高含水油藏深部調(diào)剖驅(qū)油機理實驗研究

侯思偉， 王 毅， 饒 政， 張春光

(新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū), 克拉瑪依 834000)

中國多數(shù)低滲透砂巖油藏由于長期注水沖刷極易產(chǎn)生竄流現(xiàn)象,致使層間矛盾突出,很難實現(xiàn)低滲層剩余油有效動用,嚴重影響水驅(qū)開發(fā)效果[1-3]。調(diào)剖堵水[4-8]作為一種改善水驅(qū)開發(fā)效果的重要技術(shù),能夠有效封堵高滲層,擴大水驅(qū)波及體積,但是常規(guī)調(diào)剖處理半徑較小,導致增產(chǎn)有效期短,難以滿足礦場實際需求。

為了進一步提高注入水的波及體積和驅(qū)油效率,諸多學者提出了深部調(diào)剖[9-12]的概念。曹偉佳等[13]采取凝膠和微球組合二級深部調(diào)驅(qū)段塞,采收率比水驅(qū)階段提高了22.5%。張繼紅等[14]利用3層非均質(zhì)填砂模型注入0.3倍孔隙體積(PV)弱凝膠體系,弱凝膠能夠減小層間非均質(zhì)性,同時改變了高滲層內(nèi)部殘余油分布,弱凝膠可在油藏深部進行深部調(diào)驅(qū)。趙鳳蘭等[15]通過3層非均質(zhì)砂巖巖心開展調(diào)剖位置對復合調(diào)驅(qū)的影響實驗,表明將淀粉膠定位至巖心前緣線及深部位置時,組合泡沫調(diào)驅(qū)的采出程度增幅高達28.97%。姚傳進等[16]開展單管模型實驗,表明在聚驅(qū)之后彈性微球深部調(diào)驅(qū)比單純聚驅(qū)采收率提高了5.73%。大量學者通過室內(nèi)實驗研究表明,深部調(diào)剖能夠封堵高滲層優(yōu)勢通道,發(fā)揮更大的改變后續(xù)液流方向作用。但是對于深部調(diào)剖技術(shù)的研究多數(shù)是通過采集巖心兩端的數(shù)據(jù)參數(shù)來描述調(diào)剖過程,而調(diào)剖前后液流在高低滲層中運移規(guī)律、波及體積以及驅(qū)替效率如何變化鮮有報道。

因此,應用計算機斷層掃描(computed tomography，CT)技術(shù)與巖心驅(qū)替實驗結(jié)合,通過不同時刻獲得的油水飽和度分布特征,分析高低滲層油水運移特征,對比調(diào)剖前后注入水的波及效率和驅(qū)替效率,探索深部調(diào)剖驅(qū)油機理,以期為高含水油藏的有效開發(fā)提供理論支持。

1 實驗器材和方法

1.1 實驗裝置及條件

實驗所用CT掃描儀器是由掃描架、支架、控制臺和電源分配裝置等構(gòu)成的ProSpeed CT/e螺旋CT掃描儀,掃描電壓為120 kV,電流為50 mA,單層掃描時間為2 s,采用軸向掃描的方式,掃描厚度和層距均為5 mm。CT掃描數(shù)據(jù)通過圖像分析軟件進行重建并處理。驅(qū)替實驗裝置包括2PB00C型平流泵、中間容器、真空泵、人造巖心及管線若干。

1.2 實驗巖心與流體

實驗巖心是層內(nèi)縱向非均質(zhì)人造巖心,呈正韻律放置并采用環(huán)氧樹脂澆鑄,其規(guī)格為4.5 cm×4.5 cm×30 cm,滲透率分別為100×10-3μm2和 3 000×10-3μm2,巖心一次CT掃描產(chǎn)生60個CT切片。實驗用油為某油區(qū)模擬油,調(diào)剖劑為改性淀粉凝膠,配方組成為4%改性淀粉+4%丙烯酰胺+0.1%交聯(lián)劑+0.02%引發(fā)劑,頂替段塞是與改性淀粉凝膠同濃度的淀粉溶液。為了提高CT掃描過程中流體分辨效果,在水和淀粉溶液中分別加入8%溴化鈉增強劑。

