改變微觀水驅(qū)液流方向提高剩余油采收率試驗(yàn)研究

劉志宏， 鞠斌山， 黃迎松， 吳 聃， 賈俊山， 劉海成

(1.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

改變微觀水驅(qū)液流方向提高剩余油采收率試驗(yàn)研究

劉志宏1， 鞠斌山2， 黃迎松1， 吳 聃2， 賈俊山1， 劉海成1

(1.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

為了弄清特高含水油藏微觀剩余油類型及提高剩余油的動(dòng)用效果，進(jìn)行了微觀水驅(qū)油特征試驗(yàn)研究。在分析剩余油的幾何特征和建立孔喉特征分析方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了剩余油分類。采用微觀可視化驅(qū)替試驗(yàn)、圖像識別與統(tǒng)計(jì)等方法，定量分析了改變液流方向?qū)ξ⒂^剩余油的影響。試驗(yàn)結(jié)果分析表明:不改變液流方向的水驅(qū)剩余油飽和度為20.90%；改變液流方向后，繼續(xù)水驅(qū)后剩余油飽和度降為9.69%;改變液流方向后原油采收率可提高11.2百分點(diǎn)。研究表明，改變液流方向后，隨著注水量增加，分支狀和連片型剩余油飽和度呈指數(shù)遞減，油膜狀、柱狀和滴狀剩余油飽和度先增大后減小,符合二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果為水驅(qū)提高剩余油采出程度提供了理論基礎(chǔ)。

微觀模型 水驅(qū) 改變液流方向 剩余油 提高采收率

目前，我國許多油田已進(jìn)入了特高含水階段，該階段油藏開發(fā)的主要研究方向之一就是“認(rèn)識和開發(fā)剩余油”[1]。研究微觀剩余油的成因、類型、驅(qū)油仿真[2-4]及制定有效的動(dòng)用措施，對于提高采收率具有重要意義。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究水驅(qū)后剩余油的形成機(jī)理與分布特征時(shí)，主要采用巖心驅(qū)替、測井、油藏工程、油藏?cái)?shù)值模擬和試井等方法，然而這些手段難以直觀地顯示微觀滲流過程和剩余油類型。圖像采集及分析技術(shù)的發(fā)展，為定量研究微觀剩余油類型和分布特征奠定了良好的基礎(chǔ)[5-7]，并應(yīng)用在注水試驗(yàn)上[8-11]；微觀模型已經(jīng)被應(yīng)用于水驅(qū)油試驗(yàn)上[12-14],但未被應(yīng)用于微觀剩余油類型的定量劃分標(biāo)準(zhǔn)和剩余油定量計(jì)算方法中。

筆者針對微觀剩余油形成機(jī)理的復(fù)雜性和分布的多樣性，組建了微觀驅(qū)替試驗(yàn)及圖像采集系統(tǒng)，利用圖像識別和統(tǒng)計(jì)方法，開展了微觀水驅(qū)油可視試驗(yàn)和剩余油的幾何特征分析方法的研究，建立了微觀剩余油類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了剩余油飽和度和每種類型剩余油含量的定量計(jì)算，并分析了注水量和改變液流方向?qū)︱?qū)油效果的影響。

1 微觀水驅(qū)試驗(yàn)及剩余油分析技術(shù)

1.1 微觀水驅(qū)試驗(yàn)原理與方法

在玻璃上利用氫氟酸溶蝕制成網(wǎng)絡(luò)刻槽,將一塊平板玻璃蓋在刻蝕好的玻璃上,并用環(huán)氧樹脂將2塊玻璃粘結(jié)起來,制作成仿真巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，然后進(jìn)行注水驅(qū)替不同黏度原油的試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)步驟為：

1) 將玻璃刻蝕模型裝入可視化夾持器中；

2) 施加適當(dāng)圍壓,對玻璃刻蝕模型抽真空，并飽和原油，直至原油充滿整個(gè)玻璃刻蝕模型，靜置一段時(shí)間至采集的畫面穩(wěn)定為止；

3) 啟動(dòng)微量恒速泵，設(shè)定驅(qū)替速度為0.1 mL/min,注入黏度0.5 mPa·s的水，進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)；

