特高含水期油藏井網調整開發效果三維物理模擬實驗研究

姚秀田，蘇鑫坤，鄭 昕，馬 軍，蓋麗鵬，崔傳智

（1.中國石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東東營257231；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；3.中國石化勝利油田分公司油氣開發管理中心，山東東營257001）

水驅油藏進入特高含水期后，井網調整能夠有效的改變流線、進一步提高采收率；井網調整方向主要分為兩部分：井網抽稀與井網加密［1-5］。目前關于井網加密的研究較多［6-12］，最小注采井距已經達到80 m，接近井網加密經濟極限，另外井網加密后高耗水現象更加凸顯，反而部分區塊實施井網抽稀后控水穩油效果較為顯著。井網抽稀的研究主要建立在數值模擬的基礎上［13-16］。賴書敏等針對勝利油區中高滲透砂巖油藏的典型單元，在精細地質特征研究和數值模擬研究的基礎上，根據單元現井網和剩余油分布特點，在最大限度利用老井的情況下，模擬井網抽稀后的開發過程，研究結果表明，井網抽稀后能提高水驅采收率2.64%［14］；盧云霞等在描述各小層不同時期水淹特征的基礎上，明確油水井連通狀況及見水優劣勢方向，評價主力層剩余油潛力區；并針對剩余油分布規律，提出井網抽稀改變液流方向以達到改善主力層開發效果的目的［15］；李明松在評價井網適應性的基礎上，提出了對注水水淹層井網進行抽稀，以解決平面矛盾、改善開發效果，提高原油采收率［16］。以上關于井網抽稀的研究均是運用數值模擬技術，在分析剩余油的基礎上，開展井網抽稀以改變流線，最終達到控制含水率、提高采收率的目的。這些研究均沒有涉及到物理模擬實驗。

筆者采用自主搭建的3D 水驅物理模擬實驗裝置，開展了基礎井網、井網抽稀及井網加密等多種水驅油物理模擬實驗，對比分析井網調整形式、注水速度、抽稀/加密后提液等因素對飽和度剖面及采出程度的影響，對完善特高含水期油藏井網調整方式進行了有益的探索。

1 實驗設計

1.1 實驗參數的獲取

可視化物理模擬實驗就是利用相似準則［17］將實際油藏的各類參數轉換成室內實驗參數，這樣就可以將油藏較長時間的生產過程轉化為較短時間內的可視化物理模擬過程，從而便于直觀地對開發效果進行分析，為油田生產提供有效參考方案。

礦場參數中井距為250 m，排距為125 m，儲層厚度為10 m，原油黏度為32 mPa·s，模型注入速度（4個五點法井網）為480～800 m3/d，對應的實驗參數中井距為12.5 cm，排距為6.25 cm，儲層厚度為5 cm，原油黏度為1.6 mPa·s，模型注入速度（4 個五點法井網）為16.67～24.31 mL/min（表1）。

表1 礦場參數與實驗參數轉換結果Table1 Conversion results of field parameters and experimental parameters

1.2 實驗裝置及實驗方案

自主搭建的3D 水驅物理模擬實驗裝置由真空泵、ISCO 驅替泵、3D 填砂模型裝載器（長×寬×高為30 cm×30 cm×5 cm）、油水分離裝置、注入管線、采出管線及飽和油管線等組成（圖1）。運用該裝置開展不同注水速度條件下的井網抽稀、井網加密及基礎井網（不進行井網調整）水驅實驗，井網調整形式見圖2，基礎井網是井距為15 cm 的正方形五點法井網，加密井網是井距為7.5 cm的正對井排，抽稀井網是井距為15 cm 的矩形五點法井網。模型整體注入速度為16 和24 mL/min，石英砂有20 目、40 目及80目，實驗用油為稀釋后的原油，黏度為1.6 mPa·s，每組實驗累積注水量為1 900 mL。

