高含水油藏深部调剖驱油机理实验研究

2020-12-15侯思伟张春光

科学技术与工程 2020年32期

侯思伟，王毅，饶政，张春光

(新疆油田公司石西油田作业区, 克拉玛依 834000)

中国多数低渗透砂岩油藏由于长期注水冲刷极易产生窜流现象,致使层间矛盾突出,很难实现低渗层剩余油有效动用,严重影响水驱开发效果[1-3]。调剖堵水[4-8]作为一种改善水驱开发效果的重要技术,能够有效封堵高渗层,扩大水驱波及体积,但是常规调剖处理半径较小,导致增产有效期短,难以满足矿场实际需求。

为了进一步提高注入水的波及体积和驱油效率,诸多学者提出了深部调剖[9-12]的概念。曹伟佳等[13]采取凝胶和微球组合二级深部调驱段塞,采收率比水驱阶段提高了22.5%。张继红等[14]利用3层非均质填砂模型注入0.3倍孔隙体积(PV)弱凝胶体系,弱凝胶能够减小层间非均质性,同时改变了高渗层内部残余油分布,弱凝胶可在油藏深部进行深部调驱。赵凤兰等[15]通过3层非均质砂岩岩心开展调剖位置对复合调驱的影响实验,表明将淀粉胶定位至岩心前缘线及深部位置时,组合泡沫调驱的采出程度增幅高达28.97%。姚传进等[16]开展单管模型实验,表明在聚驱之后弹性微球深部调驱比单纯聚驱采收率提高了5.73%。大量学者通过室内实验研究表明,深部调剖能够封堵高渗层优势通道,发挥更大的改变后续液流方向作用。但是对于深部调剖技术的研究多数是通过采集岩心两端的数据参数来描述调剖过程,而调剖前后液流在高低渗层中运移规律、波及体积以及驱替效率如何变化鲜有报道。

因此,应用计算机断层扫描(computed tomography，CT)技术与岩心驱替实验结合,通过不同时刻获得的油水饱和度分布特征,分析高低渗层油水运移特征,对比调剖前后注入水的波及效率和驱替效率,探索深部调剖驱油机理,以期为高含水油藏的有效开发提供理论支持。

1 实验器材和方法

1.1 实验装置及条件

实验所用CT扫描仪器是由扫描架、支架、控制台和电源分配装置等构成的ProSpeed CT/e螺旋CT扫描仪,扫描电压为120 kV,电流为50 mA,单层扫描时间为2 s,采用轴向扫描的方式,扫描厚度和层距均为5 mm。CT扫描数据通过图像分析软件进行重建并处理。驱替实验装置包括2PB00C型平流泵、中间容器、真空泵、人造岩心及管线若干。

1.2 实验岩心与流体

实验岩心是层内纵向非均质人造岩心,呈正韵律放置并采用环氧树脂浇铸,其规格为4.5 cm×4.5 cm×30 cm,渗透率分别为100×10-3μm2和 3 000×10-3μm2,岩心一次CT扫描产生60个CT切片。实验用油为某油区模拟油,调剖剂为改性淀粉凝胶,配方组成为4%改性淀粉+4%丙烯酰胺+0.1%交联剂+0.02%引发剂,顶替段塞是与改性淀粉凝胶同浓度的淀粉溶液。为了提高CT扫描过程中流体分辨效果,在水和淀粉溶液中分别加入8%溴化钠增强剂。

1.3 实验过程

实验分为5步：①扫描实验流体和干岩心样品,测定各流体CT值和岩心各切片CT值；②将岩心抽真空饱和油,对饱和油的岩心CT扫描,得到岩心各扫描切片孔隙度；③以0.5 mL/min的驱替速度水驱油实验,在一定的时间间隔内对岩心CT扫描,获取岩心各切片油水分布信息,直到出口端含水率达98%以上；④以0.5 mL/min的速度依次注入 0.2 PV 的改性淀粉凝胶和淀粉溶液,凝胶候凝后对岩心CT扫描,获得凝胶在岩心中的分布状态；⑤以 0.5 mL/min 的驱替速度后续水驱,在一定的时间间隔内对岩心CT扫描,获取岩心各切片CT值分布和油水分布信息,直到出口端含水率达98%以上结束实验。

