（石油与天然气工程专业论文）优势渗流通道形成与剩余油控制作用研究.pdf

优势渗流通道形成与剩余油控制作用研究 李荣强( 石油与天然气工程) 指导教师：张艳玉( 副教授)王均同( 高级工程师) 摘要 在长期注水开发过程中，由于受储层非均质性、水油流度比、注采差 异以及注入水长期的冲刷、剥蚀等作用的影响，储层中逐渐形成优势渗流 通道，有的井区甚至形成大孔道。储层优势渗流通道的形成，对流体的分 布和运移起着重要作用，影响并控制着剩余油的形成和分布。本文综合应 用数学方法、数值模拟技术及油藏工程方法等手段，对优势渗流通道控制 影响因素分析进行了分析；对储层优势渗流通道的表现特征进行了描述； 利用切片、c t 等实验方法研究了优势渗流通道形成的机理；通过对胜利 油区的统计分析建立了相应的地质模型原型，利用数值模拟方法对优势渗 流通道的形成条件和时机进行了研究，在此基础上采用统计回归方法建立 了储层优势渗流通道形成时机及控油大小预测模型；通过概念模型的模拟 计算，分析了优势渗流通道对剩余油形成和分布的控制作用，并对储层优 势渗流通道的判别与预测技术进行了研究。最后，利用上述理论对孤岛油 田中二中n 9 3 5 层中g d 2 3 0 n b 2 0 井区进行了优势渗流通道分析，现场开展 了以挖潜顶部剩余油为主的措施，取得了较好的开发效果。 关键词：优势通道，剩余油，数值模拟，孤岛油区 s t u d y o nt h ed e v e l o p m e n to fp r e d o m i n a n c ec h a n n e la n d i t se f f e e to nr e s i d u a l0 i l l ir o n g q i a n g ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gy a n y ua n ds e n i o r e n g i n e e rw a n gj u n t o n g a b s t r a c t d u r i n gt h el o n g - t e r mw a t e r f l o o d i n g ，p r e d o m i n a n c ec h a n n e l sd e v e l o p e d g r a d u a l l yi nr e s e o i r s of a ra st of o r m i n gh i g hc a p a c i t yc h a n n e la ts o m ew e l l f i e l d s t h i si st h er e s u l to ft h ee f f e c to fr e s e r v o i rh e t e r o g e n e i t y , w a t e r o i l m o b i l i t yr a t i o ，i n j e c t i o n p r o d u c t i o ni m b a l a n c e ，e r o s i o na n dd e n u d a t i o no f f l o o dw a t e r t h ed e v e l o p m e n to fp r e d o m i n a n c ec h a n n e lp l a y si m p o r t a n tr o l e s i nt h ed i s t r i b u t i o na n dm i g r a t i o no ff l u i d s i te f f e c t sa n dc o n t r o l st h ef o r m a t i o n a n dd i s t r i b u t i o no fr e s i d u a lo i l s o m em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s m e t h o d , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dr e s e r v o i re n g i n e e r i n gm e t h o da l eu s e di nt h i ss t u d y t h ef a c t o r st h a te f f e c tt h ed e v e l o p m e n to f p r e d o m i n a n c ec h a n n e la r ea n a l y z e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa r ed e s c r i b e d t h e d e v e l o p m e n tm e c h a n i s m so f 弘司o m 王l l a l l c ec h a n n e la l e s t u d i e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n d c o m p u t e rt o m o g r a p h