高含水油藏改建储气库可视化物理模拟实验

常 进，高树生，熊 伟，叶礼友，薛 慧

(1.中国科学院 大学物理学院，北京 100049； 2.中国科学院 渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石油勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊 065007)

高含水油藏改建储气库可视化物理模拟实验

常 进1,2，高树生3，熊 伟3，叶礼友3，薛 慧3

(1.中国科学院 大学物理学院，北京 100049； 2.中国科学院 渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石油勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊 065007)

为了明确建库过程中气、油、水三相的渗流机理，应用三类典型储层的平面可视化仿真模型开展了油藏水驱开发和高含水油藏建储气库的物理模拟实验，根据模型的可视化特征和实验数据分析，明确了不同高含水油藏建库过程中气、油、水三相的渗流机理与规律，评价了高含水油藏建库的库容量。结果表明，水驱油的渗流通道是油藏建库的主要空间，高含水油藏的残余油饱和度在建库过程中基本不发生变化，最终的含水饱和度取决于油藏的类型与储层的非均质程度。

高含水油藏；储气库；库容量；油气水饱和度；可视化平面模型；渗流机理

地下储气库具有储存量大、经济、安全等优点，其中由高含水油藏改建的地下储气库是储气库的主要类型，占到储气库总数的76.7%，主要分布在欧洲和北美地区。中国东部含油气区具备相当数量的含油构造,部分砂岩油藏经过多年的水驱开发，已经进入水驱后期特高含水开发阶段，具备改建地下储气库的前提条件。众多国内外学者研究了岩心的油、水两相或气、水两相的宏观渗流规律[1-3]，也通过水驱物理模拟[4-7]、气驱物理模拟[8]和可视化物理模型[9-10]研究了油、水两相或者气、水两相的微观渗流规律,由于高含水砂岩油藏改建地下储气库的核心问题是对复杂的气、油、水三相渗流机理与规律的研究[11-14]，所以这些研究都存在一定的局限性。本文应用三类典型储层的平面可视化仿真模型研究了建库过程中气、油、水三相渗流规律，并计算了不同类型油藏建库后油气水三相的饱和度分布，开展了高含水油藏改建地下储气库的库容能力评价。本次研究的模型设计可以非常直观地展示地下储气库的建库过程，研究结果为我国高含水砂岩油藏型地下储气库的选址与建设提供理论指导。

1 实验流程与原理

1.1 实验流程

物理模拟实验应用平面可视化模型对建库与气库运行机理进行了实验研究，模型的长、宽、高分别为40 cm、32 cm、0.5 cm。平面模型填充亲水性石英砂后由HY876双组分环氧树脂胶粘结而成，所制模型的孔隙度在20%左右。平面模型顶端居中位置为气相的注入口，模型底端左右两边分别为油水两相的注入口。实验装置及流程如图1所示。

图1 物理模拟实验装置及流程

模型建库实验流程如下：首先将物理模型抽真空后饱和油，然后定压注水驱油来模拟油藏成藏的过程并计算成藏后的含水饱和度(实验图片中，灰色为油，黑色为水)，最后定压注气来模拟建库的过程并计算模型中最终的气、油、水饱和度(实验图片中黑色为水，灰色为油，白色为气)。

1.2 实验原理

1.2.1 示踪原理 实验过程中注入的气、油、水分别为CO2、煤油、Na2CO3-酚酞溶液。酚酞在可溶碳酸盐溶液里呈粉红色，而在可溶式碳酸氢盐溶液里则呈无色，因此粉红色的Na2CO3-酚酞溶液与注入气体CO2相接触反应，会由粉红色迅速腿色呈现白色。根据此化学原理可以准确地界定气水界面，从而明确建库过程中的注气前缘和气水分布规律。

1.2.2 渗流机理 根据国外的成功经验，当枯竭油藏采出程度在60%～90%时，较适合改建为地下储气库。为了使枯竭油藏达到合理的采出程度，一般选取水湿油藏进行水驱开发。

在水润湿的多孔介质中，气相为非润湿相，水相为润湿相，油相介于两者之间，因此水驱油的过程是润湿相驱替非润湿相的过程。由于毛细管压力pc=2σcosθ/r(式中，r为喉道半径，σ为表面张力，θ为接触角)的方向是由润湿相指向非润湿相，所以油水两相之间会呈现一个凹向水相的界面。因此，在模拟高含水油藏成藏实验过程中， 毛细管压力是驱动力，一方面水沿着一条阻力最小的孔隙通道进行中间突进，另一方面由于毛细管力的作用水沿着孔隙表面慢慢运移，渗入的水以水膜的形态分布于孔壁周围，逐渐充满小孔隙并将其中的油驱替出来。

气驱水的过程是非润湿相驱替润湿相的过程，气水两相之间会呈现一个凸向水相的界面。因此，在模拟改建地下储气库的实验过程中，毛细管压力是阻力，只有当驱替压力大于毛细管压力时，才可以使水产生渗流过程。由于大孔隙的喉道半径较大，根据公式计算其毛细管压力较小，所以气体会优先进入多孔介质的大孔隙中并将其中的水驱替出来；而小孔隙的喉道半径较小，毛细管压力较大，所以在较低的驱替压差下气体较难进入其中，造成小孔隙中残留着大量无法流动的束缚水。

2 建库物理模拟实验

2.1 水平均质模型M1建库模拟实验

模型M1是高渗透平面均质模型，由120目的石英砂填充而成。由于模型的均质性，在模拟高含水油藏成藏过程中，水驱路径为自下而上先扩散后聚拢的梭型，因为出口位置在模型顶端居中位置，使得模型两边有少量油没有被驱出。到水驱结束后，因为毛细管压力的作用，注入水几乎波及到模型的每一个角落(图2)，水驱油效率较高，该模型最终的含水饱和度达到74.6%。

