缝洞型油藏微观驱替规律可视化实验研究

孙瑞仪　付美龙　徐传奇　李雪娇

摘  要：针对缝洞型油藏出水规律不明确的问题，结合塔河油田缝洞型油藏储集体特征设计制作了单向连通缝洞储集体与多向连通缝洞储集体两种可视化物理模型，并借助基于微观可视化技术的缝洞型油藏微观驱替可视化装置，从微观上探究了缝洞型油藏微观驱替规律。结果表明，裂缝中，水相主要“优宽”驱进，并会在水流优势通道形成后对非优势通道产生“屏蔽效应”。从驱替形态与效果来看，水驱油方式可分为“活塞式”驱替与“非活塞式”驱替两种。当裂缝中的水相进入大溶洞，一定条件下大溶洞内的油相可“逆流”进入裂缝，导致油水两相“卡断”、“互驱”。当水相进入大溶洞后，一般会先向洞底移动、汇聚，之后以“类活塞”的形式纵向驱替上方原油。驱替结束，剩余油除油膜外，还包括储集体顶部的楼顶油、大溶洞顶部未被完全驱出的洞顶油以及裂缝中的缝间油等。该研究对理解缝洞型油藏底水抬升过程、油藏出水规律以及指导油井堵水、剩余油挖潜等均有积极意义。

关键词：缝洞型油藏;屏蔽效应;逆流;卡断;剩余油

塔河油田缝洞型碳酸盐岩油气藏由于储层地质条件复杂、非均质性强、油水赋存形式多样、渗流机理特殊等，具有初期产量高但递减快，见水早、含水上升快，原油采收率较低等开发特征[1]。当前，明确缝洞型油藏出水規律，制定有针对性的堵水方案，是提高缝洞型油藏油井产量与原油采收率的重要手段。为明确缝洞型油藏出水规律，国内众多学者进行了大量物理模拟研究[2-5]，从宏观上探究了储集体类型、注水速度、注入压力等因素对含水率、原油采收率的影响规律[6-12]，但甚少从微观角度就缝洞型油藏微观驱替规律进行可视化研究。本文借助室内自制缝洞型储集体可视化物理模型，从微观上探究缝洞型油藏水驱油规律，进一步明确缝洞型油藏微观驱替规律。

1 典型储集体可视化物理模型制作

为研究缝洞型油藏储集体中的水驱油微观规律，实验结合塔河油田缝洞型油藏储集体特征的文献调研结果，设计并制作了单向连通缝洞储集体、多向连通缝洞储集体两种典型的微观可视化物理模型（由防腐金属板和有机玻璃胶结而成），以探究缝洞型油藏储集体中的水驱油微观过程。两种可视化物理模型（图1）。两种模型在缝宽尺寸、溶洞规模、缝、洞组合情况和连通情况、缝洞倾角大小、润湿性等方面都较为符合塔河油田缝洞型油藏储集体的实际情况，能较好地满足实验观察、探究油水两相于实际裂缝、溶洞中的流动过程的需要。

2 缝洞储集体油水流动微观可视化

实验仪器  为缝洞型油藏微观驱替可视化装置，主要由驱替系统、可视化模型夹持系统和数据采集系统三部分组成。

实验方法  为更好地呈现可视化缝洞型储集体模型中的水驱油过程，实验先以苏丹Ⅲ和蓝墨水对模拟原油与地层水进行区分、示踪，后将可视化模型饱和模拟原油（101.77 Mp·s）后进行水驱。

2.1 裂缝中的油水流动

2.1.1 “优宽”驱进

“优宽”驱进包括两层含义：①多条裂缝并存时，水相会优先进入入口较宽的裂缝;②水相进入裂缝后，主要沿宽缝（主流通道）驱进。不难发现水相沿宽缝①的驱进程度大于沿窄缝②（图2）。分析认为，这主要与水驱前缘受到的毛管阻力大小有关。由拉普拉斯方程可知，其余条件相同时，宽裂缝内水驱前缘受到的毛管阻力较小，更有利于水相驱进、深入。相反，由于水相沿窄缝驱进时的毛管阻力较大，水相较难甚至无法进入窄缝，这也是窄缝内的原油往往较难被启动或动用程度不高，容易成为剩余油的重要原因之一。

此外，受裂缝倾角影响，水相也可能“优下”流动。这是由于在水相举升过程中以重力为阻力，裂缝倾角越大重力产生的阻力就越大，特别是竖直向上驱时，水相不容易抬升，上行裂缝被驱进的程度也就较低，在储集体上方产生大量剩余油（楼顶油）。反之，倾角越小流动阻力越小，水相越容易驱进裂缝，特别是下行裂缝。能够看到水平缝③的波及程度最深，远大于垂直缝①（图2）。

