致 密 大 模 型 注 水 吞 吐 物 理 模 拟

王向阳， 杨正明， 刘学伟， 丁云宏， 雷启鸿

(1.中国科学院大学，北京 100190；2.中国科学院 渗流流体力学研究所，河北 廊坊 065007；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100089；4.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安 710018)

0 引 言

随着石油工业的发展，常规油气资源日趋减少，致密油等非常规油气资源已经成为全球石油勘探开发的主体[1-3]。随着分段压裂水平井和体积压裂改造技术的突破，我国成功开发了鄂尔多斯新安边、松辽扶余、准噶尔口，吉木萨尔3个亿t级致密油区，2015年致密油产量1.50×106t，基本实现工业化生产[4-5]。通过致密油的有效开发，美国 2015年产量达到2.1×108t，由石油进口国转向出口国，石油对外依存度降至33%[6]。

目前我国致密油的勘探开发和相关研究仍处于准备阶段，在致密油开发理论方面尚有欠缺。在致密油开发初期，一般采用衰竭式开发的政策，初期产量高，产能递减快，采收率低，急需补充能量[7-8]，而致密储层由于微纳米孔喉发育，传统注采井网难以建立有效驱替压力体系[9]。因此，需要针对致密储层提出新的能量补充方式。国内外研究表明，体积压裂改造形成的复杂缝网增加了裂缝与基质间的接触面积，有利于发挥毛管力作用渗吸采油[10-14]，因而选择注水吞吐作为致密油藏经济、有效开发的方式。基于此，本文利用自主研发的大型露头岩样高压物理模拟实验系统，建立了致密油藏注水吞吐物理模拟方法，探索了致密油藏注水吞吐开发方式的可行性，为致密油藏有效开发提供技术支持。

1 注水吞吐物理模拟实验系统及方法

1.1 露头岩样的制作和封装

物理模拟实验是渗流机理研究的重要手段之一,而模型的选取、设计又是物理模拟实验的关键。物理模型制作主要按以下步骤进行：① 露头选取，首先对砂岩露头的渗透率、微观孔隙结构进行评价、筛选，要求选择的露头模型与所模拟的储层相比, 具有相同的孔隙介质，在两相流动物理模拟中可以保证反映两相流动规律的相渗曲线、毛管力曲线、非线性渗流特征与储层相同[15]，再根据物理模拟实验条件以及研究内容挑选延长组长6、长7段致密储层露头岩样。② 模型制作，根据分段压裂水平井一条主裂缝缝控基质单元制作模型，保证几何相似，首先将其切割成40 cm×10 cm×2.7 cm的长方体模型，并在模型右端运用线切割设备制作一条长9 cm的无限导流能力裂缝，模拟分段压裂水平井的一条主裂缝。③ 测点布设，模型测点为压力测量点(见图1)，布置在模型正面。在模型封装前根据实验要求布设压力及流场测量探头，同时12个压力测点布置可以作为将来饱和原油的注采口，因此，均匀的测点布置有利于获得较好的饱和效果。④ 模型封装，将平板露头模型垂直居中放置在模具的中间位置，使用一定原料混合而成的封装用胶对平板露头进行浇注，静置24 h，至此，注水吞吐物理模拟模型制作完成。

1.2 露头岩样饱和流体物理模拟方法

模型饱和地层水，由于露头模型体积大，渗透率低，模型封装后只有图1中的12个注采口与外界联通，常规的方法无法对大模型进行抽真空及饱和水处理，因此采用多点抽真空饱和水的方法。多点抽真空，即在大模型注采口3～10抽真空，保证不同位置真空度都很高，注采口1、12设置真空表观察真空度变化情况，当模型抽真空达到真空以后，从非抽真空点2、11饱和水至模型整体真空度恢复到大气压力，至此模型饱和完全，称重计算孔隙度。

图1 露头模型实物图

将实验模型放置在大型露头模型高压夹持器内饱和油样，由于模型尺寸大，饱和过程中存在平面波及效果差，渗流能力低，油驱水压差大等问题，通过异步注采的方式(见图2)，饱和模拟油可以解决上述问题。具体实验过程为：①根据压力测点分布，选取注入点和采出点；②按照实验规划，连接管线，采用排状注采的方式饱和模拟油；③改变注采方向和驱替次序，采用交叉注采的方式饱和模拟油至地层原始含油饱和度。

