不連續(xù)隔夾層底水油藏水平井水淹特征及氮?dú)庖炙畽C(jī)理

王 泊

(中國(guó)石化河南油田分公司，河南 南陽 473400)

0 引 言

大多數(shù)油藏中均存在著邊底水，其中，底水油藏的開發(fā)涉及到2個(gè)主要問題，一是生產(chǎn)過程中如何有效地減緩底水的推進(jìn)速度，延長(zhǎng)生產(chǎn)井的無水采油期，改善開發(fā)效果[1-2]；二是在發(fā)生水淹后如何有效地抑制水淹程度發(fā)育，延長(zhǎng)生產(chǎn)井的生產(chǎn)期限，實(shí)現(xiàn)抑水增油[3-7]。為了有效抑制底水油藏的水淹狀況并改善開發(fā)效果，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用了氣體及泡沫堵水[8-12]、弱凝膠堵水[13]、固體顆粒類堵水[14-15]等多種措施，但關(guān)于不連續(xù)隔夾層油藏水平井的水淹特征及治理措施鮮有報(bào)道[3，7，13]。

GC油田為一單斜構(gòu)造，油藏傾角為11～16 °，主要油層HⅢ段發(fā)育4個(gè)砂層組，埋深為168～430 m，單油層厚度不超過10 m，平均孔隙度為34%，平均滲透率為2.11 D，屬于高孔高滲疏松砂巖油藏。原始含油飽和度為60%～80%，原始地層壓力為1.2～3.6 MPa，原始地層溫度約為30 ℃。GC油田南區(qū)50 ℃地面脫氣原油密度為0.901～0.963 g/cm3，油層溫度下脫氣原油黏度為50～12 000 mPa·s，大部分為普通稠油，僅有少量特稠油。各砂層組間存在較為穩(wěn)定的泥巖隔夾層，隔夾層厚度主要分布在0.2～5.4 m，平均為2.6 m；但隔夾層厚度小于1 m的井區(qū)主力油組下部存在水層，且該井區(qū)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)快速水淹問題，說明該油藏中的油層與水層間存在不連續(xù)隔夾層。針對(duì)該類型油藏，篩選適宜的開發(fā)方式與探索水淹治理措施具有重要的實(shí)用價(jià)值。因此，結(jié)合GC油田油藏特點(diǎn)，利用二維可視化物理模擬裝置開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用油為46號(hào)白油，動(dòng)力黏度約為40 mPa·s。實(shí)驗(yàn)用水為根據(jù)GC油田地層水分析資料而配置的水樣，其地層水類型屬于重碳酸氫鈉型，礦化度為9 051 mg/L。注水井與沿程管線安裝了電加熱裝置，實(shí)驗(yàn)過程中該裝置的加熱溫度與恒溫箱的溫度保持一致，使進(jìn)入到油藏中的地層水、氮?dú)獾攘黧w保持與模型內(nèi)部的溫度相同。

1.2 氣水滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)流程主要由4個(gè)部分組成：注入系統(tǒng)、填砂管模型、數(shù)據(jù)紀(jì)錄系統(tǒng)和油氣水計(jì)量系統(tǒng)。填砂管模型的長(zhǎng)度為60 cm，直徑為3.8 cm。實(shí)驗(yàn)用油樣為GC油田的地面脫氣原油，地面脫氣原油黏度為1 080 mPa·s；實(shí)驗(yàn)用氣體為純度為99%的工業(yè)氮?dú)?；單管填砂后孔隙度?5.0%，滲透率為2.16 D，含油飽和度為70%，實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃。

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①原油脫水脫砂；②制作填砂管模型，其絕對(duì)滲透率約為2.00 D；③整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝與試壓，保證實(shí)驗(yàn)流程不漏；④填砂管飽和地層水，測(cè)定填砂管的孔隙度和滲透率；⑤填砂管飽和原油，建立束縛水條件；⑥用蒸汽進(jìn)行驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，直至達(dá)到殘余油狀態(tài)；⑦地層水和氮?dú)庖砸欢ū壤⑷胩钌肮苤?，測(cè)定填砂管兩端的壓差變化規(guī)律，分析殘余油條件下氣水兩相的滲流特征。

1.3 二維可視化實(shí)驗(yàn)

