縫洞型油藏微觀驅(qū)替規(guī)律可視化實驗研究

孫瑞儀　付美龍　徐傳奇　李雪嬌

摘? 要：針對縫洞型油藏出水規(guī)律不明確的問題，結(jié)合塔河油田縫洞型油藏儲集體特征設(shè)計制作了單向連通縫洞儲集體與多向連通縫洞儲集體兩種可視化物理模型，并借助基于微觀可視化技術(shù)的縫洞型油藏微觀驅(qū)替可視化裝置，從微觀上探究了縫洞型油藏微觀驅(qū)替規(guī)律。結(jié)果表明，裂縫中，水相主要“優(yōu)寬”驅(qū)進(jìn)，并會在水流優(yōu)勢通道形成后對非優(yōu)勢通道產(chǎn)生“屏蔽效應(yīng)”。從驅(qū)替形態(tài)與效果來看，水驅(qū)油方式可分為“活塞式”驅(qū)替與“非活塞式”驅(qū)替兩種。當(dāng)裂縫中的水相進(jìn)入大溶洞，一定條件下大溶洞內(nèi)的油相可“逆流”進(jìn)入裂縫，導(dǎo)致油水兩相“卡斷”、“互驅(qū)”。當(dāng)水相進(jìn)入大溶洞后，一般會先向洞底移動、匯聚，之后以“類活塞”的形式縱向驅(qū)替上方原油。驅(qū)替結(jié)束，剩余油除油膜外，還包括儲集體頂部的樓頂油、大溶洞頂部未被完全驅(qū)出的洞頂油以及裂縫中的縫間油等。該研究對理解縫洞型油藏底水抬升過程、油藏出水規(guī)律以及指導(dǎo)油井堵水、剩余油挖潛等均有積極意義。

關(guān)鍵詞：縫洞型油藏;屏蔽效應(yīng);逆流;卡斷;剩余油

塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油氣藏由于儲層地質(zhì)條件復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)、油水賦存形式多樣、滲流機(jī)理特殊等，具有初期產(chǎn)量高但遞減快，見水早、含水上升快，原油采收率較低等開發(fā)特征[1]。當(dāng)前，明確縫洞型油藏出水規(guī)律，制定有針對性的堵水方案，是提高縫洞型油藏油井產(chǎn)量與原油采收率的重要手段。為明確縫洞型油藏出水規(guī)律，國內(nèi)眾多學(xué)者進(jìn)行了大量物理模擬研究[2-5]，從宏觀上探究了儲集體類型、注水速度、注入壓力等因素對含水率、原油采收率的影響規(guī)律[6-12]，但甚少從微觀角度就縫洞型油藏微觀驅(qū)替規(guī)律進(jìn)行可視化研究。本文借助室內(nèi)自制縫洞型儲集體可視化物理模型，從微觀上探究縫洞型油藏水驅(qū)油規(guī)律，進(jìn)一步明確縫洞型油藏微觀驅(qū)替規(guī)律。

1 典型儲集體可視化物理模型制作

為研究縫洞型油藏儲集體中的水驅(qū)油微觀規(guī)律，實驗結(jié)合塔河油田縫洞型油藏儲集體特征的文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，設(shè)計并制作了單向連通縫洞儲集體、多向連通縫洞儲集體兩種典型的微觀可視化物理模型（由防腐金屬板和有機(jī)玻璃膠結(jié)而成），以探究縫洞型油藏儲集體中的水驅(qū)油微觀過程。兩種可視化物理模型（圖1）。兩種模型在縫寬尺寸、溶洞規(guī)模、縫、洞組合情況和連通情況、縫洞傾角大小、潤濕性等方面都較為符合塔河油田縫洞型油藏儲集體的實際情況，能較好地滿足實驗觀察、探究油水兩相于實際裂縫、溶洞中的流動過程的需要。

2 縫洞儲集體油水流動微觀可視化

實驗儀器? 為縫洞型油藏微觀驅(qū)替可視化裝置，主要由驅(qū)替系統(tǒng)、可視化模型夾持系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。

實驗方法? 為更好地呈現(xiàn)可視化縫洞型儲集體模型中的水驅(qū)油過程，實驗先以蘇丹Ⅲ和藍(lán)墨水對模擬原油與地層水進(jìn)行區(qū)分、示蹤，后將可視化模型飽和模擬原油（101.77 Mp·s）后進(jìn)行水驅(qū)。

