引言

世界范围内稠油储量巨大，稠油分布范围广泛，稠油油藏的开发是石油工业的核心工作之一[1-2]。边底水稠油油藏是稠油油藏的重要组成部分。稠油油藏一般采用蒸汽吞吐开发^[3-5]，但开发过程中生产井含水迅速上升，动用程度降低，开发效果受到极大的影响^[6]。后期延续蒸汽吞吐，边底水的侵入使蒸汽热效率迅速下降，地层稠油降黏效果变差^[7-8]；若后期转蒸汽驱，受活跃边底水侵入影响，吞吐末期地层压力较高，井底的蒸汽难以达到要求的干度[ck9]，同时，多轮次吞吐后油井含水率高、加热半径小，井间难以形成有效的热连通，达不到转驱条件，蒸汽驱开发效果很差^[10-14]。因此，提出热采吞吐后转化学冷采的开发方式。虽然学者们对于边水稠油油藏的开发开展了许多研究工作^[14-19]，但是目前关于此种开发方式的研究较少。鉴于此，笔者利用物理模拟方法，以中国胜利油田垦东521区块为原型，建立三维高压物理模型，开展了室内物理模拟实验。实验研究了蒸汽吞吐过程中的边水水侵规律，然后结合水侵规律合理利用边水能量进行冷采开发，分析了温度场、饱和度场和转冷采前后的生产动态特征。结果反映了边水稠油油藏生产的典型特征，蒸汽吞吐后转冷采开发方式具有一定的可行性，可供矿场的生产实践参考。

1 技术思路与机理 1.1 技术思路

边水的侵入是边水稠油油藏开发中比较普遍和棘手的问题。油藏边部因边水的存在，压力较高，蒸汽吞吐生产过程中，压降较大，边水迅速向油层中部推进，水侵范围加大。高含水的井区范围大，采出程度低；低含水的井区经过多轮次吞吐后，产量递减快，难以稳产。继续采用蒸汽吞吐方式开发效果很差，且边水的存在使油藏难以实现蒸汽驱，化学冷采在稠油油藏取得较好的成效，因此，针对此类油藏提出技术思路：先整体进行蒸汽吞吐开发，研究蒸汽吞吐开发的边水水侵规律，根据水侵规律合理利用边水能量进行可调整的冷采开发方式。

1.2 机理分析

边水侵入机理：(1)生产过程中油层压力下降，边水区域压力较高，高压差促使边水侵入。(2)稠油油藏原油在原始油层温度条件下流动能力较差，多轮次蒸汽吞吐后，加热范围内油层动用程度高，油层压力下降快，引起边水快速侵入。(3)油层的加热范围与边水的侵入相互影响，相互制约。

化学冷采机理：(1)化学冷采的主要降黏机理包括乳化稠油形成O/W乳状液降黏和润湿降阻两个方面，降黏剂可在低浓度下高效地降低稠油黏度。(2)蒸汽吞吐后合适的时机转化学冷采开发，在水侵前缘注入降黏体系，合理利用边水能量以达到高效驱油的目的。

2 实验设备与材料 2.1 物理模型的建立

利用量纲分析法和方程分析法相结合建立边水油藏相似准则，相似原理主要包括几何相似、运动相似以及动力相似。前人通过研究^[20-25]，得出了蒸汽吞吐物理模拟实验通用相似准则(表 1)，依据此套相似准则并以原型油藏的地质及流体参数为基础，将油藏尺度参数转换为模型尺度的参数，并确定实验过程中的操作参数。

受到实验条件的限制，部分参数不能完全按照相似比进行折算。井筒半径考虑到实际操作的可行性，没有完全相似。基于上述相似准则群及矿场参数计算确定的模型和实验参数(表 2)。

2.2 实验材料

在本实验中，三维物理模型中充填8~12目的石英砂，实验用油为胜利油田垦东521区块的脱气原油，使用前经过油水分离处理，在油藏温度55 °条件下黏度为6 570 mPa·s。实验用水是根据现场水样分析资料配制的。所用的降黏剂为勘探开发研究院研制的FMP活性高分子降黏剂。