二維可視化物理模擬裝置主要由注入系統(tǒng)、模型主體、產(chǎn)出系統(tǒng)、采集系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。其中，注入系統(tǒng)包括平流泵、氮?dú)馄考皻怏w質(zhì)量流量控制儀、中間容器等裝置；模型主體包括二維可視化模型和恒溫箱；產(chǎn)出系統(tǒng)主要是由量筒和控制閥門組成；采集系統(tǒng)主要包括高清攝像機(jī)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集箱和計(jì)算機(jī)；輔助系統(tǒng)主要包括干燥箱、黏度計(jì)及天平等。二維可視化模型見圖1。模型可視內(nèi)腔長(zhǎng)度與寬度均為20 cm，內(nèi)填40目的玻璃微珠，內(nèi)腔厚度約為2 mm，耐壓達(dá)到3 MPa。

圖1 二維可視化物理模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)實(shí)際油藏主力油層的地質(zhì)參數(shù)可知，油層單層厚度近10 m，隔夾層厚度約為2 m，油層滲透率約為2.00 D，孔隙度約為34%。因此，根據(jù)實(shí)際油藏與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋壤嗟冗M(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敳坎贾靡豢谒骄?，水平段長(zhǎng)度為20 cm，對(duì)應(yīng)油藏水平井長(zhǎng)度為20 m(相當(dāng)于實(shí)際水平段長(zhǎng)度的1/10)；油層厚度為10 cm，對(duì)應(yīng)實(shí)際油藏厚度為10 m；隔夾層厚度為2 cm，對(duì)應(yīng)實(shí)際油藏隔夾層厚度為2 m；實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械母魥A層中間留有約為2 cm的裂口，用于模擬不連續(xù)隔夾層。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖虏康姿畬雍穸葹? cm。制作完成后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臐B透率為2.01 D，孔隙度為0.38。

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①利用長(zhǎng)度為30 cm，直徑為2.5 cm的填砂管測(cè)定40目玻璃微珠的水測(cè)滲透率；②用40目玻璃微珠填裝可視化平板模型，并將模型與其他設(shè)備相連；③將模型裝置嵌入恒溫箱內(nèi)，加熱至70 ℃，以0.02 mL/min的流速飽和模擬油(染紅色)；而后降至30 ℃，并靜置24 h進(jìn)行老化；④用恒流泵將地層水(染藍(lán)色)注入可視化模型，進(jìn)行生產(chǎn)，觀察頂部水平井的水淹狀況和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)；⑤生產(chǎn)過程中，記錄水平井的產(chǎn)液、產(chǎn)水、產(chǎn)油情況，并用高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄流體分布狀態(tài)，至含水率為90%時(shí)，注入氮?dú)獠⒂^察氣相分布特征；⑥結(jié)合水平井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及油層內(nèi)宏觀與微觀的波及狀況，分析水平井的水淹特征及氮?dú)獾囊炙鲇蜋C(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣水滲流特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為殘余油條件下氣水相對(duì)滲透率曲線。由圖2可知，該曲線圖可分為3個(gè)部分。

(1) 氣相流動(dòng)區(qū)域：①當(dāng)水相飽和度很低時(shí)，水相滯留于顆粒的間隙內(nèi)呈不連續(xù)狀態(tài)，或粘附于顆粒表面呈薄膜狀，此時(shí)水相不流動(dòng)；②氣相為非潤(rùn)濕相，占據(jù)孔隙的中間，流動(dòng)能力隨含水飽和度的增加而降低。

(2) 氣相流動(dòng)能力大幅降低區(qū)域：①隨水相飽和度增加，水相逐漸變得連續(xù)，流動(dòng)能力增強(qiáng)，相對(duì)滲透率增加；②氣相流動(dòng)能力隨含水飽和度的增加進(jìn)一步降低。

(3) 氣相流動(dòng)能力緩慢降低區(qū)域：①當(dāng)氣相的飽和度值小于束縛氣飽和度時(shí)，氣相變得不連續(xù)而分散于水相中，部分滯留于孔隙內(nèi)，失去流動(dòng)性；②水相作為潤(rùn)濕相，占據(jù)主要流動(dòng)通道，流動(dòng)能力大幅度增加。因此，在注氮?dú)庖炙胧?shí)施過程中，一方面，氮?dú)獾淖⑷胧沟糜退畠上嗔鲃?dòng)變?yōu)橛蜌馑嗔鲃?dòng)，使水相的流動(dòng)阻力增加；另一方面，在水淹區(qū)域內(nèi)氮?dú)庾優(yōu)檫B續(xù)水相中的分散氣相存在于多孔介質(zhì)的喉道處，在賈敏效應(yīng)作用下大幅度增加水相的流動(dòng)阻力。

