相滲曲線判斷聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的應(yīng)用方法

朱詩杰，施雷庭，張 健，李延禮，王 剛，薛新生，葉仲斌

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都610500；2.中海油研究總院海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100027；3.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459）

“海上油田高效開發(fā)新模式”成功的礦場應(yīng)用說明了聚合物驅(qū)早期注聚理論的正確性[1-4]，但是轉(zhuǎn)注時機(jī)的選擇依然存在著一定的差異性[5]。主要是由于研究方法和目標(biāo)油藏特征的差異造成。研究多是采用聚合物驅(qū)油實驗和油藏數(shù)值模擬針對某個特定油藏條件所開展的不同聚合物注入時機(jī)的研究[6-8]。近年來，也有學(xué)者從油聚和油水相滲機(jī)理入手，結(jié)合油藏工程方法研究了渤海綏中36-1油田的聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注聚時機(jī)，認(rèn)為其最佳轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的含水率應(yīng)該是在聚驅(qū)和水驅(qū)無因次采油指數(shù)之差的最大值與含水率上升速率的最大值之間，其研究結(jié)果也得到了驅(qū)油實驗和油藏數(shù)值模擬的印證[9-11]。應(yīng)用該方法在分析其他油藏條件時，含水率上升速率的最大值與聚驅(qū)/水驅(qū)的無因次采油指數(shù)最大差值之間沒有必然的關(guān)系，完全受相滲曲線的數(shù)據(jù)影響。因此，基于相滲數(shù)據(jù)和油藏工程分析，該方法在判斷注聚時機(jī)不能進(jìn)行統(tǒng)一的應(yīng)用判定，要根據(jù)實際情況作出進(jìn)一步的分析。

對不同油藏的油/水相滲曲線進(jìn)行油藏工程方法分析，對比各參數(shù)條件對聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的影響，構(gòu)建出一套可以合理判斷聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的方法，為聚合物驅(qū)早期注聚的發(fā)展應(yīng)用提供幫助。

1 實驗部分

1.1 實驗條件

選擇了BZ、SZ、JZ、QHD 四個油藏條件進(jìn)行相滲曲線特征分析[12-15]。其中，BZ 油藏是高孔中高滲的稀油油藏，SZ是中高滲的稠油油藏，JZ是高孔高滲的稀油油藏，QHD 是特高滲的稠油油藏。相關(guān)的相滲實驗條件如下：

1）實驗巖心：選取了BZ、SZ、JZ、QHD 四個油藏的天然巖心，其基本數(shù)據(jù)見表1。

2）實驗溫度：BZ油藏的溫度是60 ℃，JZ油藏的溫度是50 ℃，QHD 油藏的溫度是40 ℃，SZ油藏的溫度是65 ℃。

表1 不同油藏的巖心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Core basic data of different reservoirs

3）實驗用水：各油藏的水質(zhì)組成如表2所示。在油藏溫度條件下注入水黏度分別為0.49 mPa·s、0.60 mPa·s、0.62 mPa·s、0.49 mPa·s。

4）實驗用原油：取原油與柴油稀釋混合配制目標(biāo)油藏的原油黏度，分別為6.04 mPa·s、12.17 mPa·s、78.00 mPa·s、122.80 mPa·s。

5）實驗設(shè)備：ISCO 260D Syringe Pump 微量泵，CS1013 型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，Sartorius 精密天平，IKA-RW20 型電動攪拌器，容量為3 000 mL 的活塞中間容器，Senex壓力傳感器，手搖加壓泵，Brookfield DV—Ⅲ布氏黏度計，尺寸為φ25 mm×100 mm的巖心夾持器。

1.2 實驗方法

非穩(wěn)態(tài)法測定相滲曲線的實驗步驟如下[16]：①將巖心置入巖心夾持器后，加圍壓至7 MPa 左右，并在目標(biāo)油藏溫度條件下恒溫老化3 d，測定巖心的水相滲透率；②用油驅(qū)水法建立束縛水飽和度：先用0.1 mL/min 進(jìn)行油驅(qū)水，再逐漸增加驅(qū)替速度至0.2 mL/min、0.5 mL/min 和1 mL/min 直至巖心兩端壓差平穩(wěn)，建立束縛水飽和度并記錄飽和壓力，計算束縛水狀態(tài)下的油相有效滲透率；③水驅(qū)油：以1 mL/min的恒定流速進(jìn)行水驅(qū)油實驗，在巖樣出口端準(zhǔn)確記錄見水前的無水期采油量、見水時間、見水時的累計產(chǎn)油量、累計產(chǎn)液量和巖樣兩端的壓力差隨時間的變化關(guān)系，待出口端含水飽和度達(dá)到99%以上且壓差穩(wěn)定時結(jié)束實驗；④用改進(jìn)的“J·B·N”數(shù)據(jù)處理方法，即等油水靜置一段時間后進(jìn)行計量，能較大程度提高計量精度，使得測定曲線更加接近于真實情況。相滲實驗流程見圖1。