4) 直至出口端不再出油停止驅(qū)替，驅(qū)替過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)過程攝像,實(shí)時(shí)記錄水驅(qū)油的動(dòng)態(tài)過程、注水量、采油量和相關(guān)的動(dòng)態(tài)圖像；

5) 改變注水方向，設(shè)定驅(qū)替速度為0.1 mL/min，繼續(xù)注水，記錄注水時(shí)間、采油量及動(dòng)態(tài)圖像。

1.2 微觀可視滲流網(wǎng)絡(luò)仿真模型

微觀可視模型[15-17]是仿照常規(guī)砂巖儲層的孔隙特征制作的網(wǎng)絡(luò)模型，適用于常規(guī)砂巖孔隙介質(zhì)內(nèi)的驅(qū)油過程研究。該模型采用的是玻璃刻蝕制造工藝，具有透光性，實(shí)現(xiàn)了微觀驅(qū)替過程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的可視化。整個(gè)模型為正方形，邊長為25 mm，面積為625 mm，孔隙度為38%。試驗(yàn)過程中，攝像機(jī)拍照時(shí)間間隔為1 s。

1.3 微觀剩余油分析技術(shù)

利用軟件Imagepro-plus6.0的圖像識別、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)功能，對微觀水驅(qū)圖片的剩余油進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而表征剩余油的多少和剩余油的分散程度。

圖像處理軟件Imagepro-plus6.0可以對每團(tuán)剩余油編號進(jìn)行像素計(jì)算，通過統(tǒng)計(jì)像素的方法計(jì)算得到了每個(gè)像素點(diǎn)所占的面積，也就得到了像素點(diǎn)和面積之間的關(guān)系。實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)算表明，該計(jì)算方法的相對誤差為1.474%，在試驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)，對于后期所精選的試驗(yàn)圖片進(jìn)行剩余油像素測定就可以換算出水驅(qū)油過程中不同時(shí)刻玻璃刻蝕模型內(nèi)的剩余油面積，并計(jì)算得到不同類型剩余油的面積、剩余油飽和度和采收率等參數(shù)。

2 微觀剩余油幾何表征及分類方法

為了對微觀剩余油的形態(tài)分類，引入剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)、油孔徑比和形狀因子3個(gè)參數(shù)。

將充滿剩余油相互聯(lián)通孔喉的數(shù)量定義為剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)，用Cn表示。將束縛油等效直徑與喉道過水?dāng)嗝娴刃е睆街榷x為油孔徑比，即：

(1)

式中：Roc為油孔徑比；Do為束縛油的等效直徑,m；Dc為喉道過水?dāng)嗝娴牡刃е睆?，m。

定義某一微觀滲流通道內(nèi)剩余油長軸與短軸之比為形狀因子，即：

(2)

式中：G為形狀因子；L為剩余油塊長軸的長度，m；W為剩余油塊短軸的長度,m。

剩余油的形狀不同，其形狀因子明顯不同；形狀因子越小，相同體積下剩余油的表面積越大，剩余油塊的形狀越規(guī)則。

以上述3個(gè)參數(shù)為剩余油幾何形態(tài)分類的依據(jù)。其中剩余油聯(lián)通孔隙數(shù)可以準(zhǔn)確表征統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)剩余油占據(jù)的相互連通喉道的數(shù)量；計(jì)算油孔徑比時(shí)受喉道直徑變化的影響，對于不規(guī)則的喉道，計(jì)算精度會(huì)降低，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，采用取平均值的方法，雖然不十分精確，但可以滿足油膜型剩余油形態(tài)識別的要求；形狀因子可以準(zhǔn)確表征孤立型剩余油的形狀，該參數(shù)采用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算，簡單而準(zhǔn)確。

