低滲透油藏不穩(wěn)定注水巖心實(shí)驗(yàn)及增油機(jī)理

周晉沖，張彬，雷征東，邵曉巖，關(guān)云，曹仁義

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 第三采油廠，銀川 750000；3.中國(guó)石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018）

長(zhǎng)慶油田低滲透油藏儲(chǔ)集層隔夾層發(fā)育，縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)，在常規(guī)注水開發(fā)中，注入水易沿較高滲透層竄流，較低滲透層注入水波及體積不足，水驅(qū)效果較差。長(zhǎng)慶油田開辟了不穩(wěn)定注水生產(chǎn)試驗(yàn)區(qū)，開發(fā)效果初步得到改善，但低滲透油藏不穩(wěn)定注水機(jī)理尚不明確，亟需開展相關(guān)研究。

不穩(wěn)定注水主要通過周期性提高和降低注水量，使油層內(nèi)部產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓力降，在不同滲透率小層間形成不穩(wěn)定滲流，從而調(diào)整注采系統(tǒng)，以提高水驅(qū)效果[1-4]。

早在20 世紀(jì)中葉，國(guó)外學(xué)者就已經(jīng)開始對(duì)不穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)和機(jī)理進(jìn)行研究，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是水濕性還是油濕性儲(chǔ)集層，周期注水在裂縫性儲(chǔ)集層中均能提高采收率[5]；通過建立雙層模型，研究了周期注水促進(jìn)層間交滲機(jī)理，認(rèn)為強(qiáng)非均質(zhì)性和層段連通性較好的油層更適合周期性注水[6]；利用玻璃珠建立雙油層模型，得到在不穩(wěn)定注水條件下殘余油飽和度低于連續(xù)注水的認(rèn)識(shí)[7]。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者也通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)不穩(wěn)定注水機(jī)理作了大量研究。通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，不穩(wěn)定注水能夠緩解層內(nèi)及層間矛盾，而且正韻律油藏效果優(yōu)于反韻律油藏[8]；通過超深油藏周期注水實(shí)驗(yàn)，提出注水效果隨著周期數(shù)的增加而變差[9]；通過實(shí)驗(yàn)分析了周期注水的力學(xué)機(jī)理，認(rèn)為滲吸作用的停止條件是毛細(xì)管中流體達(dá)到受力平衡[10]；在應(yīng)力敏感性儲(chǔ)集層中，不穩(wěn)定注水開發(fā)效果隨著循環(huán)輪次的增多而變差[11]；在縫洞型碳酸鹽巖油藏中，周期注水可改變流態(tài)和提高波及率[12]；周期注水效果與油層非均質(zhì)性和泵效有密切關(guān)系[13]，油藏越早轉(zhuǎn)周期注水，開發(fā)效果越好[14]，滲吸作用是不穩(wěn)定注水的主要機(jī)理[15]。周期注水驅(qū)油應(yīng)用廣泛，在海上油田[16]、裂縫性潛山油藏[17]等皆可行，且儲(chǔ)集層非均質(zhì)性越強(qiáng)，形成的壓力擾動(dòng)越強(qiáng)[18-19]。在低滲透油藏中，周期注水比常規(guī)注水采收率提高1.6%[20]。

本文針對(duì)長(zhǎng)慶油田低滲透油藏典型儲(chǔ)集層特征，開展并聯(lián)巖心和雙層巖心實(shí)驗(yàn)，分別模擬層間非均質(zhì)和層內(nèi)非均質(zhì)儲(chǔ)集層，對(duì)比不穩(wěn)定注水在較高滲透層和較低滲透層中的作用效果。由于巖心實(shí)驗(yàn)可視性較差，建立了層間非均質(zhì)和層內(nèi)非均質(zhì)數(shù)值模擬機(jī)理模型，從滲流場(chǎng)變化分析不穩(wěn)定注水增油機(jī)理。

