周期注水实验研究及力学机理探讨

张学刚， 王秀宇， 代春明， 马文龙

(1．中国石油大学(北京)，北京 102249； 2．中国石油吉林油田分公司扶余采油厂，吉林松原 138000)



周期注水实验研究及力学机理探讨

张学刚1， 王秀宇1， 代春明2， 马文龙2

(1．中国石油大学(北京)，北京 102249； 2．中国石油吉林油田分公司扶余采油厂，吉林松原 138000)

周期注水是提高纵向非均质性油藏采出程度的一种重要方法。由渗吸实验及周期注水物理模拟实验结果可知，岩心在经过一定程度水驱后，再进行渗吸，很难继续提高采收率。对纵向非均质性较强的油藏进行周期注水，采出程度有明显提高，但随周期数的增加，采出程度的增幅呈递减趋势。通过毛管束模型对非均质油藏周期注水过程中的力学机理进行分析,可以得出，渗吸作用停止的条件是毛管中的流体达到受力平衡；连续注水采出程度趋于稳定后转为周期注水，此时周期注水的主要影响因素为毛管力的变化量，而与毛管力的大小无直接关系；高低渗层之间由于注水波动引起的附加压差是促使毛管力发生改变的诱因。

渗吸； 周期注水； 毛管力； 附加压差

周期注水是提高非均质性油藏采出程度的一种重要方法，由于其投资小、见效快、简单易行等优点，受到人们的广泛关注。关于周期注水的机理研究，主要存在以下几种观点。第一种观点认为，毛管力是周期注水改善油田开发效果的主要因素，弹性力的作用是次要的[1-3]；第二种观点认为，弹性力是影响周期注水开发效果的关键因素[4]；第三种观点则认为，层间压差引起的附加窜流是影响周期注水效果的唯一因素，毛管力窜流是稳定注水与周期注水所共有的一种窜流形式[5]；第四种观点认为毛管力与弹性力的主次作用与周期注水的方式有关[6]；第五种观点认为，毛管力和弹性力是周期注水改善油田开发效果的两个重要因素，并未对毛管力和弹性力主次作用作出比较[7-10]。

经分析认为，连续注水采出程度趋于稳定后转为周期注水，此时的增产效果是由周期注水的增产机理引起的，有些研究讨论的是连续注水采出程度并未趋于稳定的阶段，此时毛管自吸排油作用仍能发挥较大作用，这对研究周期注水的增产机理产生了干扰。毛管力在连续注水过程中也是存在的，有些研究只阐述了周期注水过程中地层流体会在毛管力的作用下流动，并没有对毛管力在连续注水方式下的作用进行分析。有些研究提到压力扰动强化了毛管自吸排油作用，但没有进一步解释其机理。本文以渗吸实验和周期注水实验的现象及结论为依据，对周期注水的机理进行分析探讨。

1 渗吸实验研究

1.1 实验设计

为研究非均质油藏周期注水开发中毛管力的影响，进行了室内亲水短岩心静态毛管渗吸实验。实验岩心共分两组：第一组共6块岩心，在岩心中饱和不同黏度的原油后直接进行静态渗吸实验。第二组共9块岩心，饱和油后以恒定流速用矿化度6 235 mg/L的盐水(模拟地层水)驱替，在岩心中建立一定含水饱和度后进行静态渗吸实验。

渗吸实验步骤为：将岩心依次放置于各个渗吸瓶中，加入预先配置的盐水至渗吸瓶顶部，用胶塞密封渗吸瓶出口，常温无压差下进行静态渗吸，在不同时刻记录渗吸出的油量。

1.2 实验结果及分析

第一组实验结果如表1所示。岩心x-6在3 d后的渗吸采收率为16.6%，25 d后的渗吸采收率为20.2%，只增加了3.6%。第一组渗吸实验变化如图1所示，渗吸开始4 h后，岩心x-6表面就开始出现油滴，3 d后，渗吸出的油量继续增加，但增加变缓。

表1 第一组岩心渗吸实验结果

注：岩心x-5由于黏土含量较高，在实验过程中发生损坏。

图1 第一组渗吸实验岩心x-6实验现象

Fig.1 Experimental phenomenon of x-6 imbibition in the first group

第二组实验结果如表2所示。由表2可以看出，在岩心经过不同程度水驱后进行渗吸，基本没有效果，只有含水饱和度较低的岩心y-3有少量油滴渗出(见图2)。

表2 第二组岩心渗吸实验结果

续表2

图2 第二组岩心渗吸实验y-3岩心实验现象

Fig.2 Experimental phenomenon of core imbibition y-3 in the second group

由第一组渗吸实验结果可以看出，当岩心中含油饱和度较高时，渗吸作用对原油采收率可以有很大贡献，实验中的渗吸采收率最大为26.9%。渗吸是一个缓慢的过程，总体而言，渗吸在初期比较明显，到后期渗吸出的油量趋于平缓。从力学角度分析，此时原油在毛管力、重力、黏滞力等[11-12]的共同作用下达到了受力平衡状态。