2.3 实验设备

高温高压三维物理模拟实验流程图如图 1所示，实验装置主要由注采系统、模型系统、监测系统、边水能量模拟系统4部分组成。其中，注采系统包括ISCO泵、蒸汽发生器、加热带、回压阀、泄压装置、量筒以及配套的控制阀门；模型系统包括高温高压三维热采模型和恒温箱；边水能量模拟系统通过装有水的中间容器与气瓶相连接，计算所需气体的压力可以模拟不同水体倍数的边水；监测系统主要包括缓冲容器、温度传感器、压力传感器、数据采集箱和计算机。

模型本体是实验装置的核心部分(图 2)，其作用是对油藏原型进行按比例模化，三维模型内腔长100 cm，宽32 cm，深度20 cm，幅体壁厚5 cm，四周有隔热板，最大承压为20 MPa，内部封填不渗透的陶泥以模拟顶、底层，模型的底部和侧面设有可以连接温度传感器与压力传感器的接口，进而可以监测模型中各个位置的温度及压力变化。同时，该模型的侧部及底部设有连接井的接口，该模型可进行水平井井网、直井井网、多井组双水平井SAGD、直井水平井组合SAGD等相关实验的模拟，本次实验采用与矿场一致的直井交错排状井网。模型可以设置一定的角度，在本实验中倾角设定为10°。模型中的水体与装有水的中间容器和气瓶相连接构造具有一定能量的边水油藏。

3 实验方案与流程 3.1 实验方案

以胜利油田垦东521区块为原型，根据其实际布井的方式，设计了蒸汽吞吐后转冷采的实验方案，包含3个生产阶段。

(1) 蒸汽吞吐阶段。图 2中5口井(1井、2井、3井、4井、5井)依次进行蒸汽吞吐生产，含水率达到95%后，停止生产，5井蒸汽吞吐生产结束后，转入化学冷采阶段。

(2) 一线井转注阶段。一线井(1井和2井)同时转注浓度为3 000 mg/L的FMP活性高分子降黏剂溶液，其他井进行生产，含水率达到95%后，关闭一线井与生产井。

(3) 二线井转注阶段。打开二线井(3井)转注降黏剂溶液，4井和5井进行生产，含水率达到95%后，生产结束。

3.2 实验流程

实验流程为：(1) 材料准备，并进行模型装填。先向模型中填入陶泥以模拟下伏岩层。再将模拟井安装到指定的接口，向模型中装填按比例混合好的油砂并压实，同时将温度传感器、压力传感器安装到模型油层的指定位置。当油砂填至设计厚度后，向模型中填入陶泥，模拟上覆岩层。(2) 检验模型气密性。模型装填后，用氮气向模型内加压，并将压力稳定在5 MPa并保持12 h以上。(3) 模型初始化。将填好的模型放置在恒温箱中；设定油藏温度为55 °，使整个模型内外温度均达到55 °。然后向模型内注入原油，使油藏压力达到原始油藏压力，静置48 h。(4) 进行实验。实时监测模型内部各点位的温度以及压力，实时计量油水总量，对产出液进行破乳、分离，计量含水率和产油量。

4 实验结果与探讨 4.1 温度场发育特征

边水稠油油藏物理模拟实验温度场发育特征如图 3所示，初期温度场未受边水影响形状比较对称，随着生产的进行，蒸汽加热范围扩大，温度逐渐升高，生产井周围原油流动能力增强，水体逐渐侵入生产井，注蒸汽的过程受到边水的影响，由于水的比热容较大，蒸汽加热的范围缩小，从温度剖面看，凹陷部位的垂直方向为边水侵入的方向，井周围温度梯度较大的位置为高含水区。

4.2 饱和度场变化特征

边水稠油油藏物理模拟含水饱和度场如图 4所示，随着蒸汽吞吐的进行，加热范围内油层动用程度高，油层压力下降快，边水沿着压力降落的方向快速侵入吞吐井，故近井地带到边水之间的区域含水饱和度上升较快，对温度场有着一定的影响。一线井转注降黏剂阶段，注入井与生产井之间的含水饱和度均匀地上升，降黏剂起到乳化降黏和润湿降阻的作用，在边水的驱动下波及范围较大，产油量明显上升。二线井转注降黏剂阶段，二线井与远端井之间的区域仍存在的部分剩余油被采出，油藏整体含水饱和度上升，转注阶段的采出程度较高。