在模拟改建地下储气库的过程中， 从顶部注入的气体均匀地向下移动，气驱路径与水驱路径基本相同，为自上而下的梭型路径(图3)，模型最终的气、油、水饱和度分别为36.3%、25.4%、和38.3%，即该模型有0.36 PV可用于地下储气库储气。建库后的含气饱和度占建库前含水饱和度的48.7%。

图2 均质模型M1水驱油过程

2.2 非均质复合韵律模型M2建库模拟实验

模型M2是非均质复合韵律模型，上下两层是由40目石英砂填充的高渗透储层，中间层是由120目的石英砂填充的低渗透储层。在模拟高含水油藏成藏的过程中，注入水由底部左右两角进入模型，然后穿过中间的低渗透储层进入顶部的高渗透储层，直接流向顶部中间的出口，形成了一个由外围向内部逐渐扩散的运动路径(图4)。该模型最终的含水饱和度为77.60%。

在模拟改建地下储气库的过程中，注入气体首先进入顶部的高渗透储层， 然后开始全方位进入中间的低渗透储层，之后突破进入底部的高渗透储层，将模型中的水由注水口驱出(图5)。在整个注气过程中，水驱残余油所在的位置几乎没有受到波及，说明含油饱和度变化不大。建库结束后非均质复合韵律模型储层中的气、油、水饱和度分别为31.90%、22.40%和45.70%，即该模型有0.32 PV可以用于储气库储气，建库后的含气饱和度占建库前含水饱和度的41.1%。中上部储层是该储气库的主要储集空间，其孔隙体积大小决定了该储气库的储气能力。由于剩余水饱和度较高，考虑非均质与重力的影响，底部高渗储层的储气量较小。

图3 均质模型M1气驱残余油和饱和水过程

图4 非均质复合韵律模型M2水驱油过程

图5 非均质复合韵律模型M2气驱残余油和饱和水过程

2.3 背斜构造模型M3建库模拟实验

模型M3是背斜构造模型，背斜构造是40目石英砂填充的高渗储层，其他模拟泥岩的部分由200目的石英砂填充而成。在模拟高含水油藏成藏过程中，注入水主要沿着背斜构造的高渗透储层流动，由于石英砂的强亲水性，注入水向上流动并有小部分水渗析到低渗透泥岩层中驱出其中的饱和油(图6)。该模型最终的含水饱和度为76.69%。

在模拟改建地下储气库的过程中，模型顶端的注入气体在进入模型后沿着高渗背斜构造迅速向下流动，在气驱过程中几乎没有气体进入相邻的低渗透泥岩层，也就是说该模型的气驱路径与水驱路径几乎完全一致，泥岩层中的含油饱和度几乎没有变化(图7)。建库结束后背斜构造储层中的气、油、水饱和度分别为39.54%、20.31%和40.15%，即该模型有0.40 PV可以用于储气库储气，建库后的含气饱和度占建库前含水饱和度的51.6%。背斜构造储层是该储气库的主要储集空间，是气、水两相主要的渗流通道，其孔隙体积大小决定了该储气库的储气能力。由于张应力在背斜构造轴部表现得最强[14]，所以背斜构造更有利于储集气体，因此背斜构造模型的库容高于水平均质模型库容。

图6 背斜构造模型M3模拟高含水油藏成藏过程

图7 背斜构造模型M3模拟改建地下储气库过程

2.4 实验结果分析

高含水油藏改建地下储气库的过程是一个气、油、水三相渗流的过程，在这个过程中高渗透储层中的水相会首先被气相驱替，驱替过程是毛管力为阻力的非湿相驱替湿相过程，孔隙中的水相由于强水湿作用向孔隙喉道处聚集，最终被气相携带走形成储气库的主要储集空间。3个模型的原始含水饱和度相差并不大，但是背斜构造模型为均质模型，并且储层渗透率较大，所以孔隙中更多的水在气驱过程中被携带走，该模型改建储气库的库容能力最大，为0.40 PV。因此，矿场在进行高含水油藏改建地下储气库时，尽可能选择均质性较好和渗透率较高的高含水油藏。

残余油因为失去连续性而分散成油滴， 分布于湿相水中， 并且大部分油滴滞留在孔隙内无法被驱出。 模型建库实验也得到了验证， 残余油在模型中大量滞留， 模型改建储气库前后的含油饱和度无明显变化， 因此矿场在进行高含水油藏改建地下储气库时， 尽可能选择含水饱和度较高的高含水油藏。

3 结 论

(1)高含水油藏水驱渗流通道占据的孔隙空间是油藏改建储气库后气体的主要储集空间，高含水油藏建库过程中残余油饱和度基本没有变化，建库后的气体饱和度约占建库前含水饱和度的50%(适用于二维模型)。

(2)背斜构造的油藏气水分异作用明显，在水驱后期更适合改建为储气库，而且储层渗透率越大，气库建设的容量就越大，运行效果也就越好。

(3)矿场在进行高含水油藏改建地下储气库时，尽可能选择储层均质性较好、渗透率较高、含水饱和度较高的高含水油藏。

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责任编辑：贺元旦

2014-10-10

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(编号：2011ZX05013)

常进(1989-)，女，硕士研究生，主要从事油气田开发研究。E-mail:changjin1213@163.com

1673-064X(2015)01-0052-05

TE357.6

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