碳酸鹽巖縫洞型油藏氮?dú)馀菽?qū)提高采收率機(jī)理可視化研究

李海波 ，侯吉瑞 ，李 巍 ，苑登御 ，張 麗 ，姜 瑜 ，苑玉靜

（1.中國石油大學(xué)（北京）提高采收率研究院，北京102249；2.中國石油三次采油重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低滲油田提高采收率應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究室，北京102249；3.中國石油大學(xué)（北京）教育部油田開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

塔河油田奧陶系油藏是中國已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)量最大的碳酸鹽巖縫洞型油藏［1］。以塔河油田四區(qū)為例，自1997年10月S48井投產(chǎn)伊始，受儲(chǔ)集體分布復(fù)雜性、縫洞體系強(qiáng)非均質(zhì)性及天然能量的影響［2-3］，出現(xiàn)了產(chǎn)能遞減率高和含水率上升快等問題［4-5］。經(jīng)過以底水能量為主的天然能量衰竭開采后，仍有大量的原油滯留在油藏中［6-8］。相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)縫洞型油藏底水驅(qū)后氮?dú)怛?qū)開采剩余油技術(shù)進(jìn)行了研究，并初步明確了提高采收率機(jī)理［9-12］，但一般認(rèn)為縫洞型油藏裂縫發(fā)育，注氮?dú)庖装l(fā)生氣竄。因泡沫流體在中外油田中被廣泛應(yīng)用于控制氣體流度［13］，故筆者針對(duì)塔河油田四區(qū)特定縫洞組合關(guān)系，利用宏觀可視化物理模型，開展縫洞型油藏底水驅(qū)后氮?dú)馀菽?qū)開采剩余油實(shí)驗(yàn)研究，并與氮?dú)怛?qū)進(jìn)行對(duì)比，分析其提高采收率機(jī)理，以期為探索該類油藏高效開發(fā)技術(shù)提供依據(jù)。

1 模型的設(shè)計(jì)與制作

1.1 模型相似性設(shè)計(jì)

物理模型的制作應(yīng)結(jié)合相似準(zhǔn)則確定模型的參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件，使物理模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近礦場實(shí)際條件。由于在碳酸鹽巖縫洞型油藏中，流動(dòng)通道幾何尺度差異較大，加之縫洞系統(tǒng)分布的復(fù)雜性，形成了多種流動(dòng)模式。而在模型設(shè)計(jì)時(shí)，同一模型中無法同時(shí)滿足多個(gè)相似準(zhǔn)則，因此只能側(cè)重局部流體進(jìn)行相似模擬［14-15］?？紤]到溶洞是縫洞型油藏中最主要的儲(chǔ)油空間，故重點(diǎn)針對(duì)流體在溶洞部分的流動(dòng)進(jìn)行相似設(shè)計(jì)。此時(shí)，重力分異作用對(duì)流體流動(dòng)起著主要作用，而粘滯力則因縫洞型油藏中較小的滲流面積而可忽略不計(jì)，因此，建立模型時(shí)，主要針對(duì)壓力與重力的關(guān)系及注入速度與采油量的關(guān)系進(jìn)行相似性設(shè)計(jì)，其表達(dá)式分別為

式中：FG為表征壓力與重力之比的相似準(zhǔn)數(shù)；Δp為壓差，MPa；ρo為地層原油密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；L為洞徑，cm；FQ為表征注入速度與采油量之比的相似準(zhǔn)數(shù)；q為注入速度，m3/d；d為井徑，mm；uo為流速，m/s。

根據(jù)相似理論，當(dāng)相似準(zhǔn)數(shù)為1時(shí)，表明模型參數(shù)與礦場參數(shù)關(guān)于該相似準(zhǔn)則相似［16］。相似準(zhǔn)數(shù)可由相似系數(shù)計(jì)算得到，通過用各相似項(xiàng)的礦場參數(shù)值除以模型參數(shù)值即可得到對(duì)應(yīng)的相似系數(shù)，再根據(jù)相似準(zhǔn)則，對(duì)各相似項(xiàng)的相似系數(shù)進(jìn)行組合，最終得到相似準(zhǔn)數(shù)。根據(jù)式（1）和式（2），F(xiàn)G和FQ的計(jì)算式分別為