1.3 實驗過程

實驗分為5步：①掃描實驗流體和干巖心樣品,測定各流體CT值和巖心各切片CT值；②將巖心抽真空飽和油,對飽和油的巖心CT掃描,得到巖心各掃描切片孔隙度；③以0.5 mL/min的驅(qū)替速度水驅(qū)油實驗,在一定的時間間隔內(nèi)對巖心CT掃描,獲取巖心各切片油水分布信息,直到出口端含水率達98%以上；④以0.5 mL/min的速度依次注入 0.2 PV 的改性淀粉凝膠和淀粉溶液,凝膠候凝后對巖心CT掃描,獲得凝膠在巖心中的分布狀態(tài)；⑤以 0.5 mL/min 的驅(qū)替速度后續(xù)水驅(qū),在一定的時間間隔內(nèi)對巖心CT掃描,獲取巖心各切片CT值分布和油水分布信息,直到出口端含水率達98%以上結(jié)束實驗。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 一次水驅(qū)

圖1所示為巖心高滲層和低滲層含水飽和度沿巖心長度方向分布。由圖1可見,在水驅(qū)分別為30、60、90 min時,高滲層含水飽和度前緣剖面十分陡峭,注入水呈活塞式向前推進。水驅(qū)160 min時,高滲層各切片含水飽和度均在60%以上,表明此時高滲層內(nèi)的驅(qū)替效率較高,并且注入水均勻驅(qū)替高滲層多孔介質(zhì)中原油。水驅(qū)220、160 min對比來看,高滲層各切片含水飽和度增幅較小,表明注入水低效或無效循環(huán),巖心高滲層處于高含水期。水驅(qū) 90 min 時,注入水開始啟動低滲層,水驅(qū)結(jié)束時,低滲層含水飽和度仍然很低,并且水驅(qū)前緣僅波及到第27個切片處,而此時的高滲層已成為注入水主流通道,分析認為是巖心縱向非均質(zhì)性嚴重,導致在注水開發(fā)過程中層間矛盾大,油層動用極不均勻,造成了高滲層見效快含水高,低滲層注水效果差。

圖1 巖心高、低滲層含水飽和度沿程分布

2.2 后續(xù)水驅(qū)

圖2 巖心高滲層CT值沿程分布

圖2所示為后續(xù)水驅(qū)巖心高滲層CT值分布。由圖2可見,該曲線在巖心切片中心處出現(xiàn)了下降漏斗,漏斗處為改性淀粉凝膠位置,漏斗兩側(cè)曲線的高CT值處為含有溴化鈉的水波及區(qū)。后續(xù)水驅(qū)過程中,隨著注入水的不斷沖刷,漏斗整體形態(tài)保持完好,說明改性淀粉凝膠成膠性能好,與巖心孔隙壁面膠結(jié)強度高,改性淀粉凝膠未發(fā)生運移且仍保持完整性,對于竄流通道的封堵效果好。在巖心第43個切片與第60個切片之間,水驅(qū)40 min時曲線CT值低于注膠后曲線CT值,分析認為是改性淀粉凝膠封堵高滲層,迫使注入水繞流啟動低滲層多孔介質(zhì)中的剩余油,致使低滲層中的剩余油繞過改性淀粉凝膠后進入接近出口端處的高滲層,因此,水驅(qū)40 min時的CT值降低。隨著水驅(qū)時間的增加,CT值升高,這是因為注入水量增加,水相逐漸向巖心深部運移并繞過改性淀粉凝膠由低滲層進入高滲層,含水飽和度增加,致使CT值升高。

