三维物理模型驱油实验模拟装置研制与应用

彭彩珍，孟立新，郭 平，钟功祥，孙 雷

(1.西南石油大学 石油工程学院，成都 610500； 2.大港油田勘探开发研究院，天津 300280；3.西南石油大学 理学院，成都 610500；4.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500)

三维物理模型驱油实验模拟装置研制与应用

彭彩珍1，孟立新2，郭 平3，钟功祥4，孙 雷1

(1.西南石油大学 石油工程学院，成都 610500； 2.大港油田勘探开发研究院，天津 300280；3.西南石油大学 理学院，成都 610500；4.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500)

针对小岩心不能模拟注采井网驱替实验、填砂模型不能模拟低渗透储层和高压驱替实验的问题，研制了一套能在高温高压下进行不同渗透率储层多层组合的岩心、多口直井和水平井组成的注采井网、大尺度三维物理模型驱替实验装置，能进行不同驱替介质和吞吐实验研究。利用该实验装置开展了纵向三层组合的正韵律和反韵律模型、平面5个渗透带的五点注采井网模型、以及直井和水平井组成的十三点注采井网模型在高温高压下的水驱和聚合物驱油实验研究，得到了平面和纵向非均质性对水驱油效果的影响程度、直井和水平井的水驱油效果以及聚合物驱油效果。通过该装置模拟实验可为油田注采井网调整和注入开发方式调整提供技术指导。

三维物理模型；实验装置；高温高压；水驱油实验；聚合物驱油实验

1 大尺度三维物理模型研究现状

物理模拟与矿场试验相比，具有费用少、时间短、可重复性和可预见性等优点，它是研究提高原油采收率的主要手段之一。任何物理模拟都需要借助于实验装置和实验模型来完成。目前国内外的驱替实验主要采用小岩心和填砂模型进行模拟实验。小岩心驱替实验尽管能考虑平面和纵向非均质性对驱油效果的影响，但不能实现有井油层的驱替实验；填砂模型尽管能做低压有井的中高渗透油层的驱替实验，但不能模拟低渗透有井的储层驱替实验，也不能做高压有井的中高渗透油层的驱替实验。高压低渗透油藏和中高渗透油藏井网调整和注入开发方式调整是油田急需通过实验方法来解决的主要问题。因此，需要研制大尺度三维物理模型高温、高压驱替实验装置。

目前国内中国石油勘探开发研究院、廊坊分院、辽河油田、西南石油大学、华北油田、胜利油田等对驱替实验装置和实验大模型进行过研制及应用探索，但每种实验装置和三维物理模型的适应条件和范围是不同的(表1)[1-7]。三维物理模型有天然露头岩心、填砂模型和高温高压烧结而成的人造砂岩模型。根据三维物理模型制作方式不同、几何尺寸不同和用途不同，其实验模拟装置的特点也不同。利用这些实验装置和物理模型进行驱油模拟实验发现，模型的几何尺寸对实验结果的影响很大，几何尺寸越大，实验结果越接近于矿场实际。

针对上述问题，本文研制出了一种新型三维物理模型岩心夹持器实验装置，利用该实验装置能开展多层、直井和水平井的多井型、大尺度三维物理模型高温、高压驱替实验[7-8]，能了解油层在注水过程中储层非均质性、不同注采井网对驱油效果的影响，对确定提高原油采收率合理开发方案具有一定的指导作用，为确定水驱后剩余油的合理挖潜方式提供参考。

2 实验模拟装置

2.1实验设备及功能

为了完成高温、高压、不同渗透率储层多层组成的岩心、有直井和水平井的岩心驱替实验测试，本文研制了一套大尺度三维物理模型岩心夹持器配套的实验装置(图1)。该实验模拟装置的主要组成部件为：1)三维物理模型岩心夹持器，用来装大尺度三维物理模型岩心；2)恒温箱，用来给岩心室的岩心和流体加热加温；3)自动泵，用来加围压、内压、回压；4)活塞式中间容器，用来装驱替介质；5)压力计量装置和流量计量装置。

