縫洞油藏內的調流劑速度分布模型及在流道調整中的運用*

舒 政，梁旭偉，錢 真，葉仲斌，朱詩杰

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（西南石油大學），四川成都 610500；2.中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011）

碳酸鹽巖縫洞型油藏的基質基本沒有儲滲能力，以復雜的縫洞系統作為主要儲集空間，具有很強的非均質性和復雜的油水關系［1-4］，主要通過注水開發提高油田采出程度。在注水過程中，由于注入水沿著裂縫、溶洞條帶高速竄流，在注采井組之間形成明顯的優勢通道，導致水驅波及范圍有限，注水效果逐漸變差［5］。向地層注入調流劑，使調流劑在縫洞中發生沉降、堆積，能夠有效封堵竄流通道，擴大注入水的波及體積，提高井組或區塊整體的開發效果［6-7］。由于調流劑進入溶洞后會大量滯留在溶洞空間內，阻礙調流劑進一步向油藏深部運移，降低調流劑的封堵效果，提高了調流劑用量和作業成本。因此在調流作業中，調流劑應當能在流入溶洞之前就在裂縫中產生有效沉降和堆積。由于流速對調流劑在裂縫中的堆積位置、堆積形態均有明顯影響，因此明確調流劑在油藏內的速度分布，研究調流劑在裂縫中的運移特征規律對于調流施工設計非常重要。

目前對調流劑在裂縫中運移特征規律的主要研究方法為室內物理實驗模擬［8-11］和理論計算推導［12-15］。室內實驗主要通過平板裂縫模型模擬顆粒在裂縫中的流動，獲得可視化數據進行分析。理論計算推導主要基于Stokes 定律，從流體力學的基礎公式進行理論推導，得到描述顆粒在流體中的自由沉降方程，并對所建立的方法或模型進行解析方法或數值方法求解，得到各種條件下的理論結果，進而指導工作實踐［16］。

本文基于簡化的裂縫模型，推導出調流劑在油藏裂縫內不同位置的速度分布，將速度分布模型與TH 縫洞型油藏的某典型井組資料結合，計算出調流劑在油藏調流作用半徑內的速度變化。進一步通過CFD模擬軟件Fluent（美國Ansys公司）評價了不同流速下調流劑在裂縫中的運移規律，從而建立了流道調整效果與施工排量之間的關系，對縫洞型油藏的調流施工設計具有指導意義。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

TH縫洞型油藏典型井組:TK825CH井組；現場用水礦化度15×104數22×104mg/L，CaCl2型，密度平均值為1.14 g/cm3，pH平均值為6.13；彈性橡膠顆粒調流劑（密度1.19 g/cm3），微量隱現光示蹤劑BY-1，TH采油三廠提供。

1.2 流速分布模型

實際地層中裂縫的形態（產狀、縫高、縫寬）、方向（垂直縫、水平縫、斜縫）及分布密度均存在差異，同時裂縫之間彼此交叉貫穿使滲流情況更加復雜，難以分析調流劑在地層中的運移情況。因此建立的模型中，將地層中的裂縫簡化為具有均勻形態和分布密度的垂直縫，同時假設基質無滲流能力，僅考慮調流劑在裂縫內的運移。取一定流動半徑的地層微元（見圖1），按式（1）計算該半徑下的裂縫過流面積Afi，即可根據排量q得到裂縫中的流速。

圖1 地層微元示意圖

其中，Afi—地層微元中的裂縫過流面積，m2；wi—縫寬，m；hi—縫高，m；wf—平均縫寬，m；hf—平均縫高，m；ni—裂縫條數。則在一定流動半徑ri下，裂縫中的流速vri為:

從而可得流體從井壁流至某流動半徑ri（ri≤d/2，d為井距）的時間tri:

進一步可得流體從井壁流至某流動半徑ri的平均速度:

由于縫洞油藏的地質特征，注采井間普遍存在優勢通道，注入流體波及效率很低，致使流體前緣推進速度遠高于理想的均勻推進的情況。因此引入平面波及系數E（平面過流面積和理想面積的比值）和油藏等吸水厚度系數C（縱向吸水厚度與油層厚度的比值）來表征調流劑的波及效果，再加上平均油層厚度H（m）和裂縫面密度ρf（條/m2），可得實際波及區域的地層微元裂縫條數:

進一步得:

在式（6）、式（7）中，平均油層厚度H和油藏等吸水厚度系數C可以通過測井結果確定；平均縫寬wf、平均縫高hf和裂縫面密度ρf可以通過巖心成像識別結果確定。平面波及系數E 無法直接獲得，可由現場示蹤劑監測資料推算出注入流體的平均速度，帶入式（7）反算出平面波及系數E。

2 結果與討論

2.1 典型井組的流速分布

對于TH 縫洞型油藏的典型TK825CH 井組，由井組電成像測井識別結果獲得目標區塊的相關參數如下:平均縫高（hf）0.9 m、平均縫寬（wf）2.2 mm、裂縫密度（ρf）15 條/m2、日排量（q）27.3 m3、平均油層厚度（H）57.99 m，等吸水厚度系數（C）取0.3、井徑（rw）0.1492 m、平均井距（d）1859.6 m。據此得到不同流動半徑對應的流速表達式，如式（8）、式（9）所示。

TK825CH井組現場注水排量為27.3 m3/d，相應的示蹤劑監測結果如表1所示。

表1 TK825CH井組注水示蹤劑監測結果

根據注采井之間的平均井距與示蹤劑平均突破時間，計算出流體在地層中整體的平均速度為179.27 m/d。即q=27.3 m3/d、ri=d/2=929.8 m時，vˉri=179.27 m/d，帶入式（9），求得E=0.0001。

