裂缝水驱油机理的真实砂岩微观模型实验研究.pdf
石油勘探与开发 PETRoLEUM EXPLoRATI N A D DEVELoPM ENT V0l 29 No t 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 { 2 0 0 2 u 1 . 0 1 1 6 . 0 4 裂缝水驱油机理的真实砂岩 微观模型 实验研 究 赵 阳 , 曲志浩 , 刘 震 1 石油大 学 北京 ; 2 西北大学 摘要 袅 缝性低渗透砂岩油层 中的l插造裂缝蔚驱j 由 效率有 显影响。研 窆l微观水 驱油机理 的理 摆手段是真 实砂 岩l擞观模 型油 、 木驱替实验 采用谤技 术耵裂缝性低 渗透砂岩 油层进行 了单嫫 型 组奇嗄 型的球驱 汩宴驻研 究 . 在 实验程 中. 彳 同类查裂缝的渗流现象不 司, 对驱油教蜜的影响也7 - 司。在水驱 油过程 中, 不存 在裂缝酌模 型 , 芒 水 事基路蝇 阿 出口 端 比鞍均 匀地 推进; 较粗 3 0 v m 阻 且延伸鞍长 的裂缝 , j 由、 水在裂缝 中的淳漉运度讴 快; 蛆 但延 较短的裂缝在 水驱 油 过程 中不起特 殊作 用; 孔隙教别曲裂缝无论长 短. 耵水驱油过 程都 没有 不 影响, 反而可 阻改善侉连 性; 完垒被 充填 的袅 缝 泊 、 木渗流起 碍挡作 ; 裂缝方 向垂直于流线 , 对渗 流有 一定 影响。 多油层台注 台采 时 . 游适 性越好 的呈驰 油教果 越 好 , 游透 性越差 的层驱曲效果越差 图 l 表 2参 7 赵 阳摘 关键词 低渗连砂 岩 ; 水驱油机理 ; 驱油效 率; 渗流现 象; 实验 中国分 类号 T E 3 4 1 文献标识码 A 一 般 砂岩储 集 层越致 密 , 渗 透率越 低 , 裂缝 发育 的 概率和 强度也 越大 。低渗透 砂 岩油 藏 中 的裂缝 不 仅 决定 了注水效 果 , 而且控制 了层 系划分 和 井 网布 置 , 从 而直接影 响 到 油 田开 发效 果 的好 坏 , 因此 人 们 日益 高 度重视对 于这类 裂缝 的研 究 。 。本文 利用 真实 砂 岩 微 观模 型 , 进行 裂缝 水 驱 油 的单 模 型 和组 合 模 型模 拟 实 验 , 研 究水 驱 油 过程 中 注 入 水 在 L 道 和裂 缝 中 的微 观 水驱 油机理 、 残 余 油 形 成机 理 和裂 缝 对 驱 油 效率 的影 响, 以期有助 于低 渗 透 裂缝 性 砂 岩 油 藏 的实 际 注 水 开 发 工 作 一 1实验条件 本文实 验所 用 模 型 是真 实砂 岩 微 观 模 型 , 在 保 持 原岩 心各 类 性 质 和 L 隙结 构 的条 件 下 , 经 洗 油 、 烘 干 、 切片 、 磨平等 工 序 制成 模 型尺 寸为 2 . 5 c m 2 . 5 c m, 承压能 力 0 2 ~0 3 MP a , 耐 温 能力 为 8 0 ℃ 左右 3。油 样 黏度 4 . 6 4 mP a s 取 自现场 , 加 入 少量 油 溶红 ; 水 样 为实际地 层 水 黏 度0 8 6 2 mP a - s 及 实 际注 入 水 黏 度 0 9 8 mP a - s , 加 入少 量 甲基 兰 。实验 包 括单 模 型 实 验 和组合模 型实验 , 图 l为组 合模 型 实 验示 意 图 , 具 体 实 验 方法 见文献 l 35 l 。 2裂缝水驱油机理及对驱油效率 的影响 2 . 1裂 缝微观水 驱 油机理 大量 实验观 察 发 现 , 注 入 水 在 L 道 和 裂缝 中驱 油 的方式 主要 有活塞 式 和非 活塞式 活塞 式 注人 水在 孔 道 中 比较 均匀 地将 油驱 走 , 驱 油较 彻 底 ; 而非 活塞式 注 横 十耳 } 装置 固 1 组 台模 型实验示意 固 入水在孔 道 中前 进 速 度 不 均 匀 L 道 中 央或 边 缘 前 进 较 快 , 容易 形成残余 油 对亲 水 地层 模 型进 行 的实 验 结 果 , 在 水 驱 油过 程 中 , 束缚 水起 着剥离 原 油 的作用 j 水 驱 油以 前 , 束缚 水分布 在 砂 岩 颗粒 表 面 及 细 小 的 孔 道 内 。