油水三次运移速度探究

张荣达 杨光辉 宋志超 秦健飞 马 康 李俊键 姜汉桥

1. 中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249; 2. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249; 3. 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院, 山东 东营 257000

0 前言

中国的断块油藏普遍进入开发后期,生产井的含水率升高导致开采成本也随之上升[1-2],因而已经有很多生产井因为含水过高失去生产价值而停止了生产[3]。Jacota D R[4]发现罗马尼亚的两个区块由于含水率过高停止生产,若干年后尝试开井发现油井产量得到了极大的提升进而又恢复了生产,并提出了油水三次运移的概念，即在封闭条件下,地层的剩余油在浮力以及毛管力的作用下重新进行运移并富集的过程称为油水三次运移。杨勇等人[5]也指出地层中的剩余油会在重力、浮力、毛管力的作用下进行富集,由于进行长时间的关井富集,断块油藏仍然会形成剩余油富集区[6-8],届时再开井生产,会出现含水率下降产量上升的现象。目前对油藏油水三次运移开展的研究主要集中在三次运移的影响因素上[9-12],本文开展的工作则主要针对如何认识油水三次运移的速度。研究采用实验观测的方法对油水三次运移的速度进行了探究,并根据实验模型建立相应的数值模型探究油水三次运移时储层内部的流体分布情况。

1 油水三次运移的室内实验研究

1.1 生产压差对油水三次运移探究

国内的油田开发大多以注水开发为主,而进行关井油水三次运移时注水井和采油井之间存在一定的压差,但是关井后注采压差存在的时间及其对运移影响程度是一个不确定因素,因此建立三维一注一采模型。模型模拟的注采井距为400 m，储层孔隙度为20%，平均渗透率为800×10-3μm2，注采压差为4 MPa，关井时含水率为98%，原始地层压力为20 MPa。通过模拟探究关井后注采井连线所波及到网格压差存在的时间长短以及在这段时间内含油饱和度的变化情况,可以明确注采压差对油水三次运移的影响。模拟结果见图1～2。

图1 关井后注采井间压力变化曲线图Fig.1 Pressure variation curve between injection and production wells after shut-in

图2 关井后注采井间含油饱和度变化曲线图Fig.2 Oil saturation variation curve between injection and production wells after shut-in

通过模拟可以发现,关井一个月后两井之间的压力基本恢复平衡,在压差起作用的阶段井间含油饱和度的变化也十分微小,而关井进行油水三次运移是一个持续数年的过程,相比于一直存在的重力、毛管力以及浮力等,压差的存在对剩余油的富集影响相对较小,因此油水三次运移还是以长期存在的重力和毛管力为主。因此在实验中,关井进行油水三次运移时注采压差的影响可以忽略。

1.2 室内实验研究

为了直观地观察油水三次运移的过程并得到运移速度,实验使用全可视填砂模型,装置长25 cm,内径8 cm,为有机玻璃材质。用苏丹红试剂将实验油染色以此来区分油水分布,初始将水置于油上,这样油水由于存在密度差就会在重力分异以及毛管力的作用下发生运移[13],利用全可视模型观察油水的运移情况并实时记录,采用控制变量的方法先后改变实验倾角以及实验油的黏度来进行实验。共进行了三组对照实验,三组实验的装置倾角和实验油黏度分别为30°-20 mPa·s、30°-10 mPa·s 和60°-20 mPa·s。

实验装置见图3,三次实验的填砂数据见表1,实验步骤如下。

1)清理好全可视填砂模型,准备适量的120目石英砂、足够的染色过的油、足够量的清水和纺纱滤网。

2)在装置底部上好纺纱滤网防止模型内的石英砂堵塞管线,并分多次填砂,逐次压实，最大程度地减小填砂模型的孔隙度。

3)填砂完成后在顶部金属盖螺纹处添加生料带进行密封并抽真空24 h。

4)抽真空后进行自吸饱和水并记录饱和水的量,根据自吸后剩余水的量计算被吸入水的量,进而得到模型的孔隙体积。

5)恒速注入水,待出口端和注入端达到稳定时,测量装置流入流出端的压差,根据达西定律得到砂体的渗透率。

6)倒置装置并以低速(1 mL/min)从模型顶部注油,等待油水界面到达装置一半后停止注油,此时油在上水在下。

7)关闭各个阀门,倒置填砂模型使油在下水在上,保持一定倾角,开始模拟并实时记录油水界面运移的情况。

图3 实验装置图Fig.3 Diagram of experimental equipment

表1 实验填砂数据表

图4 装置倾角为30°时油水运移效果图Fig.4 Effect diagram of oil and water migration with a dip angle of 30°

