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能源科学进展 2007,Vo3., No.3 - 50 - 产砂物理模型的发展研究 编译：王可君 黄琴（西南石油大学研究生院） 审校：刘廷元 摘要：在委内瑞拉的大多数稠油和超稠油油藏为弱胶结砂岩沉积。委内瑞拉的石油工业对这类油藏 的开采研究报有极大的兴趣。稠油出砂冷采（CHOPS）作为一种新采用的方法被这类沉积油藏用来进行初 期开采，特别是其它方法技术不适用的地区或层系（例如：砂层厚度小于 10 米的地区） 。一般情况下， 在目前所研究的水平上，CHOPS 技术已经在全世界范围内获得了成功的应用。特别是在加拿大、中国和 美国，该技术目前已获得较大的发展。物理和数值研究已经显示出其对采收率的影响，包括近井地带孔 洞地层或溶蚀层可以使油藏渗透率增加。在委内瑞拉，该技术上的经验很缺乏。通过文献调查显示，在 生产机理方面还存在很多的难点。这就是之所以在这项工作中要对出砂物理模型进行设计、结构化和评 估的原因。主要是研究物理过程和评价产砂机理中不同参数的变化（如压力、流量）的影响。本文将会 运用模型技术的发展来预测油藏动态和该时期的性质变化。该模型建立在一个直径 50cm，厚 20cm 的圆 柱形盘上，圆柱的几何形状能确保其流动为径向流。模型用传感器作为为测试压力（包括注入、生产和 孔隙流体压力）以及应用流样来确定产砂量的工具。集合系统可以提供垂直应力，定位侵蚀层使用超声 波速测量。所有这些数据显示在 Labview 图板上，并在计算机上实时的显示数字化处理。这项工作展示 了作为流体的水和油的初始预测结果和作为孔隙介质的校正结果。该结果证明此系统可以用作为出砂机 理的研究，但不能用来扩大到油藏条件下。此结果将用来确证数值模型。 1 引言 优化开采稠油的方法不仅在委内瑞拉而且在世界范围内的石油工业中已经成为了重要的挑战， 许多技术的发展和创新目的在于降低原油的粘度。 认识到委内瑞拉的稠油油藏是弱胶结砂岩沉积这一点是十分重要的。另一个问题是油藏开采过 程中的出砂问题。因此为了克服产砂问题，稠油冷采的采油机理已经用于研发。在近二十多年中， 许多不同的研究学者都将注意力集中于研究出砂现象和对油藏的作用效果上。这些调查研究所支持 的机理包括：泡沫油、断塞移除、渗透率的增加和砂质的移除。这些研究进一步展示了其产生的物 理过程：移动层的压实增长、管沟引起的增长和二者组合引起的增长。 目前，委内瑞拉已经开始评估稠油冷采在该地区应用的可能性。但是，对于该技术，并不存在 一个现成的模型来预测油藏动态。由于这个原因，需要在实验室数值范围上研究一个物理模型。该 模型的主要客观条件是在稠油出砂冷采过程中模拟真实油藏的物理过程。这种方法从前期工作看有 不同的观点，因为它要考虑前期工作的全部参数。 2 背景 许多稠油冷采方法都取得了较好的效果，但该方法并不是在任何时候都能取得成功。依据这一 点，该方法的适用性问题被提出。在实验室基础上，物理过程不尽相同。但是，所存在的挑战就是 了解它们在油藏中的状况到底怎样。 在过去的十年中，研究工作者旨在描述和定性了解这些动态特征。这些工作的关键是涉及建立 起一个测试系统，以此可以在实验室水平上研究物理过程。 2.1 计算机 X 射线断层造影 2.1 计算机 X 射线断层造影 Tremblay 发展的模型是基于所得到的确定单元体，它包括砂、原油和水。它模拟了垂直井中 稠油的产出（粘度为 21500cp） 。 一旦测试结束，其物理过程将通过 X 射线展现出来，也就是高渗透率孔道或“蚓洞” （wormhole，又译“蚯蚓洞” 、 “孔洞” 、 “空洞”校者）的增长。 能源科学进展 2007,Vo3., No.3 - 51 - 2.2 模拟蚓洞增长的物理模型 2.2 模拟蚓洞增长的物理模型 在 2000 年，由于初始测试的结果，另一个有关蚓洞增长评价的疑问被提出来。Tremblay 开始 通过物理模拟器来进行蚓洞的模拟。他总结出影响产砂的主要因素是压力梯度。这主要是通过单元 体观察到的。单元体包含了填砂，饱和重质原油（用粘度为 18000 cP 的饱和原油，粘度为 40000 cP 的脱气原油） 。所准备的单元体用来测试产出的混合物（砂+气+油）的质量比和伴随于堵塞所产 生的压力梯度。 这项研究的重要结果是，单元体的尺寸影响蚓洞的尺寸。在区域范围内也将受到影响。蚓洞的 直径可达 30cm，在 5m 2 区域内每米就有 6 个蚓洞。 2.3 蚓洞增长方向的评估 2.3 蚓洞增长方向的评估 蚓洞的增长方向会受到很多因素的影响，其中之一就是孔隙介质的非均质性和流体的性质，如 渗透率、孔隙度、原有粘度和气体饱和度。应力场则是另一方面的因素。 Oldakowski et al 注意到在弱胶结砂岩沉积条件下，不同方向的水平主应力影响了蚓洞增长 方向。 