开 始 注 水 后 , 大孔 道 内注入水 分为 两路 , 一路 沿 孔 道 中心 阻 力较 小 部位 向前 突进 , 驱替 原油 称为 驱替 机 理 ; 另 一路 穿 破 油膜沿 着砂 岩 颗 粒 表 面 向前 流 动 , 束 缚 水 汇 入注 入 水 中 , 紧贴水膜 的原油 被 剥离 下来 , 被 孔 道 中部 的注 入 水 驱走 称 为剥 离机理 , 颗粒 表面则 被 注入水 占据 。 水驱 油过 程中有 两个 推进 速度 ,一 个 是 大孔 道 或 裂缝 中部 水驱 油 的推 进速 度 , 另 一个 是 束缚 水 剥离 油 膜 向前 推进 的速 度 。二 者 同 样存 在 于 裂 缝 中 , 而 且 更 加 明显。 如果 二者 相 等 , 原 油 一 旦被 束 缚 水 从 砂 岩 颗 粒表 面剥离 , 当即被 大孔 道 或 裂缝 中部 的水驱 走 , 这 时驱替 机理 和剥 离 机 理 都 充 分 发 挥 , 大 L 道 或 裂 缝 中的水 驱 油呈 活 塞 式 , 驱 油 效 率 最 高 。二 者 不 相 等 有 两种 情 况 ① 前 者 大 于 后 者 , 注 入 水 可 以 把 大孔 道 或 裂缝 中部 的油驱走 , 而靠 近太 孔道 或 裂缝 壁 的油 还 维普资讯 2 0 0 2年 2月 赵阳 等 裂缝水驱油机理的真实砂 岩微 观模型实验研究 l t 7 未及 被 剥离 , 则被 滞 留下来 ; ② 前者 小 于 后 者 , 水沿 着 砂 岩颗 粒表 面 的 束缚 水 通 道 向前 突进 , 在 喉 道 处 与 相 邻 颗粒 的束缚 水 汇 合 , 将 大 孔 道 或裂 缝 中还 没有 被 驱走 的油分 割 切 断 , 使 之 被 滞 留。二 者 不 相 等 的这 两 种水 驱油过 程都 呈 现 丁微 观 非 活 塞 式 , 其 结 果 是 总 有 一 部 分油滞 留下来 , 驱 油效率 相应 降低 在含有 裂缝 的双 重孔 隙 介 质模 型 中 , 水驱 油 主 要 有 以下 几 种 情 形 ① 水 驱 油 过 程 主 要 发 生 在 裂 缝 中。 这种 情况 下 , 观察 不到孔 隙介质 中水 驱 油 的现 象 , 裂缝 是 主要 的水驱油 通道 , 水窜 较快 , 驱 油 效率 主要 由裂缝 提供 , 大量 的油残余在孔隙介质中, 水驱油效率极低 。 ② 水 同时进 入裂缝 和孔 隙中驱 油 。这 种方 式 常发 生 在 微 裂缝发 育 的双 重 孔 隙介 质 中 , 其渗 流 机 理 与 孔 隙 型 储集 层相 近 在 压 力作 用 下 , 注入 水 同 时进 入 孔 晾 介 质 和裂缝 中驱油 , 孔 隙介质 中也 有水 的通 道 , 虽最 终 驱 油效率 较 高 , 但 仍 绕 流 形 成孔 隙 介 质 和裂 缝 中的 残 余 油 ③ 当裂缝 方 向与 注入 水 流 线 方 向垂 直 时 , 注 入 水 先 沿该裂缝 向两侧 窜 流 , 直 至该 裂缝 被水 充满 后 , 才 沿 薄 弱带越 过裂缝 继 续前进 。④ 完全 被 充填 的 裂缝 不仅 不 能成 为渗流通 道 , 而且对 油水 渗 流起 隔 挡作 用 , 使 储 集 层 的非均质性 加剧 , 对 水驱油不 利 。 2 2残余油形 成机 理 裂 缝 尤其 是孤 立 的较大 裂缝 的存在 加 剧 了储 集 层 的非 均 质 陛 真 实 砂 岩 微 观 模 型 渗 流 实 验 结 果 表 明 , 注入水 沿着 模 型 中 阻力 较 小 的裂 缝 或孔 道 向前 突进 , 同时逐渐 向两边 绕 流扩 张 , 形成 水 的通 道 。特 别 是在含 较大裂 缝 的模 型 中 , 油 水 驱替 过 程 中 的这 种 注 入水 突进 现 象 普 遍并 有 规 律 。 由于 突 进 和 绕 流 , 地 层 中大量的油被残留而形成残余油。