封堵優(yōu)勢通道動用剩余油機制及策略

肖 康,穆龍新,姜漢橋,申 健,張鵬宇

[1. 中國石油 勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2. 中國石油大學(北京) 石油工程學院,北京 102249;3. 中海油研究總院,北京 100028; 4.中國石油 渤海鉆探工程公司,天津 300457]

目前國內(nèi)大部分砂巖油藏均經(jīng)歷了多年注水開發(fā)，并已進入了“高含水、高采出程度”階段，但由于有相當一部分儲層發(fā)育了水驅(qū)優(yōu)勢通道，使地下儲層仍賦存著較多的被注入水繞留的剩余油[1-2]。為挖潛此類剩余油，目前國內(nèi)外學者及現(xiàn)場技術(shù)人員對高含水期水驅(qū)剩余油表征、調(diào)剖堵水決策及増油效果評價和現(xiàn)場堵劑研發(fā)設(shè)計等方面進行了深入研究[3-7]，并取得了較好效果，但研究對象大多為動態(tài)指標及宏觀剩余油分布，缺乏對封堵機制的微觀評價，對控制封堵效果內(nèi)在機制的理解不深入，對不同類型優(yōu)勢通道下剩余油動用方法適應(yīng)性的研究也較少，這都會在一定程度上限制高含水期進一步提高剩余油挖潛的效果。

為此，本研究將以可快速模擬水驅(qū)優(yōu)勢通道形成的三維模型為基礎(chǔ)，利用核磁成像及T2譜分別對封堵優(yōu)勢通道下剩余油宏觀及微觀分布特征進行研究，總結(jié)剩余油動用內(nèi)在影響因素，并通過數(shù)值試驗方法，量化動用方法、儲層特征及動用效果等三者間關(guān)系，為現(xiàn)場調(diào)剖堵水優(yōu)化設(shè)計提供一定理論指導。

1 封堵優(yōu)勢通道物理模擬

1.1 三維模型建立

本文以勝利油田中高滲砂巖油藏為研究對象，對已發(fā)育優(yōu)勢通道井點的滲透率變化進行統(tǒng)計，通過量化累計過水倍數(shù)與滲透率擴大倍數(shù)間關(guān)系來表征優(yōu)勢通道發(fā)育過程[8]，總結(jié)出了強與弱兩類水驅(qū)優(yōu)勢通道發(fā)育模式，見公式(1)和(2)。以此為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)膠結(jié)巖心中加入可溶性離子(鈉和鉀為主)，通過控制壓制壓力及離子含量，來擬合兩類實際優(yōu)勢通道變化模式。

強優(yōu)勢通道：

y=1+11[1-exp(-k1x2)],k1=8～12

(1)

弱優(yōu)勢通道：

y=1+5(1+α-β)-1]

(2)

式中:x為累計注入PV數(shù)與最大累計注入PV數(shù)比值，小數(shù)；y為滲透率擴大倍數(shù)，小數(shù)；α為0.008～0.012；β為5.5～6.5。

基于公式(1)和(2)，建立了可發(fā)育強與弱兩類優(yōu)

勢通道的三維模型(圖1)，通過注入水沖刷，使油水井間快速發(fā)育優(yōu)勢通道。其中，圖1中閥門均由高強度高分子化合材料制成，不與核磁共振儀器的磁場發(fā)生反應(yīng)，且耐壓能力符合此次實驗要求。兩類模型主要參數(shù)如表1。

1.2 實驗流程

模型的高礦化度會對電阻探針監(jiān)測產(chǎn)生較大影響，因此這里采用核磁成像獲得模型含油飽和度分布，并利用T2譜測試獲取孔隙動用分布。

實驗的總體流程如下：

1) 模型抽真空飽和可溶性離子水，進行核磁成像；

2) 模型飽和氟油(無核磁信號)，進行核磁成像，然后在模型中均勻鉆取25個巖心，分別測T2譜，將未鉆孔模型靜置老化48 h；

3) 將未鉆孔模型進行地層水驅(qū)油，水驅(qū)方向為單對角線驅(qū)替，單井注入速度1.0 mL/min，直至含水達到98%為止，進行核磁成像及T2譜測試流程；

4) 對每類模型中未鉆孔模型分別進行小劑量高分子量聚合物調(diào)剖及延緩交聯(lián)型弱凝膠調(diào)驅(qū)，含水再次達到98%時，進行核磁成像及T2譜測試流程。

