基于三維可視化物理模型的剩余油空間分布評價

王增寶， 翟東啟， 趙修太

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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基于三維可視化物理模型的剩余油空間分布評價

王增寶， 翟東啟， 趙修太

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

針對地層剩余油分布難以實現(xiàn)直觀可視的問題，設(shè)計制作了三維可視化填砂物理模型。模型由高透明度的亞克力有機玻璃黏結(jié)制成的帶蓋的三維腔體結(jié)構(gòu)，透明可視、簡單易拆卸，可循環(huán)利用，實現(xiàn)不同類型的非均質(zhì)地層、不同固井方式及不同井網(wǎng)分布的可視化模擬?；谌S可視化物理模型建立了剩余油空間分布的可視化評價方法，以正韻律地層反九點井網(wǎng)分布開采為例，通過剩余油縱向剖面空間分布、水平剖面空間分布、水平剖面流線分布和顯微觀察方式對剩余油在儲層中的空間分布進行評價，觀察到剩余油在三維立體空間中的分布位置及在任一點的分布形態(tài)。實驗得到的流線分布與理論流線分布相吻合。

三維模型； 設(shè)計制作； 可視化； 剩余油； 評價方法

0 引 言

我國油田多為陸相沉積多油層儲層，油藏層內(nèi)、層間和平面上的滲透率級差大[1]，變化大，非均質(zhì)性表現(xiàn)嚴(yán)重，致使注入水在地層中指進、繞流、竄流嚴(yán)重，造成注入水的無效循環(huán)，無法有效啟動剩余油[2]。我國油田開采已經(jīng)進入高含水期[3]，尋找剩余油在地層空間中的分布規(guī)律對于下一步有的放矢的挖潛剩余油意義重大[4]。因此，建立一種快速有效評價剩余油空間分布的評價方法，對于剩余油挖潛至關(guān)重要。

目前，針對剩余油空間分布的評價方法主要是數(shù)值模擬法[5-7]和物理模擬法[8-9]。前者利用計算機求解油藏數(shù)學(xué)模型，以預(yù)測油藏動態(tài)的方法，雖然簡單快捷，但無法真實模擬地層條件與環(huán)境；后者基于一定的物理模型進行實驗?zāi)M的方法，可以更加真實地模擬地層條件。常用的物理模擬模型包括一維填砂管/巖心模型、二維平板模型和三維立體模型[10]。一維的填砂管模型，天然巖心和圓柱狀人工巖心可以較好地模擬地層非均質(zhì)條件，但是驅(qū)替過程不可視，驅(qū)替結(jié)束無法準(zhǔn)確判定剩余油的分布位置。二維的平板模型主要是可視化填砂平板模型和可視化微觀玻璃刻蝕模型[11]，也可以用水晶或樹脂[12]材料代替。可視化微觀玻璃刻蝕模型雖然可視化效果好，但水驅(qū)后剩余油的分布難以應(yīng)用到實際地層中尋找剩余油；可視化填砂平板模型雖然具有可視性，但只能在二維尺度上模擬剩余油分布，不能完全模擬實際地層中三維尺度下的剩余油分布。三維立體模型[13]可模擬不同條件地層，更接近實際地層，但目前的常用的三維立體模型體積較大，價格昂貴并且制作工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高[14]，相對來說普及性較差。

為更好地了解剩余油在地層空間中的分布規(guī)律，本文設(shè)計、制作了一種三維可視化物理模型，建立了一種快速直觀的剩余油空間分布評價方法。

1 三維可視化物理模型設(shè)計與制作

1.1 實驗器材

蠕動泵，可視化錄制設(shè)備，亞克力有機玻璃，高純石英砂，硅膠密封墊，聚丙烯塑料管，不銹鋼毛細(xì)管，螺栓與螺母，橡膠塞等；蘇丹紅，液壓油，亞甲基藍(lán)等。

1.2 模型設(shè)計與制作

三維可視化物理模型要滿足透明可視的要求，并且模型簡單易拆卸，可循環(huán)利用。模型可模擬常見非均質(zhì)地層類型及固井方式，實現(xiàn)不同井網(wǎng)分布模擬等。模型設(shè)計及制作內(nèi)容如下。

(1) 模型腔體。玻璃膠黏合具有一定厚度的透明有機玻璃板制成模型主體。尺寸(長、寬、高)分別為9 cm×9 cm×11 cm。壁厚0.9 cm，上端蓋厚1.6 cm。為增強抗壓性，可在模型周圍加上鋼片襯板，見圖1。

(2) 模型密封。上端蓋與腔體之間放置硅膠墊，硅膠墊厚0.5 cm。上端蓋邊緣均勻布孔12個，用于螺栓加壓。通過加壓硅膠墊起到很好的密封作用。良好的密封性是該模型實現(xiàn)可拆卸功能。在模型上端蓋上均布25個孔，用于作為注采井。將這些孔內(nèi)部攻絲，與橡膠塞配合可以起到很好的密封作用。