所 以, 绕流是残余 油的 主要 形成方 式 。 由于储集层 润 湿性 的复 杂 性 , 模 型 表 现 出部 分 偏 亲油 的性 质 . 在 颗 粒 表 面 和孔 隙 角 隅对 油产 生 吸 附 作 用 , 形成一些薄膜状残余油。 微 观渗流 的实验 中卡断现 象 也大 量 出 现。 当连 续 的油通过 岩石 的孔 隙喉道 时 . 由于 喉 道半 径 很小 , 毛细 管 力急剧 增大 , 当驱 动 压 力不 足 以抵 消 毛细 管 力 效 应 时 , 连 续油 流 即被 卡 断 , 变 为 分 散 的 油 滴_ ] - , 导致 渗 流 阻力的增大和驱油效率的降低 。低渗透油层贾敏效应 更 强烈 , 卡 断 现 象更 突出 , 渗 流 阻 力 增 大更 多 , 更 易 卡 断 连续 油流 . 使 油滴 成为 残余油 2 . 3裂缝对驱 油效 率的影 响 是否 存在裂 缝 以及 裂 缝 类 型 不 同 , 渗 流 现 象 都 不 同 , 对 驱 油效率 的影 响也不 同 见 表 1 。 对于不 存 在裂缝 的模 型 , 在水 驱 油过 程 中 , 注 入水 以多条路线 向出 口端均匀推进。无水期结束时 , 注入 水 渗流 通道基 本 已具 雏 形 ; 继 续 驱替 , 注 入 水渗 流 通 道 更 加显 著 , 且 注入水 由各 主渗 流 通道 向周 围扩 展 , 波 及 系数增 加量有 限 。 表 1 单模 型实验结果数据表 滓 平行 下漉 线 方 向 的大 裂 缝 ; 曾 垂 直 于 流 蠖 方 向 的大 裂 缝 j 微裂缝发育 ; g t z 于流线 向的裂缝, 时断时续 裂缝 对 于较 宽 宽于 3 0 0 m 且延 伸 较 长的裂 缝 , 油 、 水 在裂 缝 中的渗流速 度很 快 。在周 围 基 质物 性相 对 较 好 的情 况下 . 注 入水虽 然在 裂 缝 中的渗 流 速 度很 快 , 但 仍 可 以比较顺利 地进 入 周 围基 质 中 , 基 质 中也 同 时 存 在 着持 续的驱 油 过程 , 裂 缝对 最 终 的水 驱 油 结 果 影 响 并 不很 大。例 如模 型 4 8 1 , 基质 中 同时 发生水 驱 油过 程 , 最终 驱油效率 3 1 . 2 %。但 在周 围基 质物性 较差 的情 况 下 . 水 驱油 往 往 仅 发 生 在裂 缝 中 , 注 入 水 难 以波 及 基 质 . 造 成大 面 积 的 绕 流 区 , 波 及 系 数 和 驱 油 效 率 都 很 低 。如模型 7单 独水驱 实验 , 最终 驱油效 率 仅 2 4 1 % 对于宽但 较 短 或看 似 连通 但实 际 上 局部 充 填 的 裂缝 . 虽然水 在裂 缝小段 内渗流 速度 较 快 , 但 因其 延 伸 长度有 限 , 所 以对 水 驱油 过 程 并 不 起 特 殊 作 用 。例 如 模 型 l 0中有 一条 平行 于流 线方 向延 伸 的较 大裂 缝 , 宽 约 5 0 ~5 0 O “ m 一般 为 2 0 0 t m 左 右 , 镜 下 观察 该 裂缝 被局 部充填 . 时 断时续 , 水 驱油 过程 同时 发生 在 裂 缝和 基 质中 . 最 终驱 油效率 5 5 7 %。 对于孔 隙级别 的微 裂缝 , 无论 其 长 短 , 对 水 驱 油 过 程都 没有 不 利影 响 . 反 而 可 以改 善 渗 透 性 。 当注 水 压 力低 于裂缝 破 裂压 力 时 , 微 裂 缝 只 起 方 向性补 充 渗透 率 的作用 ; 只有 当实 施 压 裂 措 施 或 注水 压力 超 过 其破 裂 压力时 . 微裂 缝才表 现 出 明显 的裂缝 特 征 。 完全被充填 的裂缝对油水渗流起隔挡作用, 使储 集 层的非 均质性 加剧 , 对水 驱 油不利 。 垂直于流线方向的裂缝对渗流有一定影响。当水 到达这种裂缝时 , 先沿裂缝 向两侧窜流, 直到该裂缝被 维普资讯 石油勘探与开发 - 北京石 油学会青年科技论坛论文专辑 V 0 l 2 9 N o 1 水充 满后才 越过 裂缝 向前推 进 即当注 采井 排 方 向垂 直 于裂缝时 , 在注 水井 一侧 , 注入 水 首先 沿 主流 线 区域 驱油 , 把油驱 向裂 缝 , 裂缝 同样 起 着 原油 渗 流通 道 的作 用 。