2.2岩心夹持器

岩心夹持器是驱油实验模拟装置的核心设备。为了克服已有的岩心夹持器不能同时做高温、高压、有井中高渗透岩心、低渗透岩心驱替实验的缺点，本文研制了一种多层三维物理模型岩心夹持器[7]。该岩心夹持器不仅能模拟高温、高压下纵向多个储层三维模型驱替实验，而且能模拟高温、高压下平面非均质三维模型具有不同注采井网的驱替实验，井网形式主要包括五点注采井网、七点注采井网、九点注采井网、排状注采井网、十三点注采井网、不规则井网的驱替实验；还可以进行水驱油实验、气驱油实验、二氧化碳吞吐实验、化学剂驱实验、调剖实验、堵水实验等，并可开展垂直井和水平井等不同井型对油藏开采效果影响的实验研究，测定三维模型孔隙度和渗透率，测试缝洞型、裂缝型组合模型驱替效果等。该实验装置可以开展高、中、低渗透人造岩心三维物理模型驱替实验测试，及高、中、低渗透天然露头岩心驱替实验测试。该实验装置所能达到的最高压力为25 MPa、最高温度为100 ℃。

3 三维物理模型驱油实验装置应用

3.1纵向非均质性对水驱油效果的影响

3.1.1 实验目的

采用大尺度三维物理模型模拟装置来研究纵向非均质性对驱油效率的影响。

图1 平面和纵向非均质三维物理模型驱替装置

3.1.2 实验条件

根据相似原理，利用白刚玉砂经高温、高压烧结，制作了6块不同渗透率的大尺度三维物理模型岩心，每层三维物理模型的几何尺寸为30 cm×30 cm×6 cm。测定高、中、低渗储层的平均渗透率分别为1 100×10-3,500×10-3,100×10-3μm2，根据每层的渗透率组合成三层正韵律、反韵律三维物理模型[4,9-12]。

驱替流体使用模拟地层油(粘度12.6 mPa·s)和模拟地层水(粘度0.42 mPa·s)。实验温度为80 ℃，实验压力为18 MPa。

3.1.3 实验结果分析

利用该实验装置测定不同韵律组合模型在同一个压力系统中进行注水驱油的驱油效率，结果表明，不论正韵律储层还是反韵律储层，在合注层段中，低、中、高渗透储层的驱油效率不同，低渗透层的驱油效率小，中、高渗透层的驱油效率接近且远远大于低渗透层的驱油效率(高出20个百分点左右)。

不同沉积韵律储层的平均驱油效率不同，反韵律组合模型最终驱油效率高于正韵律组合模型。含水98%时，2个模型的平均驱油效率相差2.6个百分点。此外，中渗透层驱油效率二者基本相近；而高渗透储层驱油效率正韵律组合模型要稍高于反韵律组合模型；2个模型的低渗透储层驱油效率相差较大，反韵律组合模型高出正韵律组合模型6.49个百分点。

3.2平面非均质性对水驱油效果的影响

3.2.1 实验目的

采用大尺度三维物理模型模拟装置来研究平面非均质性对驱油效率的影响。

3.2.2 实验条件

根据相似原理，利用白刚玉砂经高温高压烧结，制作了2块人造平面非均质平板模型，2块模型分别由低中高中低渗透带和高中低中高渗透带5个区域构成，在每一块平面非均质三维物理模型中心位置和4个角上，布置了五点注采井网，即中心注入井、4个角为采出井，每口井单独计量流量。每一块平面非均质三维物理模型几何尺寸为30 cm×30 cm×6 cm，高、中、低渗区域的平均渗透率分别为1 100×10-3,500×10-3,100×10-3μm2。

实验条件同上。

3.2.3 实验结果分析

将平面非均质组合模型在同一个压力系统中进行注水驱油实验，结果表明，不同沉积相带下储层的驱油效率不同，高注低采组合模型的驱油效率要高于低注高采组合模型；含水98%时，2个组合模型的平均驱油效率相差7.02个百分点。

