底水油藏水平井出水规律的实验研究

刘怀珠， 李良川， 吴 均， 周 燕， 岳湘安

（1.冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山063004；2.中国石油大学石油工程学院，北京102249）

利用水平井物理模型进行底水油藏开采物理模拟实验，较之理论方法能够更加真实地再现实际油藏或油井中流体的流动特征［1］。底水油藏的开采过程中，水平井往往很快见水甚至严重水淹［2－4］。现有的水平井理论研究主要集中在如何布井、影响水平井产能的因素、水脊位置与形状等方面［5－11］。关于对底水油藏水平井出水规律的影响国内主要以数值模拟研究较多［12］，所参考的物理模型都较为简单［13－14］。而利用三维物理模型来模拟和评价底水油藏水平井出水规律的实验国内尚处于初步阶段［15－16］。最好的三维物理模拟方法是针对某一具体的油藏状况建立对应的参数比例模型进行模拟试验研究，将会对研究实际油藏水平井出水规律、预测水锥位置、堵水工艺选择和评价具有重要参考价值。制作了底水油藏水平井三维物理模型，并在该模型上对水平井出水规律进行了模拟实验研究。

1 实验模型

实验压制长、宽、高为70cm×10cm×5cm的储层模型，模型顶部中间位置开3mm×3mm深的凹槽，中间填充细筛管模拟水平井通道，筛管水平井长70cm，井径2.5mm，跟端位于模型右侧，距出口端18，35，58，69cm处布置4个测压点，监测水平井筒内的压力梯度变化，在模型底部建立底水驱动系统。

实验流体为白油和模拟地层水，白油25℃时密度0.96g／cm3，粘度66mPa·s，模拟地层水矿化度为1 600mg／L。

实验模拟5种不同井身结构的水平井，见表1。

表1 不同模型的井身结构Table 1 Well trajectory of different horizontal well model

2 实验步骤

①底水油藏水平井三维物理模型抽真空24h。

②取矿化度为1 600mg／L的地层配伍水，从底水处的5个饱和点和水平井上的5个测压点饱和水。再通过平流泵泵入地层水，直至水从水平井上的5个测压点分别流出。计算其孔隙体积和孔隙度。

③ 配制与地层温度60℃下粘度相似的白油（66mPa·s）。以0.2mL／min的驱替速度饱和油以制造束缚水，用六通阀将中间容器与水平井身上5个测压点相连接，直至水平井上的5个测压点水平井出口分别连续出油为止。计算饱和油体积及含油饱和度。

就能得出奇异值差分谱序列的峰值谱N,以及相应的重构阶数.如差分谱峰值dk,以角标数字k找出奇异值序列中的对应峰值σk,即在k值前的奇异值变化较大,而之后的奇异值将接近于某一值后稳定.说明峰值σk是信号与噪声的分界点,此时取k值前的奇异值重构信号,该信号就是降噪处理后的真实振动特征数据.

④以泵速4mL／min注入，用六通阀将中间容器与底水5点相连接，水平井出口接量筒分段时间计量，至含水率98%。其间记录井身压力梯度和各饱和度测点处的含油饱和度变化。计算含水率。

3 底水驱出水准数的建立

从底水驱水平井开采的理论研究入手，建立统一的、具有普适性的表征出水规律的准数（无量纲参数团）。该准数的意义在于将影响水平井出水规律、出水部位的诸多因素包含在一个无量纲的参数团——出水动态准数中，无论是总的含水变化还是出水部位均与该准数具有很好的相关性。即对于哪些影响因素很多、难以找到明显规律的实验数据，利用该准数整理后，可以显示出很好的规律；不同条件下的出水部位也可以用该准数统一地判别。

在实际底水油藏中，现场有很多复杂因素，判断影响水平井出水规律非常困难。出水规律主要敏感因素包括井身结构因素如套管漏失、管外窜流等，油藏因素包括如底水、裂缝、高渗透层、粘滞力／重力、密度差、油水粘度比等因素互相作用。在实验技术可以实现条件下，利用储层厚度、渗透率分布，水平井井眼轨迹位置、狗腿深度，水体驱替压差，油水粘度等主要参数建立出水准数。

设在沿水平井井筒各点处的压力为pi，对应储层截面处的渗透率和孔隙度分别为ki，φi，底水至井筒的油层厚度为hi、原油和水（驱油剂）的粘度分别为μoi，μsi。设底水驱油过程中xi处的驱替前缘位于zi，前缘推进速度为

若ksi＝koi＝ki，

油水界面运移至hi处（突破）所需要的时间ti可由公式（2）变形积分得到

如果油层均质，且水平井与底水面平行，水驱前缘与水平井平行推进，运移至hi的时间为

底水驱出水准数Tw定义为：整个水平井的水驱前缘平均突破时间¯t与水平井各点的水驱前缘突破时间ti之比。

显然，底水驱出水准数在水平井方向上分布越均匀，开采过程中水驱前缘推进越均匀，越不容易形成水脊，底水的波及效率越高；反之，易于在突进准数Tw最大处发生水窜，含水急剧上升，甚至导致暴性水淹。