为了执行这项研究，他们涉及和建立了实验区块，这个实验区块可以在各向异性应力地层中测 试蚓洞的增长。它由一个岩芯三轴实验组成，即一个可以控制主要应力和孔隙压力的系统。资料获 取系统存储温度、围压、注入压力和孔隙压力。在这样的区块中观察到的蚓洞发展方向与主应力的 方向有关。他们因此得出结论，产出条件影响蚓洞增长应力的方向。 2.4 产砂机理 2.4 产砂机理 Germanovch 工作的最终目的是了解油藏的产砂机理。因此他们建立了一个大规模的区块以便 辨认出砂的宏观和微观特征。 产砂期间会有冲蚀前缘的延伸和孔洞的形成，与先前所提到的工作相反，所观察的物理现象是 移动层的压实作用的增长。因此这里并没有孔道或蚓洞的增长。 2.5 径向流单元体 2.5 径向流单元体 Servant et al 为了证明各个参数在产油和出砂过程中对孔洞地层的影响支配作用，进行了经 验测试，在测试单元中建立了精确的模型。Yalamas et al 设计构造的单元体已经完成。该测试用 的是人造砂和水，一些相关的结论如下： 所观测的物理过程并不能支持初始工作中的任何几何形态，也不能精确地描述该过程的产生； 孔洞的几何尺寸和发展分别依赖于非均质性和油藏条件； 冲蚀层将取决于围压和初始相对密度。 3 测试库的概念化 执行该研究工作的重要性是基于其初始工作结果的多样性以及在委内瑞拉采用 CHOPS 技术的 可能性。工作的主要客观条件是研究在测试库中砂油合采的现有机理。该测试库是为完成此项研究 而特殊设计构造的。 3.1 设计条件和因素 3.1 设计条件和因素 在实验室条件下，物理模型模拟稠油出砂冷采使用 18cm 径向排驱。它的圆柱形形状保证了其 径向流的行为，有助于简化其结构和结果分析 位于 Orinoco Oil Belt 稠油油藏的压力降一般在 200-500Psi 之间。由于这个原因，该测试 库的周期工作压力最大设计为 500Psi，由于 CHOPS 技术并不是热采方法，因此该研究中的测试温 度是在室温条件下 该模型由碳素钢建成的，因为它有以下的特性，价格低、易加工、较有利的商业价值。测试库 采用有机玻璃遮光板，是因为考虑了该材料的性质和可用性。 该设计与 PDVSA 标准和美国质谱学会（ASME）规范相一致 3.2 测试库启动和确认 3.2 测试库启动和确认 能源科学进展 2007,Vo3., No.3 流固特征：流固特征：在这一阶段，应用水和人造砂。液相特征由密度、粘度、水和沉淀物百分比分析所 组成。对固相来说，对粒径分布的分析用来确认 212m 粒径的均质性。 静水压测试：静水压测试：静水压测试依照 ASME 规范在 800psi（以最大压力为例） ，Pt=（1/3）Pmax 条件 下该工作压力（Pt）将小于 500psi。 超声波测试：超声波测试：超声波测试在被充填了砂样的直径为 3-cm 长 7-cm 的不锈钢圆筒中进行，其工作 目的是确认孔隙度。所获结果可以应用于砂柱内部条件特征的研究。 3.3 测试库系统 3.3 测试库系统 实验准备概况位于图 2 中。它直径 50cm 的圆柱形测试单元，包含了内部直径 36cm ,高 17cm 的人造砂体组成。在测试单元中心有一个直径为 1.27cm 的射孔来模拟生产井。 流体分布系统位于测试单元周围。该设计是为了确保实测过程中的径向流，压力梯度是用两台 ISCO 泵（1000D 系列）产生的。 在流体的流入和流出点安装有计量仪。在不同的孔也安装有压力器，它们位于图 2 中的 P0、 P1、P2、P3、P4、P5。 围压在有 8 号标记的螺栓处，测力传感器位于 4 处，这里螺栓的张力就可以被测出。 将产出的混合物收集在一个容器里，为了确定产砂量，必须测出湿重和干重。 测试中包括资料和信息的处理、分析、存储、分布和显示。在该工作中必须将传统的和自动化 的装置相结合，它创建人-机接界面，其中不仅仅包括资料的学习，而且包括分析功能和信号处 理、资料存储以及与其它设备的通讯。 3.4 基础测试 3.4 基础测试 一旦组装了整个系统，该系统就能成功地执行基础测试，达到完全径向流也是可能的。在图 3 中可以观察到产出的混合物，其混合物的特征和结果如表 1 所示。 4 结论 技术性研究的说明包括理论上的，实践上的和油田方面的，导致稠油出砂冷采的物理现象假设 上的不同意见。 所设计建造的物理模型是在实验室范围内的，它模拟了垂直井的产砂状况，该井为直径 360 cm 的泄油区域，为径向流方式，能达到的最大压力是 500 lpc。 建议： ? 测试库的自动化； ? 建立数学模型，该模型包括了物理模型中获得的正确结果； ? 利用超声波测试来完成对介质特征的研究； ? 用真实的油藏砂和原油进行将来的实验测试。 致谢 作者非常感谢委内瑞拉石油公司允许我们在他们的设备中开展此项调查研究，我们也由衷地感谢 Al