2 实验结果及分析

2.1 一次水驱

图1所示为岩心高渗层和低渗层含水饱和度沿岩心长度方向分布。由图1可见,在水驱分别为30、60、90 min时,高渗层含水饱和度前缘剖面十分陡峭,注入水呈活塞式向前推进。水驱160 min时,高渗层各切片含水饱和度均在60%以上,表明此时高渗层内的驱替效率较高,并且注入水均匀驱替高渗层多孔介质中原油。水驱220、160 min对比来看,高渗层各切片含水饱和度增幅较小,表明注入水低效或无效循环,岩心高渗层处于高含水期。水驱 90 min 时,注入水开始启动低渗层,水驱结束时,低渗层含水饱和度仍然很低,并且水驱前缘仅波及到第27个切片处,而此时的高渗层已成为注入水主流通道,分析认为是岩心纵向非均质性严重,导致在注水开发过程中层间矛盾大,油层动用极不均匀,造成了高渗层见效快含水高,低渗层注水效果差。

图1 岩心高、低渗层含水饱和度沿程分布

2.2 后续水驱

图2 岩心高渗层CT值沿程分布

图2所示为后续水驱岩心高渗层CT值分布。由图2可见,该曲线在岩心切片中心处出现了下降漏斗,漏斗处为改性淀粉凝胶位置,漏斗两侧曲线的高CT值处为含有溴化钠的水波及区。后续水驱过程中,随着注入水的不断冲刷,漏斗整体形态保持完好,说明改性淀粉凝胶成胶性能好,与岩心孔隙壁面胶结强度高,改性淀粉凝胶未发生运移且仍保持完整性,对于窜流通道的封堵效果好。在岩心第43个切片与第60个切片之间,水驱40 min时曲线CT值低于注胶后曲线CT值,分析认为是改性淀粉凝胶封堵高渗层,迫使注入水绕流启动低渗层多孔介质中的剩余油,致使低渗层中的剩余油绕过改性淀粉凝胶后进入接近出口端处的高渗层,因此,水驱40 min时的CT值降低。随着水驱时间的增加,CT值升高,这是因为注入水量增加,水相逐渐向岩心深部运移并绕过改性淀粉凝胶由低渗层进入高渗层,含水饱和度增加,致使CT值升高。

图3所示为后续水驱岩心低渗层含水饱和度分布。由图3可见,水驱40 min时水驱前缘由注胶后第 27个切片运移到第38个切片处,并且岩心入口端的含水饱和度大幅增加,说明注入水不仅波及改性淀粉凝胶正上部的低渗层剩余油,同时扩大入口端的低渗层波及区。水驱时间不同,油水前缘的位置不同,随着水驱时间增加,水相波及区域逐渐增大,低渗层含水饱和度逐渐增加,但是在相同水驱时间间隔内,含水饱和度曲线逐渐紧密,表明水驱前缘线推进速度变缓,分析认为是后续注入水启动低渗层,扩大了水驱波及体积,提高了注入水的有效利用率,但是由于液流是沿着渗流阻力小的方向运移,注入水一旦绕过改性淀粉凝胶立即进入渗流阻力小的高渗层大孔道,形成新的水流通道,致使低渗层油水前缘推进速度变缓,因此尽管注入水仍然波及低渗层,但是波及体积增幅有限,所以岩心低渗层出口端仍有部分未波及区。

2.3 波及效率与驱替效率

为了定量研究岩心深部调剖对注入水波及效率和驱替效率的影响。根据岩心几何尺寸和孔隙度计算得到岩心高、低渗层饱和油量,通过不同时刻岩心高、低渗层含水饱和度值可得到相应产油量,进而分别计算高、低渗层采收率。通过CT扫描获得的岩心油水分布情况计算注入水波及效率,进而求得驱替效率。图4所示为整个驱替过程中高、低渗层驱替效率、波及效率和采收率曲线。

