油藏竄流發(fā)展與竄流體積計(jì)算分析

呼園平，鄭黎明，張　兵，閆鳳平，崔淑霞

(1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710000；2.延長油田股份有限公司川口采油廠；3.中國石油大學(xué)(華東))

油藏竄流發(fā)展與竄流體積計(jì)算分析

呼園平1，2，鄭黎明3，張兵3，閆鳳平2，崔淑霞3

(1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710000；2.延長油田股份有限公司川口采油廠；3.中國石油大學(xué)(華東))

摘要：隨著油氣田開發(fā)普遍進(jìn)入高-特高含水期，對儲(chǔ)層內(nèi)部竄流機(jī)制與調(diào)控方法研究日益重要。通過可視化實(shí)驗(yàn)竄流通道形狀與竄流形式對比分析，發(fā)現(xiàn)竄流通道與河流相具有一定的發(fā)展相似性，其由“辮狀河”-“曲流河”變化的形狀與流體性質(zhì)、多孔介質(zhì)性質(zhì)、油藏開發(fā)時(shí)間有關(guān)；竄流通道決策、研究方法可歸納為定性分析、滲流數(shù)值模擬、定量決策和礦場測量與實(shí)驗(yàn)四大類，提出了一種利用長驅(qū)替模型可視化揭示竄流發(fā)展機(jī)理與優(yōu)勢通道體積計(jì)算的方法，可作為驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)法和理論模型解析解的有力補(bǔ)充，指導(dǎo)實(shí)際油藏調(diào)堵(驅(qū))藥劑用量設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：竄流發(fā)展；竄流體積計(jì)算；竄流通道；竄流形式

1竄流通道形狀與竄流形式

隨著油藏的不斷開發(fā)，注入流體會(huì)沿著一定的孔隙喉道由注入井快速流至生產(chǎn)井，且沿程孔隙喉道會(huì)逐漸增大，此過程中注入流體主要流經(jīng)的孔隙喉道為竄流通道(大孔道的半徑一般為0.3～5 mm[1-2])，在竄流通道內(nèi)外存在(相同或多相)流體超覆。竄流不僅僅存在于高-特高含水油藏，在油田開發(fā)中期即開始表現(xiàn)出來。竄流通道在不同階段和不同位置的形狀，可以等效于河道不同發(fā)育階段和位置的形狀[3-5]。

竄流存在于多種油藏中[6-11]。相對于不同層而言，竄流可劃分為層間竄流和層內(nèi)竄流，層內(nèi)竄流又包括平面竄流和縱向不同韻律竄流。相對于油藏種類而言，各類油藏均存在竄流；相對于流體種類而言，竄流可劃分為同相流體間的竄流(如注入水相對于儲(chǔ)層原生水或相)和異相流體間的竄流(注入水相對于油藏原油，注入氣相對于油藏油/水相，注入低黏聚合物或表面活性劑溶液相對于高黏原油等)。竄流引起的直接問題便是含水率的上升，對于不同油藏還有附加問題，如出砂、氣鎖、近井帶擴(kuò)徑、井筒阻塞與摩損等。

竄流通道的形狀與流體性質(zhì)、多孔介質(zhì)性質(zhì)、油藏開發(fā)時(shí)間有關(guān)。對于不同的開發(fā)階段，油藏中部竄流通道由多支的“辮狀河”通道逐漸變化為單支(或相對于之前通道數(shù)量更少而已)的“曲流河”通道。相對油藏原有流體而言，當(dāng)注入流體的黏度越低、流速越高，多孔介質(zhì)非均質(zhì)性越強(qiáng)、滲透率越低，竄流通道愈加趨于集中，并沿著油藏原有強(qiáng)非均質(zhì)孔喉發(fā)育方向展布(如裂縫性油藏和碳酸鹽巖油藏[9-11])，油藏中部 “辮狀河”或“曲流河”竄流通道的分支數(shù)或迂回度降低。

2不同滲透性竄流通道發(fā)展?fàn)顟B(tài)模擬

室內(nèi)開展小縫寬物理模型內(nèi)不同凝膠充填強(qiáng)度下的水驅(qū)模擬；注入凝膠后，凝膠候凝形成微觀網(wǎng)絡(luò)固體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有彈性與非均質(zhì)性，近似等效為不同滲透性和非均質(zhì)下的多孔介質(zhì)；由于模型縫寬較小，均勻充填石英砂難度大，因此，模型中僅充填凝膠。