2.1 裂縫中的油水流動

2.1.1 “優(yōu)寬”驅(qū)進(jìn)

“優(yōu)寬”驅(qū)進(jìn)包括兩層含義：①多條裂縫并存時，水相會優(yōu)先進(jìn)入入口較寬的裂縫;②水相進(jìn)入裂縫后，主要沿寬縫（主流通道）驅(qū)進(jìn)。不難發(fā)現(xiàn)水相沿寬縫①的驅(qū)進(jìn)程度大于沿窄縫②（圖2）。分析認(rèn)為，這主要與水驅(qū)前緣受到的毛管阻力大小有關(guān)。由拉普拉斯方程可知，其余條件相同時，寬裂縫內(nèi)水驅(qū)前緣受到的毛管阻力較小，更有利于水相驅(qū)進(jìn)、深入。相反，由于水相沿窄縫驅(qū)進(jìn)時的毛管阻力較大，水相較難甚至無法進(jìn)入窄縫，這也是窄縫內(nèi)的原油往往較難被啟動或動用程度不高，容易成為剩余油的重要原因之一。

此外，受裂縫傾角影響，水相也可能“優(yōu)下”流動。這是由于在水相舉升過程中以重力為阻力，裂縫傾角越大重力產(chǎn)生的阻力就越大，特別是豎直向上驅(qū)時，水相不容易抬升，上行裂縫被驅(qū)進(jìn)的程度也就較低，在儲集體上方產(chǎn)生大量剩余油（樓頂油）。反之，傾角越小流動阻力越小，水相越容易驅(qū)進(jìn)裂縫，特別是下行裂縫。能夠看到水平縫③的波及程度最深，遠(yuǎn)大于垂直縫①（圖2）。

2.1.2? “屏蔽效應(yīng)”

“屏蔽效應(yīng)”指的是水流優(yōu)勢通道對其他通道的屏蔽，即水體一旦沿某條路徑突破，則其余通道中的油水將難以繼續(xù)驅(qū)進(jìn)，甚至不再繼續(xù)驅(qū)進(jìn)（圖3）。由于水相的“優(yōu)寬”驅(qū)進(jìn)，故水流優(yōu)勢通道通常為寬縫，因此“屏蔽效應(yīng)”更多的是寬縫對窄縫的屏蔽[13]。此外，一定條件下短縫對長縫、低傾角裂縫對高傾角裂縫也可產(chǎn)生“屏蔽效應(yīng)”，但本質(zhì)上都是優(yōu)勢通道對非優(yōu)勢通道的屏蔽。

“屏蔽效應(yīng)”是水流優(yōu)勢通道形成后引起的。分析認(rèn)為，該效應(yīng)主要是因為優(yōu)勢通道形成后，縫內(nèi)的流動相態(tài)由之前的油水兩相流變?yōu)閱蜗嗔?。由于縫內(nèi)已無水驅(qū)前緣，毛管阻力大大減少，流動阻力顯著降低，導(dǎo)致水相加速沿優(yōu)勢通道單向流動，造成水相轉(zhuǎn)向能力進(jìn)一步變?nèi)?，甚至不再沿非?yōu)勢通道繼續(xù)深入，導(dǎo)致非優(yōu)勢通道內(nèi)的原油被徹底封存在通道內(nèi)。這通常也是窄縫內(nèi)未被及時驅(qū)出的油體易被封存形成剩余油（封存油）的重要原因（圖3）。

2.1.3 “活塞式”和“非活塞式”驅(qū)替

裂縫中的水驅(qū)油方式主要有“活塞式”與“非活塞式”兩種[14]。從宏觀形態(tài)和驅(qū)油效果上來看，“活塞式”驅(qū)替過程中油水兩相分布均勻，油水之間有明顯、穩(wěn)定的界面，是一種驅(qū)油較徹底、效果較理想的驅(qū)油方式。但在“非活塞”式驅(qū)替中，油水兩相間無明顯界面或界面較為模糊、不穩(wěn)定，水相可在油相中“突進(jìn)”或“指進(jìn)”，致使壁面上殘余大量油膜，是一種驅(qū)油不徹底，效果相對較差的驅(qū)替方式，沖刷、拖拽等均屬此類驅(qū)油方式。

