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，以勝利油區辛1沙一4窄屋脊斷塊油藏為原型，通過自主研發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，重新生產時可取得良好的效果，但后續效果依次減弱；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河采油廠礦場試驗，已取得良好的開發效果。

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，日產液28 m3，日產油1.1 t，含水96.2%，基本處于技術廢棄狀態。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 口停產井恢復生產。這兩口井都停產近10年的時間，停前的含水都在97.5%以上，恢復生產后含水分別下降到55%和88%，日產油達到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口最高日產油40 t，自噴生產。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%，取得了很好的開發效果 。

借助于生產實踐的成功經驗，為進一步解釋現象、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，真實地研究油藏滲流規律，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的三維物理模擬實驗裝置，主要由模型系統、注入系統、流場測量系統、計量系統四部分組成。模型系統包括邊水模型、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；流場測量系統由電極探片、電阻測量儀、多路數據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

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，對油藏特征參數進行相似性設計，實際油藏參數及模擬實驗參數見表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

模型及井網示意圖如圖1所示，井網為一注兩采，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測的電阻值來控制飽和油的過程。

表1 水驅實驗參數值

圖1 模型及井網設計示意圖

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。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節。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)數據處理。通過對產液量的計算得到不同時間段油水的產出值，繪制注水倍數與綜合含水、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的對比曲線。可以看出，經過轉邊水、提高注水倍數后，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現，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，而且注水倍數更高;點狀轉邊水模型含水率到99%時注水倍數為3.87 PV，出現了水侵“優勢通道”，造成水驅的無效循環；而邊水模型的注水倍數達到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下降的趨勢，經高注水倍數后，殘余油飽和度較低，電阻值維持在很低的狀態；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，轉邊水驅后又出現了一次“抬高”現象，最后電阻值維持在較低的狀態。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，重新水驅發現，含水率從95%降至88%，穩產持續時間較長；當含水升至97%時進行第二次“靜置”，傾斜放置七天，重新生產含水下降至87%，但持續時間較上次短；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，再次生產時，含水會發生明顯下降，但后續效果依次減弱。這也是現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生井間滯留區域，擴大水驅波及體積，提高平面波及系數。

3 現場實施效果

(1)河76沙二6-8區塊具有弱邊水特征，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，實施后該區塊單井初增油16.0 t/d，半年區塊累增油0.313×104t，累注水6.25×104m3。

(2)河46區塊沙二9上穩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塊單井初增油26.8 t/d，年區塊累增油1.98×104t，累注水5.75×104t。

僅對現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現，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可獲得較好的開發效果但后續效果會逐漸變差。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年畢業于西南石油大學礦產普查與勘探專業，現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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