其中，流程4)中聚合物濃度及分子量分別為

圖1 強優(yōu)勢與弱優(yōu)勢通道三維物理模型Fig.1 Strong and weak path 3D physical model

三維模型類型頂?shù)讓?長/cm)×(寬/cm)×(高/cm)初始滲透率/(10-3μm2)滲透率級差孔隙度/%孔隙體積/mL強優(yōu)勢通道低滲高滲29．7×29．5×4．1198．562012．4510．1423．15415．8026．73480．10弱優(yōu)勢通道低滲高滲29．6×29．9×4．0202．52410．252．0323．42414．5524．01425．00

注:模型縱向分成2層，每層在驅(qū)替初始保持均質(zhì)，具有縱向正韻律特征；每類模型包括4塊相同模型，同時進行驅(qū)替及檢測，以彌補鉆孔取心進行T2譜測試時造成的模型破壞，表中數(shù)據(jù)均為4塊模型參數(shù)平均值。

2 000 mg/L和2 500萬，剪切后粘度為80～120 mPa·s，封堵半徑為油水井連線1/6～2/6，后置段塞為濃度500mg/L和分子量1 000萬的聚合物；弱凝膠由濃度1 000 mg/L和分子量1 000～1 500萬的聚合物溶液、濃度70～90 mg/L含有Cr的金屬有機化合物溶液及含硫脲的溶液配成，成膠時間35～48h(期間關(guān)井)，封堵半徑為油水井連線3/6～4/6，后置段塞與調(diào)剖一致。

針對核磁成像飽和度標定作簡要介紹：①將不同滲透率巖心進行抽真空飽和水，進行核磁成像，每根巖心得到一幅灰度圖，并得到灰度值總和；②每根巖心水驅(qū)油至不同含水階段，進行核磁成像，得到相應(yīng)灰度值總和；③做出不同含水飽和度下灰度值總和與完全飽和水時灰度值總和的比值與相應(yīng)含水飽和度的曲線關(guān)系圖，進行回歸，得到擬合曲線[公式(3)]，針對不同階段核磁成像灰度圖進行含油飽和度反演。

y=1.068(1+0.07x-4)-1

(3)

式中:x為含水飽和度，小數(shù)；y為某含水飽和度下灰度值總和與完全飽和水時的比值，小數(shù)。

在核磁成像過程中，對所鉆取巖心進行小、中、大孔隙絕對含油飽和度反演計算[9-10]，再進行平面插值，得到不同階段頂?shù)讓涌紫督^對含油飽和度分布。

1.3 封堵機制分析

1.3.1 提高采出程度

由表2可看出，在調(diào)驅(qū)與調(diào)剖兩種封堵方式下，強優(yōu)勢通道模型的封堵效果均好于弱通道模型，這是由于強通道模型剩余油富集程度高、剩余潛力大，在封堵半徑一致下，其采出油量也越多。此外，由于調(diào)驅(qū)封堵半徑大，注入水在模型深部仍可改變流向以驅(qū)替剩余油，且調(diào)剖在強通道模型中易使優(yōu)勢滲流再次發(fā)生，因此強通道模型調(diào)驅(qū)封堵效果及效率均遠好于調(diào)剖；而弱通道模型剩余油潛力較小，雖調(diào)驅(qū)提高采出程度略高于調(diào)剖，但調(diào)剖封堵效率要好于調(diào)驅(qū)。強優(yōu)勢通道適合于封堵半徑大的調(diào)驅(qū)封堵，弱通道適合于封堵半徑小的調(diào)剖封堵?？傊?，優(yōu)勢通道規(guī)模、剩余油潛力和封堵方式等因素共同決定了優(yōu)勢通道下剩余油動用方式的選擇，其中調(diào)驅(qū)過程中關(guān)井待堵劑成膠是關(guān)鍵，防止未成膠堵劑發(fā)生竄流。

1.3.2 含油飽和度分布

由圖2可知，由于受剩余潛力小、封堵改變流線程度有限等限制，弱優(yōu)勢通道模型頂?shù)讓拥恼{(diào)驅(qū)封堵擴大波及范圍的效果略好于調(diào)剖。且頂?shù)讓觾?yōu)勢滲流差異較小，降低了堵劑封堵差異?？紤]封堵效率，調(diào)剖適合于弱通道模型。

圖2 弱優(yōu)勢通道模型封堵后含油飽和度分布變化Fig.2 Remaining oil distribution in weak path model after plugginga.頂層水驅(qū)末；b.頂層調(diào)剖末；c.頂層調(diào)驅(qū)末；d.底層水驅(qū)末；e.底層調(diào)剖末；f.底層調(diào)驅(qū)末