表2 不同油藏的注入水水質(zhì)組成Table 2 Water quality composition of injection water in different reservoirs mg·L-1

圖1 相滲實驗流程Fig.1 Flow of infiltration experiment

數(shù)據(jù)處理方法：應(yīng)用油藏工程方法進(jìn)行相滲曲線的分析，主要包括含水率及上升速率、無因次采液（油）指數(shù)變化特征、流度比等方面的計算分析[17-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同油藏的相滲曲線特征

四個油藏的相滲曲線特征見圖2。

從圖2中可以看出，油藏的物性差異導(dǎo)致油水相滲曲線差異較大，通過對相滲數(shù)據(jù)的5個特征參數(shù)分析，結(jié)果見表3。

圖2 四個油藏條件下的相滲曲線特征Fig.2 Characteristics of relative permeability curves for four reservoirs

表3 四個油藏相滲曲線的特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of relative permeability curves for four reservoirs

通過圖2和表3可知油藏的油水相滲曲線特征各異，其代表著不同的水驅(qū)滲流特征?；谟筒毓こ谭椒ㄟM(jìn)一步對比分析可知：①BZ和JZ具有較高的束縛水飽和度，其數(shù)值大于殘余油飽和度，表現(xiàn)出親水巖性，意味著水驅(qū)效率較低，而QHD 和SZ 則呈現(xiàn)出親油巖性，但是SZ的殘余油飽和度達(dá)47.5%，水驅(qū)的可采儲量相對較少，對比計算可得水驅(qū)采收率效果最佳的是QHD；②從等滲點飽和度分析，也呈現(xiàn)出了BZ和JZ的親水特征，QHD和SZ的親油特征；③等滲點的相滲透率越高，說明兩相滲流能力越強(qiáng)，其中，BZ 和SZ 等滲點的相滲透率值明顯偏小，JZ 表現(xiàn)出的兩相滲流能力最強(qiáng)；④對比殘余油飽和度下的水相滲透率，JZ 油藏殘余油飽和度下的水相滲透率達(dá)到0.844，其在高含水條件下的水相滲流能力較強(qiáng)，驅(qū)油效果變差。

2.2 不同相滲參數(shù)對注聚時機(jī)的影響

2.2.1 含水率及其上升速率的影響

通過相滲曲線數(shù)據(jù)計算的含水率關(guān)于采出程度的變化特征見圖3a，含水率上升速率關(guān)于含水飽和度的變化特征見圖3b。

圖3a中，4個油藏表現(xiàn)出了不同的含水率變化規(guī)律，原油黏度較高的SZ和QHD油藏的含水率上升較快，表現(xiàn)出明顯的“凸型”水驅(qū)曲線特征，與之對應(yīng)的就是低黏度油藏的BZ和JZ，表現(xiàn)出“凹型”水驅(qū)曲線特征。含水率上升越快，說明越需要聚合物的流度控制作用，聚合物的轉(zhuǎn)注時機(jī)越提前。

圖3b對比了含水率上升速率，含水率上升速率通常被應(yīng)用于描述水驅(qū)前緣中，表征水驅(qū)過程的含水率上升速度的快慢，上升速率越大，含水率變化越快。施雷庭[20]認(rèn)為驅(qū)油過程中含水上升速率越大，越不利于聚合物驅(qū)的流度控制，聚合物驅(qū)應(yīng)該在含水率上升速率達(dá)到最大值之前。其中，SZ 的含水率上升速率最大值最高，說明其流度比變化較大，流度控制的需求最為迫切。

圖3 含水率變化特征Fig.3 Characteristics of water cut variation

以此轉(zhuǎn)注時機(jī)應(yīng)該是在含水率上升速率最大值之前為依據(jù)判斷，BZ、JZ、QHD、SZ四個油藏轉(zhuǎn)注時機(jī)對應(yīng)的含水率分別是＜75%、＜78%、＜74%、＜34%。

2.2.2 無因次采液（油）指數(shù)的變化特征

無因次采液指數(shù)的變化特征結(jié)果見圖4。

圖4 無因次采液指數(shù)變化特征Fig.4 Characteristics of dimensionless fluid extraction index variation

