彭彩珍，孟立新，郭 平，鐘功祥，孫 雷

(1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都 610500； 2.大港油田勘探開發(fā)研究院，天津 300280；3.西南石油大學(xué) 理學(xué)院，成都 610500；4.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

三維物理模型驅(qū)油實驗?zāi)M裝置研制與應(yīng)用

彭彩珍1，孟立新2，郭 平3，鐘功祥4，孫 雷1

(1.西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，成都 610500； 2.大港油田勘探開發(fā)研究院，天津 300280；3.西南石油大學(xué) 理學(xué)院，成都 610500；4.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

針對小巖心不能模擬注采井網(wǎng)驅(qū)替實驗、填砂模型不能模擬低滲透儲層和高壓驅(qū)替實驗的問題，研制了一套能在高溫高壓下進(jìn)行不同滲透率儲層多層組合的巖心、多口直井和水平井組成的注采井網(wǎng)、大尺度三維物理模型驅(qū)替實驗裝置，能進(jìn)行不同驅(qū)替介質(zhì)和吞吐實驗研究。利用該實驗裝置開展了縱向三層組合的正韻律和反韻律模型、平面5個滲透帶的五點注采井網(wǎng)模型、以及直井和水平井組成的十三點注采井網(wǎng)模型在高溫高壓下的水驅(qū)和聚合物驅(qū)油實驗研究，得到了平面和縱向非均質(zhì)性對水驅(qū)油效果的影響程度、直井和水平井的水驅(qū)油效果以及聚合物驅(qū)油效果。通過該裝置模擬實驗可為油田注采井網(wǎng)調(diào)整和注入開發(fā)方式調(diào)整提供技術(shù)指導(dǎo)。

三維物理模型；實驗裝置；高溫高壓；水驅(qū)油實驗；聚合物驅(qū)油實驗

1 大尺度三維物理模型研究現(xiàn)狀

物理模擬與礦場試驗相比，具有費用少、時間短、可重復(fù)性和可預(yù)見性等優(yōu)點，它是研究提高原油采收率的主要手段之一。任何物理模擬都需要借助于實驗裝置和實驗?zāi)Ｐ蛠硗瓿伞Ｄ壳皣鴥?nèi)外的驅(qū)替實驗主要采用小巖心和填砂模型進(jìn)行模擬實驗。小巖心驅(qū)替實驗盡管能考慮平面和縱向非均質(zhì)性對驅(qū)油效果的影響，但不能實現(xiàn)有井油層的驅(qū)替實驗；填砂模型盡管能做低壓有井的中高滲透油層的驅(qū)替實驗，但不能模擬低滲透有井的儲層驅(qū)替實驗，也不能做高壓有井的中高滲透油層的驅(qū)替實驗。高壓低滲透油藏和中高滲透油藏井網(wǎng)調(diào)整和注入開發(fā)方式調(diào)整是油田急需通過實驗方法來解決的主要問題。因此，需要研制大尺度三維物理模型高溫、高壓驅(qū)替實驗裝置。

目前國內(nèi)中國石油勘探開發(fā)研究院、廊坊分院、遼河油田、西南石油大學(xué)、華北油田、勝利油田等對驅(qū)替實驗裝置和實驗大模型進(jìn)行過研制及應(yīng)用探索，但每種實驗裝置和三維物理模型的適應(yīng)條件和范圍是不同的(表1)[1-7]。三維物理模型有天然露頭巖心、填砂模型和高溫高壓燒結(jié)而成的人造砂巖模型。根據(jù)三維物理模型制作方式不同、幾何尺寸不同和用途不同，其實驗?zāi)M裝置的特點也不同。利用這些實驗裝置和物理模型進(jìn)行驅(qū)油模擬實驗發(fā)現(xiàn)，模型的幾何尺寸對實驗結(jié)果的影響很大，幾何尺寸越大，實驗結(jié)果越接近于礦場實際。

針對上述問題，本文研制出了一種新型三維物理模型巖心夾持器實驗裝置，利用該實驗裝置能開展多層、直井和水平井的多井型、大尺度三維物理模型高溫、高壓驅(qū)替實驗[7-8]，能了解油層在注水過程中儲層非均質(zhì)性、不同注采井網(wǎng)對驅(qū)油效果的影響，對確定提高原油采收率合理開發(fā)方案具有一定的指導(dǎo)作用，為確定水驅(qū)后剩余油的合理挖潛方式提供參考。

