率達到90%、95%和99%時飽和度場的分布情況，邊水模型的水線推進確實要比點狀轉邊水模型均勻得多，而且注水倍數(shù)更高;點狀轉邊水模型含水率到99%時注水倍數(shù)為3.87 PV，出現(xiàn)了水侵“優(yōu)勢通道”，造成水驅的無效循環(huán)；而邊水模型的注水倍數(shù)達到7.16 PV含水率才到99%，說明點狀轉邊水模型更快進入特高含水階段，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實驗結果對比

圖2 點狀轉邊水模型與邊水模型綜合生產(chǎn)曲線(16kPa)

為了更好地研究轉邊水對提高采收率的作用機理，對比分析了模型油水過渡帶上電極監(jiān)測的電阻值曲線，如圖5。實驗開始后，邊水模型油水過渡帶上的電阻值始終呈現(xiàn)下降的趨勢，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)；點狀轉邊水模型油水過渡帶上的電阻值先略有升高，隨實驗進行開始下降，轉邊水驅后又出現(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；點狀注水會將注水點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；當水線繼續(xù)推進造成電極處水淹時，電阻值會急劇下降，改為邊水驅后，油水過渡帶上電極監(jiān)測的電阻值幾乎在同一時刻開始升高，說明水線均勻推進，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“油墻”通過電極位置，電阻值一直變小直至穩(wěn)定。因此，點狀注水會將一部分油推向邊水方向，轉邊水驅后這部分油可反推回來。

圖3 物理模擬飽和度場分布(驅替壓力16.5kPa)

圖4 物理模擬飽和度場分布(驅替壓力3.3 kPa)

圖5 模型油水過渡帶電阻值變化曲線(左圖為點狀轉邊水模型，右圖為邊水模型)

另外，實驗考察了“靜置”對提高采收率的影響，水驅至含水95%時，停止實驗，將模型水平放置10天，重新水驅發(fā)現(xiàn)，含水率從95%降至88%，穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時間較長；當含水升至97%時進行第二次“靜置”，傾斜放置七天，重新生產(chǎn)含水下降至87%，但持續(xù)時間較上次短；依此又“靜置”了三次。停注“靜置”一段時間后，模型內部油水重新分布，再次生產(chǎn)時，含水會發(fā)生明顯下降，但后續(xù)效果依次減弱。這也是現(xiàn)場一些油井在關停多年后重新開井時又取得良好效果的重要原因。

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

3 現(xiàn)場實施效果

(1)河76沙二6-8區(qū)塊具有弱邊水特征，含油面積0.28 km2，地質儲量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，綜合含水達到96.5%。2013年11月開始實施人工邊水驅，實施后該區(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，地質儲量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，綜合含水達到90.5% 。實施人工邊水驅后該區(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。

僅對現(xiàn)河復雜斷塊人工邊水驅進行分析，按提高采收率5個百分點估算，人工邊水驅具有450多萬噸的可采儲量潛力，按平均含水97%、30倍注水量計算，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)濟和社會效益。截至到2014年6月底，共選擇了14個斷塊進行了推廣應用，動用地質儲量775×104t，已累計增油2.6×104t，減少污水外排104×104m3。

4 結論

通過三維物理模擬實驗發(fā)現(xiàn)，邊水模型的水線推進更加均勻，水的利用率更高；點狀注水會將一部分油推向邊水方向，轉邊水驅后能將外推邊水方向的油反推回來；“靜置”一段時間后重新生產(chǎn)可獲得較好的開發(fā)效果但后續(xù)效果會逐漸變差。因此，通過邊外大排量注水形成人工邊水驅，既有效補充地層能量，又提高注入倍數(shù)及驅替壓力梯度，從而擴大水驅波及體積，提高儲量動用程度，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)于西南石油大學礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)主要從事油藏物理模擬實驗研究工作。

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

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