圖1 模型實物圖

(3) 模型填砂。不對石英砂進行膠結(jié)，根據(jù)要求填制所需厚度。在填制模型的過程中通過將石英砂中加入少量水，填制出不同傾角的地層。在頂層填制粒徑很小的石英砂或黏土作為蓋層，可以更真實地模擬實際地層中的蓋層。通過在砂層中放置隔板等措施模擬帶隔夾層地層。

(4) 模擬井筒。模擬割縫襯管的裝置，該裝置很好地解決了注采井的砂堵問題。將一定長度的聚乙烯塑料管密集布微孔并將測端開孔的模擬井筒放入其中并居中，在兩者間填入20～40目陶粒支撐劑，起到如下作用：①將石英砂隔擋在塑料管外，模擬繞絲篩管防砂；②充填較大粒徑的石英砂起到礫石充填防砂的作用；③保證注入口(流出口)與各層之間同時與注入(流出)流體接觸，保證了各層的注入井與采出井之間的壓差一致；④采出井毛細(xì)管下部某一段堵塞的情況下模擬井筒還可以正常注入(采出流體)。

(5) 井網(wǎng)分布模擬。按照油田井網(wǎng)分布參數(shù)設(shè)計井位，按比例縮小。在模型上端蓋按照設(shè)計的井位分布打孔布井，井距及打開程度盡量與油田現(xiàn)場情況相似。本模型的布孔方式為正方形系統(tǒng)，根據(jù)相似原理[15]，井間干擾理論，鏡像反映法和勢的疊加等原理得到不同井網(wǎng)的模擬單元[16]，選取獨立的注采單元。該模型可以模擬直線排狀井網(wǎng)，五點井網(wǎng)，九點井網(wǎng)，反九點井網(wǎng)，方七點井網(wǎng)以及反方七點井網(wǎng)等。

(6) 非均質(zhì)地層模擬。選取不同粒徑、不同目數(shù)的石英砂模擬不同滲透率的非均質(zhì)地層，如選取40～60目、60～80目、80～100目，以及尺寸小于180目的石英砂，分別作為高滲透層、中滲透層、低滲透層和蓋層來模擬正韻律地層、反韻律地層和復(fù)合韻律地層。

三維驅(qū)替模型裝置連接圖如圖2所示。

圖2 三維驅(qū)替模型裝置連接圖

2 剩余油空間分布評價

2.1 實驗流程

實驗流程與步驟如下：

(1)將填制密封好的三維可視化模型稱重，然后將其中一個模擬井連接真空泵(負(fù)壓0.1 MPa)，其余模擬井連接軟性導(dǎo)管并用止水夾夾住軟管；

(2)啟動真空泵，將三維可視化模型抽真空0.5 h，再用止水夾夾住三維可視化模型連接真空泵軟管；

(3)將其中一個連接模擬井的軟管插入到模擬地層水中，打開止水夾，讓三維可視化模型充分飽和模擬地層水，然后稱重，利用飽和水的質(zhì)量與密度計算三維可視化填砂模型的孔隙體積VP；

(4)蠕動泵以0.1 mL/min緩慢注入蘇丹紅染色的液壓油，進行飽和油過程。當(dāng)計量出口端的含油率達到98%以上時，停止注入染色的液壓油；

(5)蠕動泵以0.5 mL/min恒速緩慢地注入甲基藍(lán)溶液，用視頻圖像采集系統(tǒng)采集整個驅(qū)替過程，觀察水驅(qū)油動態(tài)；

(6)驅(qū)替結(jié)束后，打開三維可視化填砂模型，采用挖砂的方式，觀察任意深度、任意位置的剩余油分布形態(tài)，并進行圖像采集。

2.2 剩余油分布評價方法

以三維可視化物理模型模擬正韻律地層反九點井網(wǎng)分布開采為例，說明儲層剩余油空間分布評價方法。

(1) 剩余油縱向剖面空間分布。通過視頻圖像采集系統(tǒng)采集側(cè)面水驅(qū)油動態(tài)(見圖3)，模擬正韻律儲層反九點井網(wǎng)開采方式下縱向剖面的油水位置分布情況。通過縱向剖面油水位置的變化過程確定無水采油期和每一層儲層的水驅(qū)前緣位置等。在采出井任意含水率下，均可觀察剩余油在縱向剖面的空間分布，為下一步實施提高采收率措施(如調(diào)堵措施)提供依據(jù)。

圖3 正韻律地層模型縱向剖面水驅(qū)油過程

(2) 剩余油水平剖面空間分布。實驗結(jié)束，打開三維可視化填砂模型上端密封蓋，然后模擬層從上至下，每隔一定厚度刮掉砂層，觀察任意深度，任意位置剩余油空間分布、存在形式，以及局部微觀富集形態(tài)。

