基于三维可视化物理模型的剩余油空间分布评价

王增宝， 翟东启， 赵修太

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)



基于三维可视化物理模型的剩余油空间分布评价

王增宝， 翟东启， 赵修太

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

针对地层剩余油分布难以实现直观可视的问题，设计制作了三维可视化填砂物理模型。模型由高透明度的亚克力有机玻璃黏结制成的带盖的三维腔体结构，透明可视、简单易拆卸，可循环利用，实现不同类型的非均质地层、不同固井方式及不同井网分布的可视化模拟。基于三维可视化物理模型建立了剩余油空间分布的可视化评价方法，以正韵律地层反九点井网分布开采为例，通过剩余油纵向剖面空间分布、水平剖面空间分布、水平剖面流线分布和显微观察方式对剩余油在储层中的空间分布进行评价，观察到剩余油在三维立体空间中的分布位置及在任一点的分布形态。实验得到的流线分布与理论流线分布相吻合。

三维模型； 设计制作； 可视化； 剩余油； 评价方法

0 引 言

我国油田多为陆相沉积多油层储层，油藏层内、层间和平面上的渗透率级差大[1]，变化大，非均质性表现严重，致使注入水在地层中指进、绕流、窜流严重，造成注入水的无效循环，无法有效启动剩余油[2]。我国油田开采已经进入高含水期[3]，寻找剩余油在地层空间中的分布规律对于下一步有的放矢的挖潜剩余油意义重大[4]。因此，建立一种快速有效评价剩余油空间分布的评价方法，对于剩余油挖潜至关重要。

目前，针对剩余油空间分布的评价方法主要是数值模拟法[5-7]和物理模拟法[8-9]。前者利用计算机求解油藏数学模型，以预测油藏动态的方法，虽然简单快捷，但无法真实模拟地层条件与环境；后者基于一定的物理模型进行实验模拟的方法，可以更加真实地模拟地层条件。常用的物理模拟模型包括一维填砂管/岩心模型、二维平板模型和三维立体模型[10]。一维的填砂管模型，天然岩心和圆柱状人工岩心可以较好地模拟地层非均质条件，但是驱替过程不可视，驱替结束无法准确判定剩余油的分布位置。二维的平板模型主要是可视化填砂平板模型和可视化微观玻璃刻蚀模型[11]，也可以用水晶或树脂[12]材料代替。可视化微观玻璃刻蚀模型虽然可视化效果好，但水驱后剩余油的分布难以应用到实际地层中寻找剩余油；可视化填砂平板模型虽然具有可视性，但只能在二维尺度上模拟剩余油分布，不能完全模拟实际地层中三维尺度下的剩余油分布。三维立体模型[13]可模拟不同条件地层，更接近实际地层，但目前的常用的三维立体模型体积较大，价格昂贵并且制作工艺复杂，技术要求高[14]，相对来说普及性较差。

为更好地了解剩余油在地层空间中的分布规律，本文设计、制作了一种三维可视化物理模型，建立了一种快速直观的剩余油空间分布评价方法。

1 三维可视化物理模型设计与制作

1.1 实验器材

蠕动泵，可视化录制设备，亚克力有机玻璃，高纯石英砂，硅胶密封垫，聚丙烯塑料管，不锈钢毛细管，螺栓与螺母，橡胶塞等；苏丹红，液压油，亚甲基蓝等。

1.2 模型设计与制作

三维可视化物理模型要满足透明可视的要求，并且模型简单易拆卸，可循环利用。模型可模拟常见非均质地层类型及固井方式，实现不同井网分布模拟等。模型设计及制作内容如下。

(1) 模型腔体。玻璃胶黏合具有一定厚度的透明有机玻璃板制成模型主体。尺寸(长、宽、高)分别为9 cm×9 cm×11 cm。壁厚0.9 cm，上端盖厚1.6 cm。为增强抗压性，可在模型周围加上钢片衬板，见图1。

