改变微观水驱液流方向提高剩余油采收率试验研究
刘志宏1, 鞠斌山2, 黄迎松1, 吴聃2, 贾俊山1, 刘海成1    
1. 中国石化胜利油田分公司地质科学研究院, 山东东营 257015;
2. 中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083
摘要:为了弄清特高含水油藏微观剩余油类型及提高剩余油的动用效果,进行了微观水驱油特征试验研究.在分析剩余油的几何特征和建立孔喉特征分析方法的基础上,进行了剩余油分类.采用微观可视化驱替试验、图像识别与统计等方法,定量分析了改变液流方向对微观剩余油的影响.试验结果分析表明:不改变液流方向的水驱剩余油饱和度为20.90%;改变液流方向后,继续水驱后剩余油饱和度降为9.69%;改变液流方向后原油采收率可提高11.2百分点.研究表明,改变液流方向后,随着注水量增加,分支状和连片型剩余油饱和度呈指数递减,油膜状、柱状和滴状剩余油饱和度先增大后减小,符合二次多项式函数关系.研究结果为水驱提高剩余油采出程度提供了理论基础.
关键词微观模型    水驱    改变液流方向    剩余油    提高采收率    
Experimental Study on Microscopic Water-Flooding to EOR of Remaining Oil through Changing Flow Direction
Liu Zhihong1, Ju Binshan2, Huang Yingsong1, Wu Dan2, Jia Junshan1, Liu Haicheng1    
1. Geological Science Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying, Shandong, 257015, China;
2. School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing, 100083, China
Abstract:To understand the type of remaining oil and the efficiency of enhanced oil recovery (EOR) in super-high water-cut oil reservoirs, experiments were conducted on the characteristic of oil displacement by water in micro-model. Based on analytical methods of geometric characterization of remaining oil and pore throats, remaining oil was classified. Moreover, flow direction effects on microscopic remaining oil were identified by using visible waterflooding test in micro-model, image recognition, statistical calculation technology, and other methods. Results showed that final oil saturation is 20.90% when flow direction remain unchanged. Nevertheless, it drops to 9.69% in continuous waterflooding if flow direction is changed, which could be raised by 11.2 percent of oil recovery. The research indicated that, the saturation of contiguous and branched remaining oil declines in exponential function, while the saturation of droplet, columnar or oil film remaining oil increases then declines in quadratic polynomial function with water injection after flow direction change. The research provides a theoretical basis for improving the recovery of remaining oil through waterflooding.
Key words: micro-model    water drive    flow direction change    remaining oil    enhanced oil recovery    

目前,我国许多油田已进入了特高含水阶段,该阶段油藏开发的主要研究方向之一就是“认识和开发剩余油”[1]。研究微观剩余油的成因、类型、驱油仿真[2,3,4]及制定有效的动用措施,对于提高采收率具有重要意义。近年来,国内外学者研究水驱后剩余油的形成机理与分布特征时,主要采用岩心驱替、测井、油藏工程、油藏数值模拟和试井等方法,然而这些手段难以直观地显示微观渗流过程和剩余油类型。图像采集及分析技术的发展,为定量研究微观剩余油类型和分布特征奠定了良好的基础[5,6,7],并应用在注水试验上[8,9,10,11];微观模型已经被应用于水驱油试验上[12,13,14],但未被应用于微观剩余油类型的定量划分标准和剩余油定量计算方法中。

笔者针对微观剩余油形成机理的复杂性和分布的多样性,组建了微观驱替试验及图像采集系统,利用图像识别和统计方法,开展了微观水驱油可视试验和剩余油的几何特征分析方法的研究,建立了微观剩余油类型的划分标准,实现了剩余油饱和度和每种类型剩余油含量的定量计算,并分析了注水量和改变液流方向对驱油效果的影响。

1 微观水驱试验及剩余油分析技术 1.1 微观水驱试验原理与方法

在玻璃上利用氢氟酸溶蚀制成网络刻槽,将一块平板玻璃盖在刻蚀好的玻璃上,并用环氧树脂将2块玻璃粘结起来,制作成仿真岩心孔隙网络模型,然后进行注水驱替不同黏度原油的试验,试验装置如图 1所示。

图 1 微观水驱试验装置 Fig. 1 Test unit of microscopic waterflooding

试验步骤为:

1) 将玻璃刻蚀模型装入可视化夹持器中;

2) 施加适当围压,对玻璃刻蚀模型抽真空,并饱和原油,直至原油充满整个玻璃刻蚀模型,静置一段时间至采集的画面稳定为止;