根據(jù)以上3個(gè)特征參數(shù)和剩余油微觀圖像分析結(jié)果，將剩余油分為5種類型(見表1)。

3 改變液流方向?qū)︱?qū)替效率的影響

3.1 影響機(jī)理

在分析原有水驅(qū)方法的剩余油分布及存在形態(tài)后,改變滲流方向,油層中的壓力重新分布,使注入水進(jìn)入未波及的殘油區(qū),實(shí)現(xiàn)地下流體流動(dòng)方向的改變,使油層中動(dòng)用差和未動(dòng)用的剩余儲量得到動(dòng)用,改善宏觀非均質(zhì)油層的開采狀況和微觀非均質(zhì)油藏的驅(qū)油狀況，減少注入水無效循環(huán),提高水驅(qū)波及系數(shù),從而增加可采儲量,提高最終采收率。

油藏在實(shí)際開發(fā)中，主要采用井網(wǎng)調(diào)整或轉(zhuǎn)注高含水井等措施來改變液流方向。其中，井網(wǎng)調(diào)整或者注水量調(diào)整也可以實(shí)現(xiàn)壓力場的重新分布；轉(zhuǎn)注高含水井是一種行之有效的改變液流方向的調(diào)整方法，由于地層的非均質(zhì)性和注入水的長期沖刷,造成油層中膠結(jié)物的脫落,局部地區(qū)形成水竄大孔道，在采取堵水調(diào)剖措施無效或效果較小的情況下,唯一的解決辦法就是轉(zhuǎn)注,關(guān)閉注入水無效循環(huán)的通道,把注入水引向有利于驅(qū)油的方向。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在不改變注水方向的情況下，剩余油呈連片型、分支狀、油膜狀、滴狀或柱狀形態(tài)；如果繼續(xù)注水，孔隙網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)形成了固定的滲流通道，剩余油無法采出。因此，采取改變注水方向的手段，研究剩余油的動(dòng)用情況。

3.2.1 改變液流方向?qū)Σ煌愋褪Ｓ嘤万?qū)替效果的影響

改變液流方向前后驅(qū)替剩余油的整體效果如圖2所示，改變液流方向前后驅(qū)替不同類型剩余油比例對比如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 改變液流方向前驅(qū)替剩余油飽和度為20.9%，改變液流方向驅(qū)替后剩余油飽和度為9.7%，說明改變液流方向可以大幅度提高采收率。

2) 改變液流方向?qū)B片型剩余油和分支狀剩余油的驅(qū)替效果最佳，大部分連片型剩余油都被驅(qū)替出去，少部分轉(zhuǎn)化為油膜型、滴狀和柱狀剩余油；分支狀剩余油被驅(qū)替殆盡。

改變驅(qū)替液流方向?qū)B片型剩余油和分支狀剩余油的驅(qū)替效率有明顯的提高作用，因此下文只對這2種類型的剩余油進(jìn)行分析。當(dāng)這2種剩余油附近形成了壓力梯度時(shí)，可以改變驅(qū)替液流方向,達(dá)到提高驅(qū)替效率的作用。

3.2.2 不同飽和度階段各類剩余油分布及變化規(guī)律分析

圖4為改變液流方向前后，不同飽和度階段各類剩余油的驅(qū)替情況。由圖4可以看出：改變液流方向時(shí)，對應(yīng)階段的注入量分別為10.214，1.399，1.399，1.399，1.819倍孔隙體積，不同飽和度階段各類剩余油的比例明顯不同，剩余油飽和度越低，連片型剩余油和分支狀剩余油比例越低，滴狀剩余油的比例越高；油膜狀和柱狀剩余油比例隨飽和度降低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(見圖5)。

表2給出了改變液流方向后水驅(qū)得到的剩余油面積和注入水體積的定量關(guān)系。隨著注入水體積增加，剩余油飽和度明顯降低，最終降至9.66%；連片型和分支狀剩余油面積與注水量呈現(xiàn)單調(diào)指數(shù)遞減規(guī)律(見圖6)，其中連片型和分支狀剩余油面積與注入量的關(guān)系式分別為：