2 實驗?zāi)M裝置

2.1實驗設(shè)備及功能

為了完成高溫、高壓、不同滲透率儲層多層組成的巖心、有直井和水平井的巖心驅(qū)替實驗測試，本文研制了一套大尺度三維物理模型巖心夾持器配套的實驗裝置(圖1)。該實驗?zāi)M裝置的主要組成部件為：1)三維物理模型巖心夾持器，用來裝大尺度三維物理模型巖心；2)恒溫箱，用來給巖心室的巖心和流體加熱加溫；3)自動泵，用來加圍壓、內(nèi)壓、回壓；4)活塞式中間容器，用來裝驅(qū)替介質(zhì)；5)壓力計量裝置和流量計量裝置。

2.2巖心夾持器

巖心夾持器是驅(qū)油實驗?zāi)M裝置的核心設(shè)備。為了克服已有的巖心夾持器不能同時做高溫、高壓、有井中高滲透巖心、低滲透巖心驅(qū)替實驗的缺點，本文研制了一種多層三維物理模型巖心夾持器[7]。該巖心夾持器不僅能模擬高溫、高壓下縱向多個儲層三維模型驅(qū)替實驗，而且能模擬高溫、高壓下平面非均質(zhì)三維模型具有不同注采井網(wǎng)的驅(qū)替實驗，井網(wǎng)形式主要包括五點注采井網(wǎng)、七點注采井網(wǎng)、九點注采井網(wǎng)、排狀注采井網(wǎng)、十三點注采井網(wǎng)、不規(guī)則井網(wǎng)的驅(qū)替實驗；還可以進(jìn)行水驅(qū)油實驗、氣驅(qū)油實驗、二氧化碳吞吐實驗、化學(xué)劑驅(qū)實驗、調(diào)剖實驗、堵水實驗等，并可開展垂直井和水平井等不同井型對油藏開采效果影響的實驗研究，測定三維模型孔隙度和滲透率，測試縫洞型、裂縫型組合模型驅(qū)替效果等。該實驗裝置可以開展高、中、低滲透人造巖心三維物理模型驅(qū)替實驗測試，及高、中、低滲透天然露頭巖心驅(qū)替實驗測試。該實驗裝置所能達(dá)到的最高壓力為25 MPa、最高溫度為100 ℃。

3 三維物理模型驅(qū)油實驗裝置應(yīng)用

3.1縱向非均質(zhì)性對水驅(qū)油效果的影響

3.1.1 實驗?zāi)康?/p>

采用大尺度三維物理模型模擬裝置來研究縱向非均質(zhì)性對驅(qū)油效率的影響。

圖1 平面和縱向非均質(zhì)三維物理模型驅(qū)替裝置

3.1.2 實驗條件

根據(jù)相似原理，利用白剛玉砂經(jīng)高溫、高壓燒結(jié)，制作了6塊不同滲透率的大尺度三維物理模型巖心，每層三維物理模型的幾何尺寸為30 cm×30 cm×6 cm。測定高、中、低滲儲層的平均滲透率分別為1 100×10-3,500×10-3,100×10-3μm2，根據(jù)每層的滲透率組合成三層正韻律、反韻律三維物理模型[4,9-12]。

驅(qū)替流體使用模擬地層油(粘度12.6 mPa·s)和模擬地層水(粘度0.42 mPa·s)。實驗溫度為80 ℃，實驗壓力為18 MPa。

3.1.3 實驗結(jié)果分析

利用該實驗裝置測定不同韻律組合模型在同一個壓力系統(tǒng)中進(jìn)行注水驅(qū)油的驅(qū)油效率，結(jié)果表明，不論正韻律儲層還是反韻律儲層，在合注層段中，低、中、高滲透儲層的驅(qū)油效率不同，低滲透層的驅(qū)油效率小，中、高滲透層的驅(qū)油效率接近且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低滲透層的驅(qū)油效率(高出20個百分點左右)。

