強(qiáng)天然水驅(qū)油藏開發(fā)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

張振濤，姜漢橋，李俊鍵，雷占祥，肖康，劉洪霞

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

強(qiáng)天然水驅(qū)油藏開發(fā)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

張振濤1，姜漢橋1，李俊鍵1，雷占祥2，肖康2，劉洪霞1

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

針對(duì)已有的水驅(qū)相似準(zhǔn)則體系，引入敏感因子，利用數(shù)值模擬方法研究各相似參數(shù)的敏感性，確定相似參數(shù)的主要敏感因子介于10-1～101。結(jié)合油藏實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的重力占優(yōu)和黏滯力占優(yōu)物理模型及水驅(qū)油模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同驅(qū)動(dòng)力占優(yōu)條件下的油藏水驅(qū)開發(fā)特征及剩余油分布特征，為挖潛方向提供指導(dǎo)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：黏滯力占優(yōu)模型前期含水上升速度快，含水率曲線呈“廠”字形，指進(jìn)現(xiàn)象較嚴(yán)重，但總體上波及程度較高，采出程度較高；重力占優(yōu)模型前期含水上升較慢，注水后含水快速上升，頂部富集剩余油，后期開發(fā)潛力較大。

重力占優(yōu)模型；黏滯力占優(yōu)模型；相似理論；電阻率法

0　引言

厄瓜多爾強(qiáng)天然水驅(qū)油藏，初期依靠天然能量開發(fā)，采用邊部注水的開發(fā)方式，后期逐漸擴(kuò)大水驅(qū)規(guī)模，但仍采用邊部注水為主、內(nèi)部注水為輔的開發(fā)方式［1-2］。油藏西部區(qū)域以黏滯力為主要驅(qū)動(dòng)力，東部以重力為主要驅(qū)動(dòng)力。目前該區(qū)塊的開發(fā)已進(jìn)入高含水率和高采出程度的“雙高”階段，含水上升快、產(chǎn)量遞減快、儲(chǔ)層單一、調(diào)整手段少，控水穩(wěn)油面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

由于天然水驅(qū)油藏的油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律與人工注水油藏存在顯著差異，適用于人工注水油藏的水驅(qū)機(jī)理、剩余油描述和挖潛的技術(shù)手段不能照搬到強(qiáng)天然水驅(qū)油藏［3］。本文以強(qiáng)天然水驅(qū)油藏中重力占優(yōu)單元和黏滯力占優(yōu)單元為研究對(duì)象［4-7］，根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)重力占優(yōu)和黏滯力占優(yōu)物理模型并開展水驅(qū)油模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同驅(qū)動(dòng)力占優(yōu)方式下的油藏水驅(qū)開發(fā)特征及剩余油分布特征［8-13］。

1　物理模型及模擬實(shí)驗(yàn)

1.1相似參數(shù)選擇

針對(duì)已有的水驅(qū)相似準(zhǔn)則體系，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法分析各個(gè)相似參數(shù)的微小改變對(duì)于表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)的影響程度，通過比較影響程度的大小來判斷相似參數(shù)的主次關(guān)系［7］。

式中：Kcwo，Krow分別為束縛水條件下和油相及殘余油條件下的水相滲透率，10-3μm2；Ko，Kw分別為油相、水相滲透率，10-3μm2；xR，yR，zR，xp，yp分別為幾何相似參數(shù)；h為油層厚度，cm；qw為流量，cm3/s；Sw，So分別為含水、含油飽和度；Scw，Sro分別為束縛水、殘余油飽和度；φo為孔隙度；θ為接觸角，（°）；Co，Cw，Cφ分別為油、水、孔隙壓縮系數(shù)，MPa-1；μo，μw分別為油、水黏度，mPa·s；ρo0，ρw0分別為油、水密度，g/cm3；po0，pw0分別為油、水壓力，MPa；pwf為井底流壓，MPa；poi為地層初始?jí)毫Γ琈Pa；J為修正的Leverret J函數(shù)。

在實(shí)際數(shù)值計(jì)算中，引入敏感因子Si表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)的影響程度，敏感因子定義式如下：

式中：wi為畸變系數(shù)；a0為模型與原型相似時(shí)采收率曲線和無因次時(shí)間軸所圍的面積；Δaim為第i個(gè)相似參數(shù)畸變后的采收率曲線與完全相似時(shí)采收率曲線的偏離程度；下標(biāo)m表示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、p表示油藏原型。

在對(duì)相似參數(shù)進(jìn)行敏感性分析時(shí)，認(rèn)為注采井的相對(duì)位置保持相似，不對(duì)注采井位置的相似參數(shù)進(jìn)行畸變，其他相似參數(shù)的敏感因子都是在給定的相似參數(shù)值條件下計(jì)算得到的。計(jì)算時(shí)令wi分別等于+1%和-1%，采用數(shù)值模擬方法，依次對(duì)各個(gè)相似參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析，敏感因子如圖1所示。

