特高含水期油藏井網(wǎng)調(diào)整開發(fā)效果三維物理模擬實(shí)驗研究

姚秀田，蘇鑫坤，鄭 昕，馬 軍，蓋麗鵬，崔傳智

（1.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營257231；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；3.中國石化勝利油田分公司油氣開發(fā)管理中心，山東東營257001）

水驅(qū)油藏進(jìn)入特高含水期后，井網(wǎng)調(diào)整能夠有效的改變流線、進(jìn)一步提高采收率；井網(wǎng)調(diào)整方向主要分為兩部分：井網(wǎng)抽稀與井網(wǎng)加密［1-5］。目前關(guān)于井網(wǎng)加密的研究較多［6-12］，最小注采井距已經(jīng)達(dá)到80 m，接近井網(wǎng)加密經(jīng)濟(jì)極限，另外井網(wǎng)加密后高耗水現(xiàn)象更加凸顯，反而部分區(qū)塊實(shí)施井網(wǎng)抽稀后控水穩(wěn)油效果較為顯著。井網(wǎng)抽稀的研究主要建立在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上［13-16］。賴書敏等針對勝利油區(qū)中高滲透砂巖油藏的典型單元，在精細(xì)地質(zhì)特征研究和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)單元現(xiàn)井網(wǎng)和剩余油分布特點(diǎn)，在最大限度利用老井的情況下，模擬井網(wǎng)抽稀后的開發(fā)過程，研究結(jié)果表明，井網(wǎng)抽稀后能提高水驅(qū)采收率2.64%［14］；盧云霞等在描述各小層不同時期水淹特征的基礎(chǔ)上，明確油水井連通狀況及見水優(yōu)劣勢方向，評價主力層剩余油潛力區(qū)；并針對剩余油分布規(guī)律，提出井網(wǎng)抽稀改變液流方向以達(dá)到改善主力層開發(fā)效果的目的［15］；李明松在評價井網(wǎng)適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，提出了對注水水淹層井網(wǎng)進(jìn)行抽稀，以解決平面矛盾、改善開發(fā)效果，提高原油采收率［16］。以上關(guān)于井網(wǎng)抽稀的研究均是運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，在分析剩余油的基礎(chǔ)上，開展井網(wǎng)抽稀以改變流線，最終達(dá)到控制含水率、提高采收率的目的。這些研究均沒有涉及到物理模擬實(shí)驗。

筆者采用自主搭建的3D 水驅(qū)物理模擬實(shí)驗裝置，開展了基礎(chǔ)井網(wǎng)、井網(wǎng)抽稀及井網(wǎng)加密等多種水驅(qū)油物理模擬實(shí)驗，對比分析井網(wǎng)調(diào)整形式、注水速度、抽稀/加密后提液等因素對飽和度剖面及采出程度的影響，對完善特高含水期油藏井網(wǎng)調(diào)整方式進(jìn)行了有益的探索。

1 實(shí)驗設(shè)計

1.1 實(shí)驗參數(shù)的獲取

可視化物理模擬實(shí)驗就是利用相似準(zhǔn)則［17］將實(shí)際油藏的各類參數(shù)轉(zhuǎn)換成室內(nèi)實(shí)驗參數(shù)，這樣就可以將油藏較長時間的生產(chǎn)過程轉(zhuǎn)化為較短時間內(nèi)的可視化物理模擬過程，從而便于直觀地對開發(fā)效果進(jìn)行分析，為油田生產(chǎn)提供有效參考方案。

礦場參數(shù)中井距為250 m，排距為125 m，儲層厚度為10 m，原油黏度為32 mPa·s，模型注入速度（4個五點(diǎn)法井網(wǎng)）為480～800 m3/d，對應(yīng)的實(shí)驗參數(shù)中井距為12.5 cm，排距為6.25 cm，儲層厚度為5 cm，原油黏度為1.6 mPa·s，模型注入速度（4 個五點(diǎn)法井網(wǎng)）為16.67～24.31 mL/min（表1）。

表1 礦場參數(shù)與實(shí)驗參數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果Table1 Conversion results of field parameters and experimental parameters