(2) 模型密封。上端盖与腔体之间放置硅胶垫，硅胶垫厚0.5 cm。上端盖边缘均匀布孔12个，用于螺栓加压。通过加压硅胶垫起到很好的密封作用。良好的密封性是该模型实现可拆卸功能。在模型上端盖上均布25个孔，用于作为注采井。将这些孔内部攻丝，与橡胶塞配合可以起到很好的密封作用。

图1 模型实物图

(3) 模型填砂。不对石英砂进行胶结，根据要求填制所需厚度。在填制模型的过程中通过将石英砂中加入少量水，填制出不同倾角的地层。在顶层填制粒径很小的石英砂或黏土作为盖层，可以更真实地模拟实际地层中的盖层。通过在砂层中放置隔板等措施模拟带隔夹层地层。

(4) 模拟井筒。模拟割缝衬管的装置，该装置很好地解决了注采井的砂堵问题。将一定长度的聚乙烯塑料管密集布微孔并将测端开孔的模拟井筒放入其中并居中，在两者间填入20～40目陶粒支撑剂，起到如下作用：①将石英砂隔挡在塑料管外，模拟绕丝筛管防砂；②充填较大粒径的石英砂起到砾石充填防砂的作用；③保证注入口(流出口)与各层之间同时与注入(流出)流体接触，保证了各层的注入井与采出井之间的压差一致；④采出井毛细管下部某一段堵塞的情况下模拟井筒还可以正常注入(采出流体)。

(5) 井网分布模拟。按照油田井网分布参数设计井位，按比例缩小。在模型上端盖按照设计的井位分布打孔布井，井距及打开程度尽量与油田现场情况相似。本模型的布孔方式为正方形系统，根据相似原理[15]，井间干扰理论，镜像反映法和势的叠加等原理得到不同井网的模拟单元[16]，选取独立的注采单元。该模型可以模拟直线排状井网，五点井网，九点井网，反九点井网，方七点井网以及反方七点井网等。

(6) 非均质地层模拟。选取不同粒径、不同目数的石英砂模拟不同渗透率的非均质地层，如选取40～60目、60～80目、80～100目，以及尺寸小于180目的石英砂，分别作为高渗透层、中渗透层、低渗透层和盖层来模拟正韵律地层、反韵律地层和复合韵律地层。

三维驱替模型装置连接图如图2所示。

图2 三维驱替模型装置连接图

2 剩余油空间分布评价

2.1 实验流程

实验流程与步骤如下：

(1)将填制密封好的三维可视化模型称重，然后将其中一个模拟井连接真空泵(负压0.1 MPa)，其余模拟井连接软性导管并用止水夹夹住软管；

(2)启动真空泵，将三维可视化模型抽真空0.5 h，再用止水夹夹住三维可视化模型连接真空泵软管；

(3)将其中一个连接模拟井的软管插入到模拟地层水中，打开止水夹，让三维可视化模型充分饱和模拟地层水，然后称重，利用饱和水的质量与密度计算三维可视化填砂模型的孔隙体积VP；

(4)蠕动泵以0.1 mL/min缓慢注入苏丹红染色的液压油，进行饱和油过程。当计量出口端的含油率达到98%以上时，停止注入染色的液压油；

(5)蠕动泵以0.5 mL/min恒速缓慢地注入甲基蓝溶液，用视频图像采集系统采集整个驱替过程，观察水驱油动态；

(6)驱替结束后，打开三维可视化填砂模型，采用挖砂的方式，观察任意深度、任意位置的剩余油分布形态，并进行图像采集。

2.2 剩余油分布评价方法

以三维可视化物理模型模拟正韵律地层反九点井网分布开采为例，说明储层剩余油空间分布评价方法。

(1) 剩余油纵向剖面空间分布。通过视频图像采集系统采集侧面水驱油动态(见图3)，模拟正韵律储层反九点井网开采方式下纵向剖面的油水位置分布情况。通过纵向剖面油水位置的变化过程确定无水采油期和每一层储层的水驱前缘位置等。在采出井任意含水率下，均可观察剩余油在纵向剖面的空间分布，为下一步实施提高采收率措施(如调堵措施)提供依据。