三維可視化填砂模型可以觀察出口端任意含水率下的剩余油水平剖面空間分布。本實驗是在水驅(qū)含水率達到98%條件下進行的。停止水驅(qū)后，將模擬層從上至下每隔1cm逐層刮掉砂層并進行圖像采集，觀察每層水平剖面的水驅(qū)油波及范圍與剩余油分布規(guī)律(見圖4(a))。圖中：紅色為油區(qū)，藍(lán)色為水區(qū)，綠色為油水混合區(qū)。

圖4 剩余油水平剖面空間分布圖

對剩余油水平剖面采集的圖像進行立體還原(見圖4(b))，可直觀地呈現(xiàn)剩余油在儲層中的空間分布位置及形態(tài)。在分析剩余油空間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，為下一步有針對性的剩余油挖潛工作提供理論依據(jù)。

(3) 水平剖面流線分布。水平剖面反映儲層某一深度的水驅(qū)油波及范圍及剩余油分布位置。根據(jù)油水分布位置，模擬畫出流線(見圖5(a)黃色曲線)。圖5(b)為Matlab軟件繪制的理論流線圖，對比圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)，整裝的剩余油分布區(qū)與理論模型相吻合，離散的剩余油分布在理論流線圖中未體現(xiàn)，而在實際的三維可視化填砂模型的水平剖面可以觀察到中間地帶有離散剩余油分布。通過對比理論流線與實際模型，可以正確認(rèn)識剩余油的空間分布情況。

圖5 水驅(qū)油流線分布

(4) 顯微觀察剩余油狀態(tài)。通過電子顯微鏡觀察中滲透層水平剖面的驅(qū)替部分(藍(lán)紫色區(qū)域顯微鏡下顯示為鐵藍(lán)色)、過渡部分(草綠色區(qū)域，顯微鏡下顯示為桔黃紅色)和未驅(qū)替部分(桔黃色區(qū)域，顯微鏡下顯示為鐵紅色)的微觀剩余油的富集狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，模型被水驅(qū)替過的藍(lán)紫色區(qū)域在部分孔隙中仍然有剩余油存在(圖6(a)黃圈區(qū)域)；模型桔黃色區(qū)域部分孔隙中有水存在(圖6(c)黃圈區(qū)域)；模型草綠色區(qū)域則是油水混合存在的形態(tài)(圖6(b))。通過微觀可視化觀察，可以正確認(rèn)識微觀條件下的剩余油分布特性：剩余油主要以網(wǎng)絡(luò)狀、斑塊狀和孤粒狀等形態(tài)富集于主力油層、低孔低滲沉積單元、正韻律地層中上部及注采井網(wǎng)不完善區(qū)域。

圖6 微觀剩余油分布特性(×30)

3 結(jié) 語

設(shè)計、制作了一種三維可視化填砂物理模型，該模型透明可視，實現(xiàn)了油水驅(qū)替的可視化；簡單易拆卸，可循環(huán)利用；可實現(xiàn)不同類型的非均質(zhì)地層模擬、不同固井方式模擬以及不同井網(wǎng)分布模擬等。

基于三維可視化物理模型建立了剩余油空間分布的可視化評價方法，通過剩余油縱向剖面、水平剖面空間分布、水平剖面流線分布和顯微觀察對剩余油在儲層中的空間分布進行評價。該方法簡單易行，直觀、立體地觀察到任意深度、任意位置的剩余油空間分布特性，為剩余油挖潛工作提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

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The Evaluation Method of Residual Oil Distribution Based on Three-Distribution Visible Model

WANGZeng-bao，ZHAIDong-qi，ZHAOXiu-tai

(School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

It is of great significance for looking for remaining oil by simulating residual oil distribution, especially, in the later developing period of high water-cut oilfield in our country. A new three-dimension (3D) visible model and a new remaining oil distribution evaluation method are established. It is a three-dimensional cavity structure with a cover made of transparent organic glass. It is the main advantage of the model that it has great transparency, recycling and disassembly ability. At the same time, it can simulate many kinds of heterogeneous formations, cementing methods and well pattern. Based on this model, as an example, a simple and feasible evaluation method has been established for the distribution of anti-nine point well pattern in the positive rhythm formation. In this way, we can observe remaining oil distribution features in any depth and at any position through the pictures of longitudinal profile, horizontal section, horizontal flow streamline or partial micrographs, and the flow line distribution is consistent with the theoretical flow distribution. The work will provide theoretical basis and technical support for increase residual oil potential.

3D model； designing and manufacture； visualization； remaining oil； evaluation method

2015-05-11

國家科技重大專項(2011zx05002-005-007HZ)；山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2015EL013)；中國石油大學(xué)(華東)精品實驗建設(shè)項目(JS201403)

王增寶(1985-)，男，山東安丘人，實驗師，現(xiàn)主要從事油田化學(xué)技術(shù)研究及實驗教學(xué)工作。

Tel.：13869854048；E-mail：zbwang1985@163.com

趙修太(1958-)，男，山東壽光人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油田化學(xué)技術(shù)研究。

Tel.：18669885033；E-mail：zxt1667@126.com

TE 38

A

1006-7167(2016)02-0013-04