高含水期非均質油藏周期注水室內實驗研究

趙軍，翁大麗，陳平，鄭繼龍，張強，胡雪

中海油能源發展工程技術公司，天津 300452

周期注水是優化注水方式提高水驅效率的有效途徑之一，具有投資少、見效快、簡單易行的優點，可以一定程度緩解含水上升，提高水驅采收率[1]。

近些年國內對周期注水進行了理論、室內實驗、數學模型等相關研究[2]。對周期注水提高水驅開發效果機理主要從地質油藏方向研究、周期注水滲流機理研究、注水制度等方面，全面分析了毛管力、彈性力在周期注水過程中改善非均質砂巖油藏開發效果的宏觀作用機理和微觀作用機理[3?6]。但對于海上油田特點，目前還沒有周期注水技術相關的研究及應用，為驗證周期注水方法在海上油田的可行性，本次研究主要采用物理模擬方法進行周期注水評價實驗，為油田開發技術決策、目標采收率研究等提供實驗依據。

1 周期注水機理及影響因素分析

周期注水就是油水井通過周期性的提高和降低注水量，利用壓力波在不同滲透率介質中的傳遞速度不同，在油層內部產生波動的壓力場。波動壓力迫使地層中流體不斷地重新分布，由于油水物理性質差異，在壓力差的作用下發生層間滲流，促進毛管力和彈性力的吸滲作用，增大注入水波及體積及洗油效率，從而提高原油的采收率[7?9]。

1.1 周期注水過程中彈性力作用

在注水升壓階段，其主要作用力為地層彈性力，由地層導壓系數公式

式中：α為地層導壓系數；K為滲透率，μm2；μ為流體黏度，mPa·s；? 為孔隙度；Ct為油水巖石的壓縮系數，MPa?1。

一般情況下，高低滲透層導壓能力是不同的，高滲層的導壓能力大于低滲層的導壓能力（α高>α低）。周期注水過程中，油藏進行注水時，高滲層被注入的水體量大，壓力傳導系數高，能在短時間內形成高壓區，在高低滲透層之間形成附加的正向壓差，流體從高滲透層在壓差作用下流向低滲透層。由于高滲層含水飽和度高，進入低滲透層的水較多而油較少，當停注時，由于導壓系數的存在，高低滲透帶中壓力傳導速度不同，高滲透帶壓力下降較快，低滲透帶壓力下降相對較慢，這樣在高低滲透帶之間形成一定反向壓差，油水由低滲透帶流向高滲透帶，進入高滲透帶的水較少而油較多，這樣在附加壓差的作用下，一部分水滯留在低滲層，而另一部分則又回流到了高滲層，同時從低滲層帶出的一部分油進入高滲層通過后續注水時被采出。

彈性力作用效果主要受高、低滲透層間的附加壓力差和作用時間影響，壓力差越大，持續時間越長，彈性力的作用越強，反之越弱。

1.2 周期注水過程中毛細管力作用

注水階段時，黏滯力處于主導地位，重力和毛管力處于次要地位，并且注入壓力越大，重力和毛管力表現的越弱。停注階段初期彈性力會產生附加壓差，引起油水在高低滲透層間竄流。如圖1所示。

圖1 層內垂向滲流示意

隨著時間增加，彈性能逐漸釋放減弱，毛管力作用開始顯現，毛管力使高低滲層油水逆向滲流。這主要是由于高低滲透層間含水飽和度和滲透率差異，會產生毛管力壓力梯度，從而導致自滲吸現象。水從高含水飽和度區滲吸到低含水飽和度區，同時油從低含水飽和度區滲吸到高含水飽和度區，最后高低滲層飽和度趨于一致，再次注水階段，滲吸到高滲透層的油會被采出。

1.3 周期注水影響因素

周期注水的影響因素很多，既有油層本身的原因，又有開發上的因素，主要包括油層的非均質性、巖石的潤濕性、毛管力、原油物性、開發井網、注水工藝參數等。這些參數優化以油藏特性及油井生產情況確定，并結合油田開發指標加以校正，使之切合實際，獲得較高的經濟效益[10]。本文針對影響周期注水的因素，結合油田油藏情況及室內實驗條件，開展周期注水物理模擬實驗研究，為油田水驅開發效果提供基礎數據。

2 周期注水實驗

2.1 實驗設備

實驗用一維物理模擬驅替系統，具有自動化程度高、操作簡單的特點，其設備如圖2所示。

圖2 物理模擬驅替實驗設備

2.2 實驗材料

1）實驗用油：旅大4?2 油田模擬原油（3.5 mPa·s/70 ℃）；

2）實驗用水：按地層水分析資料配置模擬地層水；

3）實驗模型：采用環氧樹脂膠結巖心模型，尺寸為 45 mm×45 mm×300 mm；上半部分滲透率為1 000 mD，下半部分為 300 mD，厚度比例為 1∶1。