1.3 实验结果和分析

对三组对比实验的结果进行记录,以实验1为例,图4 展示了不同运移阶段油水界面的位置,三组实验数据见表2～4,油水界面运移速度随时间变化情况见图5～6。

表2 实验1实验数据表

表3 实验2实验数据表

表4 实验3实验数据表

图5 不同黏度运移速度随时间变化图Fig.5 Variation of migration velocity of different viscosity with time

图6 不同倾角运移速度随时间变化图Fig.6 Variation of migration velocity of different angle with time

从对比结果可以看出,地层角度越大,油的黏度越小,油水三次运移效果越好。初期油水三次运移速度比较快,后运移速度逐渐变缓并趋于稳定,通过实验监测得到油水三次运移速度最终趋近于3 m/a。关井进行油水三次运移,是剩余油重新运移并富集的过程,也是油藏经过长期开发后由不均衡的饱和度场向均衡的饱和度场变化的过程,长期水驱开发后储层饱和度场的不均衡是运移的基础,随着油水三次运移的进行,饱和度场逐渐恢复均衡,油藏也逐渐恢复到稳定状态,因此油水三次运移的驱动力逐渐减弱,油水三次运移速度逐渐变缓。

2 油水三次运移数值模拟分析

2.1 油水三次运移的数值模拟方法

由于实验观测到的参数有限,需要借助理论分析的方法做进一步探究[14-16]。根据实验模型尺度建立与之对应的数值模拟模型,将模型延倾角方向划分为50个网格对实验过程进行模拟[17-20]。

根据达西渗流定律可得油、水相的运动方程如式(1)与式(2)所示:

(1)

(2)

在一个网格中发生的是油水的置换过程,所以油相和水相的速度大小相等方向相反。

vw=-vo

(3)

毛管力方程如式(4)所示:

(4)

根据推导得到水相富集速度公式如式(5):

(5)

根据连续性方程(6)可得到式(7):

(6)

(7)

(8)

得到最终的富集速度公式(9)如下:

(9)

对富集速度公式进行有限差分得到计算公式(10):

(10)

式中:vw为水相运移速度,cm/s;vo为油相运移速度,cm/s;K为渗透率,μm2;kro为油相相对渗透率;krw为水相相对渗透率;μw为水相黏度,mPa·s;μo为油相黏度,mPa·s;pw为水相毛管力,Pa;po为油相毛管力,Pa;γw为水相重度,N/m3;γo为油相重度,N/m3;σ为界面张力,dyn/cm;θ为润湿接触角,°;Sw为含水饱和度;pc为毛管力,Pa;φ为孔隙度;t为时间,s;i为网格编号;n为时间步。

2.2 数值模拟结果及分析

根据如上建立的模型运用Matlab来进行模拟,探究油水三次运移速度以及油水界面变化情况,并对数据进行处理分析,得到模型中油水三次运移的速度以及饱和度分布的变化情况。模拟结果见图7～8。

通过分析可以发现,在油水进行三次运移时,模型中饱和度场会进行重新分布,代表平均含水饱和度水平的模型中部含水饱和度变化较小,而代表含油饱和度以及含水饱和度水平较低的模型两端饱和度场变化较大,最后整体趋于稳定。因为油水三次运移是油水置换的过程,而且由于相渗曲线的缘故,在含油饱和度较高的区域不利于水相运移,在水相占优的区域也不利于油相运移,因此对应初始时刻模型的上部和下部,油水三次运移的速度较慢,而油水分布均衡的区域油水置换效果较好。油水三次运移的速度也逐渐趋于稳定,最终稳定在3 m/a,与现场的经验值相符;油水三次运移过程开始后,水先运移到下部并在模型底部开始富集,而油的运移相对较慢。

图7 模型不同部位运移速度分布图Fig.7 Distribution of migration velocity of different model parts

图8 模型不同部位含水饱和度分布图Fig.8 Distribution of water saturation of different model parts

3 结论

1)倾角越大,重力分异作用效果明显,油水三次运移速度越快;原油黏度越小,油相渗流阻力小,油水粘滞力作用影响小,油水三次运移速度越快,富集效果越好。

2)油藏油水三次运移的开始阶段油水运移速度较快,之后运移速度会逐渐变小,最终稳定在3 m/a。

3)由于相渗曲线的存在,含油饱和度高和含水饱和度高的区域都不利于油水置换,因此在饱和度相对均衡的区域油水三次运移速度最快。