油藏窜流发展与窜流体积计算分析

呼园平，郑黎明，张　兵，闫凤平，崔淑霞

(1.西安石油大学，陕西西安 710000；2.延长油田股份有限公司川口采油厂；3.中国石油大学(华东))

油藏窜流发展与窜流体积计算分析

呼园平1，2，郑黎明3，张兵3，闫凤平2，崔淑霞3

(1.西安石油大学，陕西西安 710000；2.延长油田股份有限公司川口采油厂；3.中国石油大学(华东))

摘要：随着油气田开发普遍进入高-特高含水期，对储层内部窜流机制与调控方法研究日益重要。通过可视化实验窜流通道形状与窜流形式对比分析，发现窜流通道与河流相具有一定的发展相似性，其由“辫状河”-“曲流河”变化的形状与流体性质、多孔介质性质、油藏开发时间有关；窜流通道决策、研究方法可归纳为定性分析、渗流数值模拟、定量决策和矿场测量与实验四大类，提出了一种利用长驱替模型可视化揭示窜流发展机理与优势通道体积计算的方法，可作为验证经验法和理论模型解析解的有力补充，指导实际油藏调堵(驱)药剂用量设计。

关键词：窜流发展；窜流体积计算；窜流通道；窜流形式

1窜流通道形状与窜流形式

随着油藏的不断开发，注入流体会沿着一定的孔隙喉道由注入井快速流至生产井，且沿程孔隙喉道会逐渐增大，此过程中注入流体主要流经的孔隙喉道为窜流通道(大孔道的半径一般为0.3～5 mm[1-2])，在窜流通道内外存在(相同或多相)流体超覆。窜流不仅仅存在于高-特高含水油藏，在油田开发中期即开始表现出来。窜流通道在不同阶段和不同位置的形状，可以等效于河道不同发育阶段和位置的形状[3-5]。

窜流存在于多种油藏中[6-11]。相对于不同层而言，窜流可划分为层间窜流和层内窜流，层内窜流又包括平面窜流和纵向不同韵律窜流。相对于油藏种类而言，各类油藏均存在窜流；相对于流体种类而言，窜流可划分为同相流体间的窜流(如注入水相对于储层原生水或相)和异相流体间的窜流(注入水相对于油藏原油，注入气相对于油藏油/水相，注入低黏聚合物或表面活性剂溶液相对于高黏原油等)。窜流引起的直接问题便是含水率的上升，对于不同油藏还有附加问题，如出砂、气锁、近井带扩径、井筒阻塞与摩损等。

窜流通道的形状与流体性质、多孔介质性质、油藏开发时间有关。对于不同的开发阶段，油藏中部窜流通道由多支的“辫状河”通道逐渐变化为单支(或相对于之前通道数量更少而已)的“曲流河”通道。相对油藏原有流体而言，当注入流体的黏度越低、流速越高，多孔介质非均质性越强、渗透率越低，窜流通道愈加趋于集中，并沿着油藏原有强非均质孔喉发育方向展布(如裂缝性油藏和碳酸盐岩油藏[9-11])，油藏中部 “辫状河”或“曲流河”窜流通道的分支数或迂回度降低。

2不同渗透性窜流通道发展状态模拟

室内开展小缝宽物理模型内不同凝胶充填强度下的水驱模拟；注入凝胶后，凝胶候凝形成微观网络固体结构，网络结构具有弹性与非均质性，近似等效为不同渗透性和非均质下的多孔介质；由于模型缝宽较小，均匀充填石英砂难度大，因此，模型中仅充填凝胶。

(1)实验材料与装置。实验材料：凝胶，染色后的蒸馏水，破胶剂；实验装置：裂缝物理模型(300 mm×45 mm，缝宽130 μm)，驱替泵，压力表，真空泵等。

(2)实验步骤。①检查实验装置机械和电子设备是否工作正常，如图1所示，连接实验装置，并检查管线和阀门的气密性，准备实验材料；②检查物理模型是否完好，抽真空饱和模拟地层水，记录模型压力；③进行物理模型凝胶充填实验，凝胶的注入速度为0.1 mL/min，充填后模型压力梯度测得为25 MPa/m；④之后，开展水驱直至压力稳定，水驱速度为1 mL/min，记录压力变化并进行拍照；⑤实验结束，向物理模型内注入破胶剂，待缝内凝胶破胶后冲洗干净;步骤③～⑤重新进行实验，改变凝胶充填后压力梯度，测试分别为85 MPa/m，107 MPa/m；停泵，实验结束。