二維模型類型封堵提高采收率/%每mL堵劑下提高采收率/%調(diào)驅(qū)調(diào)剖調(diào)驅(qū)調(diào)剖弱優(yōu)勢通道5．0203．9300．0460．054強優(yōu)勢通道10．5705．7900．0980．079

由圖3可知，強優(yōu)勢通道模型調(diào)驅(qū)效果，尤其是底層，要遠好于調(diào)剖，調(diào)剖易引發(fā)二次竄流，封堵效果較差。此外，頂?shù)讓痈Z流差異較大，調(diào)驅(qū)堵劑優(yōu)先進入底層進行封堵，使底層波及變化較明顯。綜上，調(diào)驅(qū)適合于強通道模型。

1.3.3 孔隙動用分布

1) 弱優(yōu)勢通道模型

由圖4可知，由于調(diào)驅(qū)封堵半徑大，弱優(yōu)勢通道模型各級孔隙調(diào)驅(qū)效果均好于調(diào)剖，但又由于弱通道模型潛力較小，削弱了兩類動用方式的差異，也使兩類方式改善效果均有限。在不同動用方式下，頂?shù)讓痈骷壙紫秳佑貌町惒淮?，大孔隙動用貢獻略高于中小孔隙，這是由于弱通道模型竄流程度低，各級孔隙水驅(qū)波及差異小，使堵劑對各級孔隙波及的改善差異也較小?？傊?，從孔隙動用的角度，并結(jié)合封堵效率，調(diào)剖也適合于弱優(yōu)勢通道。

2) 強優(yōu)勢通道模型

由圖5可知，強優(yōu)勢通道模型各級孔隙，尤其是大孔隙，調(diào)驅(qū)效果遠好于調(diào)剖，中小孔隙的動用差異很小。這是由于強通道模型竄流主要發(fā)生在大孔隙，堵劑優(yōu)先封堵大孔隙，大幅提高了其動用程度，且由于強通道模型剩余潛力大，充分發(fā)揮了調(diào)驅(qū)封堵能力，使兩類封堵方式差異較大。此外，頂?shù)讓觿佑貌町愐灿捎诖罂紫斗舛虏町惗兇??？傊?，調(diào)驅(qū)憑借著其較強的使液流在平面及縱向轉(zhuǎn)向能力，大幅提高強通道模型孔隙動用。

2 封堵優(yōu)勢通道策略研究

2.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)物理實驗，建立水驅(qū)末實驗室尺度數(shù)值模擬模型，量化研究封堵策略。

圖3 強優(yōu)勢通道模型封堵后含油飽和度分布變化Fig.3 Remaining oil distribution in strong path model after plugginga.頂層水驅(qū)末；b.頂層調(diào)剖末；c.頂層調(diào)驅(qū)末；d.底層水驅(qū)末；e.底層調(diào)剖末；f.底層調(diào)驅(qū)末

圖4 弱優(yōu)勢通道模型縱向不同部位孔隙動用情況Fig.4 Production from different types of pores in weak path model after plugginga.頂層；b.底層

圖5 強優(yōu)勢通道模型縱向不同部位孔隙動用情況Fig.5 Production from different types of pores in strong path model after plugginga.頂層；b.底層

首先是模型初始化，包括滲透率、含油飽和度及壓力等3類場分布，前兩個可從實驗直接獲得。壓力場獲得方法如下：將實驗水驅(qū)末滲透率及飽和度場、均質(zhì)壓力場賦給模型，水驅(qū)模擬至含水98%，此時壓力場作為此次模擬初始壓力場。由于封堵時間較短，不考慮滲透率變化。

然后進行實驗封堵擬合，模型考慮了堵劑的粘濃、剪切、吸附、殘余阻力及凝膠生成過程等機理[11-13]，擬合結(jié)果見表3。由表3可知擬合結(jié)果良好，可進行下步封堵策略優(yōu)化研究。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

目前利用響應(yīng)面原理進行多因素研究[14-15]，已在多個領(lǐng)域取得了較好效果，這里將引入響應(yīng)面分析，量化分析封堵效果與影響因素之間的響應(yīng)關(guān)系。

影響封堵效果的因素較多，全部考慮會使響應(yīng)面分析復雜化，因此這里利用數(shù)值模擬通過偏相關(guān)分析獲得此次封堵的主要影響因素[10]，即調(diào)剖/驅(qū)注入PV數(shù)(x1)、調(diào)剖/驅(qū)注入濃度(x2)及模型初始滲透率級差(x3)，同時也得到三者合適的優(yōu)化范圍，見表4，響應(yīng)變量為單位調(diào)剖(驅(qū))劑用量下采出程度提高值(y)。