2.2 溶洞內(nèi)外的油水流動

小規(guī)模溶洞對于油水流動的影響與裂縫較為相似[15]，此處主要為大溶洞內(nèi)的油水流動規(guī)律。

2.2.1? 大溶洞入口處的油水流動

油相“逆流”? ?從水相進(jìn)入大溶洞時可以看到（圖4-a，b），注入水進(jìn)入大溶洞的瞬間，前緣水體因重力作用而發(fā)生了斷裂，隨即向溶洞底部運移、匯聚。同時，洞中部分油體快速“逆流”進(jìn)入裂縫補(bǔ)空，以致縫內(nèi)重現(xiàn)油相段塞（圖4-b）。“逆流”為一定條件下，洞中油相與縫中水相“易位“的過程，是縫洞型儲集體中的基本流動現(xiàn)象。

“卡斷”與“互驅(qū)”? ?水驅(qū)油過程中還存在油水互相“卡斷”、“互驅(qū)”的現(xiàn)象[16]（圖5）。由于裂縫中的水相進(jìn)入各個大溶洞時發(fā)生斷裂，引起了溶洞內(nèi)的油相“逆流”，在上游形成多個油水段塞，使油水相互“卡斷”，呈“互驅(qū)”狀態(tài)?！翱〝唷睍a(chǎn)生顯著的毛管效應(yīng)附加阻力，并容易造成后續(xù)水相轉(zhuǎn)向，使得“逆流”的油段塞再難被驅(qū)出而被封存成為剩余油（封存油），同時還可能導(dǎo)致油井間歇式產(chǎn)油、產(chǎn)水或油水同產(chǎn)[17]。此外，如果溶洞內(nèi)的水相不能完全溶匯，則洞內(nèi)的不連續(xù)水相在后續(xù)驅(qū)進(jìn)過程中，前后兩段水相間同樣可能會出現(xiàn)逐漸壯的大油段塞，造成油水相互“卡斷”、“互驅(qū)”（圖6-a，b）。

2.2.2 大溶洞內(nèi)的油水界面抬升

“三維流動”與“類活塞式”驅(qū)替? 大溶洞內(nèi)的水相抬升過程，具有較為明顯的“三維流動”特征，并存在著“類活塞式”驅(qū)替。一般地，水相進(jìn)入大溶洞后在重力作用下會先向洞底運移與其他水體匯聚，并向四周運移、擴(kuò)展形成較統(tǒng)一的油水界，同時還會縱向抬升油水界面，驅(qū)替過程與“活塞式”驅(qū)替較類似。過程中，油相或“逆流”或向溶洞出口流動，但受溶洞出口位置影響，洞頂會殘余一定量的剩余油（洞頂油），剩余油因被下方水相屏蔽，較難被驅(qū)出。

毛管效應(yīng)? ?縫洞型油藏儲集體中，毛管效應(yīng)附加阻力效應(yīng)較為顯著，特別是大溶洞孔喉處的“賈敏效應(yīng)”。由于“賈敏效應(yīng)”，當(dāng)洞中油水界面舉升至出口高度時，水相無法直接通過孔喉，需克服效應(yīng)引起的附加毛管阻力 [18] ，會嚴(yán)重消耗驅(qū)動力。毛管阻力效應(yīng)也產(chǎn)生一些有利于生產(chǎn)的現(xiàn)象。在單向連通縫洞中，由于水相通過孔喉前需先克服“賈敏效應(yīng)”，洞內(nèi)油水界面一般會高于出口所在平面，會有更多的洞頂油因受底水?dāng)D壓而被采出。油水界面越靠近洞頂，頂部剩余油（洞頂油）就越少。不僅如此，在多向連通縫洞中顯著的“賈敏效應(yīng)”還能造成后續(xù)水體轉(zhuǎn)向，擴(kuò)大驅(qū)替相縱向波及體積，改善采收效果。

2.3 驅(qū)后剩余油類型及分布

兩種儲集體驅(qū)后剩余油類型及分布見圖7?？p洞型油藏儲集體中的剩余油類型較為多樣，主要包括封存油、洞頂油與油膜，以封存油為主。其中，封存油包括樓頂油、縫間油。