3) 启动微量恒速泵,设定驱替速度为0.1 mL/min,注入黏度0.5 mPa·s的水,进行驱替试验;

4) 直至出口端不再出油停止驱替,驱替过程中进行动态过程摄像,实时记录水驱油的动态过程、注水量、采油量和相关的动态图像;

5) 改变注水方向,设定驱替速度为0.1 mL/min,继续注水,记录注水时间、采油量及动态图像。

1.2 微观可视渗流网络仿真模型

微观可视模型[15,16,17]是仿照常规砂岩储层的孔隙特征制作的网络模型,适用于常规砂岩孔隙介质内的驱油过程研究。该模型采用的是玻璃刻蚀制造工艺,具有透光性,实现了微观驱替过程中实时动态的可视化。整个模型为正方形,边长为25 mm,面积为625 mm,孔隙度为38%。试验过程中,摄像机拍照时间间隔为1 s。

1.3 微观剩余油分析技术

利用软件Imagepro-plus6.0的图像识别、计算和统计功能,对微观水驱图片的剩余油进行计算,进而表征剩余油的多少和剩余油的分散程度。

图像处理软件Imagepro-plus6.0可以对每团剩余油编号进行像素计算,通过统计像素的方法计算得到了每个像素点所占的面积,也就得到了像素点和面积之间的关系。实际数据验算表明,该计算方法的相对误差为1.474%,在试验允许的误差范围内,对于后期所精选的试验图片进行剩余油像素测定就可以换算出水驱油过程中不同时刻玻璃刻蚀模型内的剩余油面积,并计算得到不同类型剩余油的面积、剩余油饱和度和采收率等参数。

2 微观剩余油几何表征及分类方法

为了对微观剩余油的形态分类,引入剩余油联通孔隙系数、油孔径比和形状因子3个参数。

将充满剩余油相互联通孔喉的数量定义为剩余油联通孔隙系数,用Cn表示。将束缚油等效直径与喉道过水断面等效直径之比定义为油孔径比,即:

式中:Roc为油孔径比;Do为束缚油的等效直径,m;Dc为喉道过水断面的等效直径,m。

定义某一微观渗流通道内剩余油长轴与短轴之比为形状因子,即:

式中:G为形状因子;L为剩余油块长轴的长度,m;W为剩余油块短轴的长度,m。

剩余油的形状不同,其形状因子明显不同;形状因子越小,相同体积下剩余油的表面积越大,剩余油块的形状越规则。

以上述3个参数为剩余油几何形态分类的依据。其中剩余油联通孔隙数可以准确表征统计区内剩余油占据的相互连通喉道的数量;计算油孔径比时受喉道直径变化的影响,对于不规则的喉道,计算精度会降低,在实际计算时,采用取平均值的方法,虽然不十分精确,但可以满足油膜型剩余油形态识别的要求;形状因子可以准确表征孤立型剩余油的形状,该参数采用统计方法计算,简单而准确。

根据以上3个特征参数和剩余油微观图像分析结果,将剩余油分为5种类型(见表 1)。

表1 微观剩余油类型 Table 1 Types of microscopic remaining oil
3 改变液流方向对驱替效率的影响 3.1 影响机理

在分析原有水驱方法的剩余油分布及存在形态后,改变渗流方向,油层中的压力重新分布,使注入水进入未波及的残油区,实现地下流体流动方向的改变,使油层中动用差和未动用的剩余储量得到动用,改善宏观非均质油层的开采状况和微观非均质油藏的驱油状况,减少注入水无效循环,提高水驱波及系数,从而增加可采储量,提高最终采收率。

油藏在实际开发中,主要采用井网调整或转注高含水井等措施来改变液流方向。其中,井网调整或者注水量调整也可以实现压力场的重新分布;转注高含水井是一种行之有效的改变液流方向的调整方法,由于地层的非均质性和注入水的长期冲刷,造成油层中胶结物的脱落,局部地区形成水窜大孔道,在采取堵水调剖措施无效或效果较小的情况下,唯一的解决办法就是转注,关闭注入水无效循环的通道,把注入水引向有利于驱油的方向。

3.2 试验结果分析

在不改变注水方向的情况下,剩余油呈连片型、分支状、油膜状、滴状或柱状形态;如果继续注水,孔隙网络中已经形成了固定的渗流通道,剩余油无法采出。因此,采取改变注水方向的手段,研究剩余油的动用情况。

