基于相滲時變的海上稠油油藏提液機(jī)理研究

石洪福 徐中波 王鑫朋

中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院, 天津 300459

0 前言

現(xiàn)階段渤海主力水驅(qū)稠油油田都已進(jìn)入了高含水期,平均綜合含水率已超過80%。高含水期是稠油油田的重要采油階段,大部分可采儲量在這個階段采出。一方面海上油田執(zhí)行“少井高產(chǎn),高速高效”[1-5]開發(fā)的技術(shù)政策,追求平臺有效期內(nèi)最大采收率;另一方面高含水期油井放大生產(chǎn)壓差進(jìn)行有效提液可以提高縱向油層動用程度,減緩層間干擾,因此提液是海上稠油油藏高含水期最重要的穩(wěn)產(chǎn)手段。

近年,從渤海稠油油田大泵提液的實際生產(chǎn)效果來看,大部分井表現(xiàn)出提液后含水穩(wěn)定甚至下降的特征,并出現(xiàn)采液強(qiáng)度和采油強(qiáng)度提高,產(chǎn)量遞減減緩的現(xiàn)象。這也進(jìn)一步證實提液是水驅(qū)稠油油藏開發(fā)中后期保持穩(wěn)產(chǎn),提高階段采出程度的有效開發(fā)模式。但是,對于強(qiáng)化提液對最終開發(fā)效果及最終采收率有什么影響,專家學(xué)者一直存在不同看法[6-13]。業(yè)界通常利用油田現(xiàn)場開發(fā)資料的總結(jié)和室內(nèi)物理模擬實驗來研究提液,但是對于驅(qū)替速度、壓力梯度與采收率之間的定量關(guān)系還沒有統(tǒng)一的定論,也缺乏較為深入系統(tǒng)的分析和相關(guān)理論基礎(chǔ)[14-17]。本課題首先從微觀層面切入,利用網(wǎng)絡(luò)模擬方法,對提液改善水驅(qū)開發(fā)效果的機(jī)理進(jìn)行了研究。然后將微觀模擬得到的“相滲時變”輸入數(shù)模模型,較好擬合了生產(chǎn)動態(tài),進(jìn)一步證實了本文提出新方法的合理性。

1 基于網(wǎng)絡(luò)模擬的提液機(jī)理研究

目前滲流力學(xué)和數(shù)值模擬均屬于宏觀層面的研究,無法刻畫微觀非均質(zhì)性對提液效果的影響。填砂管模型、人造巖心、大型平面模型和天然巖心等物理模擬實驗,已成為人們研究驅(qū)油機(jī)理以及各種驅(qū)油劑驅(qū)油效果影響因素的主要手段之一,并已取得了令人滿意的研究成果。但是實驗手段的成本較高,限制條件要求較多。自從Fatt I提出網(wǎng)絡(luò)模型以來,經(jīng)過眾多專家學(xué)者的不斷發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)模擬已成為研究儲層巖石微觀結(jié)構(gòu)與滲流特性的重要手段[18-20]。本文利用網(wǎng)絡(luò)模擬的手段,研究改變驅(qū)替壓力梯度后多孔介質(zhì)滲流特征和驅(qū)油效果的變化,以此分析總結(jié)提液改善開發(fā)效果的微觀機(jī)理。

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及水驅(qū)油過程

網(wǎng)絡(luò)模型利用截面形狀為任意三角形、正方形或者圓形的柱體互相連接所組成的空間網(wǎng)絡(luò)來代表真實多孔介質(zhì)復(fù)雜的孔隙和喉道空間。通過模擬流體在這些幾何體中的流動過程近似代替流體在真實多孔介質(zhì)中的流動。目前網(wǎng)絡(luò)模型的建立方法主要包括基于真實巖心或者巖心切片的數(shù)字巖心生成方法和基于分布函數(shù)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型建立方法。為了理論研究的方便,本文采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型。

在初始時刻,整個模型空間被水充滿,呈強(qiáng)水濕,用油驅(qū)替網(wǎng)絡(luò)中的水,用來模擬原油運移形成油藏的過程。在驅(qū)替過程完成后,截面帶有角的孔隙通常都是孔隙中央含有非潤濕相(油相),而角落則被潤濕相(水相)所占據(jù)。油驅(qū)水完成后,再進(jìn)行水驅(qū)油的模擬,這一過程即為吸吮過程。該過程可以用來模擬油田現(xiàn)場注水開發(fā)過程。

1.2 微觀滲流機(jī)理

在滲流過程中,驅(qū)替流體能否進(jìn)入孔隙或喉道取決于孔隙或喉道的毛管力,只有當(dāng)驅(qū)替壓力大于該毛管力時,驅(qū)替相才能進(jìn)入孔隙或喉道中驅(qū)替被驅(qū)替相,而一個孔隙或喉道的毛管力取決于孔隙中流體分布狀態(tài)以及驅(qū)替過程。