不同沉積韻律儲層的平均驅(qū)油效率不同，反韻律組合模型最終驅(qū)油效率高于正韻律組合模型。含水98%時，2個模型的平均驅(qū)油效率相差2.6個百分點。此外，中滲透層驅(qū)油效率二者基本相近；而高滲透儲層驅(qū)油效率正韻律組合模型要稍高于反韻律組合模型；2個模型的低滲透儲層驅(qū)油效率相差較大，反韻律組合模型高出正韻律組合模型6.49個百分點。

3.2平面非均質(zhì)性對水驅(qū)油效果的影響

3.2.1 實驗?zāi)康?/p>

采用大尺度三維物理模型模擬裝置來研究平面非均質(zhì)性對驅(qū)油效率的影響。

3.2.2 實驗條件

根據(jù)相似原理，利用白剛玉砂經(jīng)高溫高壓燒結(jié)，制作了2塊人造平面非均質(zhì)平板模型，2塊模型分別由低中高中低滲透帶和高中低中高滲透帶5個區(qū)域構(gòu)成，在每一塊平面非均質(zhì)三維物理模型中心位置和4個角上，布置了五點注采井網(wǎng)，即中心注入井、4個角為采出井，每口井單獨計量流量。每一塊平面非均質(zhì)三維物理模型幾何尺寸為30 cm×30 cm×6 cm，高、中、低滲區(qū)域的平均滲透率分別為1 100×10-3,500×10-3,100×10-3μm2。

實驗條件同上。

3.2.3 實驗結(jié)果分析

將平面非均質(zhì)組合模型在同一個壓力系統(tǒng)中進(jìn)行注水驅(qū)油實驗，結(jié)果表明，不同沉積相帶下儲層的驅(qū)油效率不同，高注低采組合模型的驅(qū)油效率要高于低注高采組合模型；含水98%時，2個組合模型的平均驅(qū)油效率相差7.02個百分點。

3.3聚合物驅(qū)對開采效果的影響

3.3.1 實驗?zāi)康?/p>

聚合物驅(qū)油效率測定是在注水驅(qū)油之后實施，主要是評價二次開發(fā)的對策。

3.3.2 實驗條件

采用天然石英砂礫巖和碳酸鹽巖組合方式，制作了相似于南堡1-32斷塊NgⅣ①油藏三層儲層的地質(zhì)特征和注采井網(wǎng)(13口注采井，其中5口注水直井、5口采油水平井和3口采油直井)的三維物理模型。第1、2、3層大巖心平板模型的平均滲透率分別為102×10-3，270.4×10-3，183.7×10-3μm2。

實驗壓力為17.1 MPa，實驗溫度為82 ℃。

3.3.3 實驗結(jié)果分析

利用該實驗裝置，對原注采井網(wǎng)組合模型在實驗壓力17.1 MPa和實驗溫度82 ℃下進(jìn)行水驅(qū)油實驗，在累計采油量為418 mL、采出程度為35.47%、平均含水率為85.4%時，采用2 000 mg/L交聯(lián)聚合物以1.5 mL/min的注入速度注入孔隙，注入0.2 HPV聚合物，累計采出原油增量為57 mL，采出程度增量為4.84%；注完聚合物0.2 HPV后水驅(qū)，累計采出原油增量為85 mL，采出程度增量為7.22%。因此，聚合物驅(qū)油增加累計采油量為142 mL，提高原油驅(qū)替程度達(dá)12.06%，使得最終驅(qū)油效率增大。

4 結(jié)論

1)本文研制的三維物理模型驅(qū)油實驗裝置是一套大型的室內(nèi)物理模擬實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由新型巖心夾持器以及大尺度三維物理模型組成。

2)該實驗裝置應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，能進(jìn)行多層、多井、三維物理模型在高溫、高壓下不同驅(qū)替介質(zhì)驅(qū)替實驗和二氧化碳單井吞吐模擬實驗。

3)該實驗?zāi)Ｐ捅绕渌钌叭S物理模型、全直徑巖心模型以及小巖心模型具有更突出的優(yōu)點，它可以利用相似原理，制作與油田相似的人造巖心和天然露頭巖心三維物理模型，此模型可以真實地模擬油藏地質(zhì)特征和注采井網(wǎng)分布情況。

4)利用該實驗裝置已成功地開展了縱向多層和平面多區(qū)域的非均質(zhì)性對高溫、高壓下水驅(qū)油效果影響的驅(qū)替實驗研究，直井和水平井的多井型三維物理模型在高溫、高壓下的水驅(qū)油和聚合物驅(qū)油等驅(qū)替實驗研究，得到了令人滿意的實驗結(jié)果，為開發(fā)方案調(diào)整提供了一定的基礎(chǔ)。

[1] 關(guān)文龍,萬仲謀,陳永忠.三維物理模擬試驗裝備及試驗技術(shù)[J].石油儀器,1997,11(5)：27-30.

