水驅(qū)油藏特高含水期微觀剩余油滲流特征研究

于春磊，糜利棟，王川，趙玉云，姜漢橋，田野

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

水驅(qū)油藏特高含水期微觀剩余油滲流特征研究

于春磊1，糜利棟2，王川2，趙玉云2，姜漢橋2，田野2

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

水驅(qū)油藏進入特高含水期后仍具有一定挖潛潛力，微觀剩余油流動特征及運移規(guī)律的研究對于特高含水期水驅(qū)油藏提高采收率具有重要意義。文中通過微觀玻璃刻蝕模型實驗和計算機圖像識別處理技術(shù)對微觀剩余油流動形態(tài)進行分類，分析微觀剩余油流動形態(tài)及變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：特高含水期，考慮油-水-孔喉接觸關(guān)系，可將剩余油流動形態(tài)分為簇狀流、多孔流、柱狀流、膜狀流和滴狀流5類，其中簇狀流分布比例最多，是引起相滲曲線下彎的主要因素，并且隨著含水飽和度的上升，簇狀流逐漸轉(zhuǎn)化為多孔流、柱狀流、膜狀流和滴狀流；同時從微觀上解釋了特高含水期油水微觀流動規(guī)律及相滲曲線非線性的原因，為特高含水期油藏提高剩余油動用程度和采收率提供指導(dǎo)。

水驅(qū)油藏；特高含水；計算機圖像識別技術(shù)；滲流特征

0　引言

水驅(qū)油藏進入特高含水期后仍具有一定挖潛潛力，研究微觀剩余油在孔隙尺度下的流動特征及運移規(guī)律，對水驅(qū)油藏特高含水期提高采收率具有重要作用［1-2］。但目前關(guān)于剩余油的研究大多局限于靜態(tài)剩余油［3］，而對產(chǎn)量具有直接貢獻作用的實際上是流動的剩余油。特別是特高含水期及特高含水后期，油水相對滲透率之比和飽和度半對數(shù)曲線不再是線性關(guān)系［4］，動態(tài)剩余油的研究顯得更加重要。本文通過微觀玻璃刻蝕模型實驗和計算機圖像識別處理技術(shù)對微觀剩余油流動形態(tài)進行分類，為了使成果更具有普遍性，研究了不同孔喉比、孔喉半徑、配位數(shù)、流體性質(zhì)，以及注入條件下微觀剩余油流動形態(tài)、變化規(guī)律和不同流動形態(tài)剩余油微觀分布特征。

1　物理實驗

玻璃刻蝕模型可視化實驗是實驗室研究微觀滲流的重要手段［5］。為了研究特高含水期微觀剩余油流動形態(tài)及變化規(guī)律，設(shè)計了不同孔喉半徑、孔喉比、配位數(shù)形狀因子等特征參數(shù)的概念模型和均質(zhì)、非均質(zhì)實際模型，完成了不同原油黏度和驅(qū)替條件下的微觀水驅(qū)油實驗。

1.1模型設(shè)計

6塊概念模型和3塊實際模型的具體特征參數(shù)如表1所示。

表1　模型孔喉特征參數(shù)

1.2驅(qū)替實驗

為了研究孔隙特征參數(shù)、流體性質(zhì)以及注入條件等因素對特高含水后期不同剩余油流動形態(tài)的影響，使得結(jié)果更具普遍性和實用性，在不同孔隙特征參數(shù)模型上完成了不同流體黏度和注入速度的正交實驗。

1.2.1實驗材料與設(shè)備

模擬油由不同比例原油與煤油配制而成，黏度分別為2，4，6 mPa·s；實驗用水為模擬地層水；玻璃刻蝕模型尺寸2.0 cm×1.5 cm；實驗設(shè)備為HAS-200型恒壓恒速泵和微觀驅(qū)替裝置。

1.2.2實驗步驟

1）用注射裝置向模型中緩慢注入模擬地層水，使模型孔隙中充分飽和模擬水。

2）用注射裝置向飽和水的模型中緩慢注入一定黏度的模擬油，使模擬油將模型孔隙中的可流動水驅(qū)出，同時使模擬油占據(jù)模型孔隙，此時模型處于飽和油和束縛水狀態(tài)。