Lenormand R等人[4]基于毛管力歸納了3種類型的驅(qū)油機(jī)制，分別是活塞式驅(qū)替，孔隙體填充和卡斷式驅(qū)替,見圖1。

a)活塞式驅(qū)替a)Piston displacement

活塞式驅(qū)替是指孔喉中的油被相鄰孔喉中的水驅(qū)替的過程。這種驅(qū)替方式在模型中最為普遍,驅(qū)油效率最高。

孔隙體填充是僅僅發(fā)生在孔隙中的一種驅(qū)替方式。對于一個配位數(shù)為m的孔隙體,可能出現(xiàn)m-1種不同填充模式。該種驅(qū)替方式的驅(qū)油效率小于活塞式驅(qū)替的驅(qū)油效率。

卡斷是由于處在角落的水膨脹后與其他角落中的水相遇,從而使孔喉很快被水填充的過程?？〝嗍津?qū)替的驅(qū)油效率最低?？〝嗍津?qū)替通常發(fā)生在毛管力變化的情況下。通常有兩種情況:一是兩個油水界面同時往中央運動,兩界面相碰發(fā)生碰撞;二是處于最小角的油水界面移動到最大角處發(fā)生卡斷。

1.3 壓力梯度對微觀水驅(qū)油的影響

網(wǎng)絡(luò)模型可以定量地表征每一個孔隙或喉道中流體的分布及其變化情況,可以研究在不同驅(qū)替壓力梯度下油水兩相微觀滲流過程的變化,對不同驅(qū)替壓力梯度下的驅(qū)油效果進(jìn)行對比。從模擬結(jié)果來看,增加驅(qū)替壓力梯度后,微觀驅(qū)替特征的變化主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

一方面,增加驅(qū)替壓力梯度能夠克服細(xì)小孔喉中的毛管力,水可以進(jìn)入到原先不能進(jìn)入的孔喉中將其中的原油驅(qū)替出來,擴(kuò)大微觀上的波及范圍,有效動用細(xì)小孔喉中的剩余油,提高模型動用程度。隨驅(qū)替壓力梯度的增加,被驅(qū)替的孔喉所占比例也隨之增加,有更多的孔喉被水相占據(jù),使活塞式驅(qū)替發(fā)生的概率增加。

另一方面,網(wǎng)絡(luò)模型中相互連通的孔隙與喉道半徑大小不同,某一流動通道中的毛管力因為喉道的突然收縮而增大,流動速度降低,流體出現(xiàn)了跳躍前進(jìn)的現(xiàn)象。增加驅(qū)替壓力梯度可以克服因為喉道突然收縮產(chǎn)生的賈敏效應(yīng),從而更有效地驅(qū)替原油。

驅(qū)替過程中,活塞式驅(qū)替、孔隙體填充和卡斷式驅(qū)替三種滲流方式發(fā)生的順序和比例決定了驅(qū)替效果的好壞及相滲曲線的形狀。隨著驅(qū)替壓力梯度的增加,在被驅(qū)替的孔喉中,活塞式驅(qū)替所占的比例增加,孔隙體填充所占的比例變化不大,卡斷式驅(qū)替所占的比例減少?？梢?隨著驅(qū)替壓力梯度的增大,活塞式驅(qū)替發(fā)生的幾率增大,卡斷式驅(qū)替發(fā)生的比例減小,見表1。

表1 驅(qū)替壓力梯度對驅(qū)替效果的影響表

對同一模型,在其兩端施加不同的驅(qū)替壓差進(jìn)行模擬,就可得到對應(yīng)不同的驅(qū)替壓力梯度的相滲曲線,見圖2-a)。從圖2-a)中可以看出,在相同的孔隙結(jié)構(gòu)及潤濕性的條件下,隨著驅(qū)替壓力梯度的增加,油相和水相滲透率均有所增大,兩相共流區(qū)增大,殘余油飽和度減小。根據(jù)得到的不同驅(qū)替壓力梯度下的相滲曲線,可以計算出驅(qū)油效率隨著驅(qū)替壓力梯度的變化,見圖2-b)。從圖2-b)中可以看出,隨著驅(qū)替壓力梯度的增加,驅(qū)油效率也有所增加。說明提高驅(qū)替壓力梯度后,模型的整體驅(qū)油效果變好,當(dāng)驅(qū)替壓力梯度增加到一定程度時,驅(qū)油效率的增加變緩,提高幅度有限。

a)相滲曲線a)Relative permeability curves

2 數(shù)值模擬驗證

微觀網(wǎng)絡(luò)模擬表明提液措施的有效性主要體現(xiàn)在放大了生產(chǎn)壓差,通過放大壓差使位于小孔吼中的原油參與流動,擴(kuò)大了微觀波及范圍,從而提高了洗油效率。由于波及系數(shù)提高,生產(chǎn)井含水表現(xiàn)出下降的特征,中長期表現(xiàn)出油藏采收率得到提高的現(xiàn)象。常規(guī)數(shù)值模擬中,提液放大壓差基本不影響最終采收率,主要原因是未考慮提液后相滲的變化,筆者將微觀模擬得到的不同驅(qū)替壓力梯度下相滲曲線應(yīng)用到數(shù)值模擬中來表征宏觀生產(chǎn)現(xiàn)象和采收率的提高[21-22]。