Sorco=19.467e-0.335Vp

(3)

Sorbr=10.913e-0.319Vp

(4)

式中：Sorco,Sorbr分別為連片型和分支狀剩余油面積，mm2;VP為注入水體積，孔隙體積。

油膜狀、柱狀和滴狀剩余油面積隨注水量增加先增大后減小，可以用二次多項(xiàng)式來描述剩余油面積與注水量的關(guān)系，其關(guān)系式分別為：

Sorfi=-0.589 7VP2+2.829 8VP+9.747 3 (5)

Sorcl=-0.419 3VP2+2.543 2VP+4.108 5 (6)

Sordr=-0.167 0VP2+1.710 9VP+2.867 7 (7)

式中：Sorfi,Sorcl,Sordr分別為油膜狀、柱狀和滴狀剩余油面積，mm2。

3.2.3 各個(gè)驅(qū)替階段動(dòng)用不同類型的剩余油

不同飽和度下驅(qū)替剩余油面積見表3。

表3 不同飽和度下驅(qū)替剩余油面積變化

Table 3 Changes of remaining oil areas at different saturations

由表3可以看出：

1) 剩余油飽和度20.90%—18.50%階段，主要驅(qū)替連片型、分支狀剩余油，而油膜狀、柱狀、滴狀剩余油總面積增加較多；

2) 剩余油飽和度18.50%—16.97%階段，主要驅(qū)替連片型、分支狀剩余油，油膜狀、柱狀、滴狀剩余油總面積增加較少；

3) 剩余油飽和度16.97%—11.88%階段，主要驅(qū)替油膜狀剩余油，其次是連片型、分支狀剩余油；

4) 剩余油飽和度11.88%—9.69%階段，主要驅(qū)替柱狀剩余油，其次是油膜狀、連片型剩余油，滴狀剩余油面積有所增加。

3.2.4 連片型剩余油

連片型剩余油所在的孔隙、喉道之間相互聯(lián)通且充滿剩余油，Cn>5,Roc=1。任意聯(lián)通喉道中心軸向壓力梯度趨近零，這也是該類剩余油難被動(dòng)用的原因。可通過改變周圍的壓力梯度來改變驅(qū)替液流方向，從而達(dá)到提高驅(qū)替效率的目的(見圖7)。

驅(qū)替開始時(shí)，驅(qū)替液流在連片型剩余油的外圍流動(dòng)，驅(qū)替效果很不理想；改變連片型剩余油周圍的壓力梯度后，驅(qū)替液流方向有所改變，開始驅(qū)替原來波及不到的連片型剩余油，驅(qū)替效率明顯提高，但是驅(qū)替能力有限；繼續(xù)改變驅(qū)替液流方向后，大部分連片型剩余油都被驅(qū)替出去，而且形成了較固定的滲流通道；再次改變驅(qū)替液流方向后，又有一少部分剩余油被驅(qū)替出去，但是驅(qū)替效率提高很少；繼續(xù)驅(qū)替時(shí)，可以看到有一部分剩余油堵住了之前一個(gè)方向的液流通道，使液流方向發(fā)生較大的改變，此時(shí)的驅(qū)油效率基本上不再增加，說明已經(jīng)形成了固定的液流方向(見圖7(e)—(f))，驅(qū)替液會(huì)沿著固定的滲流通道流出，提高驅(qū)替速度也很難動(dòng)用剩下的那部分剩余油了。上述分析表明：當(dāng)連片型剩余油周圍形成固定的壓力梯度時(shí)，可以通過改變液流方向提高驅(qū)替效率，驅(qū)替效率可提高至59.1%。

