周期注水實驗研究及力學(xué)機(jī)理探討

張學(xué)剛， 王秀宇， 代春明， 馬文龍

(1．中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249； 2．中國石油吉林油田分公司扶余采油廠，吉林松原 138000)

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周期注水實驗研究及力學(xué)機(jī)理探討

張學(xué)剛1， 王秀宇1， 代春明2， 馬文龍2

(1．中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249； 2．中國石油吉林油田分公司扶余采油廠，吉林松原 138000)

周期注水是提高縱向非均質(zhì)性油藏采出程度的一種重要方法。由滲吸實驗及周期注水物理模擬實驗結(jié)果可知，巖心在經(jīng)過一定程度水驅(qū)后，再進(jìn)行滲吸，很難繼續(xù)提高采收率。對縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)的油藏進(jìn)行周期注水，采出程度有明顯提高，但隨周期數(shù)的增加，采出程度的增幅呈遞減趨勢。通過毛管束模型對非均質(zhì)油藏周期注水過程中的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析,可以得出，滲吸作用停止的條件是毛管中的流體達(dá)到受力平衡；連續(xù)注水采出程度趨于穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為周期注水，此時周期注水的主要影響因素為毛管力的變化量，而與毛管力的大小無直接關(guān)系；高低滲層之間由于注水波動引起的附加壓差是促使毛管力發(fā)生改變的誘因。

滲吸； 周期注水； 毛管力； 附加壓差

周期注水是提高非均質(zhì)性油藏采出程度的一種重要方法，由于其投資小、見效快、簡單易行等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。關(guān)于周期注水的機(jī)理研究，主要存在以下幾種觀點。第一種觀點認(rèn)為，毛管力是周期注水改善油田開發(fā)效果的主要因素，彈性力的作用是次要的[1-3]；第二種觀點認(rèn)為，彈性力是影響周期注水開發(fā)效果的關(guān)鍵因素[4]；第三種觀點則認(rèn)為，層間壓差引起的附加竄流是影響周期注水效果的唯一因素，毛管力竄流是穩(wěn)定注水與周期注水所共有的一種竄流形式[5]；第四種觀點認(rèn)為毛管力與彈性力的主次作用與周期注水的方式有關(guān)[6]；第五種觀點認(rèn)為，毛管力和彈性力是周期注水改善油田開發(fā)效果的兩個重要因素，并未對毛管力和彈性力主次作用作出比較[7-10]。

經(jīng)分析認(rèn)為，連續(xù)注水采出程度趨于穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為周期注水，此時的增產(chǎn)效果是由周期注水的增產(chǎn)機(jī)理引起的，有些研究討論的是連續(xù)注水采出程度并未趨于穩(wěn)定的階段，此時毛管自吸排油作用仍能發(fā)揮較大作用，這對研究周期注水的增產(chǎn)機(jī)理產(chǎn)生了干擾。毛管力在連續(xù)注水過程中也是存在的，有些研究只闡述了周期注水過程中地層流體會在毛管力的作用下流動，并沒有對毛管力在連續(xù)注水方式下的作用進(jìn)行分析。有些研究提到壓力擾動強(qiáng)化了毛管自吸排油作用，但沒有進(jìn)一步解釋其機(jī)理。本文以滲吸實驗和周期注水實驗的現(xiàn)象及結(jié)論為依據(jù)，對周期注水的機(jī)理進(jìn)行分析探討。

1 滲吸實驗研究

1.1 實驗設(shè)計

為研究非均質(zhì)油藏周期注水開發(fā)中毛管力的影響，進(jìn)行了室內(nèi)親水短巖心靜態(tài)毛管滲吸實驗。實驗巖心共分兩組：第一組共6塊巖心，在巖心中飽和不同黏度的原油后直接進(jìn)行靜態(tài)滲吸實驗。第二組共9塊巖心，飽和油后以恒定流速用礦化度6 235 mg/L的鹽水(模擬地層水)驅(qū)替，在巖心中建立一定含水飽和度后進(jìn)行靜態(tài)滲吸實驗。

滲吸實驗步驟為：將巖心依次放置于各個滲吸瓶中，加入預(yù)先配置的鹽水至滲吸瓶頂部，用膠塞密封滲吸瓶出口，常溫?zé)o壓差下進(jìn)行靜態(tài)滲吸，在不同時刻記錄滲吸出的油量。