综合温度场和含水饱和度场的变化进行分析，1井第二轮注蒸汽过程中，由于边水的侵入导致蒸汽的热量损失，井周围边水侵入区域的温度梯度较大，且温度剖面呈现凹陷的形状，含水饱和度高的区域温度较低，原油黏度高，引起1井右端边水的大量侵入，左端油区产油降低，残余的热量较多[26-28]。2井注蒸汽过程中也会受到相同的影响，右上端温度梯度较大，温度剖面形成凹陷的形状。3井第二轮注蒸汽过程，边水主要从井右端侵入，温度剖面呈现非对称形状。4井和5井注蒸汽过程中，由于边水已形成高渗的窜流通道，注蒸汽加热效率较低，开发效果较差[29]。油层的加热范围与边水的侵入相互影响，相互制约。

4.3 生产动态特征

边水稠油油藏物理模拟实验生产阶段动态曲线如图 5所示，整个生产过程可以分为3个阶段：蒸汽吞吐阶段(Ⅰ)、一线井转注降黏剂阶段(Ⅱ)、二线井转注降黏剂阶段(Ⅲ)。蒸汽吞吐阶段，各井的含水率都是先下降再上升，但1井、2井和3井在第二轮蒸汽吞吐含水率迅速增高，说明边水已经侵入井中，采出程度上升幅度很小，瞬时产油量先上升后下降；1井发生水淹后，同为一线井的2井在较短的时间后便发生了水淹，含水率快速升高；4井和5井一旦见水，含水率快速升高，采出程度上升幅度很小，瞬时产油量很快下降。一线井转注降黏剂阶段，一方面，降黏剂大大降低了稠油的黏度，降低了油水黏度比，减缓了水侵，另一方面，高分子降黏剂与稠油作用形成较大直径的乳状液暂时封堵了水窜通道，增加了携带降黏剂溶液的边水波及范围，含水率先下降后缓慢上升，瞬时产油量大幅度提升后缓慢下降，采出程度提高23%。二线井转注降黏剂阶段，由于边水能量过高，在3井周围已然发生水淹，降黏剂波及范围降低，含水率先下降后缓慢上升，瞬时产油量先上升后下降，但效果差于第二阶段，采出程度提高11%。

4.4 技术界限研究

在物理模拟实验的基础上，采用垦东521区块的地质参数，建立不同条件下的油藏数值模拟模型，开展边水稠油油藏蒸汽吞吐后转冷采技术筛选研究，考虑油藏压力、含油饱和度、厚度、黏度、水油体积比、渗透率6种因素的影响，数值模拟的结果见图 6。确定了边水稠油油藏不同参数的技术界限：油藏压力大于5 MPa，含油饱和度大于0.5，渗透率小于6 000 mD，油层厚度大于5 m，原油黏度小于4 000 mPa·s，水油体积比为4~12。

5 结论

(1) 蒸汽吞吐开发边水稠油油藏的过程中，由于受到边水侵入的影响油层加热范围呈非对称状，随着吞吐周期的增加，边水附近的油层加热范围明显不断缩小，逐渐形成水窜通道，使得水侵区域附近的油层动用变差；油层加热范围与边水的侵入相互影响，相互制约。

(2) 降黏剂起到乳化降黏、减缓水侵的作用，结合水侵规律，合理利用边水能量，转为冷采开发可提高34%的采出程度。

(3) 蒸汽吞吐后转冷采技术适用于油藏压力大于5 MPa，含油饱和度大于0.5，渗透率小于6 000 mD，油层厚度大于5 m，原油黏度小于4 000 mPa·s，水体倍数在4~12的边水稠油油藏。

(4) 利用物理模拟实验研究边水稠油油藏蒸汽吞吐后转冷采开发的可行性，分析了油藏开发过程中的水侵规律以及生产动态，对提高实际边水稠油油藏的开发效果具有较好的参考价值。