(1)實(shí)驗(yàn)材料與裝置。實(shí)驗(yàn)材料：凝膠，染色后的蒸餾水，破膠劑；實(shí)驗(yàn)裝置：裂縫物理模型(300 mm×45 mm，縫寬130 μm)，驅(qū)替泵，壓力表，真空泵等。

(2)實(shí)驗(yàn)步驟。①檢查實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械和電子設(shè)備是否工作正常，如圖1所示，連接實(shí)驗(yàn)裝置，并檢查管線和閥門的氣密性，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料；②檢查物理模型是否完好，抽真空飽和模擬地層水，記錄模型壓力；③進(jìn)行物理模型凝膠充填實(shí)驗(yàn)，凝膠的注入速度為0.1 mL/min，充填后模型壓力梯度測得為25 MPa/m；④之后，開展水驅(qū)直至壓力穩(wěn)定，水驅(qū)速度為1 mL/min，記錄壓力變化并進(jìn)行拍照；⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束，向物理模型內(nèi)注入破膠劑，待縫內(nèi)凝膠破膠后沖洗干凈;步驟③～⑤重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改變凝膠充填后壓力梯度，測試分別為85 MPa/m，107 MPa/m；停泵，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖1　實(shí)驗(yàn)流程圖

(3)結(jié)果分析。觀察不同充填強(qiáng)度下模型水驅(qū)狀態(tài)，可明顯觀察到穩(wěn)定后水驅(qū)通道范圍逐漸減小，由幾乎遍布整個(gè)模型變化為僅僅沿高滲處流動(dòng)，分支數(shù)亦明顯降低，由圖2a中的2～3條降低至圖2c中的1～2條，另外，主通道和分支通道的寬度均明顯縮小，圖2c主通道寬度約為圖2a的1/3～1/4。該模型可較好地模擬驗(yàn)證不同滲透性多孔介質(zhì)中竄流通道“辮狀河”至“曲流河”發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

圖2　不同凝膠封堵強(qiáng)度下水竄通道室內(nèi)模擬

實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，微裂縫驅(qū)替模擬時(shí)聚合物類可動(dòng)凝膠暫時(shí)表現(xiàn)出明顯的吸附滯留特點(diǎn)，驅(qū)替過后孔隙壁面形成一定厚度的黏附層，影響了藥劑的驅(qū)替效率；可動(dòng)凝膠充填具有疏松性，圖中綠色連續(xù)相為水相，透明凝膠區(qū)域仍然具有一定的滲透性，這表明礦場注水和措施應(yīng)用后，儲(chǔ)層由于非均質(zhì)特點(diǎn)保留了再次形成新竄流通道的可能性。

3竄流通道分析方法

竄流通道的發(fā)育方向?qū)τ谟筒亻_發(fā)與治理具有重要的意義，明確竄流通道的發(fā)育方向，可以指明高含水油井主要來水方向，從而對竄流目標(biāo)注入井和生產(chǎn)井實(shí)施調(diào)剖(驅(qū))或堵水、以及其他提高生產(chǎn)井效果的措施(如改變油水井工作制度、注聚、微生物驅(qū)[12-13]等)，提高水驅(qū)波及程度、化學(xué)驅(qū)藥劑利用效率。

目前關(guān)于竄流通道的分析已有大量研究，并形成了一系列的竄流通道決策、研究方法，當(dāng)然對于不同油藏，由于油藏本身性質(zhì)的差異，同一種決策方法不一定適用于全部情形，尤其是裂縫隨機(jī)發(fā)育的多重介質(zhì)油藏，當(dāng)該類油藏基礎(chǔ)資料不完整時(shí)，竄流通道發(fā)育方向分析難度更大。

3.1竄流分析方法

目前，關(guān)于竄流通道的分析方法主要有4種。①定性分析：利用油藏基礎(chǔ)動(dòng)靜態(tài)資料，人為分析油水井間易發(fā)生竄流的方向與可能性；②滲流數(shù)值模擬：與近些年發(fā)展的流線試井分析方法相近，利用油藏靜態(tài)資料建模和動(dòng)態(tài)開發(fā)模擬反演，繪制模擬程度較高時(shí)的井區(qū)流場或勢場，根據(jù)流線密集程度和方向得到竄流通道方向[14]；③定量決策：通過定量化的指標(biāo)分析與聯(lián)立計(jì)算，得出竄流通道類型的綜合權(quán)重(或關(guān)聯(lián)度)[15-17]；④礦場測量與試驗(yàn)：通過礦場油水井間指標(biāo)檢測得到竄流通道的大致方向，如試井分析(干擾試井、不穩(wěn)定試井、脈沖試井)、壓力系統(tǒng)分析、注示蹤劑、注入采出成分對比分析等方法[18-20]。

