缝洞型碳酸盐岩油藏周期注水驱油机理

张 晓,李小波，荣元帅，杨 敏，吴 锋，刘冬青

(1.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011;2.西南石油大学“油气藏与地质国家重点实验室”，四川 成都 610500)

缝洞型碳酸盐岩油藏周期注水驱油机理

张 晓1,李小波1，荣元帅1，杨 敏1，吴 锋2，刘冬青1

(1.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011;2.西南石油大学“油气藏与地质国家重点实验室”，四川 成都 610500)

针对在缝洞型碳酸盐岩油藏中能否实施周期注水的问题，在分析缝洞型油藏不同岩溶背景注采关系特征的基础上，利用CFD流体力学软件建立缝洞组合机理模型，开展了周期注水驱油模拟，并运用类比法总结了缝洞型油藏周期注水驱油机理：通过周期性地改变注水量和注入压力引起大尺度缝洞连通体中流体流动状态的变化(段塞流、管流)，在重力及浮力以及流动压差综合作用下，使管道盲端、微裂缝、相连溶洞、孔洞中的剩余油得到动用，实现扩大注水波及体积的目的。缝洞型油藏周期注水驱油机理的初步明确，为矿场不同岩溶背景下注水方式的优选和注采参数的确定提供了理论依据。

塔河油田 缝洞型油藏 注水驱油 机理 周期注水

塔河油田奥陶系油藏是一个复杂的碳酸盐岩缝洞型油藏，表现为储集体在三维空间展布的无规律性、缝洞连通关系的多样性以及油水关系的复杂性[1]。自2005年在个别多井缝洞单元开展单元注水试验以来，单元注水见到了较好的效果[2]；截止2014年底注水规模达到65个单元，累计增油92.56×104t，单元注水开发已成为塔河油田缝洞型油藏提高采收率的一项主导技术。但是，随着注水时间的持续，常规连续注水方式在缝洞型油藏中暴露出注水井以单向驱油为主、受效有效期较短、水驱动用程度较低的问题。为了提高注水效率，改善驱替效果和增加水驱控制程度，2013年逐步将砂岩油藏较为成熟的周期注水方式引入缝洞型碳酸盐岩油藏，并通过现场实践取得了一定效果。因此，在分析缝洞型碳酸盐岩油藏不同岩溶背景注采关系特征的基础上，利用室内数模实验开展周期注水方式下流体流动特征和油水分布规律研究，以明确碳酸盐岩缝洞型油藏中周期注水驱油机理。

1 注采关系特征

塔河油田断裂的发育规模和局部构造形态控制了整个奥陶系岩溶的发育强度和储集体展布，在不同储集体发育模式下形成的储集体类型、缝洞规模和组合模式不同。塔河油田主体区整体位于构造高部位，以风化壳岩溶为主；构造斜坡区深大断裂控制了岩溶的发育强度和规模，形成了有利的断控岩溶储集体；发育的古水系促进了岩溶暗河系统的发育和形成。由于在风化壳岩溶、断控岩溶、岩溶暗河三大主要地质背景下缝洞储集体的类型、规模、连通介质、组合方式等各异，形成的注采关系各具特点。在风化壳岩溶发育区，储集体以裂缝、孔洞、残余溶洞为主，井间注采关系以“低注高采，缝注孔洞采、小洞注大洞采”为特点；在断控岩溶发育区，方向性的微断裂和裂缝连通溶洞，形成断溶体油藏，井组以“等高注采、缝注洞采”的注采关系为主；在岩溶暗河发育区，沿暗河展布方向的注采井组易形成“低注高采、洞注洞采”的注采关系。缝洞型油藏的注采关系因不同岩溶地质背景下缝洞结构的不同而各异(图1)。

图1 不同地质背景岩溶缝洞发育模式

2 周期注水驱油机理

2.1流体流动特征

由于碳酸盐岩缝洞型油藏的主要储集空间为裂缝和溶洞，基质基本不具有储集性，且缝洞储集体的形态、规模和空间分布特征存在差异，导致缝洞组合模式相当复杂，使得流体的流动规律有别于常规砂岩油藏，是多种流动机理共同作用的耦合流动[3-5]。在缝洞型碳酸盐岩油藏中起连通作用的裂缝多为溶蚀缝，流体在大尺度裂缝中流动毛细管力基本不起作用，流动以管流为主；当流体在岩溶暗河里流动时，则形成空腔流；在微裂缝发育区形成的微裂缝-溶蚀孔洞储集体中则属于达西渗流。大尺度裂缝和岩溶暗河里流体流动规律适合用Navier-Stokes方程来描述，微裂缝-溶蚀孔洞适合用达西渗流方程来描述[5]。岩溶管道和大尺度裂缝即是缝洞型油藏储集空间，也是缝洞间的主要连通通道。所以缝洞型油藏的缝洞组合应主要包含大尺度裂缝、岩溶管道和溶洞，才能用于分析在注采关系下缝洞中的油水流动特征和分布规律，进一步认识注水驱油机理。

