封堵优势通道动用剩余油机制及策略

肖 康,穆龙新,姜汉桥,申 健,张鹏宇

[1. 中国石油 勘探开发研究院,北京 100083; 2. 中国石油大学(北京) 石油工程学院,北京 102249;3. 中海油研究总院,北京 100028; 4.中国石油 渤海钻探工程公司,天津 300457]

目前国内大部分砂岩油藏均经历了多年注水开发，并已进入了“高含水、高采出程度”阶段，但由于有相当一部分储层发育了水驱优势通道，使地下储层仍赋存着较多的被注入水绕留的剩余油[1-2]。为挖潜此类剩余油，目前国内外学者及现场技术人员对高含水期水驱剩余油表征、调剖堵水决策及増油效果评价和现场堵剂研发设计等方面进行了深入研究[3-7]，并取得了较好效果，但研究对象大多为动态指标及宏观剩余油分布，缺乏对封堵机制的微观评价，对控制封堵效果内在机制的理解不深入，对不同类型优势通道下剩余油动用方法适应性的研究也较少，这都会在一定程度上限制高含水期进一步提高剩余油挖潜的效果。

为此，本研究将以可快速模拟水驱优势通道形成的三维模型为基础，利用核磁成像及T2谱分别对封堵优势通道下剩余油宏观及微观分布特征进行研究，总结剩余油动用内在影响因素，并通过数值试验方法，量化动用方法、储层特征及动用效果等三者间关系，为现场调剖堵水优化设计提供一定理论指导。

1 封堵优势通道物理模拟

1.1 三维模型建立

本文以胜利油田中高渗砂岩油藏为研究对象，对已发育优势通道井点的渗透率变化进行统计，通过量化累计过水倍数与渗透率扩大倍数间关系来表征优势通道发育过程[8]，总结出了强与弱两类水驱优势通道发育模式，见公式(1)和(2)。以此为基础，在传统胶结岩心中加入可溶性离子(钠和钾为主)，通过控制压制压力及离子含量，来拟合两类实际优势通道变化模式。

强优势通道：

y=1+11[1-exp(-k1x2)],k1=8～12

(1)

弱优势通道：

y=1+5(1+α-β)-1]

(2)

式中:x为累计注入PV数与最大累计注入PV数比值，小数；y为渗透率扩大倍数，小数；α为0.008～0.012；β为5.5～6.5。

基于公式(1)和(2)，建立了可发育强与弱两类优

势通道的三维模型(图1)，通过注入水冲刷，使油水井间快速发育优势通道。其中，图1中阀门均由高强度高分子化合材料制成，不与核磁共振仪器的磁场发生反应，且耐压能力符合此次实验要求。两类模型主要参数如表1。

1.2 实验流程

模型的高矿化度会对电阻探针监测产生较大影响，因此这里采用核磁成像获得模型含油饱和度分布，并利用T2谱测试获取孔隙动用分布。

实验的总体流程如下：

1) 模型抽真空饱和可溶性离子水，进行核磁成像；

2) 模型饱和氟油(无核磁信号)，进行核磁成像，然后在模型中均匀钻取25个岩心，分别测T2谱，将未钻孔模型静置老化48 h；

3) 将未钻孔模型进行地层水驱油，水驱方向为单对角线驱替，单井注入速度1.0 mL/min，直至含水达到98%为止，进行核磁成像及T2谱测试流程；

4) 对每类模型中未钻孔模型分别进行小剂量高分子量聚合物调剖及延缓交联型弱凝胶调驱，含水再次达到98%时，进行核磁成像及T2谱测试流程。

其中，流程4)中聚合物浓度及分子量分别为

图1 强优势与弱优势通道三维物理模型Fig.1 Strong and weak path 3D physical model

三维模型类型顶底层(长/cm)×(宽/cm)×(高/cm)初始渗透率/(10-3μm2)渗透率级差孔隙度/%孔隙体积/mL强优势通道低渗高渗29．7×29．5×4．1198．562012．4510．1423．15415．8026．73480．10弱优势通道低渗高渗29．6×29．9×4．0202．52410．252．0323．42414．5524．01425．00

注:模型纵向分成2层，每层在驱替初始保持均质，具有纵向正韵律特征；每类模型包括4块相同模型，同时进行驱替及检测，以弥补钻孔取心进行T2谱测试时造成的模型破坏，表中数据均为4块模型参数平均值。