3.3聚合物驱对开采效果的影响

3.3.1 实验目的

聚合物驱油效率测定是在注水驱油之后实施，主要是评价二次开发的对策。

3.3.2 实验条件

采用天然石英砂砾岩和碳酸盐岩组合方式，制作了相似于南堡1-32断块NgⅣ①油藏三层储层的地质特征和注采井网(13口注采井，其中5口注水直井、5口采油水平井和3口采油直井)的三维物理模型。第1、2、3层大岩心平板模型的平均渗透率分别为102×10-3，270.4×10-3，183.7×10-3μm2。

实验压力为17.1 MPa，实验温度为82 ℃。

3.3.3 实验结果分析

利用该实验装置，对原注采井网组合模型在实验压力17.1 MPa和实验温度82 ℃下进行水驱油实验，在累计采油量为418 mL、采出程度为35.47%、平均含水率为85.4%时，采用2 000 mg/L交联聚合物以1.5 mL/min的注入速度注入孔隙，注入0.2 HPV聚合物，累计采出原油增量为57 mL，采出程度增量为4.84%；注完聚合物0.2 HPV后水驱，累计采出原油增量为85 mL，采出程度增量为7.22%。因此，聚合物驱油增加累计采油量为142 mL，提高原油驱替程度达12.06%，使得最终驱油效率增大。

4 结论

1)本文研制的三维物理模型驱油实验装置是一套大型的室内物理模拟实验系统，该系统主要由新型岩心夹持器以及大尺度三维物理模型组成。

2)该实验装置应用领域广泛，能进行多层、多井、三维物理模型在高温、高压下不同驱替介质驱替实验和二氧化碳单井吞吐模拟实验。

3)该实验模型比其他填砂三维物理模型、全直径岩心模型以及小岩心模型具有更突出的优点，它可以利用相似原理，制作与油田相似的人造岩心和天然露头岩心三维物理模型，此模型可以真实地模拟油藏地质特征和注采井网分布情况。

4)利用该实验装置已成功地开展了纵向多层和平面多区域的非均质性对高温、高压下水驱油效果影响的驱替实验研究，直井和水平井的多井型三维物理模型在高温、高压下的水驱油和聚合物驱油等驱替实验研究，得到了令人满意的实验结果，为开发方案调整提供了一定的基础。

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(编辑徐文明)

Developmentandapplicationofmodelingdeviceforoil/waterdisplacementby3dphysicalmodel

Peng Caizhen1, Meng Lixin2, Guo Ping3, Zhong Gongxiang4, Sun Lei1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China; 2.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDagangOilfield,Tianjin300280,China; 3.SchoolofScience,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China; 4.SchoolofElectromechanicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

In view of the difficulty of displacement simulation of injection-production pattern in small core sample and the difficulty of displacement simulation of low-permeability reservoir under high pressure in sand-packed model, a new experiment device for 3d physical simulation has been proposed. It deals with cores of different permeability and injection-production pattern of horizontal and straight wells. Water flooding and polymer flooding experiments have been made under high pressure and temperature. Positive-rhythm and counter-rhythm models combined of 3 vertical layers, 5-spots injection-production pattern of 5 horizontal permeability zones, as well as 13-spots injection-production pattern of straight and horizontal wells have been studied. The influence of horizontal and vertical heterogeneity on oil/water displacement, the effect of straight and horizontal wells on oil/water displacement, as well as the effect of polymer flooding have been concluded. Experiment with this device may provide direct technical guidance for oil field flood pattern modification and injection development mode modification.

3d physical model; experiment device; high temperature and pressure; oil/water displacement experiment; polymer flooding experiment

1001-6112(2013)05-0570-04

10.11781/sysydz201305570

TE35

A

2012-08-03；

2013-07-15。

彭彩珍(1963—)，女，硕士，副教授，从事油气藏开发动态分析和特殊岩心实验研究。E-mail: pengcz918@163.com。

国家科技重大专项项目(2008ZX05030-05)资助。