定量決策是目前竄流通道分析的最主要手段，當(dāng)該方法依托的基礎(chǔ)資料非常少時(shí)，通常會(huì)對定量決策指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行重新分配，或退化為定性分析。滲流數(shù)值模擬需要進(jìn)行建模與開發(fā)動(dòng)態(tài)模擬，工作量較大且隨開發(fā)進(jìn)程而不斷變化，目前應(yīng)用較少，現(xiàn)場推廣使用受到一定限制，但可以應(yīng)用于油藏類型不復(fù)雜(目前建立的部分模型仍較為理想化，數(shù)值模型建立與模擬可行性低)、保留生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料和地質(zhì)資料時(shí)的情形。

3.2竄流分析指標(biāo)

油田竄流分析的必要性促進(jìn)了對竄流形成原因和過程的研究，利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究人員總結(jié)了一系列可評(píng)價(jià)竄流方向與類型的指標(biāo)因素。根據(jù)系列研究，竄流分析指標(biāo)按照資料類型可分為地質(zhì)宏觀參數(shù)、油藏物性參數(shù)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)和開發(fā)附加問題等方面，當(dāng)然也可將竄流分析方法與竄流指標(biāo)綜合后進(jìn)行分類。

4竄流通道體積計(jì)算方法與評(píng)價(jià)

儲(chǔ)層注入流體發(fā)生竄流后，生產(chǎn)井狀況趨于惡化，竄流通道封堵作為目前治理的主要方法得到大量研究，涉及竄流機(jī)理、封堵工藝、藥劑類型等。竄流通道體積作為指導(dǎo)封堵藥劑注入量的重要參數(shù)，無論是選擇性/非選擇性封堵，還是單級(jí)/多級(jí)竄流通道治理[21]，其計(jì)算具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前對竄流通道體積的研究包括理論計(jì)算、數(shù)值模擬假設(shè)和短巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模型與油藏通常具有一定差異，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬τ筒爻叽绱嬖诓町?。而且，到開發(fā)后期，儲(chǔ)層含水飽和度逐漸提高，生產(chǎn)井普遍進(jìn)入高-特高含水期，治理的經(jīng)濟(jì)性要求封堵選擇性“定點(diǎn)”和深部調(diào)控，竄流通道體積計(jì)算結(jié)果應(yīng)更加明確給出。

4.1已有竄流通道體積計(jì)算方法

目前指導(dǎo)調(diào)堵設(shè)計(jì)最常用的竄流通道體積計(jì)算方法是經(jīng)驗(yàn)法和孔隙體積求解，對于治理經(jīng)驗(yàn)較為豐富的作業(yè)公司，利用經(jīng)驗(yàn)法可給出大致的封堵劑用量，或者求解得到調(diào)堵半徑的儲(chǔ)層孔隙體積后乘以一定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(1/3～1/8，不同油田經(jīng)驗(yàn)系數(shù)不同)。

劉月田等(2003)建立了從孔隙線性滲流到粗糙管湍流的孔道體積計(jì)算方法，并依托宏觀管流中的壓差和流速關(guān)系、示蹤劑檢測竄流時(shí)間，建立大孔道體積。該方法將大孔道等效為宏觀管流，對于裂縫性油藏等竄流孔喉明顯大于滲流孔喉尺寸且非均質(zhì)明顯的情況，計(jì)算結(jié)果較好；但大孔道數(shù)目難以確定，未能給出大孔道的尺寸界限，使其應(yīng)用受到局限。

陳存良等(2014)根據(jù)竄流通道過量水和無竄流通道時(shí)的理論產(chǎn)水量計(jì)算低滲透油藏竄流通道的體積。該方法中引入的過量水和過量水劈分，對于實(shí)際竄流通道分析給出了另一種較好的思路。當(dāng)然，瞬時(shí)過水量對于竄流評(píng)價(jià)具有一定意義，但過量水不能完全代表優(yōu)勢竄流體積，且該方法不能概括全部儲(chǔ)層類型，主要適用于較為簡單的油藏，計(jì)算略顯復(fù)雜。