樓頂油? 主要位于儲層位置相對較高的部位（頂部），如同“樓頂”，其剩余量較大，難被水體波及。其形成與儲層滲透率正韻律、油水流動過程中重力分異明顯等因素有關(guān)。一般地，儲層頂部滲透率越小、油水密度差越大、水相 “優(yōu)下”驅(qū)進(jìn)越嚴(yán)重，這類剩余油越容易形成。

縫間油? 呈段塞狀，主要存在于裂縫，特別是波及區(qū)內(nèi)的非優(yōu)勢通道中。其形成原因較為復(fù)雜，如“卡斷”、“互驅(qū)”、“屏蔽效應(yīng)”等，都能導(dǎo)致此類剩余油形成。

洞頂油? 洞頂油是溶洞內(nèi)剩余油的主要形式，被屏蔽在溶洞頂部。其剩余量主要與溶洞規(guī)模、溶洞出口位置及“賈敏效應(yīng)”等因素有關(guān)。一般地，“賈敏效應(yīng)”被克服或水相轉(zhuǎn)向之前，洞中油水界面越接近洞頂，其剩余量越少。

油膜? 油膜是儲集體中最常見、分布最廣泛的剩余油形式。無論是裂縫壁面還是溶洞壁面，都可見分布。其形成與巖石潤濕性及水相“非活塞式”或“類活塞式”驅(qū)油有關(guān)。一是碳酸鹽巖弱親油，普通水驅(qū)很難將油膜從巖壁上徹底剝離;同時，水相“非活塞式”或“類活塞式”驅(qū)油很容易使水相在油相中“指進(jìn)”、“突進(jìn)”，甚至是“繞流”，導(dǎo)致水相活塞程度不高、驅(qū)油不徹底，進(jìn)而在巖石壁面附近殘余大量油體。

3 結(jié)論

（1） 受毛管力作用，底水主要“優(yōu)寬”驅(qū)進(jìn)，同時受重力作用，一定條件下還能“優(yōu)下” 驅(qū)進(jìn)，故在縫洞型油藏內(nèi)會有大量的樓頂油，同時非主流通道內(nèi)依舊會有大量剩余油。

（2） 優(yōu)勢通道的“屏蔽作用”，會導(dǎo)致其余通道未被驅(qū)出的油體被徹底封存，即依舊存在大量剩余油。

（3） 縫洞型油藏內(nèi)的水驅(qū)油方式包括“活塞式”與“非活塞式”驅(qū)替兩種，最終會產(chǎn)生大量剩余油膜。

（4） 縫洞型油藏儲集體內(nèi)普遍存在著油相“逆流”、油水相互“卡斷”、“互驅(qū)”等現(xiàn)象。油水相互“卡斷”與“互驅(qū)”，一定條件下可能會引起油井間歇式產(chǎn)水、產(chǎn)油或油水同產(chǎn)。

（5） 縫洞型油藏注水開發(fā)期間，會存在著極為顯著的毛管效應(yīng)附加阻力，特別是“賈敏效應(yīng)”。附加阻力會嚴(yán)重消耗驅(qū)動力，但也可以有利于生產(chǎn)。

（6） 油水界面在大溶洞內(nèi)抬升時，具較明顯的“三維流動”特征與較理想的“類活塞式”驅(qū)替過程，但最終洞內(nèi)仍可能剩余大量洞頂油。

（7） 縫洞型油藏儲集體中的剩余油主要有封存油（含樓頂油和縫間油）、洞頂油和油膜，特別是樓頂油和洞頂油。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 李陽，康志江，薛兆杰，等.中國碳酸鹽巖油氣藏開發(fā)理論與實踐[J].石油勘探與開發(fā)，2018，45（4）：669-678.

[2]? ? 康志江，李江龍，張冬麗，等.塔河縫洞型碳酸鹽巖油藏滲流特征[J].石油與天然氣地質(zhì)[J].2005，26（5）：634-640.

[3]? ? 鄭小敏，孫雷，王雷，等.縫洞型碳酸鹽巖油藏水驅(qū)油機(jī)理物理模擬研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，32（2）：89-92+201-202.

[4]? ? 王雷，竇之林，林濤，等.縫洞型油藏注水驅(qū)油可視化物理模擬研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（2）：121-124.