圖3所示為后續(xù)水驅(qū)巖心低滲層含水飽和度分布。由圖3可見,水驅(qū)40 min時水驅(qū)前緣由注膠后第 27個切片運移到第38個切片處,并且?guī)r心入口端的含水飽和度大幅增加,說明注入水不僅波及改性淀粉凝膠正上部的低滲層剩余油,同時擴大入口端的低滲層波及區(qū)。水驅(qū)時間不同,油水前緣的位置不同,隨著水驅(qū)時間增加,水相波及區(qū)域逐漸增大,低滲層含水飽和度逐漸增加,但是在相同水驅(qū)時間間隔內(nèi),含水飽和度曲線逐漸緊密,表明水驅(qū)前緣線推進速度變緩,分析認為是后續(xù)注入水啟動低滲層,擴大了水驅(qū)波及體積,提高了注入水的有效利用率,但是由于液流是沿著滲流阻力小的方向運移,注入水一旦繞過改性淀粉凝膠立即進入滲流阻力小的高滲層大孔道,形成新的水流通道,致使低滲層油水前緣推進速度變緩,因此盡管注入水仍然波及低滲層,但是波及體積增幅有限,所以巖心低滲層出口端仍有部分未波及區(qū)。

2.3 波及效率與驅(qū)替效率

為了定量研究巖心深部調(diào)剖對注入水波及效率和驅(qū)替效率的影響。根據(jù)巖心幾何尺寸和孔隙度計算得到巖心高、低滲層飽和油量,通過不同時刻巖心高、低滲層含水飽和度值可得到相應產(chǎn)油量,進而分別計算高、低滲層采收率。通過CT掃描獲得的巖心油水分布情況計算注入水波及效率,進而求得驅(qū)替效率。圖4所示為整個驅(qū)替過程中高、低滲層驅(qū)替效率、波及效率和采收率曲線。

圖3 巖心低滲層含水飽和度沿程分布

圖4 滲層驅(qū)替效率、波及效率和采收率曲線

由圖4(a)可見,水驅(qū)初期,驅(qū)替效率和波及效率曲線陡然上升。水驅(qū)至0.2 PV過程,采收率受驅(qū)替效率和波及效率共同影響,并且驅(qū)替效率起主要作用。水驅(qū)0.2～0.4 PV過程,注入水不斷向油層深部運移,驅(qū)替效率緩慢上升,采收率受驅(qū)替效率和波及效率共同影響,并且波及效率起主要作用。0.4 PV以后,注入水波及整個高滲層,波及效率不在增加,此時采收率的大小取決于驅(qū)替效率的大小。

由圖4(b)可見，水驅(qū)初期,驅(qū)替效率和波及效率均為0,表明注入水未波及低滲層；水驅(qū)0.2 PV時驅(qū)替效率和波及效率開始增加,采收率的變化受驅(qū)替效率與波及效率同時作用；一次水驅(qū)后期3條曲線趨于平緩,是因為注入水沿著高滲層水流通道竄流,幾乎不在波及低滲層。注改性淀粉凝膠過程,驅(qū)替效率和波及效率沒有明顯變化,表明凝膠體系未波及低滲層,即對低滲層沒有污染,凝膠具有很好的選擇注入性。后續(xù)水驅(qū)階段,驅(qū)替效率曲線緩慢上升,波及效率和采收率曲線快速升高,采收率的增加主要是波及效率起主導作用。分析認為改性淀粉凝膠封堵高滲層迫使后續(xù)注入水繞流驅(qū)替低滲層未動用的剩余油,水相波及體積迅速擴大,波及效率大幅增加；而低滲層孔道細微,滲透率低,滲流阻力大,水相發(fā)生繞流后很難繼續(xù)開辟新的滲流通道,驅(qū)替效率增幅減緩。

對圖4進行綜合分析,對于高滲層,采收率首先受驅(qū)替效率和波及效率共同影響,當波及效率不再增加,采收率的大小取決于驅(qū)替效率的大小,因此,在波及效率達到一定程度的基礎(chǔ)上,改善驅(qū)替效率才能進一步提高采收率。對于低滲層,采收率一直受驅(qū)替效率和波及效率同時作用,且后續(xù)水驅(qū)過程波及效率發(fā)揮主要作用,因此,必須同時提高驅(qū)替效率和波及效率才能最大程度提高采收率。