图3 正韵律地层模型纵向剖面水驱油过程

(2) 剩余油水平剖面空间分布。实验结束，打开三维可视化填砂模型上端密封盖，然后模拟层从上至下，每隔一定厚度刮掉砂层，观察任意深度，任意位置剩余油空间分布、存在形式，以及局部微观富集形态。

三维可视化填砂模型可以观察出口端任意含水率下的剩余油水平剖面空间分布。本实验是在水驱含水率达到98%条件下进行的。停止水驱后，将模拟层从上至下每隔1cm逐层刮掉砂层并进行图像采集，观察每层水平剖面的水驱油波及范围与剩余油分布规律(见图4(a))。图中：红色为油区，蓝色为水区，绿色为油水混合区。

图4 剩余油水平剖面空间分布图

对剩余油水平剖面采集的图像进行立体还原(见图4(b))，可直观地呈现剩余油在储层中的空间分布位置及形态。在分析剩余油空间分布规律的基础上，为下一步有针对性的剩余油挖潜工作提供理论依据。

(3) 水平剖面流线分布。水平剖面反映储层某一深度的水驱油波及范围及剩余油分布位置。根据油水分布位置，模拟画出流线(见图5(a)黄色曲线)。图5(b)为Matlab软件绘制的理论流线图，对比图5(a)可以发现，整装的剩余油分布区与理论模型相吻合，离散的剩余油分布在理论流线图中未体现，而在实际的三维可视化填砂模型的水平剖面可以观察到中间地带有离散剩余油分布。通过对比理论流线与实际模型，可以正确认识剩余油的空间分布情况。

图5 水驱油流线分布

(4) 显微观察剩余油状态。通过电子显微镜观察中渗透层水平剖面的驱替部分(蓝紫色区域显微镜下显示为铁蓝色)、过渡部分(草绿色区域，显微镜下显示为桔黄红色)和未驱替部分(桔黄色区域，显微镜下显示为铁红色)的微观剩余油的富集状态。可以发现，模型被水驱替过的蓝紫色区域在部分孔隙中仍然有剩余油存在(图6(a)黄圈区域)；模型桔黄色区域部分孔隙中有水存在(图6(c)黄圈区域)；模型草绿色区域则是油水混合存在的形态(图6(b))。通过微观可视化观察，可以正确认识微观条件下的剩余油分布特性：剩余油主要以网络状、斑块状和孤粒状等形态富集于主力油层、低孔低渗沉积单元、正韵律地层中上部及注采井网不完善区域。

图6 微观剩余油分布特性(×30)

3 结 语

设计、制作了一种三维可视化填砂物理模型，该模型透明可视，实现了油水驱替的可视化；简单易拆卸，可循环利用；可实现不同类型的非均质地层模拟、不同固井方式模拟以及不同井网分布模拟等。

基于三维可视化物理模型建立了剩余油空间分布的可视化评价方法，通过剩余油纵向剖面、水平剖面空间分布、水平剖面流线分布和显微观察对剩余油在储层中的空间分布进行评价。该方法简单易行，直观、立体地观察到任意深度、任意位置的剩余油空间分布特性，为剩余油挖潜工作提供理论依据与技术支撑。

[1] 胡 斌，齐永安，张国成，等.中国中—新生代陆相沉积中的遗迹群落[J].沉积学报，2012，20(12):574-581.

[2] Weber K J， Dronkert H. Screening criteria to evaluate the development potential of remaining oil in mature fields[C]//SPE57873. 1999.

[3] 刘吉余，马志欣，吕 靖.高含水期剩余油分布研究现状[J].石油地质与工程，2007，21(3):61-64.

[4] 耿站立，姜汉桥，陈民锋.高含水期油藏剩余油潜力定量化表征新方法[J].油气地质与采收率，2007，14(6):100-104.