由于裂缝 还起 着促 使注 入水 向主流 线 两侧 扩 展 的 作用 , 增 大 了 水 的波 及 面 积 。 随着 注 水 井 一侧 含 水 量 的增 加 , 注入 水 冲破含 油裂缝 的阻挡 , 打 开 一个 或 几个 缺 口进 入生 产井一 侧 的孔 隙 , 继 续 向前驱 动 , 直 至 实验 结束 因 此 , 注 水 井 一 侧 比生 产 井 一 侧 驱 油 效 果 要 好 , 尤 其是靠 近 裂缝 的 区域更 好 , 因为 裂缝 内注 入 水 的压力相 对 统 一 , 当注 入水 越 过 裂 缝 进 入 生产 井 一 侧 时 , 相 当于线状 注水 , 波及 范 围相 对较 大 且均 匀 。例 如模 型 3 8中有一 条垂 直于流 向的裂 缝垂 直 贯 通模 型 , 宽 约 2 0 0~6 0 0 m 一 般 为 5 0 0 m 左 右 , 最 终 驱 油 效 率为 4 1 . 8 %当这 种 裂缝 不 很 长 时 , 对水 驱 油 的最 终 率果 影响 大 ; 当其较 长且储 集 层非 均质 性 很强 时 , 特 别是 其长度超 过 井距 长 度 时 , 也 可 能 使 注 入水 沿 裂 缝 向两侧 流失 , 与 注 水 井距 离 较 近 的 生产 井周 围注 入 水 不能 到达 , 久 久不 能见 效 , 而距 离 相对 较 远 的生产 井 却 可能 很快发 生水 淹 。 利用微 观组合 模 型实验模 拟 多 油层 合 注合采 的情 况 , 可以得 到物性 越好 的层驱 油 效 果越好 、 反 之越 差 的 结论 。第 一 组 实验 , 当对 3个 模 型分 别 进 行 单独 实 验 时 , 模 型 7和 6 7的 驱 油 效 率 分 别 为 2 4 1 % 和4 9 8 % 模 型 7 7的数 据 由于某 些原 因没 能 得到 , 组 合起 来 在 相 同注入压力 下进 行 组 合 实 验 , 注 入 水 大部 分 通 过 模 型 7到 达 出 口端 , 而 通过 模 型 6 7和 模 型 7 7的注 入 水 远远少 于模型 7 , 水 驱油 至 总 孔 隙度 的 两倍 体 积后 其 驱 油效 率 分别 为 4 7. 1 % 、 2 3. 9 %和 1 6 . 9% 见 表 2 。 表 2 组台模型 实验数据表 号号 1 0 u m2 饱和度 % 驱袖效率 % 单独 组合实验 备注 实验1 P V 2 P V 往 水 驱 压 力 为 0 0 5M P a 第 一组模 拟实 验 结 果 表 明 , 将 不 同渗 透 率 的 油 层作 为 一 套开发 层 系合 注 合 采 时 , 组合 模 型 中高 渗 层 驱油 效 率 比其单 独实 验 时 提 高 二 r多 个 百分 点 , 低 渗 层 的驱 油效率则 明显 受到抑 制 。第 二组 实验 也 具有 同样 的规 律 。组合 实验 结果证 实 , 裂缝 的存 在 加 剧 了层 间矛 盾 , 降低了非 裂缝 层段 的驱 油效率 。 所 以 , 在 多层合注 分层 压 裂时 , 一 定 要 注意 各小 层 的物性 , 台 理设 计压裂 层段 , 将 各 小层 的渗透 率 差值 控 制 在一个 合理 的 范 围内 , 以 防某 些 层 未 被 动用 或 动 用 很差 , 达 到更好 更充分 地 动用 各小层 的 目的 。 3结 论 利用 真实砂 岩微 观模 型 的单模 型 实 验 和组 合模 型 实 验 , 可 以较好 地进行 裂缝 水 驱油模 拟研 究 。 不 同类 型 的裂缝 在水 驱油 实验 过 程 中表 现 出不 同 的渗 流现 象 , 对驱 油 效率 的 影 响也 不 同 在多 油 层 合 注合 采的情 况 下 , 物 性 好 的 油 层 驱 油效 果 比单 注单 采 要 好 , 而物性 差 的油层 驱 油效果 比单 注单 采要差 。 