3.2.1 改变液流方向对不同类型剩余油驱替效果的影响

改变液流方向前后驱替剩余油的整体效果如图 2所示,改变液流方向前后驱替不同类型剩余油比例对比如图 3所示。试验结果表明:

图 2 改变液流方向驱替剩余油整体效果对比 Fig. 2 Displacement of remaining oil before and after flow direction change
图 3 改变液流方向前后驱替不同类型剩余油比例对比 Fig. 3 Percentage of each type of remaining oil before and after flow direction change

1) 改变液流方向前驱替剩余油饱和度为20.9%,改变液流方向驱替后剩余油饱和度为9.7%,说明改变液流方向可以大幅度提高采收率。

2 ) 改变液流方向对连片型剩余油和分支状剩余油的驱替效果最佳,大部分连片型剩余油都被驱替出去,少部分转化为油膜型、滴状和柱状剩余油;分支状剩余油被驱替殆尽。

改变驱替液流方向对连片型剩余油和分支状剩余油的驱替效率有明显的提高作用,因此下文只对这2种类型的剩余油进行分析。当这2种剩余油附近形成了压力梯度时,可以改变驱替液流方向,达到提高驱替效率的作用。

3.2.2 不同饱和度阶段各类剩余油分布及变化规律分析

图 4为改变液流方向前后,不同饱和度阶段各类剩余油的驱替情况。由图 4可以看出:改变液流方向时,对应阶段的注入量分别为10.214,1.399,1.399,1.399,1.819倍孔隙体积,不同饱和度阶段各类剩余油的比例明显不同,剩余油饱和度越低,连片型剩余油和分支状剩余油比例越低,滴状剩余油的比例越高;油膜状和柱状剩余油比例随饱和度降低呈现先增大后减小的趋势(见图 5)。

图 4 不同饱和度阶段各类剩余油的分布情况 Fig. 4 Distribution of each type of remaining oil at different saturations
图 5 不同注入阶段五类剩余油的百分比 Fig. 5 Percentages of five types of remaining oil at different injection stages

表 2给出了改变液流方向后水驱得到的剩余油面积和注入水体积的定量关系。随着注入水体积增加,剩余油饱和度明显降低,最终降至9.66%;连片型和分支状剩余油面积与注水量呈现单调指数递减规律(见图 6),其中连片型和分支状剩余油面积与注入量的关系式分别为:

式中:Sorco,Sorbr分别为连片型和分支状剩余油面积,mm2;VP为注入水体积,孔隙体积。

图 6 5种类型剩余油变化规律 Fig. 6 Variation of five types of remaining oil
表2 改变液流方向后剩余油面积与注入水体积的关系 Table 2 Relations between remaining oil area and injected water volume after flow direction change
累计注入水体积/孔隙体积 剩余油饱和度,% 剩余油面积/mm2
连片型 分枝状 油膜状 柱状 滴状 合计
0 20.82 22.29 12.18 9.11 3.77 2.62 49.97
1.40 18.43 11.60 6.75 13.19 7.50 5.19 44.24
2.80 16.90 6.69 4.12 14.79 7.97 7.01 40.57
4.20 11.84 4.37 2.48 8.63 6.81 6.12 28.40
6.02 9.66 3.00 1.85 6.36 4.52 7.45 23.18

油膜状、柱状和滴状剩余油面积随注水量增加先增大后减小,可以用二次多项式来描述剩余油面积与注水量的关系,其关系式分别为:

式中:Sorfi,Sorcl,Sordr分别为油膜状、柱状和滴状剩余油面积,mm2

3.2.3 各个驱替阶段动用不同类型的剩余油

不同饱和度下驱替剩余油面积见表 3

表3 不同饱和度下驱替剩余油面积变化 Table 3 Changes of remaining oil areas at different saturations
剩余油饱和度变化阶段 剩余油面积/mm2
连片型 分枝状 油膜状 柱状 滴状
20.90%—18.50% 10.69 5.42 -4.08 -3.73 -2.56
18.50%—16.97% 4.91 2.63 -1.59 -0.47 -1.82
16.97%—11.88% 2.32 1.64 6.15 1.16 0.89
11.88%—9.69% 1.37 0.63 2.27 2.29 -1.34

表 3可以看出:

1) 剩余油饱和度20.90%—18.50%阶段,主要驱替连片型、分支状剩余油,而油膜状、柱状、滴状剩余油总面积增加较多;

2) 剩余油饱和度18.50%—16.97%阶段,主要驱替连片型、分支状剩余油,油膜状、柱状、滴状剩余油总面积增加较少;