1.2 實驗結(jié)果及分析

第一組實驗結(jié)果如表1所示。巖心x-6在3 d后的滲吸采收率為16.6%，25 d后的滲吸采收率為20.2%，只增加了3.6%。第一組滲吸實驗變化如圖1所示，滲吸開始4 h后，巖心x-6表面就開始出現(xiàn)油滴，3 d后，滲吸出的油量繼續(xù)增加，但增加變緩。

表1 第一組巖心滲吸實驗結(jié)果

注：巖心x-5由于黏土含量較高，在實驗過程中發(fā)生損壞。

圖1 第一組滲吸實驗巖心x-6實驗現(xiàn)象

Fig.1 Experimental phenomenon of x-6 imbibition in the first group

第二組實驗結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，在巖心經(jīng)過不同程度水驅(qū)后進(jìn)行滲吸，基本沒有效果，只有含水飽和度較低的巖心y-3有少量油滴滲出(見圖2)。

表2 第二組巖心滲吸實驗結(jié)果

續(xù)表2

圖2 第二組巖心滲吸實驗y-3巖心實驗現(xiàn)象

Fig.2 Experimental phenomenon of core imbibition y-3 in the second group

由第一組滲吸實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)巖心中含油飽和度較高時，滲吸作用對原油采收率可以有很大貢獻(xiàn)，實驗中的滲吸采收率最大為26.9%。滲吸是一個緩慢的過程，總體而言，滲吸在初期比較明顯，到后期滲吸出的油量趨于平緩。從力學(xué)角度分析，此時原油在毛管力、重力、黏滯力等[11-12]的共同作用下達(dá)到了受力平衡狀態(tài)。

第二組實驗顯示巖心在經(jīng)過一定程度水驅(qū)后，再進(jìn)行滲吸，很難繼續(xù)提高采收率。經(jīng)過水驅(qū)后巖心中流動條件好的毛管中的原油得到驅(qū)替，剩余原油流動條件較差，處于受力平衡狀態(tài)，毛管力與重力作用不能為滲吸提供足夠的驅(qū)動力[11]。

儲層中原油的流動離不開驅(qū)動力，由上述兩組滲吸實驗可知，親水巖心中毛管力是一種驅(qū)動力，能夠使部分原油克服流動阻力而流動。由毛管力公式[13]：pc=(2σcosθ)/r可知，毛管力的大小與σ、θ、r有關(guān)，而與其他外力無關(guān)。這樣便可以把對滲吸與水驅(qū)中毛管力作用的認(rèn)識統(tǒng)一起來，相比于滲吸過程中的力場，水驅(qū)過程中多了一個驅(qū)替壓力，毛管力是始終存在的。連續(xù)注水后期地層中還有剩余原油，但是很難繼續(xù)提高采收率，從力學(xué)方面分析是因為在毛管力、重力、驅(qū)替壓力等力的共同作用下無法克服剩余原油的流動阻力，即剩余原油達(dá)到了受力平衡的狀態(tài)，剩余原油的流動依賴于力場的改變。

2 周期注水物理模擬研究

2.1 實驗設(shè)備

實驗為三層巖心物理模型驅(qū)替實驗，圖3為周期注水實驗流程圖。實驗?zāi)Ｐ蜑橐粔K30 cm×30 cm×3 cm的三維填砂板，上下三層，各層厚度為1 cm，層間沒有隔層，滲透率自上至下分別為：60×10-3、150×10-3、500×10-3μm2。

圖3 周期注水實驗流程圖

Fig.3 The flow chart of cyclic waterflooding experiment

2.2 實驗參數(shù)

實驗壓力設(shè)置為3 MPa，溫度為常溫。實驗采取周期性關(guān)井停注，平衡間斷注水，連續(xù)采油方式，注采比為1∶1。注水和停注時間相等，平衡注水，即注水量在一個周期內(nèi)和連續(xù)注水在相應(yīng)時間內(nèi)相同。結(jié)合生產(chǎn)實際，設(shè)定實驗?zāi)Ｐ万?qū)替等效速度為3 cm/d，已知模型為邊長30 cm的正方形，則大致需要10 d時間將整個模型驅(qū)凈。模型孔隙度為0.24，由此計算出等效注入速度為：v=30×30×3×0.24/10=64.8 cm3/d，以此作為連續(xù)注水的注入速度，由于本次實驗采取平衡注采方式，周期注水的注入速度為連續(xù)注水的兩倍，即125.6 cm3/d。根據(jù)相似比例，設(shè)定實驗中注水半周期為0.5 d。實驗中注水井和采油井的距離為42.4 cm。