圖2 殘余油條件下氣水相對(duì)滲透率

2.2 二維可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 動(dòng)態(tài)變化特征

圖3為底水油藏水平井的瞬時(shí)產(chǎn)量與含水率變化曲線，表1為二維可視化生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 瞬時(shí)產(chǎn)量及含水率隨時(shí)間變化

由圖3、表1可知：水平井生產(chǎn)過程中無水期約為8 min，對(duì)應(yīng)驅(qū)替速度為0.29 mL/min時(shí)的最高瞬時(shí)產(chǎn)油量，無水期采收率為6.48%，含水率快速增加，說明發(fā)生了明顯水淹；而后含水率逐漸增加，驅(qū)替至約為72 min時(shí)含水率大于90.00%，對(duì)應(yīng)采出程度為25.51%；然后以驅(qū)替速度為10 mL/min向模型內(nèi)注入0.2倍孔隙體積的氮?dú)?，水平井含水率由大?0.00%快速降至約為80.00%，產(chǎn)油量明顯增加，含水率基本維持在86.00%～90.00%；至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，含水率大于92.00%，最終采出程度為31.42%。

2.2.2 宏觀驅(qū)油特征

生產(chǎn)過程中的水淹宏觀特征可視化圖像見圖4。由圖4可知，底水自?shī)A層破裂處突破后向油層高部位的水平井推進(jìn)，形成了輻射狀的水淹剖面，夾層裂口處的滲流面積小而滲流速度高，遠(yuǎn)離底水區(qū)域的滲流面積大而滲流速度低(圖4a)，易于形成水相的分散狀態(tài)[16]；如圖4b所示，當(dāng)水平井的含水率超過90.00%時(shí)，對(duì)應(yīng)的采出程度僅為25.51%，在隔夾層裂口處的兩側(cè)剩余大量的剩余油，如果不采取抑水措施很難動(dòng)用該處的剩余油。

表1 二維可視化生產(chǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 水平井水淹過程的宏觀可視化圖像

注氣過程中的氣相擴(kuò)展宏觀特征可視化圖像見圖5。由圖5可知：注氣后，氮?dú)鈨?yōu)先進(jìn)入滲流阻力小的水淹區(qū)域；由于上部滲流面積大，氮?dú)獾牧鲃?dòng)速度慢，有利于氮?dú)獾闹亓Ψ之愖饔枚扑乱?圖5a)；當(dāng)?shù)獨(dú)饨咏撞繆A層裂口處時(shí)，滲流面積減小，氮?dú)饬鲃?dòng)速度增加，有利于氣水向兩側(cè)移動(dòng)而動(dòng)用側(cè)面剩余油；當(dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)入底水層后，流動(dòng)速度進(jìn)一步增加，有利于造成氣水的分散狀態(tài)而增強(qiáng)氮?dú)庖炙淖饔?圖5b)。圖5中黃色箭頭代表注入氮?dú)獾倪\(yùn)移方向。

圖5 水淹后水平井的注氣過程宏觀可視化圖像

圖6為底水油藏注氮?dú)庖炙笤偕a(chǎn)時(shí)油藏中的油水分布狀態(tài)照片。當(dāng)生產(chǎn)井的含水率降至80%時(shí)，大量氮?dú)庖赃B續(xù)相形式存在于油層中上部水淹范圍內(nèi)，同時(shí)油層中下部的水淹范圍內(nèi)氮?dú)舛嘁苑稚⑾嘈问酱嬖?圖6a)。當(dāng)含水率再次超過90%時(shí)，大量底水仍沿著原水淹范圍向水平井推進(jìn)，但是在水淹范圍內(nèi)分布著以分散相形式存在的氮?dú)猓瓜蛏线\(yùn)移的底水有向兩側(cè)剩余油存在的區(qū)域運(yùn)移的趨勢(shì)(圖6b)，從而擴(kuò)大底水的波及范圍，達(dá)到提高采收率的目的。因此，油層范圍內(nèi)分散狀態(tài)的氣相仍然存在，起到了進(jìn)一步抑制底水向上運(yùn)移的作用，使原油的動(dòng)用范圍明顯增加，氮?dú)獾淖⑷肫鸬搅艘炙鲇偷男Ч?；但是分散相形式存在的氮?dú)馊菀装l(fā)生聚并而失去阻礙效應(yīng)，利用泡沫的強(qiáng)封堵能力進(jìn)一步增強(qiáng)氮?dú)獾囊炙Ч呛罄m(xù)的研究方向。