圖3 巖心模型

2.3 實驗方案

2.3.1 氣測滲透率

巖心連接氣測滲透率流程，測量巖心滲透率。巖樣氣測滲透率采用N2，按照《SY/T 5336—2006巖心分析方法》方法進行測量[11?13]。

2.3.2 飽和水、測量孔隙體積

1）稱量飽和水之前水容器質量；

2）將烘干后的巖心抽真空，真空度達到133.3 Pa后，再連續抽空2~5 h，飽和模擬地層水；

3）稱量飽和水之后水容器質量。

2.3.3 飽和油

1）開啟恒溫箱，將巖心加熱到實驗溫度，當恒溫箱溫度到達實驗溫度后，恒溫4 h。

2）將實驗用油以恒定的速度（1 mL/min）注入巖心進行油驅水建立束縛水，驅替至巖心出口不出水為止。提高速度至實驗設定驅替速度，待壓差穩定后，記錄此時的壓差及從巖心中驅替出的累積水量，關閉模型兩端閥門，恒溫放置。

3）在實驗溫度下老化，時間不少于24 h。

2.3.4 周期注水驅油實驗

實驗過程中設計的水驅注入速度為1.5 mL/min，周期注水注入速度為3 mL/min，注入速度的確定依據是巖心中流體的滲流速度與油層中部流體的滲流速度近似相等[14?15]。根據設計要求，開展基礎水驅和周期注水對比實驗，研究周期注水的提高采收率值。具體實驗參數如表1所示。

表1 周期注水實驗方案

1）基礎水驅實驗

注水速度選擇為1.5 mL/min，水驅至99.5%，壓力平穩后，停止實驗，記錄實驗過程數據。

2）周期注水實驗

方案1#巖心，先進行水驅實驗，注入速度為1.5 mL/min；含水達到80%轉為周期注水；周期注水階段，注入速度 3 mL/min，注水時間 3 min，停注3 min，進行5個輪次的周期注水后恢復正常注水，注入速度為1.5 mL/min，驅替至含水99.5%以上且壓力穩定，計算最終采收率。

方案2#巖心，先開展水驅實驗，注入速度為1.5 mL/min；含水達到90%轉為周期注水；周期注水階段，注入速度 3 mL/min，注水時間 10 min，停注10 min，進行4個輪次的周期注水后恢復正常注水，注入速度為1.5 mL/min，驅替至含水99.5%以上且壓力穩定，計算最終采收率。實驗全程記錄驅替過程中的時間、產油量、產液量、壓差等參數。

3 實驗結果分析

從圖4、5中可以看出，2組方案在實驗過程中都呈現注水壓力的波動隨著周期數的增大逐漸遞減的趨勢。

圖5 方案 2#巖心周期注水采出曲線

分析原因為：低滲透部位通過周期注水采出的油進入高滲透部位，降低了高滲透部位的含水飽和度，并通過注水階段將高滲層部分油采出。而隨著注水周期次數的增加，高低滲層間的飽和度差逐漸變小，油水竄流量降低，采出油量逐漸下降。

將方案1#和2#巖心實驗結果數據進行對比，方案1#巖心提高采收率值較基礎水驅提高3.67%，方案2#巖心提高采收率值較基礎水驅提高2.94%。具體實驗數據如表2、3所示。

表2 方案 1#巖心與基礎水驅方案結果數據對比

表3 方案 2#巖心與基礎水驅方案結果數據對比

通過兩者方案數據分析發現，方案1#巖心在實驗過程中含水80%進行5輪次周期注水的最終采收率，高于方案2#巖心在實驗過程中含水90%進行4輪次周期注水的最終采收率0.72%。通過實驗看出80%含水進行周期注水的效果要好于90%含水注水的效果，這主要是因為巖心中剩余油飽和度由于周期注水壓力波動而被更多地開采出來；同時注入輪次的多少，也會影響周期注水效果。

將2組方案不同時期的驅油效率進行劃分與相應時期基礎水驅數據進行對比，如圖6、7所示。

圖6 方案1#巖心周期注水與基礎水驅階段驅油效率對比

圖7 方案2#巖心周期注水與基礎水驅階段驅油效率對比

根據圖6、7可以看出，周期注水前期及周期注水過程中，提高采收率幅度與水驅差別較小，提高采收率主要區域是在周期注水后期；方案2周期注水期間的驅油效率高于方案1周期注水期間的驅油效率，這主要是方案2的半周期長度較長，驅替的孔隙體積（pore volume，PV）數也相應高一些，適當地提高半周期長度，也會提高周期注水驅油效率。

4 結論

1）通過周期注水機理研究，綜合考慮海上油田特點及目前存在的問題，建立并設計出周期注水實驗方法，并通過物理模擬實驗驗證海上油田周期注水的可行性。

2）周期注水一定程度上能夠提高采收率，但隨著周期數的增加效果逐漸變差，通過室內實驗數據分析，方案1#巖心提高采收率值較基礎水驅提高3.67%，方案2#巖心提高采收率值較基礎水驅提高2.94%。

3）通過室內實驗2種周期注水實驗方案對比，方案1#巖心的提高采收率比方案2#巖心的提高采收率提高0.72%，周期注水的周期數越多，相應半周期長度，越早進行周期注水，水驅的提高采收率值越高。