2.1.2  “屏蔽效应”

“屏蔽效应”指的是水流优势通道对其他通道的屏蔽，即水体一旦沿某条路径突破，则其余通道中的油水将难以继续驱进，甚至不再继续驱进（图3）。由于水相的“优宽”驱进，故水流优势通道通常为宽缝，因此“屏蔽效应”更多的是宽缝对窄缝的屏蔽[13]。此外，一定条件下短缝对长缝、低倾角裂缝对高倾角裂缝也可产生“屏蔽效应”，但本质上都是优势通道对非优势通道的屏蔽。

“屏蔽效应”是水流优势通道形成后引起的。分析认为，该效应主要是因为优势通道形成后，缝内的流动相态由之前的油水两相流变为单相流。由于缝内已无水驱前缘，毛管阻力大大减少，流动阻力显著降低，导致水相加速沿优势通道单向流动，造成水相转向能力进一步变弱，甚至不再沿非优势通道继续深入，导致非优势通道内的原油被彻底封存在通道内。这通常也是窄缝内未被及时驱出的油体易被封存形成剩余油（封存油）的重要原因（图3）。

2.1.3 “活塞式”和“非活塞式”驱替

裂缝中的水驱油方式主要有“活塞式”与“非活塞式”两种[14]。从宏观形态和驱油效果上来看，“活塞式”驱替过程中油水两相分布均匀，油水之间有明显、稳定的界面，是一种驱油较彻底、效果较理想的驱油方式。但在“非活塞”式驱替中，油水两相间无明显界面或界面较为模糊、不稳定，水相可在油相中“突进”或“指进”，致使壁面上残余大量油膜，是一种驱油不彻底，效果相对较差的驱替方式，冲刷、拖拽等均属此类驱油方式。

2.2 溶洞内外的油水流动

小规模溶洞对于油水流动的影响与裂缝较为相似[15]，此处主要为大溶洞内的油水流动规律。

2.2.1  大溶洞入口处的油水流动

油相“逆流”   从水相进入大溶洞时可以看到（图4-a，b），注入水进入大溶洞的瞬间，前缘水体因重力作用而发生了断裂，随即向溶洞底部运移、汇聚。同时，洞中部分油体快速“逆流”进入裂缝补空，以致缝内重现油相段塞（图4-b）。“逆流”为一定条件下，洞中油相与缝中水相“易位“的过程，是缝洞型储集体中的基本流动现象。

“卡断”与“互驱”   水驱油过程中还存在油水互相“卡断”、“互驱”的现象[16]（图5）。由于裂缝中的水相进入各个大溶洞时发生断裂，引起了溶洞内的油相“逆流”，在上游形成多个油水段塞，使油水相互“卡斷”，呈“互驱”状态。“卡断”会产生显著的毛管效应附加阻力，并容易造成后续水相转向，使得“逆流”的油段塞再难被驱出而被封存成为剩余油（封存油），同时还可能导致油井间歇式产油、产水或油水同产[17]。此外，如果溶洞内的水相不能完全溶汇，则洞内的不连续水相在后续驱进过程中，前后两段水相间同样可能会出现逐渐壮的大油段塞，造成油水相互“卡断”、“互驱”（图6-a，b）。

2.2.2 大溶洞内的油水界面抬升

“三维流动”与“类活塞式”驱替  大溶洞内的水相抬升过程，具有较为明显的“三维流动”特征，并存在着“类活塞式”驱替。一般地，水相进入大溶洞后在重力作用下会先向洞底运移与其他水体汇聚，并向四周运移、扩展形成较统一的油水界，同时还会纵向抬升油水界面，驱替过程与“活塞式”驱替较类似。过程中，油相或“逆流”或向溶洞出口流动，但受溶洞出口位置影响，洞顶会残余一定量的剩余油（洞顶油），剩余油因被下方水相屏蔽，较难被驱出。

毛管效应   缝洞型油藏储集体中，毛管效应附加阻力效应较为显著，特别是大溶洞孔喉处的“贾敏效应”。由于“贾敏效应”，当洞中油水界面举升至出口高度时，水相无法直接通过孔喉，需克服效应引起的附加毛管阻力 [18] ，会严重消耗驱动力。毛管阻力效应也产生一些有利于生产的现象。在单向连通缝洞中，由于水相通过孔喉前需先克服“贾敏效应”，洞内油水界面一般会高于出口所在平面，会有更多的洞顶油因受底水挤压而被采出。油水界面越靠近洞顶，顶部剩余油（洞顶油）就越少。不仅如此，在多向连通缝洞中显著的“贾敏效应”还能造成后续水体转向，扩大驱替相纵向波及体积，改善采收效果。

