油水三次運(yùn)移速度探究

張榮達(dá) 楊光輝 宋志超 秦健飛 馬 康 李俊鍵 姜漢橋

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)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 3. 中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院, 山東 東營(yíng) 257000

0 前言

中國(guó)的斷塊油藏普遍進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期,生產(chǎn)井的含水率升高導(dǎo)致開(kāi)采成本也隨之上升[1-2],因而已經(jīng)有很多生產(chǎn)井因?yàn)楹^(guò)高失去生產(chǎn)價(jià)值而停止了生產(chǎn)[3]。Jacota D R[4]發(fā)現(xiàn)羅馬尼亞的兩個(gè)區(qū)塊由于含水率過(guò)高停止生產(chǎn),若干年后嘗試開(kāi)井發(fā)現(xiàn)油井產(chǎn)量得到了極大的提升進(jìn)而又恢復(fù)了生產(chǎn),并提出了油水三次運(yùn)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(jìn)行運(yùn)移并富集的過(guò)程稱(chēng)為油水三次運(yùn)移。楊勇等人[5]也指出地層中的剩余油會(huì)在重力、浮力、毛管力的作用下進(jìn)行富集,由于進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)井富集,斷塊油藏仍然會(huì)形成剩余油富集區(qū)[6-8],屆時(shí)再開(kāi)井生產(chǎn),會(huì)出現(xiàn)含水率下降產(chǎn)量上升的現(xiàn)象。目前對(duì)油藏油水三次運(yùn)移開(kāi)展的研究主要集中在三次運(yùn)移的影響因素上[9-12],本文開(kāi)展的工作則主要針對(duì)如何認(rèn)識(shí)油水三次運(yùn)移的速度。研究采用實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的方法對(duì)油水三次運(yùn)移的速度進(jìn)行了探究,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑾鄳?yīng)的數(shù)值模型探究油水三次運(yùn)移時(shí)儲(chǔ)層內(nèi)部的流體分布情況。

1 油水三次運(yùn)移的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

1.1 生產(chǎn)壓差對(duì)油水三次運(yùn)移探究

國(guó)內(nèi)的油田開(kāi)發(fā)大多以注水開(kāi)發(fā)為主,而進(jìn)行關(guān)井油水三次運(yùn)移時(shí)注水井和采油井之間存在一定的壓差,但是關(guān)井后注采壓差存在的時(shí)間及其對(duì)運(yùn)移影響程度是一個(gè)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(chǔ)層孔隙度為20%，平均滲透率為800×10-3μm2，注采壓差為4 MPa，關(guān)井時(shí)含水率為98%，原始地層壓力為20 MPa。通過(guò)模擬探究關(guān)井后注采井連線(xiàn)所波及到網(wǎng)格壓差存在的時(shí)間長(zhǎng)短以及在這段時(shí)間內(nèi)含油飽和度的變化情況,可以明確注采壓差對(duì)油水三次運(yùn)移的影響。模擬結(jié)果見(jiàn)圖1～2。

圖1 關(guān)井后注采井間壓力變化曲線(xiàn)圖Fig.1 Pressure variation curve between injection and production wells after shut-in

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

通過(guò)模擬可以發(fā)現(xiàn),關(guān)井一個(gè)月后兩井之間的壓力基本恢復(fù)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(guān)井進(jìn)行油水三次運(yùn)移是一個(gè)持續(xù)數(shù)年的過(guò)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(duì)剩余油的富集影響相對(duì)較小,因此油水三次運(yùn)移還是以長(zhǎng)期存在的重力和毛管力為主。因此在實(shí)驗(yàn)中,關(guān)井進(jìn)行油水三次運(yùn)移時(shí)注采壓差的影響可以忽略。

1.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

為了直觀(guān)地觀(guān)察油水三次運(yùn)移的過(guò)程并得到運(yùn)移速度,實(shí)驗(yàn)使用全可視填砂模型,裝置長(zhǎng)25 cm,內(nèi)徑8 cm,為有機(jī)玻璃材質(zhì)。用蘇丹紅試劑將實(shí)驗(yàn)油染色以此來(lái)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(huì)在重力分異以及毛管力的作用下發(fā)生運(yùn)移[13],利用全可視模型觀(guān)察油水的運(yùn)移情況并實(shí)時(shí)記錄,采用控制變量的方法先后改變實(shí)驗(yàn)傾角以及實(shí)驗(yàn)油的黏度來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。共進(jìn)行了三組對(duì)照實(shí)驗(yàn),三組實(shí)驗(yàn)的裝置傾角和實(shí)驗(yàn)油黏度分別為30°-20 mPa·s、30°-10 mPa·s 和60°-20 mPa·s。

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3,三次實(shí)驗(yàn)的填砂數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1)清理好全可視填砂模型,準(zhǔn)備適量的120目石英砂、足夠的染色過(guò)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(xiàn),并分多次填砂,逐次壓實(shí)，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(jìn)行密封并抽真空24 h。