根據(jù)表4，利用Box-Behnken設(shè)計方法進行數(shù)值試驗設(shè)計，并分別對調(diào)剖與調(diào)驅(qū)進行二次多元方程回歸，并對其參數(shù)及方程項進行檢驗[15-16]，最終得到兩類封堵的響應(yīng)面函數(shù)：

表3 封堵數(shù)值模擬模型與物理模型擬合情況

表4 響應(yīng)面分析因素參數(shù)Table 4 Parameters of two sealing styles

圖6 不同初始滲透率級差在不同調(diào)剖參數(shù)下提高采收率變化Fig.6 Enhanced oil recovery for different initial permeability and by different strategies of short radius plugginga.級差2；b. 級差5

圖7 不同初始滲透率級差在不同調(diào)驅(qū)參數(shù)下提高采收率變化Fig.7 Enhanced oil recovery for different initial permeability and by different strategies of large radius plugginga.級差5；b. 級差10

(4)

(5)

其中：y1，y2為單位堵劑調(diào)剖、調(diào)驅(qū)提高采收率，%。

根據(jù)式(4)和式(5)，在自變量的取值范圍內(nèi)求偏導[15-16]，進行調(diào)剖/驅(qū)因素研究及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(圖6，圖7)。

圖6和圖7中虛線橢圓包含范圍即為特定優(yōu)勢通道下最優(yōu)調(diào)剖/驅(qū)工作制度范圍。針對調(diào)剖，較強優(yōu)勢通道最優(yōu)注入PV數(shù)與最優(yōu)注入濃度均大一些，注入濃度變化較明顯，且濃度過大會使調(diào)剖效率降低，因此，調(diào)剖中，在合適的注入PV數(shù)下，濃度可適當降低以提高調(diào)剖效率與堵劑注入性；針對調(diào)驅(qū)，強優(yōu)勢通道的最優(yōu)注入濃度與PV數(shù)也較大，注入PV數(shù)變化較明顯，且由于適合于調(diào)驅(qū)的優(yōu)勢通道發(fā)育規(guī)模較大，因此較高的注入濃度不會影響調(diào)驅(qū)效率與注入能力，此時，應(yīng)適當提高堵劑注入PV數(shù)，以保證封堵質(zhì)量。

3 結(jié)論

1) 根據(jù)實際油藏滲透率變化規(guī)律，建立了可在室內(nèi)快速模擬水驅(qū)優(yōu)勢通道發(fā)育的三維物理模型，并通過量化核磁成像與飽和度變化的關(guān)系，可獲得無探針監(jiān)測下的含油飽和度分布。

2) 基于核磁成像處理，針對不同封堵方法下提高采出程度及宏觀含油飽和度分布進行了分析，考慮封堵效率，近井調(diào)剖及深部調(diào)驅(qū)分別適合于弱與強優(yōu)勢通道，且發(fā)生二次竄流的程度及初始潛力的大小很大程度上決定著封堵效果。

3) 根據(jù)核磁T2譜分析，針對不同級別孔隙在不同封堵方法下的動用特征進行了總結(jié)。在調(diào)驅(qū)下，強優(yōu)勢通道的大孔隙動用對整體貢獻最高，而調(diào)剖時弱通道各級別孔隙動用差異不大；同時，大孔隙動用差異是影響不同封堵方法的主要因素，且孔隙內(nèi)竄流程度對堵劑流向有重要影響，并控制著封堵效果。

4) 利用響應(yīng)面分析，對封堵方法進行了優(yōu)化設(shè)計。弱優(yōu)勢通道在調(diào)剖時，應(yīng)使堵劑濃度不易過高，以保證其注入性；強優(yōu)勢通道在調(diào)驅(qū)時，可適當提高堵劑注入PV數(shù)及濃度，以增強封堵能力。

[1] 印森林,陳恭洋,戴春明,等.河口壩內(nèi)部儲層構(gòu)型及剩余油分布特征——以大港油田棗南斷塊長軸緩坡辮狀河三角洲為例[J].石油與天然氣地質(zhì),2015,36(4):630-639.

Yin Senlin,Chen Gongyang,Dai Chunming,et al.Reservoir architecture and remaining oil distribution in mouth bar—A case study on the braided delta of long-axis gentle slope in Zaonan fault block of Dagang Oilfield[J].Oil & Gas Geology ,2003,24(1):630-639.

[2] 王鳳蘭,白振強,朱偉.曲流河砂體內(nèi)部構(gòu)型及不同開發(fā)階段剩余油分布研究[J].沉積學報,2011,29(3):512-519.

