天然底水油藏是我国主要油藏类型之一，随着油田进入二、三次采油开发，各油田开发特征也不断趋近于底水油藏类型。对于底水油藏在开发过程中底水锥进、水锥抑制的研究，国内外专家学者从多角度开展了研究^[1-6]，但各方法在油藏、工艺方面均有不用程度的限制，且大多停留在室内试验、定性的研究阶段；就人工隔层控锥方面，虽然研究涉及了人工隔层的内容，但大都是停留在降含水或涉及人工隔层个别因素的降水作用。1962年Karp^[7]提出水平井中人工隔层消锥和提高采收率以来，国内外专家学者仍没有将人工隔层的研究具体化、全面化。人工隔层控制底水锥进的作用机理主要基于隔层沿井径方向的展布，而沿井轴方向也就是隔层的厚度对于控水作用甚微，因此隔层地下形态如何展布，如何控制注入参数使人工隔层形态最优，达到控制底水绕流的最大作用等的研究就显得尤为重要，然而国内外学者对此的研究甚少。本文通过室内物理实验及数值模拟相结合的方法从人工隔层展布及其提高采收率机理方面进行了系统的研究。室内物理模拟实验定性、定量地分析了不同沉积特征、不同注入隔层介质速度、体积和黏度下隔层形态特征；应用数值模拟方法，以稠油油藏蒸汽吞吐开发直井为例，对比验证了室内研究的成果，更加深人地研究了人工隔层形态的影响因素及人工隔层提高采收率机理，能够为底水稠油油藏高效开发提供参考。

1 人工隔层室内物理模拟研究

室内实验利用不同部位、不同砂粒大小，经过压实形成正韵律、反韵律、均质模型，来模拟研究一注四采井网情况下的隔层形态分布。在中间注入井中利用胶管深入模型的中部注入凝胶，来模拟注入井在油层中部注入凝胶过程。通过不同浓度、速度、黏度方案来确定最优的凝胶隔层形态，确保控制底水锥进的最优隔层形态的注入方案。

1.1 物理模型建立

(1) 采用40 cm×40 cm×40 cm的环氧树脂胶结的三维均质人造岩心填砂模型，气测渗透率K_g=1 400×10^-3 μm²左右。

(2) 采用40 cm×40 cm×40 cm的环氧树脂胶结的三维非均质正、反韵律人造岩心模型，变异系数0.72，K_g=1 400×10^-3 μm²左右。

1.2 物理实验方案 1.2.1 非均质模型

非均质正韵律、反韵律、杂乱沉积，K_g=1 400×10^-3 μm²，注人速度20 mL/h，注入凝胶体积300mL。

1.2.2 均质模型不同注入速度

均质，K_g=1 400×10^-3 μm²，注人速度10、20、30 mL/h，注入凝胶体积约300 mL。

1.2.3 均质模型不同黏度

均质，K_g=1 400×10^-3 μm²，注入速度20 mL/h，注人凝胶黏度(通过质量分数实现黏度改变)：(1)聚丙烯酰胺5‰，酚醛树脂3‰；(2)聚丙烯酰胺10‰，酚醛树脂6‰；(3)聚丙烯酰胺15‰，酚醛树脂9‰。

1.2.4 均质模型不同注入体积

均质，K_g=1 400×10^-3 μm²，注入速度20 mL/h，注人凝胶体积约100、300、500 mL。

1.3 实验程序

(1) 将填好砂的人工填砂模型抽空3.5 h后，饱和人工合成盐水。(2)将饱和好人工合成盐水的模型放置在恒温箱内恒温12 h以上(45℃)。(3)采用中间一口注人井，周围四口采出井的五点法井网，在模型中心点按既定实验方案注入凝胶，注入结束后，常温放置12h以上。

1.4 人工隔层形态影响因素分析 1.4.1 不同沉积特征

反韵律模型中，由于顶部渗透率明显高于底部的渗透率，注入胶结剂形成了上粗下细的不规则隔层形态；正韵律模型中，最高渗透率位于模型底部，形成下粗上细呈扁球状的隔层形态，横纵直径比接近2：1；非韵律模型则是模拟上中下渗透率明显差异的地层模型，整体上中间渗透率最高，底部渗透率小于顶部渗透率，实验结果则形成了中间较粗的不规则隔层形态。

1.4.2 不同注入速度

均质模型中改变注入速度，得出的人工隔层形态差异较大。随着注入速度的增加，隔层形态的横纵直径比分别为2.4：1，2：1，1.9：1；比例逐渐减小，横截面直径也是从约18 cm降到16.8 cm。表明注入速度越小形成隔层的半径越大，越有利于控制底水上升。

1.4.3 不同隔层黏度

改变注入凝胶浓度，对隔层形态的影响较大。聚丙烯酰胺质量分数控制在10‰以下，隔层形态的横纵直径比约为2：1，隔层形态接近比较规则的扁球体形状，较有利于堵水措施；而聚丙烯酰胺质量分数超过10‰的隔层形态横纵直径比明显小于2：1，形态接近球形。注人凝胶的浓度越高、黏度越大，纵向上隔层厚度也越大，而交联剂的浓度对整个注入剂的黏度及隔层形态影响较小，只对凝胶固结时间有较大影响。

1.4.4 不同注入体积

均质模型中，注入不同体积凝胶，形成的人工隔层形态差异较小，隔层横纵比都很接近2.2：1，横截面直径约从12.5 cm增加到20 cm，高度约从5.6 cm到9 cm，呈不规则状扁球形胶结体，注入体积增加对人工隔层形态影响很小，但隔层横截面积增加。