图1　实验流程图

(3)结果分析。观察不同充填强度下模型水驱状态，可明显观察到稳定后水驱通道范围逐渐减小，由几乎遍布整个模型变化为仅仅沿高渗处流动，分支数亦明显降低，由图2a中的2～3条降低至图2c中的1～2条，另外，主通道和分支通道的宽度均明显缩小，图2c主通道宽度约为图2a的1/3～1/4。该模型可较好地模拟验证不同渗透性多孔介质中窜流通道“辫状河”至“曲流河”发展状态。

图2　不同凝胶封堵强度下水窜通道室内模拟

实验过程中还发现，微裂缝驱替模拟时聚合物类可动凝胶暂时表现出明显的吸附滞留特点，驱替过后孔隙壁面形成一定厚度的黏附层，影响了药剂的驱替效率；可动凝胶充填具有疏松性，图中绿色连续相为水相，透明凝胶区域仍然具有一定的渗透性，这表明矿场注水和措施应用后，储层由于非均质特点保留了再次形成新窜流通道的可能性。

3窜流通道分析方法

窜流通道的发育方向对于油藏开发与治理具有重要的意义，明确窜流通道的发育方向，可以指明高含水油井主要来水方向，从而对窜流目标注入井和生产井实施调剖(驱)或堵水、以及其他提高生产井效果的措施(如改变油水井工作制度、注聚、微生物驱[12-13]等)，提高水驱波及程度、化学驱药剂利用效率。

目前关于窜流通道的分析已有大量研究，并形成了一系列的窜流通道决策、研究方法，当然对于不同油藏，由于油藏本身性质的差异，同一种决策方法不一定适用于全部情形，尤其是裂缝随机发育的多重介质油藏，当该类油藏基础资料不完整时，窜流通道发育方向分析难度更大。

3.1窜流分析方法

目前，关于窜流通道的分析方法主要有4种。①定性分析：利用油藏基础动静态资料，人为分析油水井间易发生窜流的方向与可能性；②渗流数值模拟：与近些年发展的流线试井分析方法相近，利用油藏静态资料建模和动态开发模拟反演，绘制模拟程度较高时的井区流场或势场，根据流线密集程度和方向得到窜流通道方向[14]；③定量决策：通过定量化的指标分析与联立计算，得出窜流通道类型的综合权重(或关联度)[15-17]；④矿场测量与试验：通过矿场油水井间指标检测得到窜流通道的大致方向，如试井分析(干扰试井、不稳定试井、脉冲试井)、压力系统分析、注示踪剂、注入采出成分对比分析等方法[18-20]。

定量决策是目前窜流通道分析的最主要手段，当该方法依托的基础资料非常少时，通常会对定量决策指标权重进行重新分配，或退化为定性分析。渗流数值模拟需要进行建模与开发动态模拟，工作量较大且随开发进程而不断变化，目前应用较少，现场推广使用受到一定限制，但可以应用于油藏类型不复杂(目前建立的部分模型仍较为理想化，数值模型建立与模拟可行性低)、保留生产动态资料和地质资料时的情形。

3.2窜流分析指标

油田窜流分析的必要性促进了对窜流形成原因和过程的研究，利用室内实验和数值模拟方法，研究人员总结了一系列可评价窜流方向与类型的指标因素。根据系列研究，窜流分析指标按照资料类型可分为地质宏观参数、油藏物性参数、生产动态参数和开发附加问题等方面，当然也可将窜流分析方法与窜流指标综合后进行分类。

4窜流通道体积计算方法与评价

储层注入流体发生窜流后，生产井状况趋于恶化，窜流通道封堵作为目前治理的主要方法得到大量研究，涉及窜流机理、封堵工艺、药剂类型等。窜流通道体积作为指导封堵药剂注入量的重要参数，无论是选择性/非选择性封堵，还是单级/多级窜流通道治理[21]，其计算具有重要的应用价值。目前对窜流通道体积的研究包括理论计算、数值模拟假设和短岩心驱替实验，数值模型与油藏通常具有一定差异，实验模型相对油藏尺寸存在差异。而且，到开发后期，储层含水饱和度逐渐提高，生产井普遍进入高-特高含水期，治理的经济性要求封堵选择性“定点”和深部调控，窜流通道体积计算结果应更加明确给出。

4.1已有窜流通道体积计算方法

目前指导调堵设计最常用的窜流通道体积计算方法是经验法和孔隙体积求解，对于治理经验较为丰富的作业公司，利用经验法可给出大致的封堵剂用量，或者求解得到调堵半径的储层孔隙体积后乘以一定的经验系数(1/3～1/8，不同油田经验系数不同)。