式中：kΔp,kρo,kg,kd,kL和kuo分別為壓差、原油密度、重力加速度、井徑、洞徑及流速的相似系數(shù)。

由模型與礦場相關(guān)參數(shù)及其相似系數(shù)（表1），通過式（3）和式（4）計(jì)算可知，F(xiàn)G和FQ分別為1.005和1，表明模型與礦場參數(shù)基本滿足上述相似準(zhǔn)則。

表1 模型與礦場參數(shù)及相似系數(shù)

1.2 模型制作

采用可視化技術(shù)，按照塔河油田四區(qū)TK467—S48縫洞剖面組合關(guān)系進(jìn)行刻畫，制作可視化物理模型（圖1）。具體制作流程包括：①以碳酸鹽巖粉末為主要材料，混合環(huán)氧樹脂壓制成規(guī)格為30 cm×30 cm×4 cm的巖心，在巖心未完全固結(jié)之前，對(duì)巖心進(jìn)行人工刻蝕，刻畫出縫洞組合關(guān)系，并在模型下部溶洞體內(nèi)填充50%的10目河沙；②將巖心在常溫下靜置24 h，待其完全固結(jié)；③將固結(jié)后的巖心置于30 cm×30 cm×20 cm的模具中，利用環(huán)氧樹脂對(duì)巖心進(jìn)行澆鑄封裝，并在常溫下靜置24 h使環(huán)氧樹脂固化；④在模型設(shè)計(jì)位置安置油井及底水管線。

圖1 縫洞型油藏可視化物理模型

2 實(shí)驗(yàn)器材與方法

實(shí)驗(yàn)材料 塔河油田四區(qū)地層原油粘度為23.4 mPa·s，實(shí)驗(yàn)用油為塔河油田四區(qū)脫氣原油與煤油配制的粘度為24.7 mPa·s的模擬油。實(shí)驗(yàn)用水是按油藏采出水分析結(jié)果配制的模擬地層水，其礦化度為220 g/L。起泡劑為十二烷基硫酸鈉，分析純。實(shí)驗(yàn)氣體為瓶裝液氮。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）主要包括：工作壓力為0～30 MPa、流速為0.01～10 mL/min的恒速恒壓計(jì)量泵；最大工作壓力為32 MPa、容積為1 L的中間容器，用于裝載實(shí)驗(yàn)流體；直徑為25 mm、長度為400 mm的填砂管，其中填充粒徑為30～40 μm的石英砂；CS200型氣體流量控制器；測壓范圍為0～180 kPa的壓力傳感器；LED面板光源；分辨率為1 920×1 080的Logeitech Pro C910視頻攝像頭。

圖2 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)方法包括：①對(duì)物理模型抽真空，飽和模擬地層水，記錄注入地層水量為模型縫洞體積；②向物理模型中注模擬油，進(jìn)行油驅(qū)水，至不出水為止，記錄注入油量和排出水量，計(jì)算束縛水體積與原始含油體積；③保持物理模型中TK467井與S48井處于開啟狀態(tài)，以6 mL/min的流速進(jìn)行恒流底水驅(qū)替，模擬底水開采階段，直到2口井含水率均達(dá)到100%為止；④底水驅(qū)結(jié)束后，將起泡劑與氮?dú)馔瑫r(shí)通入填砂管，形成氮?dú)馀菽?，并從TK467井注入泡沫，從S48井采油，至S48井不出油為止。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，通過LED面板光源對(duì)物理模型進(jìn)行照明，并用視頻攝像頭對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行錄像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 底水驅(qū)

由底水驅(qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)（圖3）可見：驅(qū)替初期，模型下部大溶洞內(nèi)的油水界面緩慢水平抬升，底水活塞式地驅(qū)替原油，水驅(qū)油的過程類似于有壓管流（圖3a）；當(dāng)?shù)姿⑷肓考s為0.15倍孔隙體積時(shí)，水線推進(jìn)至TK467井，TK467井含水率在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到100%；當(dāng)?shù)姿⑷肓考s為0.3倍孔隙體積時(shí)，底水沿模型底部流動(dòng)通道竄進(jìn)（圖3b）；在底水注入量達(dá)0.55倍孔隙體積時(shí)，S48井開始見水，并且含水率很快達(dá)到100%，此時(shí)在模型高部位溶洞和局部構(gòu)造的高部位形成了以閣樓油為主的剩余油（圖3c）。