2 000 mg/L和2 500万，剪切后粘度为80～120 mPa·s，封堵半径为油水井连线1/6～2/6，后置段塞为浓度500mg/L和分子量1 000万的聚合物；弱凝胶由浓度1 000 mg/L和分子量1 000～1 500万的聚合物溶液、浓度70～90 mg/L含有Cr的金属有机化合物溶液及含硫脲的溶液配成，成胶时间35～48h(期间关井)，封堵半径为油水井连线3/6～4/6，后置段塞与调剖一致。

针对核磁成像饱和度标定作简要介绍：①将不同渗透率岩心进行抽真空饱和水，进行核磁成像，每根岩心得到一幅灰度图，并得到灰度值总和；②每根岩心水驱油至不同含水阶段，进行核磁成像，得到相应灰度值总和；③做出不同含水饱和度下灰度值总和与完全饱和水时灰度值总和的比值与相应含水饱和度的曲线关系图，进行回归，得到拟合曲线[公式(3)]，针对不同阶段核磁成像灰度图进行含油饱和度反演。

y=1.068(1+0.07x-4)-1

(3)

式中:x为含水饱和度，小数；y为某含水饱和度下灰度值总和与完全饱和水时的比值，小数。

在核磁成像过程中，对所钻取岩心进行小、中、大孔隙绝对含油饱和度反演计算[9-10]，再进行平面插值，得到不同阶段顶底层孔隙绝对含油饱和度分布。

1.3 封堵机制分析

1.3.1 提高采出程度

由表2可看出，在调驱与调剖两种封堵方式下，强优势通道模型的封堵效果均好于弱通道模型，这是由于强通道模型剩余油富集程度高、剩余潜力大，在封堵半径一致下，其采出油量也越多。此外，由于调驱封堵半径大，注入水在模型深部仍可改变流向以驱替剩余油，且调剖在强通道模型中易使优势渗流再次发生，因此强通道模型调驱封堵效果及效率均远好于调剖；而弱通道模型剩余油潜力较小，虽调驱提高采出程度略高于调剖，但调剖封堵效率要好于调驱。强优势通道适合于封堵半径大的调驱封堵，弱通道适合于封堵半径小的调剖封堵。总之，优势通道规模、剩余油潜力和封堵方式等因素共同决定了优势通道下剩余油动用方式的选择，其中调驱过程中关井待堵剂成胶是关键，防止未成胶堵剂发生窜流。

1.3.2 含油饱和度分布

由图2可知，由于受剩余潜力小、封堵改变流线程度有限等限制，弱优势通道模型顶底层的调驱封堵扩大波及范围的效果略好于调剖。且顶底层优势渗流差异较小，降低了堵剂封堵差异。考虑封堵效率，调剖适合于弱通道模型。

图2 弱优势通道模型封堵后含油饱和度分布变化Fig.2 Remaining oil distribution in weak path model after plugginga.顶层水驱末；b.顶层调剖末；c.顶层调驱末；d.底层水驱末；e.底层调剖末；f.底层调驱末

二维模型类型封堵提高采收率/%每mL堵剂下提高采收率/%调驱调剖调驱调剖弱优势通道5．0203．9300．0460．054强优势通道10．5705．7900．0980．079

由图3可知，强优势通道模型调驱效果，尤其是底层，要远好于调剖，调剖易引发二次窜流，封堵效果较差。此外，顶底层窜流差异较大，调驱堵剂优先进入底层进行封堵，使底层波及变化较明显。综上，调驱适合于强通道模型。

1.3.3 孔隙动用分布

1) 弱优势通道模型

由图4可知，由于调驱封堵半径大，弱优势通道模型各级孔隙调驱效果均好于调剖，但又由于弱通道模型潜力较小，削弱了两类动用方式的差异，也使两类方式改善效果均有限。在不同动用方式下，顶底层各级孔隙动用差异不大，大孔隙动用贡献略高于中小孔隙，这是由于弱通道模型窜流程度低，各级孔隙水驱波及差异小，使堵剂对各级孔隙波及的改善差异也较小。总之，从孔隙动用的角度，并结合封堵效率，调剖也适合于弱优势通道。

2) 强优势通道模型

由图5可知，强优势通道模型各级孔隙，尤其是大孔隙，调驱效果远好于调剖，中小孔隙的动用差异很小。这是由于强通道模型窜流主要发生在大孔隙，堵剂优先封堵大孔隙，大幅提高了其动用程度，且由于强通道模型剩余潜力大，充分发挥了调驱封堵能力，使两类封堵方式差异较大。此外，顶底层动用差异也由于大孔隙封堵差异而变大。总之，调驱凭借着其较强的使液流在平面及纵向转向能力，大幅提高强通道模型孔隙动用。