第二组实验显示岩心在经过一定程度水驱后，再进行渗吸，很难继续提高采收率。经过水驱后岩心中流动条件好的毛管中的原油得到驱替，剩余原油流动条件较差，处于受力平衡状态，毛管力与重力作用不能为渗吸提供足够的驱动力[11]。

储层中原油的流动离不开驱动力，由上述两组渗吸实验可知，亲水岩心中毛管力是一种驱动力，能够使部分原油克服流动阻力而流动。由毛管力公式[13]：pc=(2σcosθ)/r可知，毛管力的大小与σ、θ、r有关，而与其他外力无关。这样便可以把对渗吸与水驱中毛管力作用的认识统一起来，相比于渗吸过程中的力场，水驱过程中多了一个驱替压力，毛管力是始终存在的。连续注水后期地层中还有剩余原油，但是很难继续提高采收率，从力学方面分析是因为在毛管力、重力、驱替压力等力的共同作用下无法克服剩余原油的流动阻力，即剩余原油达到了受力平衡的状态，剩余原油的流动依赖于力场的改变。

2 周期注水物理模拟研究

2.1 实验设备

实验为三层岩心物理模型驱替实验，图3为周期注水实验流程图。实验模型为一块30 cm×30 cm×3 cm的三维填砂板，上下三层，各层厚度为1 cm，层间没有隔层，渗透率自上至下分别为：60×10-3、150×10-3、500×10-3μm2。

图3 周期注水实验流程图

Fig.3 The flow chart of cyclic waterflooding experiment

2.2 实验参数

实验压力设置为3 MPa，温度为常温。实验采取周期性关井停注，平衡间断注水，连续采油方式，注采比为1∶1。注水和停注时间相等，平衡注水，即注水量在一个周期内和连续注水在相应时间内相同。结合生产实际，设定实验模型驱替等效速度为3 cm/d，已知模型为边长30 cm的正方形，则大致需要10 d时间将整个模型驱净。模型孔隙度为0.24，由此计算出等效注入速度为：v=30×30×3×0.24/10=64.8 cm3/d，以此作为连续注水的注入速度，由于本次实验采取平衡注采方式，周期注水的注入速度为连续注水的两倍，即125.6 cm3/d。根据相似比例，设定实验中注水半周期为0.5 d。实验中注水井和采油井的距离为42.4 cm。

2.3 实验流程

(1) 将所有管线、六通阀、釜、试管清洗干净，按照实验流程图(图3)所示连接，检测是否存在漏失。

(2) 将配好的地层水(矿化度6 235 mg/L)及原油(黏度20 mPa·s)分别装入釜中。

(3) 按照石油行业标准将模型饱和地层水，然后用原油驱替得到束缚水，再用地层水继续驱替，至采油井含水率达到60%。

(4) 按照前面设计的注采参数和周期进行周期注水实验，并连续记录油水分量。

2.4 实验结果及分析

连续注水4 d后，含水率为60%时开始周期注水，共进行了7个周期。实验结果如图4和图5所示。

图4 采出程度随时间变化关系

Fig.4 The relationship between the degree of production and time

图5 周期注水采收率增量随周期数变化关系

Fig.5 The relationship between the incremental recovery cyclic waterflooding and the period

由图4和图5可以看出，采出程度在连续注水后期增幅变缓，在进行周期注水后增幅明显增加，实验结束后周期注水的采收率为43.5%。随着周期数的增加，每一个周期与前一个周期相比的采出程度的增幅有所减少。由图5可知，在第1个周期结束时，采出程度的增量接近3.11%；到第7周期结束时，与第6个周期相比，采出程度的增量降至0.52%。

连续注水后期剩余原油的流动依赖于力场的改变，在周期注水实验中，在连续注水后期转为周期注水后，采出程度增幅明显增加，这说明物理模型中的力场发生了改变，力场的改变增大了作用在剩余原油上的驱动力，从而增大了采出程度。增大的驱动力经分析主要来自两个方面：一是高低渗层之间由于注水波动引起的附加压差；二是毛管力。由渗吸实验分析可知，由连续注水转为周期注水过程中，毛管力是始终存在的，假设毛管力不发生变化，那么毛管力作用便不能作为周期注水区别于连续注水的增产机理。