圖3 底水驅(qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)

3.2 底水驅(qū)后氮?dú)怛?qū)

在底水驅(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行氮?dú)怛?qū)實(shí)驗(yàn)，分析氮?dú)怛?qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)（圖4）發(fā)現(xiàn)：在氮?dú)怛?qū)開始階段，注入的氮?dú)馐紫冗M(jìn)入到局部構(gòu)造的高部位，頂替出閣樓油（圖4a）；當(dāng)?shù)獨(dú)庾⑷肓考s為0.3倍孔隙體積時(shí)，注入的氮?dú)庵饾u充滿了模型上部的高滲流通道，繞過了模型上部由垂直裂縫溝通的部分閣樓油（圖4b）；在氮?dú)庾⑷肓窟_(dá)0.45倍孔隙體積后，在模型上部形成了氣竄通道，注入的氮?dú)庋卦撏ǖ乐苯油黄浦辽a(chǎn)井，導(dǎo)致模型上部的部分閣樓油因?yàn)闅飧Z而滯留在地層中（圖4c）。

圖4 底水驅(qū)后氮?dú)怛?qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)

3.3 底水驅(qū)后氮?dú)馀菽?qū)

在底水驅(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行氮?dú)馀菽?qū)，氮?dú)馀菽?qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)結(jié)果（圖5）顯示：在氮?dú)馀菽?qū)初期，注入的泡沫首先進(jìn)入并啟動(dòng)局部構(gòu)造高部位中的閣樓油（圖5a）；當(dāng)泡沫注入量約為0.3倍孔隙體積時(shí)，泡沫逐漸占據(jù)并堆積在模型上部高滲流通道中，繼而啟動(dòng)由垂直裂縫溝通的孤立溶洞中的閣樓油（圖5b）；在泡沫注入量達(dá)到0.6倍孔隙體積后，采出井見泡沫，此時(shí)泡沫波及到的剩余油基本都被采出（圖5c）。

圖5 底水驅(qū)后氮?dú)馀菽?qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)

3.4 注入壓力及采收率動(dòng)態(tài)

對(duì)比底水驅(qū)后氮?dú)怛?qū)和氮?dú)馀菽?qū)的實(shí)驗(yàn)壓力和采收率的動(dòng)態(tài)關(guān)系（圖6）發(fā)現(xiàn)：底水驅(qū)階段，2種驅(qū)替方式的注入壓力及采收率變化趨勢基本一致，注入壓力保持平穩(wěn)，至底水注入量約為0.45倍孔隙體積時(shí)，油井見水，注入壓力出現(xiàn)小幅度下降，該階段最終采收率分別為48.66%和48.36%；在氮?dú)怛?qū)階段，氮?dú)怛?qū)初期，注入壓力迅速升高，這是因?yàn)樽⑷氲牡獨(dú)鈫?dòng)了閣樓油，之后注入壓力保持平穩(wěn)，直到氮?dú)庾⑷肓考s為0.45倍孔隙體積時(shí)，發(fā)生氣竄，注入壓力迅速下降之后保持平穩(wěn)，采收率仍呈增加趨勢但增幅大幅減緩，氮?dú)怛?qū)最終采收率為79.1%；而在氮?dú)馀菽?qū)實(shí)驗(yàn)中，注入壓力同樣在初期迅速升高，且一直保持緩慢上升的趨勢，當(dāng)?shù)獨(dú)馀菽⑷肓窟_(dá)到0.6倍孔隙體積時(shí)，泡沫竄流至生產(chǎn)井，注入壓力出現(xiàn)大幅降低后保持平穩(wěn)，此時(shí)，采收率也呈增加趨勢但增幅變緩，氮?dú)馀菽?qū)最終采收率為87.76%。分析圖6可知，氮?dú)馀菽?qū)實(shí)驗(yàn)時(shí)的注入壓力始終高于氮?dú)怛?qū)的注入壓力，這是因?yàn)榈獨(dú)馀菽母吡鞫纫约捌湓诟邼B流通道中產(chǎn)生的堆積封堵作用所致；相比氮?dú)怛?qū)，氮?dú)馀菽?qū)采收率提高了8.66%。

圖6 注入壓力及采收率動(dòng)態(tài)

