水驱油藏特高含水期微观剩余油渗流特征研究

于春磊，糜利栋，王川，赵玉云，姜汉桥，田野

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249）

水驱油藏特高含水期微观剩余油渗流特征研究

于春磊1，糜利栋2，王川2，赵玉云2，姜汉桥2，田野2

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015；2.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249）

水驱油藏进入特高含水期后仍具有一定挖潜潜力，微观剩余油流动特征及运移规律的研究对于特高含水期水驱油藏提高采收率具有重要意义。文中通过微观玻璃刻蚀模型实验和计算机图像识别处理技术对微观剩余油流动形态进行分类，分析微观剩余油流动形态及变化规律。研究结果表明：特高含水期，考虑油-水-孔喉接触关系，可将剩余油流动形态分为簇状流、多孔流、柱状流、膜状流和滴状流5类，其中簇状流分布比例最多，是引起相渗曲线下弯的主要因素，并且随着含水饱和度的上升，簇状流逐渐转化为多孔流、柱状流、膜状流和滴状流；同时从微观上解释了特高含水期油水微观流动规律及相渗曲线非线性的原因，为特高含水期油藏提高剩余油动用程度和采收率提供指导。

水驱油藏；特高含水；计算机图像识别技术；渗流特征

0　引言

水驱油藏进入特高含水期后仍具有一定挖潜潜力，研究微观剩余油在孔隙尺度下的流动特征及运移规律，对水驱油藏特高含水期提高采收率具有重要作用［1-2］。但目前关于剩余油的研究大多局限于静态剩余油［3］，而对产量具有直接贡献作用的实际上是流动的剩余油。特别是特高含水期及特高含水后期，油水相对渗透率之比和饱和度半对数曲线不再是线性关系［4］，动态剩余油的研究显得更加重要。本文通过微观玻璃刻蚀模型实验和计算机图像识别处理技术对微观剩余油流动形态进行分类，为了使成果更具有普遍性，研究了不同孔喉比、孔喉半径、配位数、流体性质，以及注入条件下微观剩余油流动形态、变化规律和不同流动形态剩余油微观分布特征。

1　物理实验

玻璃刻蚀模型可视化实验是实验室研究微观渗流的重要手段［5］。为了研究特高含水期微观剩余油流动形态及变化规律，设计了不同孔喉半径、孔喉比、配位数形状因子等特征参数的概念模型和均质、非均质实际模型，完成了不同原油黏度和驱替条件下的微观水驱油实验。

1.1模型设计

6块概念模型和3块实际模型的具体特征参数如表1所示。

表1　模型孔喉特征参数

1.2驱替实验

为了研究孔隙特征参数、流体性质以及注入条件等因素对特高含水后期不同剩余油流动形态的影响，使得结果更具普遍性和实用性，在不同孔隙特征参数模型上完成了不同流体黏度和注入速度的正交实验。

1.2.1实验材料与设备

模拟油由不同比例原油与煤油配制而成，黏度分别为2，4，6 mPa·s；实验用水为模拟地层水；玻璃刻蚀模型尺寸2.0 cm×1.5 cm；实验设备为HAS-200型恒压恒速泵和微观驱替装置。

1.2.2实验步骤

1）用注射装置向模型中缓慢注入模拟地层水，使模型孔隙中充分饱和模拟水。

2）用注射装置向饱和水的模型中缓慢注入一定黏度的模拟油，使模拟油将模型孔隙中的可流动水驱出，同时使模拟油占据模型孔隙，此时模型处于饱和油和束缚水状态。

3）打开实时截屏录制软件，设置恒压恒速泵为一定驱替速度，使用微观驱替装置对模型进行水驱。

4）观察玻璃刻蚀模型中的油水分布，孔隙中剩余油不再变化时停止水驱，结束视频录制。

5）不同模型用不同原油黏度在不同驱替速度下，重复步骤1）—4），完成所有实验，为下一步通过计算机图像识别技术研究剩余油流动形态分类及流动规律做准备。

2　计算机图像处理

通常情况下，实验人员通过经验对微观玻璃刻蚀模型剩余油进行手动分类标记［6-9］，而这种传统的分类标记方法一方面不利于图像批量处理，另一方面由于观察者经验及识别精度的局限性导致结果差别很大。通过计算机技术不仅可以大幅度提高处理速度（图像批量处理）［10］，而且可以得到统一的处理结果。计算机图像处理技术应用在剩余油的分类识别时，首先需要解决的2个基础问题是岩石、油、水精确分离和孔-喉结构的分离。

2.1岩石、油、水精确分离

在对每张实验图片的剩余油进行分类识别统计之前，需要对图片进行“三值化”处理，也就是进行岩石、油、水的精确分离。首先采用“背景窗口移植法”，通过对实验视频第1帧（即饱和油状态）图片进行精确二值化，得到岩石骨架，实现油、水整体和岩石骨架之间的精确分类；然后借助第1步得到的“骨架”作为背景，对提取的油、水部分进行第2次二值化，实现水驱油过程中不同驱替阶段图像的三值化处理，从而达到岩石、油、水精确分离的目的。

图像处理时，“分割窗口阈值法”［11］可以有效解决因图像曝光度不均匀引起的识别精度不高的的问题，而“单点窗口阈值法”［12］可以有效降低“分割窗口阈值法”中边缘处的识别误差，笔者将“分割窗口阈值法”和“单点窗口阈值法”相结合，使得最终识别精度达到95%以上。图1为水驱某阶段的分离结果，其中黑色是油（阈值为0），白色是水（阈值为1.0），灰色是岩石骨架（阈值为0.5），对应的灰度值分别为0，255，128。