3）打開實時截屏錄制軟件，設(shè)置恒壓恒速泵為一定驅(qū)替速度，使用微觀驅(qū)替裝置對模型進行水驅(qū)。

4）觀察玻璃刻蝕模型中的油水分布，孔隙中剩余油不再變化時停止水驅(qū)，結(jié)束視頻錄制。

5）不同模型用不同原油黏度在不同驅(qū)替速度下，重復(fù)步驟1）—4），完成所有實驗，為下一步通過計算機圖像識別技術(shù)研究剩余油流動形態(tài)分類及流動規(guī)律做準(zhǔn)備。

2　計算機圖像處理

通常情況下，實驗人員通過經(jīng)驗對微觀玻璃刻蝕模型剩余油進行手動分類標(biāo)記［6-9］，而這種傳統(tǒng)的分類標(biāo)記方法一方面不利于圖像批量處理，另一方面由于觀察者經(jīng)驗及識別精度的局限性導(dǎo)致結(jié)果差別很大。通過計算機技術(shù)不僅可以大幅度提高處理速度（圖像批量處理）［10］，而且可以得到統(tǒng)一的處理結(jié)果。計算機圖像處理技術(shù)應(yīng)用在剩余油的分類識別時，首先需要解決的2個基礎(chǔ)問題是巖石、油、水精確分離和孔-喉結(jié)構(gòu)的分離。

2.1巖石、油、水精確分離

在對每張實驗圖片的剩余油進行分類識別統(tǒng)計之前，需要對圖片進行“三值化”處理，也就是進行巖石、油、水的精確分離。首先采用“背景窗口移植法”，通過對實驗視頻第1幀（即飽和油狀態(tài)）圖片進行精確二值化，得到巖石骨架，實現(xiàn)油、水整體和巖石骨架之間的精確分類；然后借助第1步得到的“骨架”作為背景，對提取的油、水部分進行第2次二值化，實現(xiàn)水驅(qū)油過程中不同驅(qū)替階段圖像的三值化處理，從而達到巖石、油、水精確分離的目的。

圖像處理時，“分割窗口閾值法”［11］可以有效解決因圖像曝光度不均勻引起的識別精度不高的的問題，而“單點窗口閾值法”［12］可以有效降低“分割窗口閾值法”中邊緣處的識別誤差，筆者將“分割窗口閾值法”和“單點窗口閾值法”相結(jié)合，使得最終識別精度達到95%以上。圖1為水驅(qū)某階段的分離結(jié)果，其中黑色是油（閾值為0），白色是水（閾值為1.0），灰色是巖石骨架（閾值為0.5），對應(yīng)的灰度值分別為0，255，128。

2.2孔-喉結(jié)構(gòu)分離

基于“邊界收縮法”實現(xiàn)了孔-喉拓撲結(jié)構(gòu)的提取，采用“射線法”和“最大類間距法”［13］對1.1中的6個概念模型進行孔-喉分離處理。結(jié)果表明，該方法分離精度可達到98%以上，圖2為其中一個實際模型的分離結(jié)果。

圖1　巖石、油、水分離結(jié)果

圖2　孔隙-喉道分離結(jié)果

3　油水微觀滲流特征分析

3.1剩余油流動形態(tài)劃分及定量表征

分析對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，特高含水后期考慮油-水-孔喉接觸關(guān)系可將剩余油流動狀態(tài)分為膜狀流、滴狀流、柱狀流、多孔流以及簇狀流5種，分別定義為：1）膜狀流，有且只有1個油水界面，油-水界面約占油相表面一半，厚度小于孔喉直徑的1/3；2）滴狀流，有且只有1個油水界面，油相不與固相接觸，孔隙和喉道數(shù)不大于1；3）柱狀流，剩余油分布在喉道中，有2個油水界面，孔隙和喉道數(shù)不大于1；4）多孔流，油相分布于多個孔喉，孔隙和喉道數(shù)不大于5；5）簇狀流，油相分布于多個孔喉，孔隙和喉道數(shù)大于5）。這5種類型可以包含所有剩余油。

為了方便計算機程序的處理，分別引入形狀因子G、接觸比C、歐拉數(shù)EN等特征參數(shù)對5類剩余油進行定量表征，并通過大量數(shù)值實驗，得到不同類型剩余油對應(yīng)不同特征參數(shù)的取值范圍（見表2）。圖3為某水驅(qū)實驗驅(qū)替到某時刻的分類結(jié)果，其中簇狀流和多孔流分布最多，柱狀流次之，膜狀流和滴狀流最少。