圖1 3D水驅物理模擬實驗裝置Fig.1 3D waterflooding physical simulation device

圖2 井網調整形式示意Fig.2 Adjustment of well pattern

1.3 實驗步驟

水驅實驗分為5 個步驟：①正韻律3D 可視化物理模型制作。將不同粒徑石英砂分別倒入燒杯中，記錄其體積，再向燒杯中倒入原油，記錄原油的體積，用玻璃棒不斷攪拌，使石英砂與原油充分混合，再用保鮮膜覆蓋燒杯口，使石英砂與原油充分接觸，靜置大概1 h后，3D可視化物理模型所用油砂配制完成。將配制好的大粒徑油砂（20 目）均勻鋪至模型底部，先用鏟刀將砂體表面抹平，再用壓實板將砂體均勻壓實；然后將配制好的中粒徑油砂（40目）均勻鋪置、壓實在已鋪置的砂體上；之后再將配制好的小粒徑油砂（80 目）均勻鋪置、壓實在已鋪置的砂體上，最終形成正韻律3D 可視化物理模型（圖3a）。該模型的滲透率從底部到頂部分別為2 500，1 000 及250 mD；各層的厚度相同，且總厚度為5 cm。②模型管線制作與連接。正韻律3D 可視化物理模型內水井端使用側壁全井段打孔的管線，油井端使用側壁頂端打孔的管線（圖3b），將制作好的管線按設計的井網類型填埋在模型中相應位置，并將管線埋入模型的端口套上濾砂網，以保證管線不會被砂堵死。每根管線連接一個閥門，實現油水井的開關。③物理模型飽和油。先抽真空，再向中間容器內倒入一定量的原油，將其密封好；設定水泵的限制壓力為1 MPa、注入速度為2 mL/min，將中間容器內的原油飽和進模型中。待壓力升高至0.9 MPa左右后，測試井管線是否通暢：將井管線閥門輪換打開，確保每口井管線正常出液。記錄各井管線在測試時所產出的原油體積。模型老化24 h，使模型內壓力和原油均勻分布，待水驅實驗所用。④水驅油物理模擬實驗。實驗包括基礎井網與井網調整（井網加密與井網抽?。┧寣嶒?，實驗各井采用定流量條件工作。其中，基礎井網水驅實驗設定水泵的限制壓力與總注入速度，開啟ISCO驅替泵進行水驅油物理模擬實驗，在油井出口端放置100 mL 量筒，每隔10 分鐘記錄一次單井累積產液量與產水量，驅替至油井含水率近100%。井網調整水驅實驗與基礎井網水驅實驗相似，不同之處在于：水驅至某一時刻（含水率為90%），進行井網調整（井網加密或者抽?。?，然后水驅至油井含水率近100%。⑤實驗數據處理與結果分析?；谟涗浀娘柡陀土?、累積產液量、累積產水量等數據，計算獲得采出程度曲線；同時通過切割物理模型砂體（圖3c），獲得水驅結束后的飽和度剖面；并運用像素識別軟件，在設定未飽和油時儲層顏色為0，飽和油完成時儲層顏色為1的條件下，獲得剖面飽和度。

圖3 水驅實驗示意Fig.3 Waterflooding experiment

2 實驗結果與分析

共開展了6 組水驅物理模擬實驗，分別為基礎井網水驅物理模擬實驗、井網加密水驅物理模擬實驗、井網抽稀水驅物理模擬實驗、注入速度增加的井網抽稀水驅物理模擬實驗、抽稀后提液的井網抽稀水驅物理模擬實驗、加密后提液的井網加密水驅物理模擬實驗（表2）。

表2 水驅實驗對比分析Table2 Comparative analysis of waterflooding experiments

2.1 井網調整開發效果對比

對比實驗1，2，3研究井網調整對開發效果的影響。由注入速度為16 mL/min 時各井網調整形式水驅開發結束后的飽和度剖面與采出程度（圖4，圖5）可知，對正韻律儲層，無論是何種井網調整形式，底部水洗嚴重（呈白色），頂部水洗較弱（呈黑色）。與基礎井網相比，井網抽稀后的單井注入速度、井距增加。對于全射孔的注水井，單井注入速度增加將導致縱向波及面積增加，但井距增加又會使波及面積降低，兩者綜合作用導致基礎井網水驅結束后的飽和度剖面波及面積與井網抽稀的飽和度剖面波及面積大小相當；且隨著全井段射孔注水的注入速度增加，頂部水洗程度增強，頂部含油飽和度降低了0.06（為0.56）。井網加密后雖然單井注入速度降低，但井距減??；井網加密水驅結束后的波及面積大，但其頂部含油飽和度（0.70）要比基礎井網水驅結束后的頂部含油飽和度（0.62）大。各井網調整形式的采出程度變化規律相似，隨著開發時間的推移，采出程度先線性增加后趨于平緩；從最終采出程度看，井網抽稀后的最大，其次是井網加密后的，最小的是基礎井網的。與基礎井網的最終采出程度相比，井網抽稀的提高了近3.01%，井網加密的提高了2.12%。

圖4 注入速度為16 mL/min的水驅結束后飽和度剖面Fig.4 Saturation profile after waterflooding at an injection rate of 16 mL/min

圖5 注入速度為16 mL/min的各井網類型的采出程度Fig.5 Recovery under each well pattern at injection rate of 16 mL/min

從以上分析可知，在注采條件、儲層物性條件相同的情況下，與基礎井網相比，井網抽稀開發后的正韻律儲層頂部動用程度大，最終采出程度高；井網加密的波及系數最大，但是其在相同注水量情況下的洗油程度弱，導致其最終采出程度小于井網抽稀的。特高含水期井網抽稀開發效果最好，其次是井網加密，最差的是基礎井網。

2.2 不同注入速度的井網抽稀開發效果對比

對比實驗3，4研究不同注入速度對井網抽稀開發效果的影響。從圖6 與圖7 可知，對正韻律儲層，當注入速度從16 mL/min 增加至24 mL/min 時，井網抽稀水驅結束后的飽和度剖面均表現為底部呈白色、水洗嚴重，頂部呈黑色、水洗較輕的特征。高注入速度的飽和度剖面頂部含油飽和度（0.54）要低于低注入速度的（0.56），且高注入速度的飽和度剖面波及面積比低注入速度的大27.83%。在累積注水量相同的情況下，注入速度越大，最終采出程度越大；高注入速度的最終采出程度比低注入速度的提高了4.77%。從以上分析可知，在累積注水量一定、注入與采出平衡條件下，水驅注入速度越大，波及面積越大、縱向驅替越均勻，最終采出程度越高。

