張榮達 楊光輝 宋志超 秦健飛 馬 康 李俊鍵 姜漢橋

1. 中國石油大學(北京)石油工程學院, 北京 102249; 2. 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 3. 中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院, 山東 東營 257000

0 前言

中國的斷塊油藏普遍進入開發(fā)后期,生產(chǎn)井的含水率升高導致開采成本也隨之上升[1-2],因而已經(jīng)有很多生產(chǎn)井因為含水過高失去生產(chǎn)價值而停止了生產(chǎn)[3]。Jacota D R[4]發(fā)現(xiàn)羅馬尼亞的兩個區(qū)塊由于含水率過高停止生產(chǎn),若干年后嘗試開井發(fā)現(xiàn)油井產(chǎn)量得到了極大的提升進而又恢復了生產(chǎn),并提出了油水三次運移的概念，即在封閉條件下,地層的剩余油在浮力以及毛管力的作用下重新進行運移并富集的過程稱為油水三次運移。楊勇等人[5]也指出地層中的剩余油會在重力、浮力、毛管力的作用下進行富集,由于進行長時間的關井富集,斷塊油藏仍然會形成剩余油富集區(qū)[6-8],屆時再開井生產(chǎn),會出現(xiàn)含水率下降產(chǎn)量上升的現(xiàn)象。目前對油藏油水三次運移開展的研究主要集中在三次運移的影響因素上[9-12],本文開展的工作則主要針對如何認識油水三次運移的速度。研究采用實驗觀測的方法對油水三次運移的速度進行了探究,并根據(jù)實驗模型建立相應的數(shù)值模型探究油水三次運移時儲層內(nèi)部的流體分布情況。

1 油水三次運移的室內(nèi)實驗研究

1.1 生產(chǎn)壓差對油水三次運移探究

國內(nèi)的油田開發(fā)大多以注水開發(fā)為主,而進行關井油水三次運移時注水井和采油井之間存在一定的壓差,但是關井后注采壓差存在的時間及其對運移影響程度是一個不確定因素,因此建立三維一注一采模型。模型模擬的注采井距為400 m，儲層孔隙度為20%，平均滲透率為800×10-3μm2，注采壓差為4 MPa，關井時含水率為98%，原始地層壓力為20 MPa。通過模擬探究關井后注采井連線所波及到網(wǎng)格壓差存在的時間長短以及在這段時間內(nèi)含油飽和度的變化情況,可以明確注采壓差對油水三次運移的影響。模擬結果見圖1～2。

圖1 關井后注采井間壓力變化曲線圖Fig.1 Pressure variation curve between injection and production wells after shut-in

圖2 關井后注采井間含油飽和度變化曲線圖Fig.2 Oil saturation variation curve between injection and production wells after shut-in

通過模擬可以發(fā)現(xiàn),關井一個月后兩井之間的壓力基本恢復平衡,在壓差起作用的階段井間含油飽和度的變化也十分微小,而關井進行油水三次運移是一個持續(xù)數(shù)年的過程,相比于一直存在的重力、毛管力以及浮力等,壓差的存在對剩余油的富集影響相對較小,因此油水三次運移還是以長期存在的重力和毛管力為主。因此在實驗中,關井進行油水三次運移時注采壓差的影響可以忽略。

1.2 室內(nèi)實驗研究

為了直觀地觀察油水三次運移的過程并得到運移速度,實驗使用全可視填砂模型,裝置長25 cm,內(nèi)徑8 cm,為有機玻璃材質(zhì)。用蘇丹紅試劑將實驗油染色以此來區(qū)分油水分布,初始將水置于油上,這樣油水由于存在密度差就會在重力分異以及毛管力的作用下發(fā)生運移[13],利用全可視模型觀察油水的運移情況并實時記錄,采用控制變量的方法先后改變實驗傾角以及實驗油的黏度來進行實驗。共進行了三組對照實驗,三組實驗的裝置傾角和實驗油黏度分別為30°-20 mPa·s、30°-10 mPa·s 和60°-20 mPa·s。

實驗裝置見圖3,三次實驗的填砂數(shù)據(jù)見表1,實驗步驟如下。

1)清理好全可視填砂模型,準備適量的120目石英砂、足夠的染色過的油、足夠量的清水和紡紗濾網(wǎng)。

2)在裝置底部上好紡紗濾網(wǎng)防止模型內(nèi)的石英砂堵塞管線,并分多次填砂,逐次壓實，最大程度地減小填砂模型的孔隙度。

3)填砂完成后在頂部金屬蓋螺紋處添加生料帶進行密封并抽真空24 h。

4)抽真空后進行自吸飽和水并記錄飽和水的量,根據(jù)自吸后剩余水的量計算被吸入水的量,進而得到模型的孔隙體積。

5)恒速注入水,待出口端和注入端達到穩(wěn)定時,測量裝置流入流出端的壓差,根據(jù)達西定律得到砂體的滲透率。

6)倒置裝置并以低速(1 mL/min)從模型頂部注油,等待油水界面到達裝置一半后停止注油,此時油在上水在下。

7)關閉各個閥門,倒置填砂模型使油在下水在上,保持一定傾角,開始模擬并實時記錄油水界面運移的情況。

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Diagram of experimental equipment