2.2驱油机理模拟分析

在常规砂岩油藏中周期注水方式作为一种提高水驱效率的方法，已形成了较为成熟的周期注水技术。周期注水作用机理与连续注水不完全一样，是利用周期性地改变注水量和注入压力，在油层中形成不稳定的压力状态，引起不同渗透率层间或裂缝与基岩块间液体不稳定交渗流动，使滞留状态的原油动用起来，提高注入水的利用率，扩大注入水波及体积，从而提高水驱采收率[6-9]。

图2 缝洞型油藏缝洞组合模型示意

为了明确缝洞型碳酸盐岩油藏在周期注水方式下，注入水的流动特征和油水的分布规律，运用CFD流体力学软件，设计了包含大尺度裂缝、岩溶管道、溶洞、微裂缝和孔洞5种储集空间类型的缝洞组合模型，且将模型水平放置在左侧设计为注水端、右侧设计为采油端进行模拟实验(图2)。

2.2.1 连续注水方式油水分布特征

模型首先进行了连续注水方式下的油水流动特征分析，从模拟时间截图(图3，a)可以看出，缝洞型油藏中连续注水方式的注水驱油具有以下4方面特点：1)注入水优先占据岩溶管道和大尺度裂缝主通道并沿其展布方向推进；2)随着注水时间的延续，注水波及范围逐步横向扩大，波及连接的溶洞和裂缝；3)注入水在岩溶管道和大尺度裂缝中呈活塞式驱替,在溶洞中存在绕流现象；4)水窜后的剩余油富集在主通道间的裂缝和次通道连接的溶洞和孔洞中。

图3 连续注水、周期注水方式下的油水分布

2.2.2 周期注水方式油水分布特征

由于在周期注水方式中注水井采取“注水-停注”为周期的注水方式，所以在注水周期和停注周期中注水驱替和油水分布特征会存在一定的差异性。

1)停注周期

模型在连续注水方式水窜后转周期注水方式进行模拟分析。首先对注水井停注，分析在停注周期内油水分布的变化特征。从停注周期的模拟时间截图可以看出(图3，b)，停注后随驱动能量的减弱，整体采油端附近含水越来越少，注水端附近含水相对保持最高；受流动压差的作用，部分注水波及孔洞的剩余油向与之连通的大尺度裂缝流动，压力波及的溶洞内剩余油向岩溶管道流动；岩溶管道中的剩余油沿管壁两侧呈带状分布，大尺度裂缝中的剩余油呈段塞式分布，采出端附近剩余油零散分布。

2)注水周期

从模拟的注水周期油水分布图(图3,c)可以看出，在注水端注入水继承前期水驱主通道方向推进，但受通道中剩余油、水分布的影响，注水波及的次级通道范围有增大；注入水在大尺度裂缝中前期以油水两相“段塞流”驱替为主，后期以水相单相“管流”为主；在岩溶管道中，以活塞式管流为主；注水周期驱动通道中重新聚集剩余油。

基于数模模拟所反映的周期注水方式下流体流动特征，再结合常规砂岩油藏周期注水驱油机理，类比分析缝洞型油藏中周期注水驱油机理。将缝洞型油藏与砂岩油藏周期注水驱油机理分为不同点和相同点(见表1)。

表1 周期注水驱油机理的异同点

驱油机理的相同点：

(1)周期注水在地层中造成不稳定的压力场，使油水在地层中不断重新分布[10]；

(2)发挥重力及浮力的作用[11-12](缝洞型油藏中，各类岩溶缝洞组合关系下的注采关系不同，停注周期随外加动力的逐渐减弱，浮力起主要作用；注水周期重力起主要作用)。

(3)周期性驱替压差具有压差解堵和弹性驱替作用。

驱油机理的不同点：

(1)驱替特点：常规砂岩油藏周期注水渗吸和压差作用替油(停注周期时，由于清水岩石的自吸作用，小孔隙中的油被水置换出来进入大孔道，被注入水驱走)[13]；缝洞型油藏流动压差作用驱油(在岩溶管道和大尺度裂缝通道中注入水呈活塞式驱动，见图3，c)。