2.4 調(diào)剖機理分析

圖5 非均質(zhì)巖心深部調(diào)剖示意圖

圖5所示為非均質(zhì)巖心深部調(diào)剖示意圖。以往對于調(diào)剖劑放置位置的研究認為,當凝膠放置于巖心入口端高滲層時,后續(xù)注入水只在入口端的低滲層產(chǎn)生繞流,擴大波及體積程度較低；當把凝膠注入高滲層深部,封堵高滲層后,迫使后續(xù)注入水在凝膠上部的低滲層B點產(chǎn)生繞流,水相繞過凝膠在C點處竄入高滲層,能夠大幅度提高注入水波及體積[圖5(a)]。通過對實驗分析總結(jié)發(fā)現(xiàn),把改性淀粉凝膠注入巖心高滲層深部位置,凝膠在油層深部能夠有效封堵高滲層,不僅迫使高滲層中的注入水在BC之間產(chǎn)生繞流,而且使得注入水在巖心入口端就進入低滲層,波及低滲層中A、B區(qū)域,并在C點竄入高滲層,進一步擴大了水驅(qū)波及體積[圖5(b)]。原因是改性淀粉凝膠有效封堵高滲層,迫使后續(xù)水驅(qū)壓力增加,當壓力增加到一定值時,在高壓力下導致注入水不僅波及凝膠上部區(qū)域而且驅(qū)替巖心入口端區(qū)域剩余油。

2.5 采收率

圖6所示為3個驅(qū)替過程結(jié)束時的采收率對比。由圖6可見,一次水驅(qū)采收率為41.5%,由于巖心極強的非均質(zhì)性,注入水很少進入低滲層,高滲層對采收率起主要貢獻作用。注改性淀粉凝膠后采收率為51.8%,采收率增加了10.3%,低滲層采收率幾乎沒有增加,說明凝膠體系沒有進入低滲層,采收率的增加主要是由于注改性淀粉凝膠過程中高滲層采收率的增加作用,表明改性淀粉凝膠向高滲層滲流,不斷向前運移致使高滲層中的油被逐漸驅(qū)替出來,此過程也是重要的驅(qū)油過程。水驅(qū)結(jié)束時采收率為66.9%,采收率增加了15.1%,該過程高滲層內(nèi)采收率增加幅度較小,低滲層起主要貢獻作用,是因為凝膠封堵高滲層,調(diào)整了吸水剖面,迫使后續(xù)水流啟動低滲層,驅(qū)替低滲層內(nèi)的剩余油。

圖7 不同驅(qū)替過程后采收率對比

3 結(jié)論

(1)通過CT掃描技術(shù)和巖心驅(qū)替實驗相結(jié)合,可定量表征注入水在巖心內(nèi)的分布狀態(tài)及運移特征,后續(xù)水驅(qū)過程中,改性淀粉凝膠保持很好的整體性,注入水不僅擴大了凝膠正上部的低滲層水驅(qū)波及體積而且擴大了巖心入口端低滲層的波及體積。

(2)在實驗考察范圍內(nèi),高滲層采收率首先受驅(qū)替效率和波及效率共同影響,當波及效率達到最大時采收率受驅(qū)替效率的影響,所以改善驅(qū)替效率才能進一步提高采收率。低滲層采收率一直受驅(qū)替效率和波及效率共同作用,且后續(xù)水驅(qū)過程波及效率發(fā)揮主要作用,所以需要同時改善驅(qū)替效率和波及效率才能最大限度地提高采收率。

(3)一次水驅(qū)采收率為41.5%,注改性淀粉凝膠采收率增加了10.3%,注膠也是重要的驅(qū)油過程,高滲層對采收率起主導作用；后續(xù)水驅(qū)采收率增加了15.1%,低滲層對采收率起主導作用。