(a) 排状注采

(b) 交叉注采

1.3 注水吞吐物理模拟系统及方法

如图3所示,注水吞吐实验装置包括岩样、注入系统、采出系统、监测系统四部分。其中，注入系统是由Quizix驱替泵和装有地层水的中间容器经管阀件连接模型注采口6、12而成；采出系统是由调速型蠕动泵、油水分离计量装置经管阀件连接模型注采口6、12而成，由于裂缝为无限导流能力裂缝，裂缝两端注采口6、12之间压差很小，可以忽略不计，吞吐采油阶段采出的原油在蠕动泵的驱动下进入油水分离计量装置；压力监测系统由模型正面均匀分布的12个压力测点组成，装配有高精度的压力传感器，实时精确记录模型不同位置不同时间的压力变化规律。将实验模型在大型露头模型高压夹持器内，模拟地层压力下的注水吞吐实验。

通过致密油藏注水吞吐物理模拟实验，模拟现场注水吞吐过程中注水、关井、采油3个阶段。实验流程为: ①关闭所有注入口只保留裂缝端测点6、12开启(见图1注入系统)，以20 MPa恒定压力从注入口6、12注入地层水，模拟注水过程；②关闭注入口6、12，在恒定压力下闷井15 h，模拟关井过程，在此过程中注入水通过毛管力进行渗吸置换，形成新的油水平衡；③开启裂缝两端测点6、12(图1采出系统)，模拟采油过程，模型中渗吸出来的原油被驱入裂缝，在裂缝中持续注水将渗吸出来的原油带出计量，采出时间72 h；④以同样的流程进行第2、第3轮次吞吐实验。

图3 大模型注水吞吐实验装置

2 注水吞吐实验结果及分析

利用以上建立的致密油藏注水吞吐物理模拟系统和实验方法对中石油典型致密油区露头模型进行注水吞吐物理模拟实验，模拟油田现场注水吞吐试验。注入、焖井、采油过程中利用压力测点实时监测模型内部压力分布，研究注水吞吐开发过程中压力变化规律。实验露头模型的基础物性参数如表1所示，实验过程中模拟地层水和注入水用50 000×10-6浓度的矿化水，注入水量统一按照0.1倍孔隙体积进行设计，在此基础上对不同渗透率露头模型在其他实验条件均相同的条件下进行两组吞吐实验。

表1 露头模型基础物性参数

2.1 注水吞吐实验采出程度分析

实验过程中保持注入压力、闷井时间等各项参数不变，对比分析不同渗透率露头模型注水吞吐效果。实验结果如图4、5所示。

图4 2×10-3μm2露头模型吞吐采出程度

图5 0.2×10-3μm2露头模型吞吐采出程度

通过不同渗透率露头模型采出程度发现，随着吞吐次数的增加，周期采出程度逐渐降低，每一轮次均呈现初期产量高，递减较快的规律。2×10-3μm2模型的采出程度由第1次的6.7%降为第3次的4.8%，三轮吞吐后的采出程度为17.1%；0.2×10-3μm2模型的采出程度由第1次的3.8%降为第3次的0.5%，三轮吞吐后的采出程度为5.5%。随着渗透率的增加，原油采出程度变大，累积采出程度增加3倍。

2.2 注水吞吐过程压力分布

图6所示为2×10-3μm2露头岩样注水吞吐过程不同阶段的压力分布图。由图可以看出，注入过程裂缝压力高于地层压力，水在压力下进入地层，起到补充地层能量的作用，使模型中油水饱和度重新分布；焖井过程中模型压力重新分布，形成新的压力场，在此过程中注入水通过毛管力进行油水渗吸置换，小孔隙内的原油置换进入大孔隙，形成新的油水平衡；开采过程裂缝开启，在裂缝附近形成压降漏斗，使地层能量释放，模型中渗吸出来的原油进入裂缝被采出。 从压力分布可以看出，建立的致密油藏注水吞吐物理模拟系统和方法较好地描述了分段压裂水平井注水吞吐的渗流过程。

(a)(b)(c)

(a) “吞”的过程，(b) “焖井”过程，(b) “吐”的过程

图6 饱注水吞吐的压力分布

3 结 论

(1) 研发大型露头致密岩样注水吞吐物理模拟实验系统，并通过建立大模型多点抽真空饱和水和异步注采饱和油的物理模拟方法，创建了致密露头模型注水吞吐物理模拟方法，该物理模拟方法较好地模拟了致密油藏注水吞吐的渗流规律。

(2) 在注水吞吐物理模拟实验中，2×10-3μm2露头模型吞吐采出程度达到17.1%，0.22×10-3μm2露头模型吞吐采出程度达到5.5%。这表明注水吞吐可以有效开发致密油藏，并且渗透率是影响吞吐效果的主要影响因素。

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