2.3 驱后剩余油类型及分布

两种储集体驱后剩余油类型及分布见图7。缝洞型油藏储集体中的剩余油类型较为多样，主要包括封存油、洞顶油与油膜，以封存油为主。其中，封存油包括楼顶油、缝间油。

楼顶油  主要位于储层位置相对较高的部位（顶部），如同“楼顶”，其剩余量较大，难被水体波及。其形成与储层渗透率正韵律、油水流动过程中重力分异明显等因素有关。一般地，储层顶部渗透率越小、油水密度差越大、水相 “优下”驱进越严重，这类剩余油越容易形成。

缝间油  呈段塞状，主要存在于裂缝，特别是波及区内的非优势通道中。其形成原因较为复杂，如“卡断”、“互驱”、“屏蔽效应”等，都能导致此类剩余油形成。

洞顶油  洞顶油是溶洞内剩余油的主要形式，被屏蔽在溶洞顶部。其剩余量主要与溶洞规模、溶洞出口位置及“贾敏效应”等因素有关。一般地，“贾敏效应”被克服或水相转向之前，洞中油水界面越接近洞顶，其剩余量越少。

油膜  油膜是储集体中最常见、分布最广泛的剩余油形式。无论是裂缝壁面还是溶洞壁面，都可见分布。其形成与岩石润湿性及水相“非活塞式”或“类活塞式”驱油有关。一是碳酸盐岩弱亲油，普通水驱很难将油膜从岩壁上彻底剥离;同时，水相“非活塞式”或“类活塞式”驱油很容易使水相在油相中“指进”、“突进”，甚至是“绕流”，导致水相活塞程度不高、驱油不彻底，进而在岩石壁面附近残余大量油体。

3 结论

（1） 受毛管力作用，底水主要“优宽”驱进，同时受重力作用，一定条件下还能“优下” 驱进，故在缝洞型油藏内会有大量的楼顶油，同时非主流通道内依旧会有大量剩余油。

（2） 优势通道的“屏蔽作用”，会导致其余通道未被驱出的油体被彻底封存，即依旧存在大量剩余油。

（3） 缝洞型油藏内的水驱油方式包括“活塞式”与“非活塞式”驱替两种，最终会产生大量剩余油膜。

（4） 缝洞型油藏储集体内普遍存在着油相“逆流”、油水相互“卡断”、“互驱”等现象。油水相互“卡断”与“互驱”，一定条件下可能会引起油井间歇式产水、产油或油水同产。

（5） 缝洞型油藏注水开发期间，会存在着极为显著的毛管效应附加阻力，特别是“贾敏效应”。附加阻力会严重消耗驱动力，但也可以有利于生产。

（6） 油水界面在大溶洞内抬升时，具较明显的“三维流动”特征与较理想的“类活塞式”驱替过程，但最终洞内仍可能剩余大量洞顶油。

（7） 缝洞型油藏储集体中的剩余油主要有封存油（含楼顶油和缝间油）、洞顶油和油膜，特别是楼顶油和洞顶油。

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Abstract： Rule of seam hole type reservoirs， ambiguous problems， combined with the feature of seam hole type reservoir in tahe oilfield reservoir design made a one-way connecting seam hole reservoir and multidirectional connecting seam hole reservoir two visual physical model， and with the help of microscopic visualization technology based on seam hole type reservoir microscopic displacement visualization device， explores the gap on the micro hole type reservoir microscopic displacement rule. The results show that in the fracture， the water phase mainly drives into the fracture with "optimal width"， and produces "shielding effect" to the non-dominant channel after the dominant channel is formed. In terms of displacement shape and effect， water displacement can be divided into "piston" displacement and "non-piston" displacement. At the same time， when the water phase in the fracture enters the large karst cave， the oil phase in the large karst cave can "counterflow" into the fracture under certain conditions， resulting in the "stuck fracture" and "mutual flooding" of the oil-water two phases. When the water phase enters a large karst cave， it generally moves to the bottom of the cave first， converges， and then displaces the upper crude oil longitudinally in a "piston-like" form. At the end of displacement， the remaining oil includes not only the oil film， but also the roof oil on the top of the reservoir， the roof oil on the top of the large karst cave that has not been completely driven out， and the interfracture oil in the cracks， etc. This study is of positive significance for understanding the bottom water lifting process and reservoir water outflow rule in fracture-vuggy reservoirs， as well as guiding the water plugging of oil Wells and the potential exploitation of remaining oil.

Key words： Fracture-cave reservoir; Shielding effect;Reflux;Disconnection;Residual oil