4 提高采收率機(jī)理

對(duì)比底水驅(qū)后氮?dú)怛?qū)與氮?dú)馀菽?qū)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)可見，底水驅(qū)后，氮?dú)怛?qū)與氮?dú)馀菽?qū)均能有效啟動(dòng)剩余油。對(duì)于氮?dú)怛?qū)開采剩余油機(jī)理，可以認(rèn)為是由于油氣密度差大，且氮?dú)鈳缀醪蝗苡谠?，注入的氮?dú)庠诘貙又型ㄟ^重力分異作用進(jìn)入到構(gòu)造高部位，頂替出閣樓油所致，但由于氮?dú)庹扯鹊?，流度大，易沿?yōu)勢通道發(fā)生竄流，氮?dú)怛?qū)后仍然有部分剩余油滯留在地層中。相比之下，在氮?dú)馀菽?qū)過程中可以觀察到，注氮?dú)馀菽粌H有效啟動(dòng)了閣樓油，還抑制了氣竄，擴(kuò)大了波及體積。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析底水驅(qū)后氮?dú)馀菽?qū)提高采收率機(jī)理主要包括擴(kuò)大波及體積和提高微觀洗油效率2個(gè)方面。

圖7 氮?dú)馀菽?qū)擴(kuò)大波及體積機(jī)理示意

擴(kuò)大波及體積 通過分析氮?dú)馀菽?qū)啟動(dòng)閣樓油的過程可知：在氮?dú)馀菽?qū)的過程中，注入的泡沫首先會(huì)進(jìn)入到高滲流通道中（圖7a），此時(shí)，縫洞體系中的流體大致可以分為穩(wěn)定泡沫帶、泡沫—油混合帶和純油帶（灰色越深，表明泡沫遇油，越不穩(wěn)定），由于泡沫遇油不穩(wěn)定，泡沫驅(qū)替前緣的泡沫接觸原油后極易破裂，因釋放出的氮?dú)獠蝗苡谟?，在重力分異作用下?huì)進(jìn)入到構(gòu)造高部位并不斷聚集，形成次生氣頂，頂替出閣樓油；隨著泡沫的不斷注入，原油在泡沫和氣體的共同作用下被不斷驅(qū)替出，高滲流通道中的含油飽和度降低，泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng)并在高滲流通道中堆積，這種堆積作用加大了后續(xù)泡沫在高滲流通道中的流動(dòng)阻力，并對(duì)氣體產(chǎn)生封堵作用，控制了氣體的流度，使氣體界面能夠均勻下降，有效抑制了氣竄的發(fā)生（圖7b），氮?dú)馀菽?qū)過程中注入壓力隨氮?dú)馀菽⑷肓康脑黾佣龃蟮内厔?，也從?cè)面證明了泡沫在高滲流通道中產(chǎn)生了這種堆積封堵作用（圖5）；隨著驅(qū)替過程的繼續(xù)進(jìn)行，大通道內(nèi)的阻力不斷加大，后續(xù)泡沫發(fā)生轉(zhuǎn)向，克服毛管阻力進(jìn)入到由垂直裂縫溝通的孤立溶洞，泡沫遇油發(fā)生破裂，氣體受重力影響與溶洞中的原油發(fā)生置換，從而啟動(dòng)了其中的閣樓油，擴(kuò)大了波及體積（圖7c）。

提高微觀洗油效率 在碳酸鹽巖縫洞型油藏中，波及區(qū)域洗油效率較高，殘余油主要以油膜的形式存在。氮?dú)馀菽?qū)過程中，泡沫體系中的表面活性劑可以降低油膜的粘附功，使油膜更容易參與流動(dòng)。此外，泡沫還能通過擠壓巖壁，使附著在巖壁上的油膜變薄、分離，繼而被乳化、攜帶。因此，泡沫能在一定程度上提高微觀洗油效率。