[2] 劉其成,張勇,張鷹.多功能高溫高壓三維比例物理模擬試驗裝置[J].石油儀器,2006,20(1)：17-20.

[3] 劉喆,崔英懷,楊傳宏.非均質(zhì)組合模型水驅(qū)油實驗研究[J].吐哈油氣,2009,14(1):60-62.

[4] 彭彩珍,易敏,于雪琳,等.一種多層平板模型巖心夾持器：中國,ZL200920243673.4[P]. 2010-08-18.

[5] 趙清明.水平井二元復(fù)合驅(qū)三維油藏物理模擬研究[J].石油鉆采工藝,2010,32(5)：90-93.

[6] 喻高明,李建雄,朱杰.韻律性砂巖油藏不同部位注水開發(fā)效果研究[J].河南石油,1998,12(6)：17-20.

[7] 李勁峰,曲志浩.用模型組合實驗研究注水油層驅(qū)油效率的變化[J].西北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000,30(3)：247-250.

[8] 鄧瑞健.儲層平面非均質(zhì)性對水驅(qū)油效果影響的實驗研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2002,21(4)：16-19.

[9] 李宜強(qiáng),隋新光,李潔,等.縱向非均質(zhì)大型平面模型聚合物驅(qū)油波及系數(shù)室內(nèi)實驗研究[J].石油學(xué)報,2005,26(2)：77-79.

[10] 彭彩珍,易敏,孫雷,等.一種縱向和平面非均質(zhì)平板模型水驅(qū)油效率實驗方法：中國,ZL201010102946.0[P].2013-01-03.

[11] David P Y,Steven W M,Sergio A L,et al.Large-scale laboratory testing of petroleum reservoir processes[R].SPE 134313-MS,2010.

[12] David P Y,Gina M J,Arnold P K,et al.Large-scale laboratory testing of the geomechanics of petroleum reservoirs[C].44th U.S.Rock Mechanics Symposium and 5th U.S.-Canada Rock Mecha-nics Symposium,June 27 - 30,2010,Salt Lake City,Utah.

(編輯徐文明)

Developmentandapplicationofmodelingdeviceforoil/waterdisplacementby3dphysicalmodel

Peng Caizhen1, Meng Lixin2, Guo Ping3, Zhong Gongxiang4, Sun Lei1

(1.SchoolofPetroleumEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China; 2.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDagangOilfield,Tianjin300280,China; 3.SchoolofScience,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China; 4.SchoolofElectromechanicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

In view of the difficulty of displacement simulation of injection-production pattern in small core sample and the difficulty of displacement simulation of low-permeability reservoir under high pressure in sand-packed model, a new experiment device for 3d physical simulation has been proposed. It deals with cores of different permeability and injection-production pattern of horizontal and straight wells. Water flooding and polymer flooding experiments have been made under high pressure and temperature. Positive-rhythm and counter-rhythm models combined of 3 vertical layers, 5-spots injection-production pattern of 5 horizontal permeability zones, as well as 13-spots injection-production pattern of straight and horizontal wells have been studied. The influence of horizontal and vertical heterogeneity on oil/water displacement, the effect of straight and horizontal wells on oil/water displacement, as well as the effect of polymer flooding have been concluded. Experiment with this device may provide direct technical guidance for oil field flood pattern modification and injection development mode modification.

3d physical model; experiment device; high temperature and pressure; oil/water displacement experiment; polymer flooding experiment

1001-6112(2013)05-0570-04

10.11781/sysydz201305570

TE35

A

2012-08-03；

2013-07-15。

彭彩珍(1963—)，女，碩士，副教授，從事油氣藏開發(fā)動態(tài)分析和特殊巖心實驗研究。E-mail: pengcz918@163.com。

國家科技重大專項項目(2008ZX05030-05)資助。