注調流劑過程中，為了防止調流劑在近井地帶卡堵，達到深部調驅的目的，流道調整施工采用0.3數0.5 m3/min 大排量。將調流劑注入排量帶入式（8），獲得現場施工排量下，調流劑在地層中的速度分布曲線，如圖2所示。

圖2 現場施工排量下調流劑在地層中的流速分布曲線

2.2 基于速度分布的調流劑運移特征模擬

2.2.1 裂縫模型建立

取流動半徑1 m 對應的流速至平均井距的1/3處（620 m）對應的流速為模擬流速范圍，據圖2 可知，隨著調流劑流動半徑由1 m 增至620 m，其流速由25 m/s 逐漸降至0.025 m/s。由此結合現場施工條件，確定調流劑運移模擬的參數如下:縫寬2.2 mm、縫長20 m、縫高0.9 m、調流劑密度1.19 g/cm3、調流劑加量20%、攜帶液黏度1 mPa·s、地層水密度1.14 g/cm3、模擬注入速度范圍0.025數25 m/s。通過Fluent建立裂縫模型，并使用Mixture模型來模擬各相速度不同的多相流動［17-18］。求解采用Simplec算法進行速度和壓力耦合，對裂縫內的固液兩相流動進行數值分析［19］。

2.2.2 不同流速的調流劑運移特征模擬

在模型中賦予調流劑不同的初始注入速度，模擬不同流速下調流劑在裂縫中的運移特征。通過考察形成堆積體的位置、高度和疏松程度，評價不同速度調流劑對裂縫的封堵效果。（1）在25 m/s流速下，地層水對調流劑的攜帶能力很強，調流劑進入裂縫后，基本無沉降趨勢。由于存在密度差異，調流劑進入裂縫0.8 m 后逐漸沉降堆積，同時流體會進一步將沉降下來的調流劑向裂縫深處沖刷攜帶。因此，該流速下隨著運移距離的增加，調流劑在裂縫底部的堆積高度增加，且調流劑堆積體非常疏松，最大堆積高度約0.1 m，調流劑所占體積分數為8.72%。（2）在2.5 m/s 流速下，調流劑進入裂縫后略有沉降趨勢。在進入裂縫0.6 m 后開始出現堆積，隨著運移距離的增加，裂縫底部堆積高度增加，且調流劑堆積體較為疏松，堆積最高高度約0.1 m，調流劑所占體積分數為35.8%。（3）在0.25 m/s 流速下，調流劑進入裂縫有明顯的沉降，約0.5 m即出現堆積。在堆積形成的位置，裂縫的過流面積減小，后續流體流經時的速度增加，導致流體對沉降下來的調流顆粒攜帶能力增強，從而降低堆積體的高度；而堆積體高度降低又使得后續流體速度降低，調流劑的沉降趨勢加強，最終形成沖刷攜帶與堆積沉積的動態平衡。調流劑堆積區域調流劑體積分數占到60%以上，在距離入口處6 m 堆積高度達到最大0.45 m，為縫高的50%。（4）在0.025 m/s流速條件下，由于存在密度差異，調流劑進入裂縫立刻開始沉降，在入口處即形成堆積。該流速下流體對調流劑攜帶能力較弱，因此調流劑大部分在裂縫前部沉降，形成了前高后低的堆積體形態。堆積最高處出現在距離入口0.65 m處，堆積高度為0.28 m，調流劑體積分數占到60%以上。0.65數7 m間的堆積高度逐漸降低，在7 m之后趨于平緩，堆積高度0.07 m。

不同注入速度下調流劑的運移特征模擬結果如圖3 所示。隨著注入速度的增加，流體對調流劑的攜帶能力增強，調流劑不易發生沉降堆積，距離入口的堆積位置更加靠后，堆積高度降低，調流劑在堆積體中的體積分數降低，即堆積體變得疏松。根據調流劑的堆積形態綜合判斷，調流劑流速低于0.25 m/s時才可以形成有效堆積體。

圖3 不同注入速度下調流劑的運移特征模擬結果

調流劑向地層深部傳播過程中，如果存在較大的溶洞空間，調流劑將在溶洞內大量沉降，造成調流劑浪費，流道調整效果差。因此，可以基于生產動態和地震資料對縫洞儲層的刻畫結果來判斷溶洞在注采主流線方向上的位置，根據式（6）調整施工排量，使調流劑在進入溶洞之前即形成有效堆積。以TK825CH井為例，假設注采主流線方向100 m 位置存在溶洞，那么調流劑應該在主流線方向運移100 m之前發生堆積才能有效封堵流道。根據模擬結果，調流劑在ri=100 m 時的流速νri應小于等于0.25 m/s，帶入式（8）可得施工排量q≤0.487 m3/min。

3 結論

基于簡化的裂縫模型，推導出調流劑在油藏裂縫內不同位置的速度分布。將速度模型應用于TH油田典型井組，計算出現場施工排量下，隨著流動半徑由1 m 增至1/3 井距（620 m）時，調流劑流速由25 m/s 逐漸降至0.025 m/s。隨著調流劑速度降低，在裂縫中堆積形成的位置更加靠前，堆積高度增加，堆積體的致密程度增加。調流劑流速低于0.25 m/s時可以形成有效的堆積體。要實現調流劑在主流線方向100 m 位置可以有效封堵裂縫，施工排量應小于0.487 m3/min。結合調流劑速度分布模型和不同流速下調流劑在裂縫中的運移規律模擬結果，建立了流道調整效果與施工排量之間的關系，對縫洞油藏調流作業具有指導意義。