3 周期注水机理探讨

从宏观方面而言，周期注水提高采收率的机理在于提高了低渗透储层注水波及系数[14]，即通过改变地层中的压力场使更多的水由高渗层进入低渗层，更多的油从低渗层进入高渗层而被采出。采用毛管束模型进行周期注水的微观机理分析[13]，重点分析毛管力和附加压差(也叫弹性力)的作用，将高渗层和低渗层的关系简化为粗毛管束与细毛管束的关系，并假设岩石亲水。模型如图6所示。长期连续注水后高渗层含水饱和度大于低渗层，为方便分析，在模型中假定高渗层含水，低渗层含油。结合渗吸实验以及周期注水实验可以看出，连续注水后期难以再提高采出程度，高低渗层间的油水界面处受力接近平衡。周期注水的停注阶段，高渗层的压力下降快，低渗层的压力下降慢，产生由低渗到高渗的附加压差，打破油水界面原先的近平衡状态，油水界面在附加压差的作用下向高渗层移动。由毛管力公式可知润湿角不变的情况下，随毛管半径增大，毛管力减小，因岩石亲水，毛管力是油从低渗层进入高渗层的阻力，毛管力的减小增大了总的驱动力，促使原油由低渗层不断进入高渗层。周期注水的注入阶段，高渗层升压快，低渗层升压慢，产生由高渗层到低渗层的附加压差，再次打破油水界面的近平衡状态，油水界面在附加压差作用下向低渗层移动。此时毛管力增大，毛管力是水从高渗层进入低渗层的动力，毛管力的增大强化了总的驱动力，这样便促使水由高渗层不断进入低渗层。

图6 周期注水微观机理示意图

Fig.6 Schematic diagram of the micro mechanism of cyclic waterflooding

由以上分析可知，对于亲水油藏，周期注水过程中，一方面，高低渗层之间的附加压差既是打破力场近平衡状态，促使毛管力发生改变的诱因，也是在原来力场近平衡基础上增加的总的驱动力的一部分，而且附加压差可以使油相克服较大一些的贾敏效应而流动[6]。另一方面，毛管力大小的变化量是增加的总的驱动力的重要组成部分。与连续注水后期相比，周期注水过程中毛管力的作用与毛管力大小的变化量有关，而与毛管力的大小无直接关系。从一定意义上讲，附加压差与毛管力不存在主次作用关系，而且附加压差与毛管力变化量的比值并非是一个定值，与具体的储层性质等有关。文献[2]指出，在实验过程中岩心两端驱替压差很小时(只有7.5 kPa左右)，周期注水过程中弹性力引起压力扰动而产生的附加窜流不能在实验结果中反映出来，增加的采收率主要靠毛管力的作用。该实验只是驱替压差很小的情况下证实了毛管力在周期注水过程中的重要作用，而没有对附加压差的影响进行分析。

对于油湿油藏，周期注水的停注阶段(即降压阶段)，毛管力是油从低渗层进入高渗层的动力，但是油水界面由低渗层向高渗层移动的过程中，毛管力逐渐减小，即毛管力的变化降低了总的驱动力，从而减少了进入高渗层的油量。周期注水注入阶段，毛管力是水从高渗层进入低渗层的阻力，而且阻力是逐渐增大的，继而降低了总的驱动力。宏观表现为周期注水在亲水油藏的效果要优于亲油油藏。

4 结论

(1) 渗吸对含油饱和度较高油藏的采收率有较大贡献，渗吸是一个缓慢的过程，但是总体而言，渗吸在初期比较明显，到后期渗吸出的油量趋于平缓，从力学角度分析认为毛管中的原油在后期达到了受力接近平衡的状态。

(2) 岩心在经过一定程度水驱后，再进行渗吸，很难继续提高原油的采收率。

(3) 纵向非均质性较强的油藏进行周期注水，随周期数的增加，采出程度的增幅呈递减趋势。

(4) 周期注水效果的主要机理为附加压差的变化激发了毛管力的变化，而与毛管力的大小无直接关系。从一定意义上讲，附加压差与毛管力不存在主次作用关系，而且附加压差与毛管力变化量的比值并非是一个定值，与具体的储层性质等有关。

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(编辑 王亚新)

Experimental Study and Mechanism Investigation of Cyclic Waterflooding

Zhang Xuegang1, Wang Xiuyu1, Dai Chunming2, Ma Wenlong2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.FuyuOilFactoryofPetroChinaJilinOilfieldCompany,SongyuanJilin138000,China)

Cyclic waterflooding is an important method to improve oil recovery of vertically heterogeneous reservoir. The experiment results showed that it was difficult to enhance oil recovery by means of imbibition after a certain degree of waterflooding. Coreflooding experiments confirmed the effectiveness of cyclic waterflooding to increase oil recovery for the vertically heterogeneous reservoir and the increase trend to lower as more cycles were applied. The mechanical mechanism of cyclic waterflooding was investigated by means of capillary bundle model. Imbibition will play a role until the force field on the fluid is balanced. The main mechanism for the cyclic waterflooding method is related to the change of capillary pressure instead of the absolute value of the capillary pressure. Additional pressure between the layers with different permeability which is induced by the change of water injection scheme can cause the corresponding change of capillary pressure in the reservoir. The research provides some insight to improve the understanding and practice of cyclic waterflooding.

Imbibition; Cyclic waterflooding; Capillary pressure; Additional pressure

1006-396X(2015)06-0066-05

2015-03-09

2015-03-21

中国石油大学(北京)引进人才科研启动基金(YJRC-2013-30)。

张学刚(1988-)，男，硕士研究生，从事油气田开发方面的研究；E-mail：gangzi158548@126.com。

TE992.4

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.06.013