圖4中JZ、QHD、SZ三條曲線均是隨著含水飽和度的增加，表現(xiàn)出上升的趨勢。說明目標(biāo)油藏在水驅(qū)開發(fā)過程中，隨著開發(fā)的進(jìn)行，油藏的產(chǎn)液能力呈現(xiàn)上升趨勢。其中JZ的產(chǎn)液指數(shù)在初期的變化不明顯，分析認(rèn)為聚合物驅(qū)應(yīng)該在其產(chǎn)液能力明顯增加的時候開展，以避免聚合物驅(qū)的產(chǎn)液量下降，即含水率67%以后開展聚合物驅(qū)。而BZ出現(xiàn)了先下降再上升的趨勢，整體表現(xiàn)出較低的產(chǎn)液能力，這意味著BZ油藏在注水開發(fā)過程中的產(chǎn)液能力存在問題，聚合物驅(qū)的開展會對產(chǎn)液能力產(chǎn)生更加明顯的影響。那么，如果開展聚合物驅(qū)技術(shù)，就應(yīng)該避開產(chǎn)液低谷值，也就是說對于BZ油藏而言，在含水率80%開展聚合物驅(qū)。

無因次采油指數(shù)的變化特征如圖5所示。

圖5 無因次采油指數(shù)變化特征Fig.5 Variation characteristics of dimensionless oil recovery index

圖5中的4 條無因次采油指數(shù)曲線均表現(xiàn)出隨著含水飽和度的增加而快速下降。雖然表現(xiàn)出一致的下降曲線趨勢，但是各曲線間存在明顯的差異，而且難以進(jìn)行相互之間的對比。含水率上升速率的偏導(dǎo)函數(shù)分析方法見式（1），求無因次采油指數(shù)關(guān)于含水飽和度的偏導(dǎo)函數(shù)（取絕對值分析，在這里由于是負(fù)值，那么就需要反向討論）。

式中：Jo'D為無因次采油指數(shù)關(guān)于含水飽和度的偏導(dǎo)函數(shù)；dSoD為無因次采油指數(shù)的偏微分；dSw為含水飽和度的偏微分。

無因次采油指數(shù)偏導(dǎo)函數(shù)的絕對值表示的意義，可以定義為無因次采油指數(shù)隨著含水飽和度變化的變化速率大小，越靠近0，說明變化速率越小。計算分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 無因次采油指數(shù)關(guān)于含水飽和度的偏導(dǎo)數(shù)Fig.6 Partial derivative of dimensionless oil recovery index with respect to water saturation

從圖6中可以看出，對無因次采油指數(shù)曲線進(jìn)行求偏導(dǎo)后出現(xiàn)不同的變化特征。從曲線特征上的直觀分析是QHD 和JZ 兩條曲線是先上升后下降的變化規(guī)律，呈現(xiàn)出單峰特征，不同于SZ 和BZ 兩條曲線呈現(xiàn)直接下降的趨勢。結(jié)合圖5分析可知，雖然無因次采油指數(shù)隨著含水飽和度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，但是QHD 和JZ 的變化速率是先上升再下降，這表明這兩個油藏在水驅(qū)過程中，存在一段開發(fā)時間對水驅(qū)采油效果有著比較明顯的影響，無因次采油指數(shù)的偏導(dǎo)函數(shù)的上升，使其遠(yuǎn)離0 點，說明其具有較大量的原油采出，分析認(rèn)為應(yīng)在該時刻充分發(fā)揮水驅(qū)開發(fā)效果，然后再開展聚合物驅(qū)技術(shù)。

所以，對于JZ 和QHD 兩個油藏而言，聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注時機(jī)應(yīng)不早于含水飽和度0.464 和0.261，其對應(yīng)的含水率分別是77.9%和86%。而BZ 和SZ在這方面就沒有聚合物驅(qū)注入的最早注聚時機(jī)的限制。

2.2.3 油水流度比的變化特征

因為在束縛水飽和度條件計算的流度比等于0，所以從第二個飽和度點繪制可以獲得圖7a所示的流度比變化特征，可以發(fā)現(xiàn)只有SZ和BZ兩條油水流度比曲線有小于1 的區(qū)域。為了更好地表征流度比變化的規(guī)律性，在束縛水飽和度點?。鞫缺龋㎝=0.1進(jìn)行繪制，結(jié)果如圖7b所示。