2 人工隔层数值模拟研究

通过人工隔层形态室内模拟，模拟研究井下人工隔层的形态及其影响因素，但由于室内实验条件的制约及实验操作过程中对地层参数的简化和真实地层的复杂性，得到的形态有待于在数值模拟中进一步模拟验证。

2.1 人工隔层与物模匹配研究方案 2.1.1 三维网格设置

为了与室内实验相对比，模型设计网格为40层×40层×40层，x，y，z三个方向的网格步长均为0.01 m，注人井位于平面网格中心，射开层为第20层，人工隔层形态数值模拟研究设计与物理模拟相匹配的12个方案见表 1。

2.1.2 人工隔层形态影响因素

(1) 非均质

在注入相同体积、相同速度的条件下，随着模型韵律的不同，注入凝胶形成的隔层半径差别较小。从反韵律模型可以看出注入凝胶在上面高渗透层形成的隔层半径比下面低渗透层要大，正韵律模型的规律与反韵律模型相反，注入凝胶在下面高渗透层形成的隔层半径比模型上面低渗透层要大(图 1)。

(2)均质模型不同注入速度

在注入相同体积凝胶条件下，随着注人速度增加，注入凝胶所形成的隔层半径减少，与均质模型室内实验结果相符。

(3)均质模型不同注入体积

在相同的注入速度条件下注入凝胶的体积对隔层半径影响最大，从隔层形成的半径来看，注入体积为500 mL方案的隔层半径明显比注入体积100 mL的方案要大的多，说明注入凝胶体积越大，隔层半径越大，验证了物理模型实验结果。

(4)均质模型不同黏度

注入凝胶的黏度对隔层半径影响较大，注入凝胶的黏度越大，纵向上隔层厚度越大，这与物理模型实验结果是相同的。

2.2 与人工隔层现场实际注入能力匹配方案数模研究

在利用数模方法验证室内实验结果后，进行了与现场实际注入能力匹配的注人方案优化研究。建立了15×12×16的径向网格模型，I方向步长为2×1.5 m、2.0 m、10×2.5 m、10 m、30 m；J的意义为把圆分成12等份，每份为30°；纵向上分为16层，包括15个油层和1个水层，分别为10×2.0m、5×1.0m、50.0m。井点平面上位于模型的中心，纵向上在第12层注入凝胶。

共设计了四类方案，每类三套共12个方案。

(1) 一类方案，不同注入速度对隔层形态的影响：在注人体积为500 m³，黏度50 mPa·s，注入压力10 ma不变的情况下，注入速度分别为12、18、24m³/h下的隔层形态。

(2) 二类方案，不同注人体积对隔层形态的影响：在注入速度12 m³/h，黏度50 mPa·s，注入压力10 MPa不变的情况下，注人体积分别为300、500、700 m³的隔层形态。

(3) 三类方案，不同注入黏度对隔层形态的影响：在注入速度为12 m³/h，体积500 m³，注人压力10 MPa不变的情况下，注入黏度分别为25、50、100 mPa·s的隔层形态。

(4) 四类方案，不同注人压力对隔层形态的影响：在注入速度为12 m³/h，体积500 m³，黏度50 mPa·s不变的情况下，注入压力分别为7、10、13 MPa的隔层形态。

2.3 人工隔层形态影响因素

(1) 注入速度的影响

隔层半径随注入速度的增加而减小(图 2)。

(2) 注人量的影响

从图 3可以看出，注入量对隔层形态影响较大，注入量为600 m³的隔层半径为11 m，注入量为400 m³的隔层半径为9 m，注入量为300 m³的隔层半径为8 m，说明隔层半径随注入量的增加而增大。

(3) 注入压力的影响

注入压力为7 MPa时，隔层半径明显比注入压力为10MPa和13 MPa的隔层半径要小，而注入压力为10 MPa和13 MPa的隔层半径基本相同，这说明隔层半径随注入压力的增加而增大，但是当注入压力达到一定值后，注入后再增大压力对隔层的半径几乎无影响(图 4)。

(4) 堵剂黏度的影响

当黏度很高(模型取100 mPa·s)时，堵剂不能完全注入，而在低于50 mPa·s时候堵剂可完全注入，但减小堵剂黏度几乎不能增大隔层的半径（图 5）。

3 结论

(1) 通过室内物理模拟实验研究，沉积特征对形成的隔层形态有明显的区别，针对不同沉积特征地层应采取不同的堵水措施；注人速度越小越好，但考虑到凝胶固结的时间和施工作业可以适当提高注入速度；改变注入凝胶浓度，对隔层形态的影响较大，注入凝胶的浓度越高、黏度越大，纵向上隔层厚度也越大，聚丙烯酰胺质量分数控制在10‰以下，隔层形态接近比较规则的扁球体形状，较利于现场堵水措施；注入体积对形成的隔层形态影响很大，注入量越大形成的隔层半径和厚度越大，整体形态相似。

(2) 通过数值模拟研究，验证了室内实验所得规律。隔层半径随注入速度的增加而减小；注入凝胶体积对隔层半径影响较大；隔层半径随注入压力的增加而增大，但是当注入压力达到一定值后，再增大压力对隔层的半径几乎无影响；在低于50 mPa·s时候堵剂可完全注入，但减小堵剂黏度几乎不能增大隔层的半径。