1.2 實(shí)驗裝置及實(shí)驗方案

自主搭建的3D 水驅(qū)物理模擬實(shí)驗裝置由真空泵、ISCO 驅(qū)替泵、3D 填砂模型裝載器（長×寬×高為30 cm×30 cm×5 cm）、油水分離裝置、注入管線、采出管線及飽和油管線等組成（圖1）。運(yùn)用該裝置開展不同注水速度條件下的井網(wǎng)抽稀、井網(wǎng)加密及基礎(chǔ)井網(wǎng)（不進(jìn)行井網(wǎng)調(diào)整）水驅(qū)實(shí)驗，井網(wǎng)調(diào)整形式見圖2，基礎(chǔ)井網(wǎng)是井距為15 cm 的正方形五點(diǎn)法井網(wǎng)，加密井網(wǎng)是井距為7.5 cm的正對井排，抽稀井網(wǎng)是井距為15 cm 的矩形五點(diǎn)法井網(wǎng)。模型整體注入速度為16 和24 mL/min，石英砂有20 目、40 目及80目，實(shí)驗用油為稀釋后的原油，黏度為1.6 mPa·s，每組實(shí)驗累積注水量為1 900 mL。

圖1 3D水驅(qū)物理模擬實(shí)驗裝置Fig.1 3D waterflooding physical simulation device

圖2 井網(wǎng)調(diào)整形式示意Fig.2 Adjustment of well pattern

1.3 實(shí)驗步驟

水驅(qū)實(shí)驗分為5 個步驟：①正韻律3D 可視化物理模型制作。將不同粒徑石英砂分別倒入燒杯中，記錄其體積，再向燒杯中倒入原油，記錄原油的體積，用玻璃棒不斷攪拌，使石英砂與原油充分混合，再用保鮮膜覆蓋燒杯口，使石英砂與原油充分接觸，靜置大概1 h后，3D可視化物理模型所用油砂配制完成。將配制好的大粒徑油砂（20 目）均勻鋪至模型底部，先用鏟刀將砂體表面抹平，再用壓實(shí)板將砂體均勻壓實(shí)；然后將配制好的中粒徑油砂（40目）均勻鋪置、壓實(shí)在已鋪置的砂體上；之后再將配制好的小粒徑油砂（80 目）均勻鋪置、壓實(shí)在已鋪置的砂體上，最終形成正韻律3D 可視化物理模型（圖3a）。該模型的滲透率從底部到頂部分別為2 500，1 000 及250 mD；各層的厚度相同，且總厚度為5 cm。②模型管線制作與連接。正韻律3D 可視化物理模型內(nèi)水井端使用側(cè)壁全井段打孔的管線，油井端使用側(cè)壁頂端打孔的管線（圖3b），將制作好的管線按設(shè)計的井網(wǎng)類型填埋在模型中相應(yīng)位置，并將管線埋入模型的端口套上濾砂網(wǎng)，以保證管線不會被砂堵死。每根管線連接一個閥門，實(shí)現(xiàn)油水井的開關(guān)。③物理模型飽和油。先抽真空，再向中間容器內(nèi)倒入一定量的原油，將其密封好；設(shè)定水泵的限制壓力為1 MPa、注入速度為2 mL/min，將中間容器內(nèi)的原油飽和進(jìn)模型中。待壓力升高至0.9 MPa左右后，測試井管線是否通暢：將井管線閥門輪換打開，確保每口井管線正常出液。記錄各井管線在測試時所產(chǎn)出的原油體積。模型老化24 h，使模型內(nèi)壓力和原油均勻分布，待水驅(qū)實(shí)驗所用。④水驅(qū)油物理模擬實(shí)驗。實(shí)驗包括基礎(chǔ)井網(wǎng)與井網(wǎng)調(diào)整（井網(wǎng)加密與井網(wǎng)抽稀）水驅(qū)實(shí)驗，實(shí)驗各井采用定流量條件工作。其中，基礎(chǔ)井網(wǎng)水驅(qū)實(shí)驗設(shè)定水泵的限制壓力與總注入速度，開啟ISCO驅(qū)替泵進(jìn)行水驅(qū)油物理模擬實(shí)驗，在油井出口端放置100 mL 量筒，每隔10 分鐘記錄一次單井累積產(chǎn)液量與產(chǎn)水量，驅(qū)替至油井含水率近100%。井網(wǎng)調(diào)整水驅(qū)實(shí)驗與基礎(chǔ)井網(wǎng)水驅(qū)實(shí)驗相似，不同之處在于：水驅(qū)至某一時刻（含水率為90%），進(jìn)行井網(wǎng)調(diào)整（井網(wǎng)加密或者抽?。缓笏?qū)至油井含水率近100%。⑤實(shí)驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析?；谟涗浀娘柡陀土?、累積產(chǎn)液量、累積產(chǎn)水量等數(shù)據(jù)，計算獲得采出程度曲線；同時通過切割物理模型砂體（圖3c），獲得水驅(qū)結(jié)束后的飽和度剖面；并運(yùn)用像素識別軟件，在設(shè)定未飽和油時儲層顏色為0，飽和油完成時儲層顏色為1的條件下，獲得剖面飽和度。