4)抽真空后進(jìn)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(jì)算被吸入水的量,進(jìn)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(dá)到穩(wěn)定時(shí),測(cè)量裝置流入流出端的壓差,根據(jù)達(dá)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(dá)裝置一半后停止注油,此時(shí)油在上水在下。

7)關(guān)閉各個(gè)閥門(mén),倒置填砂模型使油在下水在上,保持一定傾角,開(kāi)始模擬并實(shí)時(shí)記錄油水界面運(yùn)移的情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Diagram of experimental equipment

表1 實(shí)驗(yàn)填砂數(shù)據(jù)表

圖4 裝置傾角為30°時(shí)油水運(yùn)移效果圖Fig.4 Effect diagram of oil and water migration with a dip angle of 30°

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

對(duì)三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行記錄,以實(shí)驗(yàn)1為例,圖4 展示了不同運(yùn)移階段油水界面的位置,三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～4,油水界面運(yùn)移速度隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖5～6。

表2 實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 不同黏度運(yùn)移速度隨時(shí)間變化圖Fig.5 Variation of migration velocity of different viscosity with time

圖6 不同傾角運(yùn)移速度隨時(shí)間變化圖Fig.6 Variation of migration velocity of different angle with time

從對(duì)比結(jié)果可以看出,地層角度越大,油的黏度越小,油水三次運(yùn)移效果越好。初期油水三次運(yùn)移速度比較快,后運(yùn)移速度逐漸變緩并趨于穩(wěn)定,通過(guò)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到油水三次運(yùn)移速度最終趨近于3 m/a。關(guān)井進(jìn)行油水三次運(yùn)移,是剩余油重新運(yùn)移并富集的過(guò)程,也是油藏經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)后由不均衡的飽和度場(chǎng)向均衡的飽和度場(chǎng)變化的過(guò)程,長(zhǎng)期水驅(qū)開(kāi)發(fā)后儲(chǔ)層飽和度場(chǎng)的不均衡是運(yùn)移的基礎(chǔ),隨著油水三次運(yùn)移的進(jìn)行,飽和度場(chǎng)逐漸恢復(fù)均衡,油藏也逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),因此油水三次運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)力逐漸減弱,油水三次運(yùn)移速度逐漸變緩。

2 油水三次運(yùn)移數(shù)值模擬分析

2.1 油水三次運(yùn)移的數(shù)值模擬方法

由于實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的參數(shù)有限,需要借助理論分析的方法做進(jìn)一步探究[14-16]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨冉⑴c之對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬模型,將模型延傾角方向劃分為50個(gè)網(wǎng)格對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬[17-20]。

根據(jù)達(dá)西滲流定律可得油、水相的運(yùn)動(dòng)方程如式(1)與式(2)所示:

(1)

(2)

在一個(gè)網(wǎng)格中發(fā)生的是油水的置換過(guò)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(dǎo)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(duì)富集速度公式進(jìn)行有限差分得到計(jì)算公式(10):

(10)

式中:vw為水相運(yùn)移速度,cm/s;vo為油相運(yùn)移速度,cm/s;K為滲透率,μm2;kro為油相相對(duì)滲透率;krw為水相相對(duì)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(rùn)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(shí)間,s;i為網(wǎng)格編號(hào);n為時(shí)間步。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)如上建立的模型運(yùn)用Matlab來(lái)進(jìn)行模擬,探究油水三次運(yùn)移速度以及油水界面變化情況,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,得到模型中油水三次運(yùn)移的速度以及飽和度分布的變化情況。模擬結(jié)果見(jiàn)圖7～8。

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn),在油水進(jìn)行三次運(yùn)移時(shí),模型中飽和度場(chǎng)會(huì)進(jìn)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(chǎng)變化較大,最后整體趨于穩(wěn)定。因?yàn)橛退芜\(yùn)移是油水置換的過(guò)程,而且由于相滲曲線(xiàn)的緣故,在含油飽和度較高的區(qū)域不利于水相運(yùn)移,在水相占優(yōu)的區(qū)域也不利于油相運(yùn)移,因此對(duì)應(yīng)初始時(shí)刻模型的上部和下部,油水三次運(yùn)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(yùn)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(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)值相符;油水三次運(yùn)移過(guò)程開(kāi)始后,水先運(yùn)移到下部并在模型底部開(kāi)始富集,而油的運(yùn)移相對(duì)較慢。

圖7 模型不同部位運(yùn)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(jié)論

1)傾角越大,重力分異作用效果明顯,油水三次運(yùn)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(yùn)移速度越快,富集效果越好。

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

3)由于相滲曲線(xiàn)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(duì)均衡的區(qū)域油水三次運(yùn)移速度最快。