3) 剩余油饱和度16.97%—11.88%阶段,主要驱替油膜状剩余油,其次是连片型、分支状剩余油;

4) 剩余油饱和度11.88%—9.69%阶段,主要驱替柱状剩余油,其次是油膜状、连片型剩余油,滴状剩余油面积有所增加。

3.2.4 连片型剩余油

连片型剩余油所在的孔隙、喉道之间相互联通且充满剩余油,Cn>5,Roc=1。任意联通喉道中心轴向压力梯度趋近零,这也是该类剩余油难被动用的原因。可通过改变周围的压力梯度来改变驱替液流方向,从而达到提高驱替效率的目的(见图 7)。

图 7 改变驱替液流方向对连片型剩余油的驱替效率的影响 Fig. 7 Effects of flow direction change on displacement efficiency of contiguous remaining oil

驱替开始时,驱替液流在连片型剩余油的外围流动,驱替效果很不理想;改变连片型剩余油周围的压力梯度后,驱替液流方向有所改变,开始驱替原来波及不到的连片型剩余油,驱替效率明显提高,但是驱替能力有限;继续改变驱替液流方向后,大部分连片型剩余油都被驱替出去,而且形成了较固定的渗流通道;再次改变驱替液流方向后,又有一少部分剩余油被驱替出去,但是驱替效率提高很少;继续驱替时,可以看到有一部分剩余油堵住了之前一个方向的液流通道,使液流方向发生较大的改变,此时的驱油效率基本上不再增加,说明已经形成了固定的液流方向(见图 7(e)—(f)),驱替液会沿着固定的渗流通道流出,提高驱替速度也很难动用剩下的那部分剩余油了。上述分析表明:当连片型剩余油周围形成固定的压力梯度时,可以通过改变液流方向提高驱替效率,驱替效率可提高至59.1%。

3.2.5 分支状剩余油

分支状剩余油是指2<Cn<5,Roc=1的孔喉中存储的那部分剩余油,通常孔喉相互连通,任意剩余油所在喉道中心轴两端压力梯度趋近零,但周围孔喉压力梯度大于零,只要周围的压力梯度达到一定强度,就可在喉道中心两端形成压力梯度,使液流方向发生改变,达到驱替分枝状剩余油的目的(见图 8)。

图 8 改变驱替液流方向对分支状剩余油的驱替效率的影响 Fig. 8 Effects of flow direction change on displacement efficiency of branched remaining oil

驱替开始时,液流基本在分支状剩余油外围流动,大部分剩余油无法被驱替出去;当适当改变驱替液流方向后,开始驱替分支状剩余油;驱替一段时间后,一段被驱替到此处的剩余油堵住了之前的液流方向,使位于右下角的剩余油无法被水波及到;再次改变驱替液流方向,之前被堵住的渗流通道被打通,使驱替效率有所提高;继续增加驱替液流后,驱替强度足够大,形成的压力梯度也足够大,基本上能驱动大部分分支状剩余油,驱替效率提高明显,说明此时的驱替程度已经接近极限了。由此可以看出,水驱过程中改变驱替液流方向,可以大幅提高分支状剩余油的驱替效率。

4 结 论

1) 水驱时改变液流方向,使局部的连片型和分支状剩余油所占的比例进一步减小,油膜状、滴状和柱状剩余油所占的比例有所增大,表明连片型和分支状剩余油的动用是改善注水效果的关键。

2) 引入了剩余油联通孔隙系数、油孔径比和形状因子3个特征参数,将剩余油分为连片型、分支状、油膜状、滴状和柱状等5种类型。

3 ) 利用刻蚀透明模型可实现微观驱油的可视化和定量表征,但刻蚀透明模型与岩心模型的孔喉特征有一定差异,下一步还需对岩心尺度模型继续开展研究。

4) 室内试验表明,改变液流方向可以明显增大剩余油的动用程度,建议现场通过改变液流方向提高特高含水阶段油藏的开发效果。

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文章信息

刘志宏, 鞠斌山, 黄迎松, 吴聃, 贾俊山, 刘海成
Liu Zhihong, Ju Binshan, Huang Yingsong, Wu Dan, Jia Junshan, Liu Haicheng
改变微观水驱液流方向提高剩余油采收率试验研究
Experimental Study on Microscopic Water-Flooding to EOR of Remaining Oil through Changing Flow Direction
石油钻探技术, 2015, 43(02): 90-96
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(02): 90-96.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201202016

文章历史

收稿日期:2014-08-25
改回日期:2014-12-09

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