1 不穩(wěn)定注水巖心實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

不穩(wěn)定注水巖心實(shí)驗(yàn)裝置主要包括氮?dú)馄?、ISCO柱塞泵、六通、電子壓力計(jì)、中間容器、管線、柱狀巖心夾持器2 個(gè)、方狀巖心夾持器1 個(gè)、分液管、量筒及燒杯。其中，2個(gè)柱狀巖心夾持器并聯(lián)連接。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料有模擬油，由潤(rùn)滑油和煤油配制，比例為1∶4，密度為0.823 g/mL，黏度為2.8 mPa·s；模擬水為CaCl2型，密度為1.020 g/mL，礦化度約為32 000 mg/L。圓柱狀低滲透巖心8 塊，平均長(zhǎng)度為69.4 mm，平均直徑為25.1 mm，其中A 組4 塊巖心（A1、A2、A3、A4）平均氣測(cè)滲透率為5.5 mD，B 組4 塊巖心（B1、B2、B3、B4）平均氣測(cè)滲透率為31.5 mD；方柱狀雙層低滲透巖心2 塊，由滲透率為5 mD 和30 mD 的巖心疊合而成（表1）。

表1 實(shí)驗(yàn)用巖心樣品部分參數(shù)Table 1.Parameters of the core samples used in the experiments

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

（1）將實(shí)驗(yàn)巖心放入恒溫箱進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為80 ℃，時(shí)間為3 h，干燥后取出靜置1 d，稱重并記錄。

（2）準(zhǔn)確測(cè)量巖心的基本尺寸，測(cè)定巖心的氣測(cè)滲透率并記錄。

（3）使用真空泵和驅(qū)替泵注模擬地層水20 PV，將巖心飽和模擬地層水，稱重并記錄，計(jì)算巖心孔隙度。

（4）使用模擬油驅(qū)替飽和水巖心，確定束縛水飽和度，采用0.05 mL/min 的速度驅(qū)替圓柱狀巖心，采用0.20 mL/min 的速度驅(qū)替方柱狀巖心至20 PV，靜置老化1 d后稱重。

（5）將A1B1、A2B2、A3B3 和A4B4 巖心分別放入柱狀巖心夾持器內(nèi)，設(shè)定圍壓為4 MPa，A1B1 巖心采用連續(xù)注水方式驅(qū)替，注入速度為0.10 mL/min；A2B2巖心采用等時(shí)長(zhǎng)間注方式驅(qū)替，注水階段流量為0.20 mL/min，注入12 min，停注12 min；A3B3 巖心采用階梯注水方式驅(qū)替，增注階段流量為0.15 mL/min，持續(xù)12 min，減注階段流量為0.05 mL/min，持續(xù)12 min；A4B4 巖心采用短注長(zhǎng)停方式驅(qū)替，注水階段流量為0.30 mL/min，持續(xù)8 min，停注16 min。實(shí)驗(yàn)驅(qū)替時(shí)間皆為240 min，記錄時(shí)間、壓力、出口端累計(jì)出水量和出油量至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

（6）將C1 和D1 巖心放入方狀巖心夾持器內(nèi)，設(shè)定圍壓為6 MPa，C1 巖心采用連續(xù)注水方式驅(qū)替，注入速度為0.10 mL/min；D1 巖心采用等時(shí)長(zhǎng)間注方式驅(qū)替，注水階段流量為0.20 mL/min，注入20 min，停注20 min。2組實(shí)驗(yàn)分別驅(qū)替1 200 min，記錄時(shí)間、壓力、出口端累計(jì)出水量和出油量至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 并聯(lián)巖心不穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相較于連續(xù)注水實(shí)驗(yàn)組（A1B1），不穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)組中等時(shí)長(zhǎng)間注（A2B2）、階梯注水（A3B3）和短注長(zhǎng)停（A4B4）均能夠明顯提高較低滲透巖心的驅(qū)油效率，較高滲透巖心的驅(qū)油效率也有一定提升（圖1）。這是由于不穩(wěn)定注水能夠產(chǎn)生壓力振蕩，一方面使更多的水?dāng)D入細(xì)小的孔隙，置換出原油，增大了較低滲透層的波及；另一方面，由于巖石親水，毛細(xì)管力在驅(qū)替速度較小時(shí)為動(dòng)力，發(fā)生自吸驅(qū)油現(xiàn)象。因此，不穩(wěn)定注水在減注或停注階段，能夠發(fā)揮毛細(xì)管力驅(qū)油作用，促進(jìn)滯留在細(xì)小孔道中的原油流動(dòng)，從而提高原油采收率。

不穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)巖心初始含油飽和度均為60%，驅(qū)替240 min 后，非對(duì)稱型不穩(wěn)定注水效果明顯好于對(duì)稱型，其中，短注長(zhǎng)停效果最好，階梯注水效果次之，等時(shí)長(zhǎng)間注效果較差。較低滲透巖心不穩(wěn)定注水驅(qū)油效率比連續(xù)注水提高3.5%，較高滲透巖心提高1.1%。對(duì)于低滲透油藏，小孔道毛細(xì)管力較大，因此，增大停注時(shí)間，能夠更好發(fā)揮較低滲透層的毛細(xì)管力驅(qū)油作用，增大較低滲透層采收率，對(duì)較高滲透層采收率影響相對(duì)較小。但并非停注時(shí)間越長(zhǎng)越好，停注時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)造成注入水的波及系數(shù)減小，注入水更容易沿高滲透層突破，使油井無(wú)水采收率降低。

2.2 機(jī)理分析

利用tNavigator 數(shù)值模擬軟件，建立層間非均質(zhì)低滲透油藏模型，平均孔隙度為10%，凈毛比為0.6，低滲透層x方向滲透率為5 mD，y方向滲透率為1 mD，高滲透層x方向滲透率為50 mD，y方向滲透率為1 mD，高低滲透層之間存在隔夾層。地層原油密度為832.8 kg/m3，束縛水飽和度為40%，相對(duì)滲透率曲線及毛細(xì)管力曲線見圖2。采用菱形反九點(diǎn)井網(wǎng)注水開發(fā)，生產(chǎn)壓力為35 MPa，產(chǎn)液量為8 m3/d，分別模擬連續(xù)注水和周期注水，周期注水制度為注入15 d停注15 d，以探究層間非均質(zhì)儲(chǔ)集層不穩(wěn)定注水增油機(jī)理。

當(dāng)含水率為88%時(shí)，不同注水方式下油水井之間的含油飽和度縱向分布不同（圖3）。不穩(wěn)定注水能夠促使較低滲透層水驅(qū)前緣推進(jìn)，增大較低滲透層采收率，從而縮小層間差異，提高油藏總采收率，與并聯(lián)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

從微觀角度分析，多孔介質(zhì)水驅(qū)油過程流體作用力主要包括驅(qū)替壓力、黏滯力、流體彈性力及毛細(xì)管力。其中，驅(qū)替壓力始終為水驅(qū)油的動(dòng)力，隨注采壓差的增大而增大；黏滯力始終為水驅(qū)油的阻力，隨著油水黏度比的增大而增大；而不穩(wěn)定注水則能激發(fā)流體彈性力和毛細(xì)管力，提高微觀驅(qū)油效率。研究區(qū)油藏為親水性油藏，因此毛細(xì)管力會(huì)隨著驅(qū)替速度的增加而改變。當(dāng)驅(qū)替速度較小時(shí)，毛細(xì)管力為動(dòng)力，會(huì)發(fā)生自吸驅(qū)油現(xiàn)象；當(dāng)驅(qū)替速度較大時(shí)，由于潤(rùn)濕滯后產(chǎn)生“海恩斯跳躍”現(xiàn)象，毛細(xì)管力成為水驅(qū)油阻力。