3.2.5 分支狀剩余油

分支狀剩余油是指2

驅(qū)替開始時(shí)，液流基本在分支狀剩余油外圍流動(dòng)，大部分剩余油無法被驅(qū)替出去；當(dāng)適當(dāng)改變驅(qū)替液流方向后，開始驅(qū)替分支狀剩余油；驅(qū)替一段時(shí)間后，一段被驅(qū)替到此處的剩余油堵住了之前的液流方向，使位于右下角的剩余油無法被水波及到；再次改變驅(qū)替液流方向，之前被堵住的滲流通道被打通，使驅(qū)替效率有所提高；繼續(xù)增加驅(qū)替液流后，驅(qū)替強(qiáng)度足夠大，形成的壓力梯度也足夠大，基本上能驅(qū)動(dòng)大部分分支狀剩余油，驅(qū)替效率提高明顯，說明此時(shí)的驅(qū)替程度已經(jīng)接近極限了。由此可以看出，水驅(qū)過程中改變驅(qū)替液流方向，可以大幅提高分支狀剩余油的驅(qū)替效率。

4 結(jié) 論

1) 水驅(qū)時(shí)改變液流方向，使局部的連片型和分支狀剩余油所占的比例進(jìn)一步減小，油膜狀、滴狀和柱狀剩余油所占的比例有所增大，表明連片型和分支狀剩余油的動(dòng)用是改善注水效果的關(guān)鍵。

2) 引入了剩余油聯(lián)通孔隙系數(shù)、油孔徑比和形狀因子3個(gè)特征參數(shù)，將剩余油分為連片型、分支狀、油膜狀、滴狀和柱狀等5種類型。

3) 利用刻蝕透明模型可實(shí)現(xiàn)微觀驅(qū)油的可視化和定量表征，但刻蝕透明模型與巖心模型的孔喉特征有一定差異，下一步還需對巖心尺度模型繼續(xù)開展研究。

4) 室內(nèi)試驗(yàn)表明，改變液流方向可以明顯增大剩余油的動(dòng)用程度，建議現(xiàn)場通過改變液流方向提高特高含水階段油藏的開發(fā)效果。

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[編輯 滕春鳴]

Experimental Study on Microscopic Water-Flooding to EOR of
Remaining Oil through Changing Flow Direction

Liu Zhihong1, Ju Binshan2, Huang Yingsong1, Wu Dan2, Jia Junshan1, Liu Haicheng1

(1.GeologicalScienceResearchInstitute,SinopecShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong，257015,China; 2.SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing,100083,China)

To understand the type of remaining oil and the efficiency of enhanced oil recovery (EOR) in super-high water-cut oil reservoirs,experiments were conducted on the characteristic of oil displacement by water in micro-model.Based on analytical methods of geometric characterization of remaining oil and pore throats,remaining oil was classified.Moreover,flow direction effects on microscopic remaining oil were identified by using visible waterflooding test in micro-model,image recognition,statistical calculation technology,and other methods.Results showed that final oil saturation is 20.90% when flow direction remain unchanged.Nevertheless,it drops to 9.69% in continuous waterflooding if flow direction is changed,which could be raised by 11.2 percent of oil recovery.The research indicated that,the saturation of contiguous and branched remaining oil declines in exponential function,while the saturation of droplet,columnar or oil film remaining oil increases then declines in quadratic polynomial function with water injection after flow direction change.The research provides a theoretical basis for improving the recovery of remaining oil through waterflooding.

micro-model;water drive；flow direction change；remaining oil；enhanced oil recovery

2014-08-25；改回日期：2014-12-09。

劉志宏(1967—)，女，山東招遠(yuǎn)人，1989年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)采油工程專業(yè)，2001年獲西南石油學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事油氣田開發(fā)、老油田水驅(qū)提高采收率的研究。

國家科技重大專項(xiàng)“新一代油藏?cái)?shù)值模擬器”(編號：2011ZX05009-006)和中國石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“勝坨油田近極限含水期主導(dǎo)開發(fā)調(diào)整技術(shù)研究”(編號：P121127)聯(lián)合資助。

?油氣開采?

10.11911/syztjs.201202016

TE312

A

1001-0890(2015)02-0090-07

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