2.3 實驗流程

(1) 將所有管線、六通閥、釜、試管清洗干凈，按照實驗流程圖(圖3)所示連接，檢測是否存在漏失。

(2) 將配好的地層水(礦化度6 235 mg/L)及原油(黏度20 mPa·s)分別裝入釜中。

(3) 按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將模型飽和地層水，然后用原油驅(qū)替得到束縛水，再用地層水繼續(xù)驅(qū)替，至采油井含水率達(dá)到60%。

(4) 按照前面設(shè)計的注采參數(shù)和周期進(jìn)行周期注水實驗，并連續(xù)記錄油水分量。

2.4 實驗結(jié)果及分析

連續(xù)注水4 d后，含水率為60%時開始周期注水，共進(jìn)行了7個周期。實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 采出程度隨時間變化關(guān)系

Fig.4 The relationship between the degree of production and time

圖5 周期注水采收率增量隨周期數(shù)變化關(guān)系

Fig.5 The relationship between the incremental recovery cyclic waterflooding and the period

由圖4和圖5可以看出，采出程度在連續(xù)注水后期增幅變緩，在進(jìn)行周期注水后增幅明顯增加，實驗結(jié)束后周期注水的采收率為43.5%。隨著周期數(shù)的增加，每一個周期與前一個周期相比的采出程度的增幅有所減少。由圖5可知，在第1個周期結(jié)束時，采出程度的增量接近3.11%；到第7周期結(jié)束時，與第6個周期相比，采出程度的增量降至0.52%。

連續(xù)注水后期剩余原油的流動依賴于力場的改變，在周期注水實驗中，在連續(xù)注水后期轉(zhuǎn)為周期注水后，采出程度增幅明顯增加，這說明物理模型中的力場發(fā)生了改變，力場的改變增大了作用在剩余原油上的驅(qū)動力，從而增大了采出程度。增大的驅(qū)動力經(jīng)分析主要來自兩個方面：一是高低滲層之間由于注水波動引起的附加壓差；二是毛管力。由滲吸實驗分析可知，由連續(xù)注水轉(zhuǎn)為周期注水過程中，毛管力是始終存在的，假設(shè)毛管力不發(fā)生變化，那么毛管力作用便不能作為周期注水區(qū)別于連續(xù)注水的增產(chǎn)機(jī)理。

3 周期注水機(jī)理探討

從宏觀方面而言，周期注水提高采收率的機(jī)理在于提高了低滲透儲層注水波及系數(shù)[14]，即通過改變地層中的壓力場使更多的水由高滲層進(jìn)入低滲層，更多的油從低滲層進(jìn)入高滲層而被采出。采用毛管束模型進(jìn)行周期注水的微觀機(jī)理分析[13]，重點分析毛管力和附加壓差(也叫彈性力)的作用，將高滲層和低滲層的關(guān)系簡化為粗毛管束與細(xì)毛管束的關(guān)系，并假設(shè)巖石親水。模型如圖6所示。長期連續(xù)注水后高滲層含水飽和度大于低滲層，為方便分析，在模型中假定高滲層含水，低滲層含油。結(jié)合滲吸實驗以及周期注水實驗可以看出，連續(xù)注水后期難以再提高采出程度，高低滲層間的油水界面處受力接近平衡。周期注水的停注階段，高滲層的壓力下降快，低滲層的壓力下降慢，產(chǎn)生由低滲到高滲的附加壓差，打破油水界面原先的近平衡狀態(tài)，油水界面在附加壓差的作用下向高滲層移動。由毛管力公式可知潤濕角不變的情況下，隨毛管半徑增大，毛管力減小，因巖石親水，毛管力是油從低滲層進(jìn)入高滲層的阻力，毛管力的減小增大了總的驅(qū)動力，促使原油由低滲層不斷進(jìn)入高滲層。周期注水的注入階段，高滲層升壓快，低滲層升壓慢，產(chǎn)生由高滲層到低滲層的附加壓差，再次打破油水界面的近平衡狀態(tài)，油水界面在附加壓差作用下向低滲層移動。此時毛管力增大，毛管力是水從高滲層進(jìn)入低滲層的動力，毛管力的增大強(qiáng)化了總的驅(qū)動力，這樣便促使水由高滲層不斷進(jìn)入低滲層。