y ( c t ) t h r o u g ht h es t a t i s t i c a la n a l y s i so fs h e n g l i o i l f l e l d , t h eg e o l o g i c a lp r o t o t y p em o d e li sb u i l ta n dt h ec o n s t r a i n ta n d o p p o r t u n i t yo ft h ed e v e l o p m e n to fp r e d o m i n a n c ec h a n n e la r es t u d i e db y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d o nt h eb a s eo ft h e s e , ap r e d i c t i v em o d e lo f f o r m a t i o no p p o r t u n i t ya n dc o n t r o lv o l u m ei sa l s ob u i l tb yr e g r e s s i o na n a l y s i s t h r o u g h t h es i m u l a t i o no f c o n c e p t u a lm o d e l ，t h e c o n t r i b u t i o no f p r e d o m i n a n c ec h a n n e lt ot h ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fr e s i d u a l o i la r e a n a l y z e d m o r e o v e r , t h ed i s c r i m i n a n e ea n df o r e c a s t i n gt e c h n i q u e s a r ea l s o s t u d i e di nt h i sp a p e r , a tl a s t , a l la c t u a lc a s e ，g d 2 3 0 n b 2 0w e l lf i e l dl o c a t e di n g u d a oo i l f i e l d ，i sa n a l y z e db yu s i n ga b o v e - m e n t i o n e dt h e o r ya n ds o m e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa r et a k e nt oe x t r a c tt h eu p p e rr e s i d u a lo i l al o to f n o t i c e a b l ee c o n o m i cb e n e f i t sa r ea c q u i r e d k e yw o r d s ：p r e d o m i n a n c ec b a n n d ，r e s i d u a lo i l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， g u d a o0 i l f i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查鳌；坠芦。年j 月哆e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：坌盘i 坠知。f 年箩 月；e t 导师签名： 嫠丕剃二 p 。年厂月工；日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 1 国内外研究现状 第1 章前言 中国东部老油田经过几十年开发，地下油、气、水分布十分复杂，呈 现整体分散，局部富集的特点，剩余油分布及其成因研究已成为世界级难 题。胜利油田是中国第二大油田，以典型的陆相油藏、特别是河流相油藏 为主，油藏具有成因类型多，断层、断块多，油水关系复杂，非均质严重 等特点，剩余油研究的难度更大。截止到1 9 9 7 年底，胜利油田综合含水 8 9 9 ，可采储量采出程度7 3 5 ，剩余可采储量的采油速度1 0 8 ，已全 面进入“三高”生产阶段，产量递减加快，油田开发形势严峻。然而，原 油的采出程度只有2 2 ，当前技术下预测的采收率只有2 8 9 ，挖潜剩余 油、提高采收率的潜力仍然较大。因此，加强剩余油研究并提出高效的挖 潜措施，减缓老油田产量递减成为胜利油区最紧迫的任务之一 胜利油区的孤东、孤岛等大型整装油田属于河流相沉积，普遍发育着 正韵律的厚油层。在长期注水开发过程中受非均质性、水油流度比、注采 差异以及注入水长期的冲刷、剥蚀等影响，逐渐形成了优势渗流通道，有 的井区甚至形成了大孔道。与相邻区域相比，优势渗流通道内属性参数及 流体渗流特征表现出强烈的突变。这些渗流通道往往分布局限，在水驱过 程中表现为注入水快速突进、高注入孔隙体积倍数、强水淹程度、高采出 程度、高水油比等特征。