圖3 水驅(qū)實(shí)驗示意Fig.3 Waterflooding experiment

2 實(shí)驗結(jié)果與分析

共開展了6 組水驅(qū)物理模擬實(shí)驗，分別為基礎(chǔ)井網(wǎng)水驅(qū)物理模擬實(shí)驗、井網(wǎng)加密水驅(qū)物理模擬實(shí)驗、井網(wǎng)抽稀水驅(qū)物理模擬實(shí)驗、注入速度增加的井網(wǎng)抽稀水驅(qū)物理模擬實(shí)驗、抽稀后提液的井網(wǎng)抽稀水驅(qū)物理模擬實(shí)驗、加密后提液的井網(wǎng)加密水驅(qū)物理模擬實(shí)驗（表2）。

表2 水驅(qū)實(shí)驗對比分析Table2 Comparative analysis of waterflooding experiments

2.1 井網(wǎng)調(diào)整開發(fā)效果對比

對比實(shí)驗1，2，3研究井網(wǎng)調(diào)整對開發(fā)效果的影響。由注入速度為16 mL/min 時各井網(wǎng)調(diào)整形式水驅(qū)開發(fā)結(jié)束后的飽和度剖面與采出程度（圖4，圖5）可知，對正韻律儲層，無論是何種井網(wǎng)調(diào)整形式，底部水洗嚴(yán)重（呈白色），頂部水洗較弱（呈黑色）。與基礎(chǔ)井網(wǎng)相比，井網(wǎng)抽稀后的單井注入速度、井距增加。對于全射孔的注水井，單井注入速度增加將導(dǎo)致縱向波及面積增加，但井距增加又會使波及面積降低，兩者綜合作用導(dǎo)致基礎(chǔ)井網(wǎng)水驅(qū)結(jié)束后的飽和度剖面波及面積與井網(wǎng)抽稀的飽和度剖面波及面積大小相當(dāng)；且隨著全井段射孔注水的注入速度增加，頂部水洗程度增強(qiáng)，頂部含油飽和度降低了0.06（為0.56）。井網(wǎng)加密后雖然單井注入速度降低，但井距減??；井網(wǎng)加密水驅(qū)結(jié)束后的波及面積大，但其頂部含油飽和度（0.70）要比基礎(chǔ)井網(wǎng)水驅(qū)結(jié)束后的頂部含油飽和度（0.62）大。各井網(wǎng)調(diào)整形式的采出程度變化規(guī)律相似，隨著開發(fā)時間的推移，采出程度先線性增加后趨于平緩；從最終采出程度看，井網(wǎng)抽稀后的最大，其次是井網(wǎng)加密后的，最小的是基礎(chǔ)井網(wǎng)的。與基礎(chǔ)井網(wǎng)的最終采出程度相比，井網(wǎng)抽稀的提高了近3.01%，井網(wǎng)加密的提高了2.12%。

圖4 注入速度為16 mL/min的水驅(qū)結(jié)束后飽和度剖面Fig.4 Saturation profile after waterflooding at an injection rate of 16 mL/min