由圖可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)相似參數(shù)的敏感因子量級(jí)為10-5～100。敏感因子大，說明該相似參數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度大，從而定量地確定了各個(gè)相似參數(shù)的主次關(guān)系。分析認(rèn)為，敏感因子為10-1～101的相似參數(shù)是主要的，主要為π4，π5，π10，π11，π12，π13，π16，π22，π24。

圖1　相似參數(shù)敏感因子

因此，在物理模擬過程中，幾何相似參數(shù)、束縛水飽和度、殘余油飽和度、初始含水飽和度、毛細(xì)管力、重力及井底壓力是非常重要的相似參數(shù)，要盡可能滿足。

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

本區(qū)塊受重力作用影響較大，因此必須要考慮重力對(duì)開發(fā)效果的影響。因而重力占優(yōu)模型和黏滯力占優(yōu)模型的設(shè)計(jì)均遵循重力與驅(qū)動(dòng)力比值相似的原則，放松了幾何相似，選擇30 cm×30 cm的模型。為了更真實(shí)地模擬地層，根據(jù)選擇的相似參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母黜?xiàng)參數(shù)（見表1）。

表1　重力占優(yōu)與黏滯力占優(yōu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

制作的重力占優(yōu)與黏滯力占優(yōu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途鶠槟z結(jié)模型。其中，重力占優(yōu)模型共計(jì)部署7口直井，1口位于模型中部，另外6口分別部署在模型兩端，模型一端內(nèi)部放置一個(gè)28.0 cm×0.3 cm×6.0 cm水槽，用來模擬邊水。此外，模型頂部和底部分別部署7×7對(duì)電極，每對(duì)電極測量一個(gè)點(diǎn)的飽和度；實(shí)際黏滯力占優(yōu)模型井位與電極部署與重力占優(yōu)模型相同，同樣放置一個(gè)28.0 cm×0.3 cm×3.5 cm的水槽模擬邊水（見圖2）。

圖2　膠結(jié)模型示意

1.3實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

平流泵、抽真空系統(tǒng)（包括真空泵和真空緩沖容器；驅(qū)油物理模擬含水飽和度動(dòng)態(tài)分布測定儀，主要用來實(shí)時(shí)監(jiān)測不同部位飽和度的變化情況）、量筒、壓力表、六通閥、扳手等。

1.4實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)通過改變注水速度，研究在不同注水速度條件下模型的含水率、采出程度和采油速度的變化，并監(jiān)測含油飽和度的變化情況，為剩余油的進(jìn)一步挖潛提供指導(dǎo)。研究共進(jìn)行6組一注一采實(shí)驗(yàn)，分別為：重力占優(yōu)模型3組，注水速度分別為0.90，1.29，1.53 mL/min；黏滯力占優(yōu)模型3組，注水速度分別為2.04，2.87，3.76 mL/min。實(shí)驗(yàn)中膠結(jié)模型內(nèi)不同點(diǎn)的含水飽和度值與電阻值呈單值函數(shù)關(guān)系，所以含水飽和度值可以通過測量電阻值而間接得到，即應(yīng)用電阻率法得到含油飽和度的分布。

1.4.1電阻值與飽和度的圖版標(biāo)定實(shí)驗(yàn)［14］

1）制作3.0 cm×3.0 cm×4.5 cm膠結(jié)模型（與實(shí)驗(yàn)驅(qū)替模型在物性上保持一致），布設(shè)電極。

2）模型飽和地層水，測定電阻值。

3）將油水按不同比例注入模型，并測定電阻值，得到油水不同飽和度下的電阻值。

4）處理數(shù)據(jù)，得到電阻值與飽和度的關(guān)系曲線，求解電阻與飽和度的擬合公式，見式（3）。

1.4.2膠結(jié)模型驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

1）模擬邊底水開發(fā)階段。打開水槽邊部的3口注水井按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的水侵速度恒速驅(qū)替，模擬邊水驅(qū)，記錄出液情況，測定模型上部和下部不同點(diǎn)的飽和度分布，直至采出端含水率達(dá)到90%。

2）模擬邊底水+人工注水開發(fā)階段。采出端含水率達(dá)到90%后，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的注水速度加大水槽中部的注水井速度進(jìn)行恒速水驅(qū)，記錄出液情況，測定模型上部和下部不同點(diǎn)的飽和度分布，直至采出端含水率達(dá)到98%停止。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1含水率變化規(guī)律

2種模型的含水率曲線如圖3所示。由圖可以看出，注入速度（v）越大，重力占優(yōu)模型和黏滯力占優(yōu)模型的含水率上升越快，無水采油期越短。因黏滯力占優(yōu)模型水侵速度大，因而其前期含水率上升速度快，含水率曲線呈“廠”字形，而重力占優(yōu)模型水侵速度小，前期含水率上升較慢，注水后含水率快速上升。