参考文献 [ 1 ] 彭扯疟 。 黄述旺 油气 田开发地质 学 M北京 石油工业 出版牡 。 1 9 9 9 『 2 ] 李道 品 低渗透砂岩油 田开发[ M J 北京 石油 业出版社 . 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C NO O C 的 高级 管理层 和各油田研 完机 关、 生产部 门, 以厦有 关地质研 究部 门和 大专 院校 、 各 大图书馆 、 信息研 究部 门, 读者对 象主要是 中、 高级许 研 人员。按 国务院 办套斤 秘 书厨 的要 求, 中国石 油走 然 气集 团套 司井技 发展部从 2 0 0 1年 6月开始选送主管的 8 种期刊供 国务 院领 导同志选 阑, 石 油勘探 与开发 是 其 中唯 一报 道 中 国石油勘探 开发领域科研与生产进展 的技 术类期 刊。本刊被 中国学术期刊 光盘 版 蝙辑委 员套 、 中国科 学文 航计量评 价 研 究中 选 为“ 中国学术期 刊综奢评价 数据库 来源期刊 ” 和 “ 中国许学 5 l 文数据库 来 源期 刊” 而全 文收 录。据“ 1 9 9 9年 度 中国科技期 刊 引证报告 ” , 在 1 3 7 2种统 计 源期刊 中, 石油 勘探与开发 在总被 引颤班总排序 中居第 2 1 4住 , 在影 响 固干 总排序 中居 2 8 5位 石 油勘探 与 开发 的 办刊 索 旨是 为 促进 中 国的石 油勘 探 、 开发科 学技 术发展服 务 , 井全 力为提 高我 国石 油勘 探 、 开 发 工作者 的创新 能力服务 , 办刊思路 定位 于重点报 道 关 系到 中国石油 工业 可持 续发展 的关键技 术和理论研 完进展 。2 0 0 2 年本刊 的拦 目将调 整 为“ 石 油地 质研 完” 、 “ 综 告勘探 技 术 ” 、 “ 油田开发 与油藏工程” 、 “ 油田非注水 开发” 、 “ 油藏 物理” 、 油 气层保护与蔑 造” 、 “ 应 力场研 究” 、 “ 经 济评价” 、 “ 海外 油气勘 探 开发” 和 石油史研 究” 等。本刊 录用稿 件优 中选 优 , 以创新 性 为首要条件 , 强调 学术性和 实用性 , 编辑加 工论 文的基 本思 路是“ 精练论述 . 突出重 点” 和“ 既要 注重基础技 术研 完论 文的 可应用性 , 也要努 力使 实用技 术型论 文有 相 当的 学术性 ” , 以 厦“ 加强 学术性” ; 文稿修 改、 版式设 计 、 插 图蝙 绘全部 计 算机 化 石油勘探与开发 为大 十六 开本 赋 月刊 , 国 内外公 开发 行 , 每期 约 1 0 0页, 刊 出论文 3 0篇左右 , 连赋 月 2 3日出版。 国 内发行每期 定价 1 2元, 奎年 7 2元 , 国内邮发代 号为 8 2 1 5 5 。 欢迎读 者直接 向本刊鳊辑部 订 阅 石 油勘探与开发 本 刊 网 络电 子 版 垒 球 总 代 理 为 龙 源 国 际 网 d r a g o n s o u r c e com , 本 刊的独 立域名 为 h t t p , / o i l s q i k a n . coI I I , 亦欢 迎读者 通过龙滩国 际名刊用 网址 W W W q i k a n C O N 订 阅本 刊 电子 版 通讯地址 北京市 9 1 0信箱 石油勘探与开发 编辑部 邮政编码 1 0 0 0 8 3 办 公地点 北京 市海 淀 区学 院路 2 O号 石 油大 院 主楼 4 2 9室 订 刊 联 系 人 孙 瑾 订 刊联 系电话 0 1 0 6 2 0 9 7 4 2 4石油 网 9 0 1 7 4 2 4 电子 邮件 地址 { E - ma i l s k y k e g P e t mc h l n a c o rn c n 开户银行 北京 市 工行新 街 E 1 支行地 安 门分理 处 账 号 O 2 O O O O 3 2 O 9 O 9 7 3 1 8 8 3 8 2 5 4 4 户名 石油 勘探 开发科 学研究 院 维普资讯