提液之后,油藏驅(qū)替壓力梯度發(fā)生變化,相滲曲線也隨之發(fā)生了改變,則提液后開發(fā)指標(biāo)的計算應(yīng)當(dāng)采用變化后的相滲曲線?？紤]到實際生產(chǎn)中各生產(chǎn)指標(biāo)的變化是平緩過渡的,提液前后直接采用不同的相滲曲線計算的指標(biāo)變化是跳躍的,不能反映實際情況。所以根據(jù)對應(yīng)的提液措施,利用網(wǎng)絡(luò)模擬計算產(chǎn)生一條反映驅(qū)替壓力梯度變化情況下的相對滲透率曲線(相滲時變),以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行開發(fā)指標(biāo)的計算和提液措施的評價。

已知某油田原油的地下黏度為80 mPa·s,水的地下黏度為0.5 mPa·s,在含水率達(dá)到75%時提液,驅(qū)替壓力梯度從0.002 MPa/cm增大到0.003 MPa/cm,提液前后油水相滲數(shù)據(jù)和含水上升曲線見圖3。

圖3 提液前后相滲曲線和含水上升曲線圖Fig.3 Relative permeability and water cut increasing curves before and after the enhanced liquid

根據(jù)微觀模擬結(jié)果可以看出,提液后增加了驅(qū)替壓力梯度,擴(kuò)大了微觀上的波及范圍,在相滲曲線上表現(xiàn)出兩相區(qū)的范圍變寬,殘余油飽和度降低。為實現(xiàn)宏觀和微觀之間的轉(zhuǎn)化,在宏觀數(shù)值模擬采用了微觀模擬的變形相滲,從結(jié)果可以看出當(dāng)含水率在75%左右時提液后含水率出現(xiàn)小幅下降,最終采收率從42%提高到45%,見圖4。這是由于提液后相滲變化,也是微觀波及系數(shù)提高的宏觀體現(xiàn),根本原因在于小孔隙中的毛管力較大，常規(guī)生產(chǎn)無法動用，提液后原油的驅(qū)動力大于毛管力，從而得到了有效動用，使得含水率下降和最終采收率提高。

圖4 提液前后含水與采出程度上升曲線圖Fig.4 The curves of water cut increment vs recoveryfactor before and after the enhanced liquid

3 現(xiàn)場提液實踐

為進(jìn)一步驗證微觀模擬理論和宏觀數(shù)值模擬結(jié)果,以渤海某油田典型生產(chǎn)井D16為例分析,根據(jù)提液后生產(chǎn)動態(tài)表現(xiàn)驗證了本文提出變形相滲方法的合理性。D16井日產(chǎn)液從185 m3增加到312 m3,生產(chǎn)壓差從 1.7 MPa 提高到2.9 MPa,D16井含水率從92%降低到80%,日增油25 m3。提液后不但增油效果明顯而且出現(xiàn)了含水率下降,預(yù)測可采儲量和采收率可以增加。若采用初始相滲曲線則D16井很難擬合上提液后生產(chǎn)動態(tài),若采用變形相滲則擬合效果較好。綜合采用水驅(qū)曲線和數(shù)值模擬評價D16井提液效果,預(yù)計提液后井控儲量采收率提高3%左右,這與定性分析和微觀模擬結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論及認(rèn)識

基于網(wǎng)絡(luò)模擬研究的結(jié)果分析了微觀層面上提液措施的作用機(jī)理,進(jìn)一步采用油田實際提液井實例驗證新方法的可靠性。

1)微觀模擬提高驅(qū)替壓力梯度后,注入水可以進(jìn)入部分原先不能進(jìn)入的孔喉中驅(qū)替原油,提高了可動用孔喉級別,擴(kuò)大了微觀層面的波及范圍。

2)提高驅(qū)替壓力梯度后,宏觀上表現(xiàn)為油水兩相相對滲透率均有提高,兩相共流區(qū)變大,殘余油飽和度降低,驅(qū)油效率增加。

3)D16井采用相滲時變可以很好擬合實際提液井的生產(chǎn)動態(tài),通過這種方式架起了微觀宏觀之間溝通的橋梁,提高了擬合精度,為提液后效果及指標(biāo)預(yù)測提供了精確的指導(dǎo)。