Wang Fenglan,Bai Zhenqiang,Zhu Wei.Study on geological 3D reservoir architecture modeling and distribution of remaining oil of different development stage in meandering reservoir[J].Acta Sedimentologica Sinica,2011,29(3):512-519.

[3] 高大鵬,葉繼根,李奇等.大慶長垣特高含水期表外儲層獨立開發(fā)方法[J].石油與天然氣地質(zhì),2017,38(1):181-188.

Gao Dapeng,Ye Jigen,Li Qi,et al.An independent development method of low permeability oil thin layers with extreme high water cut in Changyuan Structure,Daqing oilfield[J].Oil & Gas Geology,2017,38(1):181-188.

[4] 耿站立,姜漢橋,陳民鋒,等.高含水期油藏剩余油潛力定量化表征新方法[J].油氣地質(zhì)與采收率,2007,14(6):100-102.

Geng Zhanli,Jiang Hanqiao,Chen Minfeng,et al.A new method for quantitative characterization on remaining oil potential in high water cut oil reservoirs[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2007,14(6):100-102.

[5] 馮其紅,陳月明,姜漢橋等.區(qū)塊整體調(diào)剖效果預測[J].石油大學學報(自然科學版),1997,21(4):32-34.

Feng Qihong,Chen Yueming,Jiang Hanqiao,et al.Prediction of performance of profile control in block-wide[J].Journal of the University of Petroleum,China,1997,21(4):32-34.

[6] 楊中建,賈鎖剛,張立會等.高溫高鹽油藏二次開發(fā)深部調(diào)驅(qū)技術(shù)與礦場試驗[J].石油與天然氣地質(zhì),2015,36(4):681-687.

Yang Zhongjian,Jia Suogang,Zhang Lihui,et al.Deep profile correction for redevelopment of high-temperature and high-salinity reservoirs and pilot test[J].Oil & Gas Geology,2015,36(4):681-687.

[7] 李東文,汪玉琴,白雷等.深部調(diào)驅(qū)技術(shù)在礫巖油藏的應(yīng)用效果[J].新疆石油地質(zhì),2012,33(2):208-210.

Li Dongwen,Wang Yuqin,Bai Lei,et al.Application of Deep Profile Control Technology to Karamay Conglomerate Reservoirs[J].Xinjiang Petroleum Geology,2012,33(2):208-210.

[8] 馮其紅,齊俊羅,尹曉梅等.大孔道形成與演化過程流固耦合模擬[J].石油勘探與開發(fā),2009,36(4):498-502.

Feng Qihong,Qi Junluo,Yin Xiaomei,et al.Simulation of fluid-solid coupling during formation and evolution of high-permeability channels[J].Petroleum Exploration And Development,2009,36(4):498-502.

[9] Xiao K,Jiang H Q,Wang Q,et al.Adaptability Study on Plugging Thief Zones with Asphalt Particle in Polymer Flooding Offshore Field.SPE-169931,SPE Trinidad & Tobago Energy Resources Conference,Port of Spain,Trinidad and Tobago,2014:220-230.

[10] 肖康，姜漢橋，范英彬等.窄條邊水油藏水驅(qū)后期孔隙分布及動用特征[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2015,34(3):129-133.

Xiao Kang,Jiang Hanqiao,Fan Yingbin,et al.Pore distributions and developed characteristics for the narrow-stripe edge-water oil reservoirs at the late period of the water flooding[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2015,34(3):129-133.

[11] Flory P J.Principles of Polymer Chemistry[M].New York.Cornell University Press,1953.

[12] Meter D M,Bird R B.Tube Flow of Non-Newtonian Polymer Solutions,Parts I and II Laminar Flow and Rheological Models[J].AIChE J.,1964 878-881,1143-1150.

[13] Coats K H.In-situ combustion model[J].Society of Petroleum Engineers Journal,1980,20(06):533-554.

[14] 江元翔,高淑紅,陳長華.響應(yīng)面設(shè)計法優(yōu)化腺苷發(fā)酵培養(yǎng)基.華東理工大學學報(自然科學版),2005,31(3):309-313.

Jiang Yuanxiang,Gao Shuhong,Chen Changhua.Optimization of medium components for adenosine production by bacillus subtilis using response surface design[J].Journal of East China University of Science and Technology (Natural Science Edition) ,2005,31(3):309-313.

[15] 李云雁,胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

Li Yunyan,Hu Chuanrong.Experiment design and data processing[M].Beijing:Chemistry Industry Press,2005.

[16] 謝宇.回歸分析[M].北京:社會科學文獻出版社,2010.

Xie Yu.Regression analysis[M].Beijing:Social Sciences Academic Press(China),2010.