[5] Rao L，Wu X，Wang H. Remaining oil distribution pattern of massive mature oilfield with strong bottom water an integrated reservoir view[C]//IPTC 16658，2013.

[6] 刘 冲，朱定军，苏文辉，等.正韵律底水油藏纵向非均质影响数值模拟研究[J].中外能源，2013，18(1):47-50.

[7] 赵时光. 南三区中块二类油层聚合物驱数值模拟[D].大庆：东北石油大学,2014.

[8] 龙运前，朱维耀，黄小荷，等.非均质储层纳微米聚合物颗粒体系驱油实验研究[J].西南石油大学学报，2015，37(3):129-137.

[9] 曹嫣镔，刘冬青，王善堂，等.胜利油田超稠油油藏蒸汽驱三维物理模拟与应用[J].石油学报，2013，34(4):733-739.

[10] 徐 晖，秦积舜，姜汉桥.多元泡沫复合驱宏观渗流机理的三维物理模拟研究[J].大庆石油与地质，2008，27(1):110-113.

[11] 赵修太，付敏杰，王增宝，等.次生大孔道地层精细调堵可视化模拟研究[J].石油钻采工艺，2013，35(5):84-87.

[12] Karadimitriou N K， Hassanizadeh S M. A review of micro-models and their use in two-phase flow studies[J]. Vadose Zone Journal， 2012，11(3):21-36.

[13] WANG Jing， LIU Hui qing， NING Zheng fu，etal. Experiments on water flooding in fractured-vuggy cells in fractured-vuggy reservoirs[J]. Petrol Explor Develop，2014，41(1):74-81.

[14] 彭彩珍，孟立新，郭 平，等.三维物理模型驱油实验模拟装置研制与应用[J].石油实验地质，2013，35(5):570-573.

[15] 滕 起，杨正明，刘学伟，等.平板模型水驱油物理模拟相似理论研究[J]. 科学技术与工程，2013，13(9):2478-2492.

[16] 姜汉桥，姚 军，姜瑞忠.油藏工程原理与方法[M]. 东营：中国石油大学出版社，2006.

欢迎订阅中文核心期刊、科技核心期刊《实验室研究与探索》杂志

The Evaluation Method of Residual Oil Distribution Based on Three-Distribution Visible Model

WANGZeng-bao，ZHAIDong-qi，ZHAOXiu-tai

(School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)

It is of great significance for looking for remaining oil by simulating residual oil distribution, especially, in the later developing period of high water-cut oilfield in our country. A new three-dimension (3D) visible model and a new remaining oil distribution evaluation method are established. It is a three-dimensional cavity structure with a cover made of transparent organic glass. It is the main advantage of the model that it has great transparency, recycling and disassembly ability. At the same time, it can simulate many kinds of heterogeneous formations, cementing methods and well pattern. Based on this model, as an example, a simple and feasible evaluation method has been established for the distribution of anti-nine point well pattern in the positive rhythm formation. In this way, we can observe remaining oil distribution features in any depth and at any position through the pictures of longitudinal profile, horizontal section, horizontal flow streamline or partial micrographs, and the flow line distribution is consistent with the theoretical flow distribution. The work will provide theoretical basis and technical support for increase residual oil potential.

3D model； designing and manufacture； visualization； remaining oil； evaluation method

2015-05-11

国家科技重大专项(2011zx05002-005-007HZ)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2015EL013)；中国石油大学(华东)精品实验建设项目(JS201403)

王增宝(1985-)，男，山东安丘人，实验师，现主要从事油田化学技术研究及实验教学工作。

Tel.：13869854048；E-mail：zbwang1985@163.com

赵修太(1958-)，男，山东寿光人，教授，硕士生导师，主要从事油田化学技术研究。

Tel.：18669885033；E-mail：zxt1667@126.com

TE 38

A

1006-7167(2016)02-0013-04