可視化物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氮?dú)馀菽?qū)后，物理模型中的溶洞壁面相比氮?dú)怛?qū)后更為干凈，同時(shí)采出液中也發(fā)現(xiàn)了原油的乳化現(xiàn)象，證明了注氮?dú)馀菽哂刑岣呶⒂^洗油效率的作用。但是由于油膜僅存在于溶洞及裂縫的壁面處，筆者認(rèn)為這部分作用對(duì)總采收率的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制作滿足相似性條件的碳酸鹽巖縫洞型油藏可視化物理模型，并在底水驅(qū)的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行氮?dú)怛?qū)與氮?dú)馀菽?qū)開采剩余油實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，氮?dú)怛?qū)與氮?dú)馀菽?qū)均能有效開采剩余油，在底水驅(qū)基本相同的條件下，氮?dú)馀菽?qū)比氮?dú)怛?qū)可提高采收率8.66%。

氮?dú)馀菽?qū)有機(jī)結(jié)合了氮?dú)怛?qū)與泡沫驅(qū)的特點(diǎn)。依靠氮?dú)獾闹亓Ψ之愖饔庙斕骈w樓油，同時(shí)通過泡沫在高滲流通道內(nèi)的堆積，迫使后續(xù)流體發(fā)生轉(zhuǎn)向，封堵氣體，抑制氣竄，進(jìn)一步擴(kuò)大了波及體積。此外泡沫具有很強(qiáng)的剝離油膜，乳化、攜帶游離油滴的能力，洗油效率更高。因此，氮?dú)馀菽?qū)具有比氮?dú)怛?qū)更好的提高采收率能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)馀菽?qū)是提高縫洞型油藏采收率的一種行之有效的技術(shù)，應(yīng)考慮對(duì)高溫高壓條件下發(fā)泡情況及泡沫穩(wěn)定性的后續(xù)研究。

［1］ 竇之林.塔河油田碳酸鹽巖縫洞型油藏開發(fā)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012：64-72.

［2］ 榮元帥，李新華，劉學(xué)利，等.塔河油田碳酸鹽巖縫洞型油藏多井縫洞單元注水開發(fā)模式［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2013，20（2）：58-61.

［3］ 李陽.塔河油田碳酸鹽巖縫洞型油藏開發(fā)理論及方法［J］.石油學(xué)報(bào)，2013，34（1）：116-117.

［4］ 李愛芬，張東，高成海.封閉定容型縫洞單元注水替油開采規(guī)律［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（3）：94-97.

［5］ 程倩，李江龍，劉中春，等.縫洞型油藏分類開發(fā)［J］.特種油氣藏，2012，19（5）：93-96.

［6］ 肖陽，江同文，馮積累，等.縫洞型碳酸鹽巖油藏開發(fā)動(dòng)態(tài)分析方法研究［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（5）：97-99.

［7］ 劉常紅，陳志海.塔河碳酸鹽巖油藏產(chǎn)量遞減特征與影響因素分析［J］.特種油氣藏，2010，17（6）：72-74.

［8］ 劉中春.塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏提高采收率技術(shù)途徑［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2012，19（6）：66-68，86.

［9］ 劉鵬飛，姜漢橋，徐暉，等.縫洞型油藏開發(fā)室內(nèi)模擬研究［J］.石油鉆采工藝，2009，31（5）：72-76.

［10］ 郭平，袁恒璐，李新華，等.碳酸鹽巖縫洞型油藏氣驅(qū)機(jī)制微觀可視化模型試驗(yàn)［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，36（1）：89-93.

［11］ 劉學(xué)利，郭平，靳佩，等.塔河油田碳酸鹽巖縫洞型油藏注CO2可行性研究［J］.鉆采工藝，2011，34（4）：41-44.

［12］ 惠健，劉學(xué)利，汪洋，等.塔河油田縫洞型油藏注氣替油機(jī)理研究［J］.鉆采工藝，2013，36（2）：55-57.

［13］ Gandomkar A，Kharrat R，Motealleh M，et al.An experimental in?vestigation of foam for gas mobility control in a low-temperature fractured carbonate reservoir［J］.Petroleum Science and Technolo?gy，2012，30（10）：976-985.

［14］ John Zuta.Mechanistic modeling of CO2-foam processes in frac?tured chalk rock：effect of foam strength and gravity forces on oil recovery［R］.SPE 144807，2011.

［15］ 劉中春，李江龍，呂成遠(yuǎn)，等.縫洞型油藏儲(chǔ)集空間類型對(duì)油井含水率影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（2）：271-274.

［16］ 李愛芬，張東，姚軍，等.縫洞單元注水開發(fā)物理模擬［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，36（2）：130-135.