2 封堵优势通道策略研究

2.1 数值模拟模型建立

根据物理实验，建立水驱末实验室尺度数值模拟模型，量化研究封堵策略。

图3 强优势通道模型封堵后含油饱和度分布变化Fig.3 Remaining oil distribution in strong path model after plugginga.顶层水驱末；b.顶层调剖末；c.顶层调驱末；d.底层水驱末；e.底层调剖末；f.底层调驱末

图4 弱优势通道模型纵向不同部位孔隙动用情况Fig.4 Production from different types of pores in weak path model after plugginga.顶层；b.底层

图5 强优势通道模型纵向不同部位孔隙动用情况Fig.5 Production from different types of pores in strong path model after plugginga.顶层；b.底层

首先是模型初始化，包括渗透率、含油饱和度及压力等3类场分布，前两个可从实验直接获得。压力场获得方法如下：将实验水驱末渗透率及饱和度场、均质压力场赋给模型，水驱模拟至含水98%，此时压力场作为此次模拟初始压力场。由于封堵时间较短，不考虑渗透率变化。

然后进行实验封堵拟合，模型考虑了堵剂的粘浓、剪切、吸附、残余阻力及凝胶生成过程等机理[11-13]，拟合结果见表3。由表3可知拟合结果良好，可进行下步封堵策略优化研究。

2.2 响应面优化

目前利用响应面原理进行多因素研究[14-15]，已在多个领域取得了较好效果，这里将引入响应面分析，量化分析封堵效果与影响因素之间的响应关系。

影响封堵效果的因素较多，全部考虑会使响应面分析复杂化，因此这里利用数值模拟通过偏相关分析获得此次封堵的主要影响因素[10]，即调剖/驱注入PV数(x1)、调剖/驱注入浓度(x2)及模型初始渗透率级差(x3)，同时也得到三者合适的优化范围，见表4，响应变量为单位调剖(驱)剂用量下采出程度提高值(y)。

根据表4，利用Box-Behnken设计方法进行数值试验设计，并分别对调剖与调驱进行二次多元方程回归，并对其参数及方程项进行检验[15-16]，最终得到两类封堵的响应面函数：

表3 封堵数值模拟模型与物理模型拟合情况

表4 响应面分析因素参数Table 4 Parameters of two sealing styles

图6 不同初始渗透率级差在不同调剖参数下提高采收率变化Fig.6 Enhanced oil recovery for different initial permeability and by different strategies of short radius plugginga.级差2；b. 级差5

图7 不同初始渗透率级差在不同调驱参数下提高采收率变化Fig.7 Enhanced oil recovery for different initial permeability and by different strategies of large radius plugginga.级差5；b. 级差10

(4)

(5)

其中：y1，y2为单位堵剂调剖、调驱提高采收率，%。

根据式(4)和式(5)，在自变量的取值范围内求偏导[15-16]，进行调剖/驱因素研究及其参数优化设计(图6，图7)。

图6和图7中虚线椭圆包含范围即为特定优势通道下最优调剖/驱工作制度范围。针对调剖，较强优势通道最优注入PV数与最优注入浓度均大一些，注入浓度变化较明显，且浓度过大会使调剖效率降低，因此，调剖中，在合适的注入PV数下，浓度可适当降低以提高调剖效率与堵剂注入性；针对调驱，强优势通道的最优注入浓度与PV数也较大，注入PV数变化较明显，且由于适合于调驱的优势通道发育规模较大，因此较高的注入浓度不会影响调驱效率与注入能力，此时，应适当提高堵剂注入PV数，以保证封堵质量。

3 结论

1) 根据实际油藏渗透率变化规律，建立了可在室内快速模拟水驱优势通道发育的三维物理模型，并通过量化核磁成像与饱和度变化的关系，可获得无探针监测下的含油饱和度分布。

2) 基于核磁成像处理，针对不同封堵方法下提高采出程度及宏观含油饱和度分布进行了分析，考虑封堵效率，近井调剖及深部调驱分别适合于弱与强优势通道，且发生二次窜流的程度及初始潜力的大小很大程度上决定着封堵效果。

3) 根据核磁T2谱分析，针对不同级别孔隙在不同封堵方法下的动用特征进行了总结。在调驱下，强优势通道的大孔隙动用对整体贡献最高，而调剖时弱通道各级别孔隙动用差异不大；同时，大孔隙动用差异是影响不同封堵方法的主要因素，且孔隙内窜流程度对堵剂流向有重要影响，并控制着封堵效果。

4) 利用响应面分析，对封堵方法进行了优化设计。弱优势通道在调剖时，应使堵剂浓度不易过高，以保证其注入性；强优势通道在调驱时，可适当提高堵剂注入PV数及浓度，以增强封堵能力。

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