油水流度比是指驅(qū)替相與被驅(qū)替相的流度比值，不僅影響面積波及效率，也影響體積波及系數(shù)。當(dāng)油水流度比＞1時，說明驅(qū)替液的流動能力比原油的流動能力大，會發(fā)生較為明顯的“指進(jìn)”和“舌進(jìn)”，不利于驅(qū)替。因此，控制流度比≤1 是最能夠發(fā)揮驅(qū)替效果的。結(jié)合圖7b 所示的油水流度比變化特征，認(rèn)為可以充分發(fā)揮有利流度比的水驅(qū)過程，再開展聚合物驅(qū)進(jìn)行流度控制。實際生產(chǎn)過程中，油水流度比很難控制在1 以內(nèi)。當(dāng)然，油水流度比越低，驅(qū)油效果越好，聚合物驅(qū)的作用也是為了控制不利的油水流度比，在較低油水流度比條件下是更有利于聚合物的流度控制作用的發(fā)揮。

圖7 不同含水飽和度下的流度比Fig.7 Mobility ratio at different water saturation

所以，將油水流度比≤1 作為分界線，四個油藏（BZ、JZ、QHD、SZ）的轉(zhuǎn)注聚時機(jī)應(yīng)該是含水飽和度分別為＜0.51、＜0.42、＜0.18、＜0.20，其對應(yīng)的含水率分別為＜56%、＜57%、＜62%、＜57%。

2.3 不同參數(shù)指標(biāo)下的轉(zhuǎn)注聚時機(jī)

整合上述所有參數(shù)指標(biāo)對于轉(zhuǎn)注時機(jī)的影響進(jìn)行了列表對比，見表4。基于油藏工程原理對其的理論轉(zhuǎn)注時機(jī)進(jìn)行流度控制的分析判斷中，由于油藏條件的不同，各項指標(biāo)分析出的結(jié)果存在差異。因此，在該方法應(yīng)用過程中充分考慮油藏生產(chǎn)的實際情況，作為室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬的補充方法，進(jìn)行轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的判斷。

表4 不同參數(shù)下的轉(zhuǎn)注聚時機(jī)判斷指標(biāo)Table 4 Judgment index of polymerization injection timing under different parameters

從表4可知：①BZ 油藏由于生產(chǎn)過程中采液能力的不足，限制了聚合物驅(qū)的提前注入，轉(zhuǎn)注聚時機(jī)是含水率80%以后；②JZ 油藏是高孔高滲的稀油油藏，應(yīng)該以控制含水率上升速率為核心，所以轉(zhuǎn)注聚時機(jī)應(yīng)該在含水率77.9%～78%之間；③QHD 油藏是特高孔滲的稠油油藏，流度比上升極為迅速，控制流度是首要目的，所以轉(zhuǎn)注聚時機(jī)是含水率62%之前；④SZ油藏是中高滲的稠油油藏，控制含水率上升和流度比相對重要，所以轉(zhuǎn)注聚時機(jī)是含水率34%之前。

整體上可以根據(jù)礦場實際需要進(jìn)行一個標(biāo)準(zhǔn)排序，再進(jìn)行轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的判斷。例如在油田開發(fā)的實際過程中，以產(chǎn)量為核心的標(biāo)準(zhǔn)排序是：無因次采油指數(shù)＞無因次采液指數(shù)＞含水率上升速率＞油水流度比，即四個油藏的聚合物注入時機(jī)是含水率分別為＞80%、＞79.9%、＞86%、＞34%；又例如以理論為基礎(chǔ)，提高油藏最終采收率為核心的指標(biāo)是油水流度比＞含水率上升速率＞無因次采液指數(shù)＞無因次采油指數(shù)，即四個油藏的聚合物注入時機(jī)是含水率分別為＜56%、＜57%、＜62%、＜57%。

3 結(jié)論

1）應(yīng)用油藏工程分析方法進(jìn)一步分析油藏的相滲曲線，獲取含水率變化曲線、含水率上升速率、無因次采液（油）指數(shù)、油水流度比等多組特征參數(shù)數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用于聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注聚時機(jī)的判斷。

2）油藏的相滲特征差異明顯導(dǎo)致各參數(shù)指標(biāo)范圍差異明顯，在分析過程中應(yīng)先綜合考慮各個因素對油藏開發(fā)的影響以及生產(chǎn)開發(fā)的實際需求，再進(jìn)行各指標(biāo)排序，最后進(jìn)行聚合物驅(qū)轉(zhuǎn)注時機(jī)的范圍判斷。

3）以產(chǎn)量為核心的轉(zhuǎn)注聚時機(jī)標(biāo)準(zhǔn)排序是無因次采油指數(shù)＞無因次采液指數(shù)＞含水率上升速率＞油水流度比，BZ、JZ、QHD、SZ 油田的聚合物注入時機(jī)是油藏含水率分別為＞80 %、＞79.9 %、＞86%、＞34%。