圖6 注氣后再生產(chǎn)過程宏觀可視化圖像

2.2.3 微觀流體分布

圖7為油層與底水層孔隙內(nèi)分散氣相的可視化圖像。由圖7可知，氮?dú)庾⑷脒^程中，形成氣相的分散狀態(tài)，使得油層內(nèi)的油水兩相流動(dòng)變?yōu)橛蜌馑嗔鲃?dòng)，起到增加水相滲流阻力而抑制水淹的作用(圖7a)。同時(shí)，分布范圍較大的氣體大段塞在運(yùn)移過程中不斷發(fā)生截?cái)嘈?yīng)而形成氣體小段塞，部分氣體小段塞在賈敏效應(yīng)作用下基本不發(fā)生運(yùn)移而堵塞小孔道[8，11]。部分截?cái)嗟臍怏w小段塞在油藏中又會(huì)聚并為氣體大段塞，使得氣相占據(jù)范圍增大；注入的氮?dú)庖蕾嚥粩嗟仄屏?、運(yùn)移、聚并，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水淹的抑制作用(圖7b)。

圖7 油層與底水層中不同流體分布的微觀可視化圖像

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)氮?dú)庖炙鲇偷男Ч?，選擇GC油田的一口水平井開展了氮?dú)庖炙囼?yàn)。該井的水平段長(zhǎng)為192.8 m，其所在區(qū)域自上而下有2個(gè)油層和1個(gè)水層，縱向上大部分井段距離底水層較遠(yuǎn)，但隔夾層在A靶點(diǎn)附近逐漸消失，導(dǎo)致水平井短期內(nèi)達(dá)到高含水狀態(tài)。目前，該井實(shí)施了2次氮?dú)庖炙胧?。措施前，平均日產(chǎn)液為45 m3/d，日產(chǎn)油僅為0.5 t/d，含水率高達(dá)99%。第1次措施注入氮?dú)?×104m3，悶井24 h后生產(chǎn)，日產(chǎn)液量降至10 m3/d，而日產(chǎn)油達(dá)到4.5 t/d，含水率降至55%；第2次措施注入氮?dú)?×104m3，悶井24 h后生產(chǎn)，日產(chǎn)液量為15 m3/d，日產(chǎn)油達(dá)到6.0 t/d，含水率為60%。該水平井實(shí)施注氮?dú)獯胧┖笕〉昧嗣黠@的抑水增油效果，為不連續(xù)隔夾層底水油藏的有效開發(fā)與治理措施設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)踐指導(dǎo)作用，但由于氮?dú)庖炙饔糜行谳^短，后續(xù)可考慮采用注泡沫的方式進(jìn)行抑水增油措施進(jìn)行實(shí)施[12]。

4 結(jié)論及建議

(1) 氮?dú)庠谒蛯舆\(yùn)移過程中，使得原本油水兩相流動(dòng)變?yōu)橛蜌馑嗔鲃?dòng)，增加水相流動(dòng)阻力；同時(shí)，水淹區(qū)域內(nèi)氮?dú)庖苑稚庀啻嬖跁r(shí)，在賈敏效應(yīng)作用下能大幅度增加水相的流動(dòng)阻力。

(2) 底水自?shī)A層破裂處突破后向油藏高部位的生產(chǎn)井推進(jìn)，由于夾層破裂處的滲流面積小而使得滲流速度高，遠(yuǎn)離夾層裂口處所在區(qū)域的滲流面積大而使得滲流速度低，因而易于形成輻射狀的水淹剖面。

(3) 注入氮?dú)夂?，其?yōu)先進(jìn)入滲流阻力小的水淹區(qū)域，利用氮?dú)獾闹亓Ψ之愖饔枚扑乱疲幱诜稚顟B(tài)的氮?dú)庠黾恿怂嗟臐B流阻力；同時(shí)，注入的氮?dú)獠粩嗟胤稚?、運(yùn)移、聚并，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水淹的抑制作用。油層范圍內(nèi)分散的氣相使原油的動(dòng)用范圍明顯增加，起到了擴(kuò)大原油動(dòng)用范圍而增產(chǎn)原油的效果，但由于氮?dú)庖炙饔糜行谳^短，后續(xù)可考慮采用注泡沫的方式對(duì)不連續(xù)隔夾層底水油藏進(jìn)行抑水增油措施的實(shí)施。