4 底水驱出水准数的验证

以底水开采PV数为横坐标，以计算出的4个井筒压力监测点出水准数为纵坐标绘制出水准数动态分布图。

以模型底水开采结束后，含水饱和度接近100%时，模型纵向上的3层含水饱和度点取饱和度平均值为纵坐标，以模型横向7个点的空间分布为横坐标作含水饱和度空间分布图；将4个井筒压力监测点所在位置为横坐标，其底水开采结束后的出水准数为纵坐标作底水驱出水准数空间分布图。

4.1 标准水平井底水驱出水部位预测

图1为标准水平井底水驱出水准数分布及含水饱和度分布图。

Fig.1 Bottom water drive number and water saturation distribution diagram of standard horizontal well图1 标准水平井底水驱出水准数分布及含水饱和度分布

从图1可以看出，标准水平井底水开采时，跟端的底水突进准数远高于其他各段。底水驱至含水接近100%时，跟端至趾端平均出水准数为1.704，0.970，0.642，0.682。出水准数和含水饱和度都是水平井跟端处值最高，用底水驱出水准数预测的出水部位与实测含水饱和度点所反映出水部位完全吻合。

4.2 水平井不同井眼轨迹出水部位预测

图2为水平井不同轨迹的底水驱出水准数分布及含水饱和度分布图。图2（a），2（c）分别为狗腿3 cm距离跟端10cm、狗腿3cm距离跟端35cm底水驱出水准数分布及含水饱和度分布，图2（b），2（d）分别为狗腿5cm距离跟端10cm、狗腿5cm距离跟端35cm底水驱出水准数分布及含水饱和度分布。

Fig.2 Bottom water drive number and water saturation distribution diagram of different well trajectory horizontal well图2 不同井眼轨迹水平井底水驱出水准数分布及含水饱和度分布

图2中可以看出水平井不同轨迹底水驱出水准数分布和含水饱和度分布绝大多数都是一致的，底水驱出水准数预测的出水部位与实测含水饱和度点所反映出水部位完全吻合。从图1，2（a），2（b）和图2（c），2（d）可以看出随着狗腿深度的增加，狗腿处的底水驱出水准数在逐渐增大，含水饱和度分布图中反映出狗腿深度对含水饱和度的影响越来越明显。

图2（a）中，水平井狗腿3cm距离跟端10cm，底水开采至接近含水100%，含水饱和度和出水准数都是水平井跟端处远高于其他各段，二者反映出的出水部位完全吻合。跟端至趾端底水突进准数为3.762，0.791，0.688，0.676。跟端处底水突进准数3.762大于标准水平井跟端底水突进准数1.704，在水平井跟端处表现为更易出水和水淹。

图2（b）中，水平井狗腿5cm距离跟端10cm，含水饱和度和出水准数都是水平井跟端处远高于其他各段，二者均反映出水平井跟端出水。跟端至趾端底水突进准数为7.925，0.989，0.552，0.477。相对狗腿3cm，跟端含水饱和度和底水突进准数更高，在水平井跟端处表现为更易出水和水淹。

图2（c）中，水平井狗腿3cm距离跟端35cm，含水饱和度表现为水平井跟端和中部出水，跟端至趾端底水突进准数为1.330，2.092，0.842，0.801，中部高于其他各段，反映出水平井中部出水，整体出水趋势较缓。

图2（d）中，水平井狗腿5cm距离跟端35cm，含水饱和度和出水准数都是水平井中部处远高于其他各段，二者均反映出水平井中部出水。跟端至趾端底水突进准数为1.240，3.984，0.867，0.895。相对狗腿3cm，中部含水饱和度和底水突进准数更高，水平井中部更易出水和水淹。

综上所述，通过标准水平井、斜水平井以及不同井身轨迹水平井底水驱实验得出的结果与底水驱出水准数吻合度很高，该准数可以用来作为底水油藏水平井实际开采过程中出水部位判断的依据。

5 结束语

（1）利用建立的底水油藏水平井三维物理模型研究了不同井身轨迹水平井底水驱出水规律，在底水油藏中狗腿处的含水饱和度明显高于其他位置，随着狗腿深度的增加，狗腿处的含水饱和度越来越高。

（2）根据底水驱水平井开采理论建立了底水驱出水准数。该准数预测的出水部位与实验结果完全吻合，证明了底水驱出水准数的准确性，为后续的调剖堵水措施的优化提供了依据，在水平井实际开采过程中，还可以根据底水驱出水准数，通过控制水平井段各段的产液量来提高水平井单井产量，从而优化水平井开采方式。

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