圖5 注入速度為16 mL/min的各井網(wǎng)類型的采出程度Fig.5 Recovery under each well pattern at injection rate of 16 mL/min

從以上分析可知，在注采條件、儲層物性條件相同的情況下，與基礎(chǔ)井網(wǎng)相比，井網(wǎng)抽稀開發(fā)后的正韻律儲層頂部動用程度大，最終采出程度高；井網(wǎng)加密的波及系數(shù)最大，但是其在相同注水量情況下的洗油程度弱，導(dǎo)致其最終采出程度小于井網(wǎng)抽稀的。特高含水期井網(wǎng)抽稀開發(fā)效果最好，其次是井網(wǎng)加密，最差的是基礎(chǔ)井網(wǎng)。

2.2 不同注入速度的井網(wǎng)抽稀開發(fā)效果對比

對比實(shí)驗3，4研究不同注入速度對井網(wǎng)抽稀開發(fā)效果的影響。從圖6 與圖7 可知，對正韻律儲層，當(dāng)注入速度從16 mL/min 增加至24 mL/min 時，井網(wǎng)抽稀水驅(qū)結(jié)束后的飽和度剖面均表現(xiàn)為底部呈白色、水洗嚴(yán)重，頂部呈黑色、水洗較輕的特征。高注入速度的飽和度剖面頂部含油飽和度（0.54）要低于低注入速度的（0.56），且高注入速度的飽和度剖面波及面積比低注入速度的大27.83%。在累積注水量相同的情況下，注入速度越大，最終采出程度越大；高注入速度的最終采出程度比低注入速度的提高了4.77%。從以上分析可知，在累積注水量一定、注入與采出平衡條件下，水驅(qū)注入速度越大，波及面積越大、縱向驅(qū)替越均勻，最終采出程度越高。

圖6 不同注入速度井網(wǎng)抽稀水驅(qū)結(jié)束后飽和度剖面Fig.6 Saturation profile after waterflooding under thinned well pattern at different injection rates

圖7 不同注入速度的井網(wǎng)抽稀水驅(qū)采出程度對比Fig.7 Comparison of recoveries under thinned well pattern at different injection rates

2.3 井網(wǎng)抽稀/加密后提液開發(fā)效果對比

對比實(shí)驗2，3，5，6 研究井網(wǎng)抽稀/加密后不提液與提液對開發(fā)效果的影響。由井網(wǎng)抽稀后提液與不提液的飽和度剖面和采出程度（圖8，圖9）可知，雖然井網(wǎng)抽稀后不提液飽和度剖面頂部含油飽和度（0.56）小于井網(wǎng)抽稀后提液的（0.71），但井網(wǎng)抽稀后提液的波及面積比不提液的大24.12%。在累積注水量相同的情況下，井網(wǎng)抽稀后提液的最終采出程度比不提液的高2.52%。

圖8 井網(wǎng)抽稀后提液與不提液水驅(qū)結(jié)束后飽和度剖面Fig.8 Saturation profiles after waterflooding with and without increased liquid production after well pattern thinning

圖9 井網(wǎng)抽稀后提液與不提液采出程度對比Fig.9 Comparison of recoveries with and without increased liquid production after well pattern thinning

從井網(wǎng)加密后提液與不提液的飽和度剖面和采出程度（圖10，圖11）可知，井網(wǎng)加密后提液的飽和度剖面頂部含油飽和度（0.73）大于不提液的（0.70），但是后者的波及面積更大，因此在累積注水量相同的情況下，井網(wǎng)加密后提液的最終采出程度比不提液的高1.49%。同時對比井網(wǎng)加密后提液與井網(wǎng)抽稀后提液的最終采出程度可知，在累積注水量相同的情況下，井網(wǎng)抽稀后提液的最終采出程度比井網(wǎng)加密后提液的高1.99%。

圖10 井網(wǎng)加密后提液與不提液水驅(qū)結(jié)束后飽和度剖面Fig.10 Saturation profiles after waterflooding with and without increased liquid production after well pattern infilling