2.2孔-喉结构分离

基于“边界收缩法”实现了孔-喉拓扑结构的提取，采用“射线法”和“最大类间距法”［13］对1.1中的6个概念模型进行孔-喉分离处理。结果表明，该方法分离精度可达到98%以上，图2为其中一个实际模型的分离结果。

图1　岩石、油、水分离结果

图2　孔隙-喉道分离结果

3　油水微观渗流特征分析

3.1剩余油流动形态划分及定量表征

分析对比实验结果发现，特高含水后期考虑油-水-孔喉接触关系可将剩余油流动状态分为膜状流、滴状流、柱状流、多孔流以及簇状流5种，分别定义为：1）膜状流，有且只有1个油水界面，油-水界面约占油相表面一半，厚度小于孔喉直径的1/3；2）滴状流，有且只有1个油水界面，油相不与固相接触，孔隙和喉道数不大于1；3）柱状流，剩余油分布在喉道中，有2个油水界面，孔隙和喉道数不大于1；4）多孔流，油相分布于多个孔喉，孔隙和喉道数不大于5；5）簇状流，油相分布于多个孔喉，孔隙和喉道数大于5）。这5种类型可以包含所有剩余油。

为了方便计算机程序的处理，分别引入形状因子G、接触比C、欧拉数EN等特征参数对5类剩余油进行定量表征，并通过大量数值实验，得到不同类型剩余油对应不同特征参数的取值范围（见表2）。图3为某水驱实验驱替到某时刻的分类结果，其中簇状流和多孔流分布最多，柱状流次之，膜状流和滴状流最少。

表2　不同流动形态剩余定量表征

图3　剩余油分类识别结果

3.2不同流动形态变化及相互演化规律

1）随着水驱油过程中含水饱和度的增加，油相不断被分割，非连续程度不断加剧，表现为数量多、体积小、分散性强的特点；2）非连续程度加剧是因为簇状流向多孔流等非连续流动形态转变，原油的流动越来越分散；3）随着含水饱和度的增加，非连续流动形态（滴状流、膜状流、柱状流、多孔流）比例持续增加，连续流动形态（簇状流）比例逐渐减小（见图4）；4）簇状流作为连续相，动用能力较强，油相相对渗透率较大，其他4种形态的剩余油作为非连续相，动用能力较弱，油相相对渗透率较小，而相渗曲线拐点的出现时机恰为相对渗透率较小的非连续相开始发育的时间，也就是说抑制连续相向非连续相的转化及非连续相发育，把连续相所占比例维持在一定水平上，可以在某种程度上延迟相渗曲线拐点出现时机，有助于提高采收率。

图4　剩余油数量和平均体积变化曲线

4　结论

1）特高含水期，考虑油-水-孔喉接触关系可将剩余油流动形态分为簇状流、多孔流、柱状流、膜状流和滴状流，其中簇状流分布比例最多，并且随着含水饱和度的上升，连续相逐渐转化为非连续相。

2）抑制连续相向非连续相的转化及非连续相发育，把连续相所占比例维持在一定水平上，可以延迟相渗曲线拐点出现时机，有助于提高采收率。

3）从微观上解释了特高含水期油水微观流动规律及相渗曲线非线性的原因，为特高含水期油藏提高剩余油动用程度和提高采收率提供指导。

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（编辑孙薇）

Percolation characteristics investigation of microscopic remaining oil in water flooding reservoir with ultra-high water cut

YU Chunlei1，MI Lidong2，WANG Chuan2，ZHAO Yuyun2，JIANG Hanqiao2，TIAN Ye2
（1.Research Institute of Exploration and Development，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying 257015，China；2.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The study of remaining oil percolation characteristics under microscopic pore scale plays an important role in enhanced oil recovery for ultra-high water cut period water flooding reservoir.In this paper，microscopic glass-etching model experiments and computer image processing&recognition techniques are combined to re-classify the microscopic remaining oil flowing patterns to analyze the flowing shape and the connect-relationship among the oil，water and rock.Research result indicates all the remaining oil in ultra-high water cut period can be classified into five categories，clustered stream，multi-porous stream，columnar stream，membranous stream and droplet stream.Among of the five categories，clustered stream possess the largest proportion and is also the main factor of relative permeability curves re-curved.Meanwhile，with water saturation rising，clustered stream gradually transforms into other patterns like multi-porous stream，columnar stream，membranous stream and droplet stream.The flow rules of the remaining oil and the reason of the non-linear percolation curve are explained microscopically，which provides a guiding for the development and recovery of water flooding reservoir with ultra-high water cut.

water-flooding reservoir；ultra-high water cut；computer image processing&recognition technique；percolation characteristics

国家科技重大专项“胜利油田特高含水期提高采收率技术”（2011ZX05011）

TE312

A

10.6056/dkyqt201605010

2016-01-23；改回日期：2016-07-19。

于春磊，男，1984年生，高级工程师，硕士，现从事油藏数值模拟工作。E-mail：yuchunly@sina.com。

引用格式：于春磊，糜利栋，王川，等.水驱油藏特高含水期微观剩余油渗流特征研究［J］.断块油气田，2016，23（5）：592-594，598.

YU Chunlei，MI Lidong，WANG Chuan，et al.Percolation characteristics investigation of microscopic remaining oil in water flooding reservoir with ultra-high water cut［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：592-594，598.