對(duì)于多孔介質(zhì)而言，由于孔喉非均質(zhì)性，驅(qū)替階段驅(qū)替壓力壓制了毛細(xì)管力的作用，注入水優(yōu)先進(jìn)入大孔道，小孔道毛細(xì)管力大，阻礙了驅(qū)替，形成微觀剩余油。停注階段，毛細(xì)管力發(fā)揮驅(qū)油作用，促進(jìn)了小孔道中的驅(qū)替，從而提高了注水波及率及低滲透油層采收率。

3 雙層巖心不穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

存在層間交滲的情況下，不穩(wěn)定注水巖心驅(qū)油效率始終高于穩(wěn)定注水巖心（圖4）。這是由于雙層巖心內(nèi)較高滲透層和較低滲透層之間的壓實(shí)程度不同，因而導(dǎo)壓系數(shù)不同，注水時(shí)較高滲透層吸水量大，壓力高于較低滲透層，高滲透層中的水得以進(jìn)入低滲透層中，改善低滲透層的水驅(qū)效果；停注階段高滲透層產(chǎn)液量大，壓力下降快，流體由低滲透層向高滲透層竄流，原油流入高滲透層后被采出。對(duì)于層內(nèi)非均質(zhì)儲(chǔ)集層，不穩(wěn)定注水能夠促進(jìn)不同滲透層間交滲作用，提高較低滲透層采收率，從而進(jìn)一步提高原油采收率。

3.2 機(jī)理分析

利用tNavigator 數(shù)值模擬軟件建立層內(nèi)非均質(zhì)機(jī)理模型，模型參數(shù)及模擬方案同層間非均質(zhì)模型，高滲透層與低滲透層在縱向上連通，在開采過程中存在流體交滲。

不穩(wěn)定注水過程主要分為2 個(gè)階段。第一階段為注水（增注）升壓階段，油藏進(jìn)行注水時(shí)，高滲透層吸水量較大，壓力相對(duì)較高；低滲透層吸水量少，壓力相對(duì)較低，因此高低滲透層之間出現(xiàn)附加的正向壓差，在這一壓差作用下高滲透層中油水進(jìn)入低滲透層。第二階段為停注（減注）降壓階段，當(dāng)停注（減注）時(shí)，因?yàn)楦邼B透層排液量大，壓力減小速度快，壓力較低，低滲透層壓力減小速度慢，壓力較高，進(jìn)而引起低滲透層向高滲透層的壓力差，流體由低滲透層向高滲透層竄流（圖5）。在注水期，較高滲透層的部分水進(jìn)入較低滲透層中，驅(qū)替出較低滲透層中的原油，提高注入水波及。在停注期，低滲透層與高滲透層之間發(fā)生縱向交滲流動(dòng)，同時(shí)毛細(xì)管力發(fā)揮驅(qū)油作用，進(jìn)一步提高較低滲透層采收率，達(dá)到增產(chǎn)和提高油藏開發(fā)效果的目的（圖6）。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)長(zhǎng)慶油田低滲透油藏特征，設(shè)計(jì)不穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)方法，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)探究低滲透油藏不穩(wěn)定注水開發(fā)效果，并通過數(shù)值模擬研究不穩(wěn)定注水滲流場(chǎng)變化，揭示不穩(wěn)定注水增油機(jī)理。

（2）對(duì)于層間非均質(zhì)儲(chǔ)集層，不穩(wěn)定注水能夠通過增大較低滲透層水驅(qū)前緣推進(jìn)，在減注和停注期間發(fā)揮毛細(xì)管力驅(qū)油作用明顯提高較低滲透層采收率，較高滲透層采收率也有一定提升，短注長(zhǎng)停效果最好。

（3）對(duì)于層內(nèi)非均質(zhì)儲(chǔ)集層，不穩(wěn)定注水能夠促進(jìn)較高和較低滲透層之間流體交滲，增大注入水在較低滲透層中的波及，提高較低滲透層采收率，從而提高油藏開發(fā)效果。