4.2竄流通道體積分析建議

上述方法主要基于油藏孔隙體積比例或聯(lián)系滲流規(guī)律的注采體積差值，對目前竄流通道體積計(jì)算提供了系列思路，但仍需要一種清晰地體現(xiàn)竄流過程的方法。通過對竄流的深入認(rèn)識(shí)，得到實(shí)際油藏深部主要竄流通道體積，并予以驗(yàn)證、對比、應(yīng)用。因此，本文提出一種可視化的竄流通道發(fā)展和竄流體積計(jì)算的方法，以適應(yīng)油藏高含水期、高含水飽和度封堵治理需要。

(1)將普通驅(qū)替巖心替換為加長巖心或可視化的二維加長平板模型，模型長度與模擬注入井直徑的比值應(yīng)盡可能大(長度1.5～2.0 m)，與油藏尺寸/井徑比值的類比性強(qiáng)。

(2)按常規(guī)驅(qū)替方法進(jìn)行水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，二維平板模型中流體著色能被清晰對比識(shí)別，加長巖心注入流體可被色譜掃描裝置加以區(qū)分，或流體中加入只溶于水相或油相的放射性試劑(如示蹤劑、同位素等[3])，驅(qū)替至竄流通道發(fā)展穩(wěn)定(采出端高-特高含水)，利用攝像裝置或CT多樣本掃描(要求覆蓋整個(gè)模型)[7，21]記錄竄流通道發(fā)展過程、各相流體飽和體積、注入體積和采出體積。

(3)對采集的竄流通道發(fā)展穩(wěn)定的驅(qū)替圖像進(jìn)行處理(如數(shù)字化模擬、圖像模糊化、單色系選擇與銳化等)，識(shí)別、圈定出主要竄流通道，計(jì)算其面積或體積[22]。

(4)對竄流面積/體積與模型總孔隙體積、水相體積分別進(jìn)行比值，得到主要竄流通道相對于油藏和潤濕相的無因次竄流通道體積比例，分別適用于非選擇性和選擇性封堵工藝參數(shù)計(jì)算。

(5)改變模型多孔介質(zhì)參數(shù)(不同孔滲飽、不同沉積韻律、平面非均質(zhì)、隔夾層存在等)與流體注入?yún)?shù)(流變性、流速、間歇或連續(xù)注入等)，得到不同油藏類型和不同注入工作制度下的無因次竄流通道體積比例。

(6)繪制不同情形下的無因次竄流通道體積比例圖版，對比實(shí)際油藏，選出適用的無因次竄流通道體積比例，根據(jù)油藏孔隙體積或潤濕相孔隙體積、無因次竄流通道體積比例、調(diào)堵最優(yōu)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，即可得到井區(qū)合理封堵藥劑用量。

由于實(shí)驗(yàn)中要求竄流通道發(fā)展穩(wěn)定，并進(jìn)行主要竄流通道識(shí)別，因此計(jì)算得到的竄流通道體積可能會(huì)相對小于前述方法，但一定程度上會(huì)提高封堵工藝的適用性。

5結(jié)論

(1)竄流過程的發(fā)展與河道的發(fā)展在某些方面具有相似性。不同油藏類型竄流過程的發(fā)展可揭示儲(chǔ)層內(nèi)部高含水時(shí)期、不同非均質(zhì)、沉積韻律等情形下的竄流通道體積形狀變化。

(2)竄流通道的分析方法可分為定性分析、數(shù)值模擬、定量決策、礦場測量與實(shí)驗(yàn)等，依據(jù)宏觀地質(zhì)、油藏物性、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化和開發(fā)附加問題等指標(biāo)，可協(xié)同判定油藏竄流發(fā)育方向。

(3)竄流通道體積計(jì)算對指導(dǎo)礦場調(diào)堵(驅(qū))藥劑用量具有重要意義。根據(jù)無因次竄流通道體積比例，給出了一種可視化揭示竄流發(fā)展機(jī)理的優(yōu)勢通道體積計(jì)算方法。

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編輯：趙川喜

文章編號(hào)：1673-8217(2016)03-0111-04

收稿日期：2016-01-08

作者簡介：呼園平，高級(jí)工程師，1973年生，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油與天然氣開采工作。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金“低滲油藏低頻振動(dòng)輔助表面活性劑復(fù)合驅(qū)油機(jī)理研究”(51274229)，陜西省科技重大轉(zhuǎn)向“提高延長主力油層開發(fā)效果關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011KJTZ01)。

中圖分類號(hào)：TE319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A