表2　不同流動形態(tài)剩余定量表征

圖3　剩余油分類識別結(jié)果

3.2不同流動形態(tài)變化及相互演化規(guī)律

1）隨著水驅(qū)油過程中含水飽和度的增加，油相不斷被分割，非連續(xù)程度不斷加劇，表現(xiàn)為數(shù)量多、體積小、分散性強的特點；2）非連續(xù)程度加劇是因為簇狀流向多孔流等非連續(xù)流動形態(tài)轉(zhuǎn)變，原油的流動越來越分散；3）隨著含水飽和度的增加，非連續(xù)流動形態(tài)（滴狀流、膜狀流、柱狀流、多孔流）比例持續(xù)增加，連續(xù)流動形態(tài)（簇狀流）比例逐漸減?。ㄒ妶D4）；4）簇狀流作為連續(xù)相，動用能力較強，油相相對滲透率較大，其他4種形態(tài)的剩余油作為非連續(xù)相，動用能力較弱，油相相對滲透率較小，而相滲曲線拐點的出現(xiàn)時機恰為相對滲透率較小的非連續(xù)相開始發(fā)育的時間，也就是說抑制連續(xù)相向非連續(xù)相的轉(zhuǎn)化及非連續(xù)相發(fā)育，把連續(xù)相所占比例維持在一定水平上，可以在某種程度上延遲相滲曲線拐點出現(xiàn)時機，有助于提高采收率。

圖4　剩余油數(shù)量和平均體積變化曲線

4　結(jié)論

1）特高含水期，考慮油-水-孔喉接觸關(guān)系可將剩余油流動形態(tài)分為簇狀流、多孔流、柱狀流、膜狀流和滴狀流，其中簇狀流分布比例最多，并且隨著含水飽和度的上升，連續(xù)相逐漸轉(zhuǎn)化為非連續(xù)相。

2）抑制連續(xù)相向非連續(xù)相的轉(zhuǎn)化及非連續(xù)相發(fā)育，把連續(xù)相所占比例維持在一定水平上，可以延遲相滲曲線拐點出現(xiàn)時機，有助于提高采收率。

3）從微觀上解釋了特高含水期油水微觀流動規(guī)律及相滲曲線非線性的原因，為特高含水期油藏提高剩余油動用程度和提高采收率提供指導(dǎo)。

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（編輯孫薇）

Percolation characteristics investigation of microscopic remaining oil in water flooding reservoir with ultra-high water cut

YU Chunlei1，MI Lidong2，WANG Chuan2，ZHAO Yuyun2，JIANG Hanqiao2，TIAN Ye2
（1.Research Institute of Exploration and Development，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying 257015，China；2.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The study of remaining oil percolation characteristics under microscopic pore scale plays an important role in enhanced oil recovery for ultra-high water cut period water flooding reservoir.In this paper，microscopic glass-etching model experiments and computer image processing&recognition techniques are combined to re-classify the microscopic remaining oil flowing patterns to analyze the flowing shape and the connect-relationship among the oil，water and rock.Research result indicates all the remaining oil in ultra-high water cut period can be classified into five categories，clustered stream，multi-porous stream，columnar stream，membranous stream and droplet stream.Among of the five categories，clustered stream possess the largest proportion and is also the main factor of relative permeability curves re-curved.Meanwhile，with water saturation rising，clustered stream gradually transforms into other patterns like multi-porous stream，columnar stream，membranous stream and droplet stream.The flow rules of the remaining oil and the reason of the non-linear percolation curve are explained microscopically，which provides a guiding for the development and recovery of water flooding reservoir with ultra-high water cut.

water-flooding reservoir；ultra-high water cut；computer image processing&recognition technique；percolation characteristics

國家科技重大專項“勝利油田特高含水期提高采收率技術(shù)”（2011ZX05011）

TE312

A

10.6056/dkyqt201605010

2016-01-23；改回日期：2016-07-19。

于春磊，男，1984年生，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事油藏數(shù)值模擬工作。E-mail：yuchunly@sina.com。

引用格式：于春磊，糜利棟，王川，等.水驅(qū)油藏特高含水期微觀剩余油滲流特征研究［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：592-594，598.

YU Chunlei，MI Lidong，WANG Chuan，et al.Percolation characteristics investigation of microscopic remaining oil in water flooding reservoir with ultra-high water cut［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：592-594，598.