圖11 井網(wǎng)加密后提液與不提液采出程度對比Fig.11 Comparison of recoveries with and without increased liquid production after well pattern infilling

從以上對比分析可知，井網(wǎng)調(diào)整后（加密/抽?。┨嵋嚎梢栽诰W(wǎng)調(diào)整的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大水驅(qū)波及系數(shù)、提高采出程度，且由于井網(wǎng)加密后提液的正韻律儲層底部水洗程度要弱于井網(wǎng)抽稀后提液的，因此井網(wǎng)抽稀后提液的開發(fā)效果要比井網(wǎng)加密后的提液的開發(fā)效果更好。

3 討論

從提高采收率機(jī)理、井網(wǎng)抽稀應(yīng)用條件及礦場指導(dǎo)意義等3 個方面，討論特高含水期油藏井網(wǎng)調(diào)整開發(fā)效果三維物理模擬實(shí)驗結(jié)果。

井網(wǎng)調(diào)整提高采收率機(jī)理 不同的井網(wǎng)形式?jīng)Q定了不同的壓力場與流場分布，進(jìn)而決定了不同的波及體積與驅(qū)油效率，對于井網(wǎng)加密而言，通過增加累積注水量、采液井點(diǎn)可以有效提升原井網(wǎng)弱波及部位的驅(qū)替壓力梯度，如正韻律厚油層頂部，使得油層縱向動用程度更均衡，但由于注采井距較小，在一段時間后易形成優(yōu)勢滲流通道，又制約了整體采收率；對于井網(wǎng)抽稀而言，在擴(kuò)大注采井距的同時保持與井網(wǎng)加密相同的注入、采出強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)更均衡的流場分布、保持與井網(wǎng)加密相同的驅(qū)替壓力梯度，但由于注采井距相對較大，高耗水流線更不易形成，再開展提注提液可以改善油層縱向波及狀況，從而獲得更高的采收率。

井網(wǎng)抽稀的應(yīng)用條件 井網(wǎng)抽稀的做法尤其適用于特高含水后期水驅(qū)油藏開發(fā)，開發(fā)后期井網(wǎng)老化、高耗水層帶發(fā)育的現(xiàn)象較為普遍，可以通過層系間補(bǔ)孔改層、大修、側(cè)鉆等措施確保油氣資產(chǎn)利用效率來實(shí)現(xiàn)井網(wǎng)抽稀；為抑制極端高耗水層帶，常規(guī)的井網(wǎng)轉(zhuǎn)換需要配套較多的新井工作量投入，井網(wǎng)抽稀后的注采井距較大，能夠有效規(guī)避極端高耗水層帶，再提液后可以通過壓力傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)油藏中更為均衡的流場分布。

礦場指導(dǎo)意義 特高含水后期延長經(jīng)濟(jì)壽命期的必要條件是經(jīng)濟(jì)采收率，井網(wǎng)調(diào)整的方向決定了開發(fā)成本，井網(wǎng)加密需較高的投資支撐，在特高含水后期平均單井產(chǎn)能相對較低的情況下效益難以保證；井網(wǎng)抽稀在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)更均衡的流場分布、保持較高的驅(qū)替壓力梯度，在經(jīng)濟(jì)上可以通過層系間補(bǔ)孔改層實(shí)現(xiàn)，所需的投入較小，因此具有較強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性。

4 結(jié)論

與基礎(chǔ)井網(wǎng)相比，井網(wǎng)抽稀與井網(wǎng)加密的水驅(qū)開發(fā)效果更好，且井網(wǎng)抽稀的水驅(qū)開發(fā)效果比井網(wǎng)加密好。對正韻律儲層，當(dāng)累積注水量相同時，不同方式井網(wǎng)調(diào)整后，均表現(xiàn)為注入速度越大、水驅(qū)波及系數(shù)越大、驅(qū)替越均勻，最終采出程度越大，即提高注入速度有益于提高水驅(qū)采收率。當(dāng)累積注水量相同時，井網(wǎng)調(diào)整后提液的采收率要比不提液的高；且井網(wǎng)抽稀后提液比井網(wǎng)加密后提液的采收率更高、開發(fā)效果更好。