表1 實驗填砂數(shù)據(jù)表

圖4 裝置傾角為30°時油水運移效果圖Fig.4 Effect diagram of oil and water migration with a dip angle of 30°

1.3 實驗結果和分析

對三組對比實驗的結果進行記錄,以實驗1為例,圖4 展示了不同運移階段油水界面的位置,三組實驗數(shù)據(jù)見表2～4,油水界面運移速度隨時間變化情況見圖5～6。

表2 實驗1實驗數(shù)據(jù)表

表3 實驗2實驗數(shù)據(jù)表

表4 實驗3實驗數(shù)據(jù)表

圖5 不同黏度運移速度隨時間變化圖Fig.5 Variation of migration velocity of different viscosity with time

圖6 不同傾角運移速度隨時間變化圖Fig.6 Variation of migration velocity of different angle with time

從對比結果可以看出,地層角度越大,油的黏度越小,油水三次運移效果越好。初期油水三次運移速度比較快,后運移速度逐漸變緩并趨于穩(wěn)定,通過實驗監(jiān)測得到油水三次運移速度最終趨近于3 m/a。關井進行油水三次運移,是剩余油重新運移并富集的過程,也是油藏經(jīng)過長期開發(fā)后由不均衡的飽和度場向均衡的飽和度場變化的過程,長期水驅開發(fā)后儲層飽和度場的不均衡是運移的基礎,隨著油水三次運移的進行,飽和度場逐漸恢復均衡,油藏也逐漸恢復到穩(wěn)定狀態(tài),因此油水三次運移的驅動力逐漸減弱,油水三次運移速度逐漸變緩。

2 油水三次運移數(shù)值模擬分析

2.1 油水三次運移的數(shù)值模擬方法

由于實驗觀測到的參數(shù)有限,需要借助理論分析的方法做進一步探究[14-16]。根據(jù)實驗模型尺度建立與之對應的數(shù)值模擬模型,將模型延傾角方向劃分為50個網(wǎng)格對實驗過程進行模擬[17-20]。

根據(jù)達西滲流定律可得油、水相的運動方程如式(1)與式(2)所示:

(1)

(2)

在一個網(wǎng)格中發(fā)生的是油水的置換過程,所以油相和水相的速度大小相等方向相反。

vw=-vo

(3)

毛管力方程如式(4)所示:

(4)

根據(jù)推導得到水相富集速度公式如式(5):

(5)

根據(jù)連續(xù)性方程(6)可得到式(7):

(6)

(7)

(8)

得到最終的富集速度公式(9)如下:

(9)

對富集速度公式進行有限差分得到計算公式(10):

(10)

式中:vw為水相運移速度,cm/s;vo為油相運移速度,cm/s;K為滲透率,μm2;kro為油相相對滲透率;krw為水相相對滲透率;μw為水相黏度,mPa·s;μo為油相黏度,mPa·s;pw為水相毛管力,Pa;po為油相毛管力,Pa;γw為水相重度,N/m3;γo為油相重度,N/m3;σ為界面張力,dyn/cm;θ為潤濕接觸角,°;Sw為含水飽和度;pc為毛管力,Pa;φ為孔隙度;t為時間,s;i為網(wǎng)格編號;n為時間步。

2.2 數(shù)值模擬結果及分析

根據(jù)如上建立的模型運用Matlab來進行模擬,探究油水三次運移速度以及油水界面變化情況,并對數(shù)據(jù)進行處理分析,得到模型中油水三次運移的速度以及飽和度分布的變化情況。模擬結果見圖7～8。

通過分析可以發(fā)現(xiàn),在油水進行三次運移時,模型中飽和度場會進行重新分布,代表平均含水飽和度水平的模型中部含水飽和度變化較小,而代表含油飽和度以及含水飽和度水平較低的模型兩端飽和度場變化較大,最后整體趨于穩(wěn)定。因為油水三次運移是油水置換的過程,而且由于相滲曲線的緣故,在含油飽和度較高的區(qū)域不利于水相運移,在水相占優(yōu)的區(qū)域也不利于油相運移,因此對應初始時刻模型的上部和下部,油水三次運移的速度較慢,而油水分布均衡的區(qū)域油水置換效果較好。油水三次運移的速度也逐漸趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在3 m/a,與現(xiàn)場的經(jīng)驗值相符;油水三次運移過程開始后,水先運移到下部并在模型底部開始富集,而油的運移相對較慢。

圖7 模型不同部位運移速度分布圖Fig.7 Distribution of migration velocity of different model parts

圖8 模型不同部位含水飽和度分布圖Fig.8 Distribution of water saturation of different model parts

3 結論

1)傾角越大,重力分異作用效果明顯,油水三次運移速度越快;原油黏度越小,油相滲流阻力小,油水粘滯力作用影響小,油水三次運移速度越快,富集效果越好。

2)油藏油水三次運移的開始階段油水運移速度較快,之后運移速度會逐漸變小,最終穩(wěn)定在3 m/a。

3)由于相滲曲線的存在,含油飽和度高和含水飽和度高的區(qū)域都不利于油水置換,因此在飽和度相對均衡的區(qū)域油水三次運移速度最快。