圖3　不同注入速度下的含水率曲線

2.2采油速度變化規(guī)律

2種模型的采油速度曲線如圖4所示。由圖可以看出：注入速度越大，重力占優(yōu)模型和黏滯力占優(yōu)模型的采油速度越大，后期基本無差異。與黏滯力占優(yōu)模型相比，重力占優(yōu)模型水侵速度很小，能力供給不足，因而，前期產(chǎn)油速度遞減較快，后期遞減較慢。

圖4　不同注入速度下的采油速度曲線

2.3采出程度變化規(guī)律

2種模型的采出程度曲線如圖5所示。由圖可以看出，注入速度越大，重力占優(yōu)模型和黏滯力占優(yōu)模型的采出程度越高，同時(shí)，黏滯力占優(yōu)模型水侵速度大，能量供給充足，因而與重力占優(yōu)模型相比較，其采出程度較高。

圖5　不同注入速度下的采出程度曲線

2.4剩余油飽和度分布規(guī)律

由電阻率法得到2種模型頂部和底部剩余油分布（見圖6、圖7，其中，a，b，c為頂部，d，e，f為底部）。

圖6　重力占優(yōu)模型剩余油飽和度分布

圖7　黏滯力占優(yōu)模型剩余油飽和度分布

由圖6可以看出，注入速度越大，重力占優(yōu)模型驅(qū)替效果越好，剩余油越少，總體來看，重力占優(yōu)模型頂部富集剩余油，潛力較多，底部波及較好。由圖7可以看出，黏滯力模型指進(jìn)現(xiàn)象較嚴(yán)重，注入速度越大，指進(jìn)現(xiàn)象越嚴(yán)重，但總體上波及程度較高。

因而，對(duì)于重力占優(yōu)儲(chǔ)層，可適當(dāng)加大驅(qū)替速度，增大波及系數(shù)，同時(shí)部署水平井挖潛頂部剩余油；對(duì)于黏滯力占優(yōu)儲(chǔ)層，則可適當(dāng)減小驅(qū)替速度，減小黏性指進(jìn)程度，進(jìn)而進(jìn)一步擴(kuò)大波及系數(shù)。

3　結(jié)論

1）針對(duì)已有的水驅(qū)相似準(zhǔn)則體系，引入敏感因子，利用數(shù)值模擬方法研究水驅(qū)油藏條件下各相似準(zhǔn)則的敏感性，確定π4，π5，π10，π11，π12，π13，π16，π22和π24為敏感性較強(qiáng)的相似參數(shù)。

2）黏滯力占優(yōu)模型含水率上升快、產(chǎn)油速度遞減快、采出程度較高；同時(shí)，指進(jìn)現(xiàn)象較嚴(yán)重，注入速度越大指進(jìn)現(xiàn)象越嚴(yán)重，但總體上波及程度較高。

3）重力占優(yōu)模型頂部富集剩余油，開發(fā)潛力較大，底部區(qū)域波及較好。

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（編輯王淑玉）

Mechanism of strong natural aquifer reservoir development

ZHANG Zhentao1，JIANG Hanqiao1，LI Junjian1，LEI Zhanxiang2，XIAO Kang2，LIU Hongxia1
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Research Institute of Petroleum Exploration&Development，PetroChina，Beijing 100083，China）

In this paper，we studied the similarity criterion of water flooding by sensitivity factor.Using numerical simulation to investigate the sensitivity of each dimensionless parameter，it shows that the sensitivity factor is within 0.1-1.0.Based on geometric similarity，movement similarity and dynamic similarity，the gravity-dominant and viscous force-dominant physical models and water flooding simulation experiment were designed.Development features and remaining oil distribution under different driving forces were investigated for potential production.The simulation results indicate that the water cut rises fast and fingers seriously by the viscous force-dominant physical model，but it has large swept volume and high reserves recovery.The water cut of the gravitydominant physical model rises slowly at first，but rises fast after water injection，which has a great potential for developing in the rich remaining oil distribution regions.

gravity dominant model；viscous force dominant model；similarity criterion；resistivity method

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“復(fù)雜裂縫潛山油藏水平井堵水封堵機(jī)理研究”（51404280）

TE34

A

10.6056/dkyqt201605018

2016-03-30；改回日期：2016-07-25。

張振濤，男，1991年生，在讀碩士研究生，從事油氣田開發(fā)理論與提高采收率方面的研究。E-mail：firezzt@163.com。

引用格式：張振濤，姜漢橋，李俊鍵，等.強(qiáng)天然水驅(qū)油藏開發(fā)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：625-629.

ZHANG Zhentao，JIANG Hanqiao，LI Junjian，et al.Mechanism of strong natural aquifer reservoir development［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：625-629.