[5]? ? 王世潔.基于真實巖芯刻蝕模型的縫洞油藏水驅(qū)油機(jī)理[J].西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（6）：75-79+207.

[6]? ? Santiago，Rivas-Gomez，張繼民.孔隙幾何形狀對油氣采收率的影響[J].國外油田工程，2001，17（3）：7-9.

[7]? ? 常寶華，熊偉，高樹生，等.大尺度縫洞型碳酸鹽巖油藏含水率變化規(guī)律[J].油氣地質(zhì)與采收率，2011，18（2）：80-82+86+116.

[8]? ? 李隆新，吳鋒，張烈輝，等.縫洞型底水油藏油井見水及含水規(guī)律實驗研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，35（02）：127-134.

[9]? ? 呂愛民，李剛柱，謝昊君，等.縫洞單元水驅(qū)油注采機(jī)理實驗研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（18）：50-55.

[10]? 王敬，劉慧卿，徐杰，等.縫洞型油藏剩余油形成機(jī)制及分布規(guī)律[J].石油勘探與開發(fā)，2012，39（5）：585-590.

[11]? 李巍，侯吉瑞，丁觀世，等.碳酸鹽巖縫洞型油藏剩余油類型及影響因素[J].斷塊油氣田，2013，20（4）：458-461.

[12]? 王敬，劉慧卿，寧正福，等. 縫洞型油藏溶洞-裂縫組合體內(nèi)水驅(qū)油模型及實驗[J]. 石油勘探與開發(fā)， 2014， 41（1）：74-81.

[13]? 康永尚，郭黔杰，朱九成，等.裂縫介質(zhì)中石油運移模擬實驗研究[J].石油學(xué)報，2003（4）：44-47.

[14]? 宋兆杰，楊柳，侯吉瑞，等. 縫洞型油藏裂縫內(nèi)油水兩相流動特征研究[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，33（4）：53-58.

[15]? 李江龍，陳志海，高樹生.縫洞型碳酸鹽巖油藏水驅(qū)油微觀實驗?zāi)M研究——以塔河油田為例[J].石油實驗地質(zhì)，2009，31（6）：637-642.

[16]? 張發(fā)強(qiáng)，羅曉容，苗盛，等.石油二次運移優(yōu)勢路徑形成過程實驗及機(jī)理分析[J].地質(zhì)科學(xué)，2004（2）：159-167.

[17]? 陳青，王大成，閆長輝，等.碳酸鹽巖縫洞型油藏產(chǎn)水機(jī)理及控水措施研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（1）：125-130+18-19.

[18]? 張東，李愛芬，姚軍，等.洞-縫-洞介質(zhì)中水驅(qū)油注采規(guī)律研究[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40（4）：86-91.

Abstract： Rule of seam hole type reservoirs， ambiguous problems， combined with the feature of seam hole type reservoir in tahe oilfield reservoir design made a one-way connecting seam hole reservoir and multidirectional connecting seam hole reservoir two visual physical model， and with the help of microscopic visualization technology based on seam hole type reservoir microscopic displacement visualization device， explores the gap on the micro hole type reservoir microscopic displacement rule. The results show that in the fracture， the water phase mainly drives into the fracture with "optimal width"， and produces "shielding effect" to the non-dominant channel after the dominant channel is formed. In terms of displacement shape and effect， water displacement can be divided into "piston" displacement and "non-piston" displacement. At the same time， when the water phase in the fracture enters the large karst cave， the oil phase in the large karst cave can "counterflow" into the fracture under certain conditions， resulting in the "stuck fracture" and "mutual flooding" of the oil-water two phases. When the water phase enters a large karst cave， it generally moves to the bottom of the cave first， converges， and then displaces the upper crude oil longitudinally in a "piston-like" form. At the end of displacement， the remaining oil includes not only the oil film， but also the roof oil on the top of the reservoir， the roof oil on the top of the large karst cave that has not been completely driven out， and the interfracture oil in the cracks， etc. This study is of positive significance for understanding the bottom water lifting process and reservoir water outflow rule in fracture-vuggy reservoirs， as well as guiding the water plugging of oil Wells and the potential exploitation of remaining oil.

Key words： Fracture-cave reservoir; Shielding effect;Reflux;Disconnection;Residual oil