刘月田等(2003)建立了从孔隙线性渗流到粗糙管湍流的孔道体积计算方法，并依托宏观管流中的压差和流速关系、示踪剂检测窜流时间，建立大孔道体积。该方法将大孔道等效为宏观管流，对于裂缝性油藏等窜流孔喉明显大于渗流孔喉尺寸且非均质明显的情况，计算结果较好；但大孔道数目难以确定，未能给出大孔道的尺寸界限，使其应用受到局限。

陈存良等(2014)根据窜流通道过量水和无窜流通道时的理论产水量计算低渗透油藏窜流通道的体积。该方法中引入的过量水和过量水劈分，对于实际窜流通道分析给出了另一种较好的思路。当然，瞬时过水量对于窜流评价具有一定意义，但过量水不能完全代表优势窜流体积，且该方法不能概括全部储层类型，主要适用于较为简单的油藏，计算略显复杂。

4.2窜流通道体积分析建议

上述方法主要基于油藏孔隙体积比例或联系渗流规律的注采体积差值，对目前窜流通道体积计算提供了系列思路，但仍需要一种清晰地体现窜流过程的方法。通过对窜流的深入认识，得到实际油藏深部主要窜流通道体积，并予以验证、对比、应用。因此，本文提出一种可视化的窜流通道发展和窜流体积计算的方法，以适应油藏高含水期、高含水饱和度封堵治理需要。

(1)将普通驱替岩心替换为加长岩心或可视化的二维加长平板模型，模型长度与模拟注入井直径的比值应尽可能大(长度1.5～2.0 m)，与油藏尺寸/井径比值的类比性强。

(2)按常规驱替方法进行水驱油实验，二维平板模型中流体着色能被清晰对比识别，加长岩心注入流体可被色谱扫描装置加以区分，或流体中加入只溶于水相或油相的放射性试剂(如示踪剂、同位素等[3])，驱替至窜流通道发展稳定(采出端高-特高含水)，利用摄像装置或CT多样本扫描(要求覆盖整个模型)[7，21]记录窜流通道发展过程、各相流体饱和体积、注入体积和采出体积。

(3)对采集的窜流通道发展稳定的驱替图像进行处理(如数字化模拟、图像模糊化、单色系选择与锐化等)，识别、圈定出主要窜流通道，计算其面积或体积[22]。

(4)对窜流面积/体积与模型总孔隙体积、水相体积分别进行比值，得到主要窜流通道相对于油藏和润湿相的无因次窜流通道体积比例，分别适用于非选择性和选择性封堵工艺参数计算。

(5)改变模型多孔介质参数(不同孔渗饱、不同沉积韵律、平面非均质、隔夹层存在等)与流体注入参数(流变性、流速、间歇或连续注入等)，得到不同油藏类型和不同注入工作制度下的无因次窜流通道体积比例。

(6)绘制不同情形下的无因次窜流通道体积比例图版，对比实际油藏，选出适用的无因次窜流通道体积比例，根据油藏孔隙体积或润湿相孔隙体积、无因次窜流通道体积比例、调堵最优工艺参数设计，即可得到井区合理封堵药剂用量。

由于实验中要求窜流通道发展稳定，并进行主要窜流通道识别，因此计算得到的窜流通道体积可能会相对小于前述方法，但一定程度上会提高封堵工艺的适用性。

5结论

(1)窜流过程的发展与河道的发展在某些方面具有相似性。不同油藏类型窜流过程的发展可揭示储层内部高含水时期、不同非均质、沉积韵律等情形下的窜流通道体积形状变化。

(2)窜流通道的分析方法可分为定性分析、数值模拟、定量决策、矿场测量与实验等，依据宏观地质、油藏物性、生产动态参数变化和开发附加问题等指标，可协同判定油藏窜流发育方向。

(3)窜流通道体积计算对指导矿场调堵(驱)药剂用量具有重要意义。根据无因次窜流通道体积比例，给出了一种可视化揭示窜流发展机理的优势通道体积计算方法。

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编辑：赵川喜

文章编号：1673-8217(2016)03-0111-04

收稿日期：2016-01-08

作者简介：呼园平，高级工程师，1973年生，2010年毕业于西安石油大学石油工程专业，现从事石油与天然气开采工作。

基金项目：国家自然科学基金“低渗油藏低频振动辅助表面活性剂复合驱油机理研究”(51274229)，陕西省科技重大转向“提高延长主力油层开发效果关键技术研究”(2011KJTZ01)。

中图分类号：TE319

文献标识码：A