图3 岩心低渗层含水饱和度沿程分布

图4 渗层驱替效率、波及效率和采收率曲线

由图4(a)可见,水驱初期,驱替效率和波及效率曲线陡然上升。水驱至0.2 PV过程,采收率受驱替效率和波及效率共同影响,并且驱替效率起主要作用。水驱0.2～0.4 PV过程,注入水不断向油层深部运移,驱替效率缓慢上升,采收率受驱替效率和波及效率共同影响,并且波及效率起主要作用。0.4 PV以后,注入水波及整个高渗层,波及效率不在增加,此时采收率的大小取决于驱替效率的大小。

由图4(b)可见，水驱初期,驱替效率和波及效率均为0,表明注入水未波及低渗层；水驱0.2 PV时驱替效率和波及效率开始增加,采收率的变化受驱替效率与波及效率同时作用；一次水驱后期3条曲线趋于平缓,是因为注入水沿着高渗层水流通道窜流,几乎不在波及低渗层。注改性淀粉凝胶过程,驱替效率和波及效率没有明显变化,表明凝胶体系未波及低渗层,即对低渗层没有污染,凝胶具有很好的选择注入性。后续水驱阶段,驱替效率曲线缓慢上升,波及效率和采收率曲线快速升高,采收率的增加主要是波及效率起主导作用。分析认为改性淀粉凝胶封堵高渗层迫使后续注入水绕流驱替低渗层未动用的剩余油,水相波及体积迅速扩大,波及效率大幅增加；而低渗层孔道细微,渗透率低,渗流阻力大,水相发生绕流后很难继续开辟新的渗流通道,驱替效率增幅减缓。

对图4进行综合分析,对于高渗层,采收率首先受驱替效率和波及效率共同影响,当波及效率不再增加,采收率的大小取决于驱替效率的大小,因此,在波及效率达到一定程度的基础上,改善驱替效率才能进一步提高采收率。对于低渗层,采收率一直受驱替效率和波及效率同时作用,且后续水驱过程波及效率发挥主要作用,因此,必须同时提高驱替效率和波及效率才能最大程度提高采收率。

2.4 调剖机理分析

图5 非均质岩心深部调剖示意图

图5所示为非均质岩心深部调剖示意图。以往对于调剖剂放置位置的研究认为,当凝胶放置于岩心入口端高渗层时,后续注入水只在入口端的低渗层产生绕流,扩大波及体积程度较低；当把凝胶注入高渗层深部,封堵高渗层后,迫使后续注入水在凝胶上部的低渗层B点产生绕流,水相绕过凝胶在C点处窜入高渗层,能够大幅度提高注入水波及体积[图5(a)]。通过对实验分析总结发现,把改性淀粉凝胶注入岩心高渗层深部位置,凝胶在油层深部能够有效封堵高渗层,不仅迫使高渗层中的注入水在BC之间产生绕流,而且使得注入水在岩心入口端就进入低渗层,波及低渗层中A、B区域,并在C点窜入高渗层,进一步扩大了水驱波及体积[图5(b)]。原因是改性淀粉凝胶有效封堵高渗层,迫使后续水驱压力增加,当压力增加到一定值时,在高压力下导致注入水不仅波及凝胶上部区域而且驱替岩心入口端区域剩余油。

2.5 采收率

图6所示为3个驱替过程结束时的采收率对比。由图6可见,一次水驱采收率为41.5%,由于岩心极强的非均质性,注入水很少进入低渗层,高渗层对采收率起主要贡献作用。注改性淀粉凝胶后采收率为51.8%,采收率增加了10.3%,低渗层采收率几乎没有增加,说明凝胶体系没有进入低渗层,采收率的增加主要是由于注改性淀粉凝胶过程中高渗层采收率的增加作用,表明改性淀粉凝胶向高渗层渗流,不断向前运移致使高渗层中的油被逐渐驱替出来,此过程也是重要的驱油过程。水驱结束时采收率为66.9%,采收率增加了15.1%,该过程高渗层内采收率增加幅度较小,低渗层起主要贡献作用,是因为凝胶封堵高渗层,调整了吸水剖面,迫使后续水流启动低渗层,驱替低渗层内的剩余油。