(2)连通介质：常规砂岩油藏连通介质为高渗带或裂缝通道；缝洞型油藏以岩溶管道和大尺度裂缝为连通主要介质。

(3)剩余油赋存位置：常规砂岩油藏为低渗带供油(孔隙、裂缝)；缝洞型油藏为管道盲端、微裂缝、相连溶洞和孔洞供油(图3，b)。

(4)流动特征：常规砂岩油藏在不同渗透率层间产生交渗流动[14]；缝洞型油藏在岩溶管道和大尺度裂缝中产生段塞管流和管流。

通过周期注水驱油机理的类比分析认为，在具有大尺度的储集空间和复杂连通介质的缝洞型油藏中，流体流动特征、油水分布规律以及流体力学作用机理与常规砂岩油藏明显不同。总结认为在缝洞型油藏中周期注水驱油机理是：通过周期性地改变注水量和注入压力引起大尺度缝洞连通体中流体流动状态的变化(段塞流、管流)，在重力及浮力以及流动压差综合作用下，使管道盲端、微裂缝、相连溶洞和孔洞中的剩余油得到动用，实现扩大注水波及体积的目的。

3 现场实践

周期注水提高水驱效果已被国内外大量的矿场试验结果证实。在塔河油田缝洞型油藏中，从2013年开始对连续注水的低效注水单元开展了转周期注水矿场试验。现场实施转周期注水井组20个，注水效果得到改善井组17个，周期注水有效率达85%。

如风化壳岩溶发育区的TK617CH-TK629注采井组，TK629井在2011年11月开始转单元注水，初期采取连续注水方式，注水强度350 m3，在2012年2月TK629井开始见效，后期通过调整注水强度，TK629井日产油量和含水率呈波动变化，含水率平均保持在75%以上。2013年2月TK617CH井转周期注水，采用对称型注25 d停25 d的注水周期，注水强度200 m3，实施3个周期后TK629井开始见效，日产油量从10 t/d逐步上升至30 t/d，含水率从86%快速下降到5%，注采井组生产状况得到明显改善(图4)。该井组代表了在缝洞型油藏中利用周期注水方式改善水驱效果的成功例子，现场试验证明在缝洞型油藏中采取周期注水方式是可行的。

图4 TTK617CH-TK629井组注采曲线

4 结束语

缝洞型碳酸盐岩油藏在各类地质背景下具有不同的缝洞组合结构，形成的注采关系各不相同。通过数值模拟和类比分析，探索总结了适用于各类地质背景下的缝洞型油藏中周期注水的驱油机理：即通过周期性地改变注水量和注入压力引起大尺度缝洞连通体中流体流动状态的变化(段塞流、管流)，在重力及浮力以及流动压差综合作用下，使管道盲端、微裂缝、相连溶洞、孔洞中的剩余油得到动用，实现扩大注水波及体积的目的。由于缝洞型油藏非均质型极强，缝洞关系结构的确定难度很大，对周期注水驱油机理的认识还需要结合其他手段进行综合论证，以便更好地指导现场周期注水方式下水驱采收率的提高。

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(编辑 谢 葵)

Mechanism of cyclic water flooding in fractured-vuggy type carbonate reservoir

Zhang Xiao1,Li Xiaobo1,Rong Yuanshuai1,Yang Min1,Wu Feng2,Liu Dongqing1

(1.PetroleumExploration&ProductionResearchInstituteofNorthwestCompany,SINOPEC,Urumqi830011,China; 2.theStateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500 ,China)

Whether cyclic water flooding can be implemented in fractured-vuggy carbonate reservoir,it is still uncertain.Aiming at the problem,by analyzing the relationship between injection and production in fractured-vuggy reservoir under different karst background,a mechanism model of fractured-vuggy combination was built by a set of CFD fluid mechanic software.And then the cyclic waterflooding was stimulated on the model.The mechanism of cyclic water flooding was summarized by the analogy method.The fluid flow regime,slug flow and pipe flow,in the connected body of large-scale fractured-vuggy was converted by periodically changing the water injection rate and the injection pressure.Remaining oil in dead-end,micro-fracture,and connected vug was produced under the comprehensive effect of gravity,buoyancy,and differential pressure of flow.As a result,the water swept volume was increased.The mechanism can provide theoretical basis for selecting water flooding pattern and determining parameters of injection and production under different karst background.

Tahe Oilfield;fractured-vuggy type reservoir;water flooding;mechanism;cycle water injection

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.02.008

2017-02-15；改回日期：2017-03-22。

张晓(1982—)，工程师，现主要从事塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏开发工作。E-mail：113231218@qq.com。

国家科技重大专项(2016ZX05053)项目“塔里木盆地碳酸盐岩油气田提高采收率关键技术示范工程”项目资助。

TE341

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