圖6 周期注水微觀機(jī)理示意圖

Fig.6 Schematic diagram of the micro mechanism of cyclic waterflooding

由以上分析可知，對于親水油藏，周期注水過程中，一方面，高低滲層之間的附加壓差既是打破力場近平衡狀態(tài)，促使毛管力發(fā)生改變的誘因，也是在原來力場近平衡基礎(chǔ)上增加的總的驅(qū)動力的一部分，而且附加壓差可以使油相克服較大一些的賈敏效應(yīng)而流動[6]。另一方面，毛管力大小的變化量是增加的總的驅(qū)動力的重要組成部分。與連續(xù)注水后期相比，周期注水過程中毛管力的作用與毛管力大小的變化量有關(guān)，而與毛管力的大小無直接關(guān)系。從一定意義上講，附加壓差與毛管力不存在主次作用關(guān)系，而且附加壓差與毛管力變化量的比值并非是一個定值，與具體的儲層性質(zhì)等有關(guān)。文獻(xiàn)[2]指出，在實驗過程中巖心兩端驅(qū)替壓差很小時(只有7.5 kPa左右)，周期注水過程中彈性力引起壓力擾動而產(chǎn)生的附加竄流不能在實驗結(jié)果中反映出來，增加的采收率主要靠毛管力的作用。該實驗只是驅(qū)替壓差很小的情況下證實了毛管力在周期注水過程中的重要作用，而沒有對附加壓差的影響進(jìn)行分析。

對于油濕油藏，周期注水的停注階段(即降壓階段)，毛管力是油從低滲層進(jìn)入高滲層的動力，但是油水界面由低滲層向高滲層移動的過程中，毛管力逐漸減小，即毛管力的變化降低了總的驅(qū)動力，從而減少了進(jìn)入高滲層的油量。周期注水注入階段，毛管力是水從高滲層進(jìn)入低滲層的阻力，而且阻力是逐漸增大的，繼而降低了總的驅(qū)動力。宏觀表現(xiàn)為周期注水在親水油藏的效果要優(yōu)于親油油藏。

4 結(jié)論

(1) 滲吸對含油飽和度較高油藏的采收率有較大貢獻(xiàn)，滲吸是一個緩慢的過程，但是總體而言，滲吸在初期比較明顯，到后期滲吸出的油量趨于平緩，從力學(xué)角度分析認(rèn)為毛管中的原油在后期達(dá)到了受力接近平衡的狀態(tài)。

(2) 巖心在經(jīng)過一定程度水驅(qū)后，再進(jìn)行滲吸，很難繼續(xù)提高原油的采收率。

(3) 縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)的油藏進(jìn)行周期注水，隨周期數(shù)的增加，采出程度的增幅呈遞減趨勢。

(4) 周期注水效果的主要機(jī)理為附加壓差的變化激發(fā)了毛管力的變化，而與毛管力的大小無直接關(guān)系。從一定意義上講，附加壓差與毛管力不存在主次作用關(guān)系，而且附加壓差與毛管力變化量的比值并非是一個定值，與具體的儲層性質(zhì)等有關(guān)。

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(編輯 王亞新)

Experimental Study and Mechanism Investigation of Cyclic Waterflooding

Zhang Xuegang1, Wang Xiuyu1, Dai Chunming2, Ma Wenlong2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.FuyuOilFactoryofPetroChinaJilinOilfieldCompany,SongyuanJilin138000,China)

Cyclic waterflooding is an important method to improve oil recovery of vertically heterogeneous reservoir. The experiment results showed that it was difficult to enhance oil recovery by means of imbibition after a certain degree of waterflooding. Coreflooding experiments confirmed the effectiveness of cyclic waterflooding to increase oil recovery for the vertically heterogeneous reservoir and the increase trend to lower as more cycles were applied. The mechanical mechanism of cyclic waterflooding was investigated by means of capillary bundle model. Imbibition will play a role until the force field on the fluid is balanced. The main mechanism for the cyclic waterflooding method is related to the change of capillary pressure instead of the absolute value of the capillary pressure. Additional pressure between the layers with different permeability which is induced by the change of water injection scheme can cause the corresponding change of capillary pressure in the reservoir. The research provides some insight to improve the understanding and practice of cyclic waterflooding.

Imbibition; Cyclic waterflooding; Capillary pressure; Additional pressure

1006-396X(2015)06-0066-05

2015-03-09

2015-03-21

中國石油大學(xué)(北京)引進(jìn)人才科研啟動基金(YJRC-2013-30)。

張學(xué)剛(1988-)，男，碩士研究生，從事油氣田開發(fā)方面的研究；E-mail：gangzi158548@126.com。

TE992.4

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.06.013