圖6 不同注入速度井網抽稀水驅結束后飽和度剖面Fig.6 Saturation profile after waterflooding under thinned well pattern at different injection rates

圖7 不同注入速度的井網抽稀水驅采出程度對比Fig.7 Comparison of recoveries under thinned well pattern at different injection rates

2.3 井網抽稀/加密后提液開發效果對比

對比實驗2，3，5，6 研究井網抽稀/加密后不提液與提液對開發效果的影響。由井網抽稀后提液與不提液的飽和度剖面和采出程度（圖8，圖9）可知，雖然井網抽稀后不提液飽和度剖面頂部含油飽和度（0.56）小于井網抽稀后提液的（0.71），但井網抽稀后提液的波及面積比不提液的大24.12%。在累積注水量相同的情況下，井網抽稀后提液的最終采出程度比不提液的高2.52%。

圖8 井網抽稀后提液與不提液水驅結束后飽和度剖面Fig.8 Saturation profiles after waterflooding with and without increased liquid production after well pattern thinning

圖9 井網抽稀后提液與不提液采出程度對比Fig.9 Comparison of recoveries with and without increased liquid production after well pattern thinning

從井網加密后提液與不提液的飽和度剖面和采出程度（圖10，圖11）可知，井網加密后提液的飽和度剖面頂部含油飽和度（0.73）大于不提液的（0.70），但是后者的波及面積更大，因此在累積注水量相同的情況下，井網加密后提液的最終采出程度比不提液的高1.49%。同時對比井網加密后提液與井網抽稀后提液的最終采出程度可知，在累積注水量相同的情況下，井網抽稀后提液的最終采出程度比井網加密后提液的高1.99%。

圖10 井網加密后提液與不提液水驅結束后飽和度剖面Fig.10 Saturation profiles after waterflooding with and without increased liquid production after well pattern infilling

圖11 井網加密后提液與不提液采出程度對比Fig.11 Comparison of recoveries with and without increased liquid production after well pattern infilling

從以上對比分析可知，井網調整后（加密/抽?。┨嵋嚎梢栽诰W調整的基礎上進一步擴大水驅波及系數、提高采出程度，且由于井網加密后提液的正韻律儲層底部水洗程度要弱于井網抽稀后提液的，因此井網抽稀后提液的開發效果要比井網加密后的提液的開發效果更好。

3 討論

從提高采收率機理、井網抽稀應用條件及礦場指導意義等3 個方面，討論特高含水期油藏井網調整開發效果三維物理模擬實驗結果。

井網調整提高采收率機理 不同的井網形式決定了不同的壓力場與流場分布，進而決定了不同的波及體積與驅油效率，對于井網加密而言，通過增加累積注水量、采液井點可以有效提升原井網弱波及部位的驅替壓力梯度，如正韻律厚油層頂部，使得油層縱向動用程度更均衡，但由于注采井距較小，在一段時間后易形成優勢滲流通道，又制約了整體采收率；對于井網抽稀而言，在擴大注采井距的同時保持與井網加密相同的注入、采出強度，可以實現更均衡的流場分布、保持與井網加密相同的驅替壓力梯度，但由于注采井距相對較大，高耗水流線更不易形成，再開展提注提液可以改善油層縱向波及狀況，從而獲得更高的采收率。

井網抽稀的應用條件 井網抽稀的做法尤其適用于特高含水后期水驅油藏開發，開發后期井網老化、高耗水層帶發育的現象較為普遍，可以通過層系間補孔改層、大修、側鉆等措施確保油氣資產利用效率來實現井網抽??；為抑制極端高耗水層帶，常規的井網轉換需要配套較多的新井工作量投入，井網抽稀后的注采井距較大，能夠有效規避極端高耗水層帶，再提液后可以通過壓力傳導實現油藏中更為均衡的流場分布。

礦場指導意義 特高含水后期延長經濟壽命期的必要條件是經濟采收率，井網調整的方向決定了開發成本，井網加密需較高的投資支撐，在特高含水后期平均單井產能相對較低的情況下效益難以保證；井網抽稀在技術上能夠實現更均衡的流場分布、保持較高的驅替壓力梯度，在經濟上可以通過層系間補孔改層實現，所需的投入較小，因此具有較強的技術和經濟適應性。

4 結論

與基礎井網相比，井網抽稀與井網加密的水驅開發效果更好，且井網抽稀的水驅開發效果比井網加密好。對正韻律儲層，當累積注水量相同時，不同方式井網調整后，均表現為注入速度越大、水驅波及系數越大、驅替越均勻，最終采出程度越大，即提高注入速度有益于提高水驅采收率。當累積注水量相同時，井網調整后提液的采收率要比不提液的高；且井網抽稀后提液比井網加密后提液的采收率更高、開發效果更好。