储层优势渗流通道的形成，对流体的分布和运移 起重要作用，影响控制着剩余油的形成和分布。当储层存在优势渗流通道 时，注入水大多从优势渗流通道采出，水驱较弱的渗流区剩余油富集。 要研究优势渗流通道，首先必须对其有一个相对明确的概念，通过对 近年来相关研究成果的调研，总结出了一个初步的概念。优势渗流通道是 指由于地质及开发因素导致在储层局部形成的低阻渗流通道，注入水沿此 通道形成明显的优势渗流而产生大量无效水循环。在优势渗流通道的作用 下，劣势渗流的部位水驱效果差，有的甚至未被波及而形成剩余油富集区， 优势渗流通道在流体的分布和运移过程中起主导作用，控制着剩余油的形 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 成和分布。 如在平面上河流相沉积储层在注水开发过程中，注入水主要沿着优势 渗流通道( 如厚度大、渗透率高、压力传导快的主河道) 运移，因此注入 水波及程度高，而相对厚度小、渗透率低、压力传导速度慢的河道侧缘等 非优势渗流通道注入水波及程度低，剩余油饱和度比较高；在纵向上主力 层与非主力层相比为优势渗流通道，主力层的注入水波及程度较高；在正 韵律沉积的厚油层层内底部，为层内的优势渗流通道，注入水波及程度较 高。部分油藏由于注入水的长期冲洗在高渗透区域形成了大孔道，大孔道 的存在使注入水沿高渗透带窜流，油井含水快速上升，产油量迅速下降， 给生产带来很大困难。 上述只是对优势渗流通道的一个总体的、粗略的认识，大部分是建立 在定性的基础之上，如果没有对优势渗流通道、特别是高含水期优势渗流 通道有一个全新的认识，就无法真正认识地下流体的分布，认清剩余油的 分布，实施的挖潜剩余油措施也不会取得较好的效果。 目前，国内外有关储层参数变化规律和大孔道研究的论文和报道较多 1 1 - 书o ，关于油藏优势渗流通道的相关报道相对较少。但有关科研人员在 这个领域已开展了许多研究，利用矿场直接分析方法、示踪剂方法、概率 模型方法、渗流模型方法、灰色关联分析方法等技术，对油田长期注水开 发后储层物性参数变化机理和变化规律研究做了大量的工作，在大孔道的 判别和矿场监测方面做了一定的研究，取得了丰富的成果。 ( 1 ) 储层渗流参数动态变化规律方面的研究 大庆油田的研究人员选取三块未水淹层的岩样进行长期水冲刷实验， 首先测定其原始润湿性，测定结果为偏亲油。然后在地层温度和常压下进 行长期水冲刷实验，注入水用本油田的实际注入水，过滤后加氯化汞杀菌， 水驱速度与实际油田注入水的渗流速度相近。在长期水冲刷过程中，每隔 一段时间测定其润湿性。结果表明，随着水冲刷时间的增加，岩样的吸水 量上升，吸油量下降，岩石的亲水性增强。根据大庆三个油田2 1 口检查 井萨尔图、葡萄花油层3 0 个水淹层2 7 0 块岩样的润湿测定结果表明：水 淹油层岩石的润湿性属偏亲水的非均匀润湿性，当油层含水饱和度 4 0 时，大部分岩石的润湿性由偏亲油转化为偏亲水，当油层含水饱和度 6 0 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 时，将全部转化为亲水。从目前研究来看，随着油田长期注水开发阶段的 加深，含水量增加，储层渗流参数总的来看变好。 ( 2 ) 储层物性参数动态变化与剩余油动态分布规律方面的研究 确定剩余油动态分布研究是一项世界性难题，已经成为国际学术会议 如世界石油大会、国际储层表征会议以及s p e 、a a p g 等专业性年会讨论 的重要主题之一，在s p e 文献中，有关剩余油研究的文章连年增加【4 7 卜【4 9 】。 根据国外大量的研究结果表明，油藏中剩余油分布形式与数量如下： 存在注水过程中水未洗到的低渗透夹层中或者是水绕过的低渗透带中 的剩余油，这种类型的剩余油量约占2 7 ；由于地层压力梯度小，在油 不流动的油层部位( 滞流带) 中存在的剩余油，占1 9 5 ；未被井钻到 的透镜体中的油，占1 6 ：在一些小孔隙中被毛细管力束缚的剩余油， 占1 5 ；以薄膜状的形式存在于储层岩石表面上的剩余油，占1 3 5 ； 局部不渗透的遮挡( 如封闭性断层等) 处的剩余油，占8 。 根据国内现有各种分析，高含水后期和特高含水采油阶段剩余油的分 布主要有以下几种类型( 韩大匡，1 9 9 5 年1 3 5 】) ：不规则大型砂体的边角 地区，或砂体被各种泥质遮挡物分割所形成的滞油区；岩性变化剧烈， 主砂体已大面积水淹，其周围里镶边或搭桥形态存在的差储层或表外层； 现有井网控制不住的砂体；断层附近井网难以控制的部位；断块的 高部位，微构造起伏的高部位以及切迭型油层的上部砂体；井问的分流 线部位；正韵律厚层的上部；注采系统不完善，如有注无采、有采无 注或单向受效等而遗留的剩余油。 总之，宏观上剩余油主要分布在注入水未波及到的、或者波及程度比 较低的部位，在微观上主要由于驱油效率低而遗留剩余油，剩余油形成与 分布主要受沉积相、构造、储层非均质性以及井网条件的控制。实际上， 在有关剩余油形成与分布规律的认识上还很不够，特别对特高含水河流相 储层来讲，剩余油形成与分布相当复杂，目前在认识上不够深入细致。 ( 3 ) 大孔道识别与描述研究 长期注水开发，在喉道增加较大的高渗透储层区域形成“大孔道”， 大孔道在胜利的孤东、孤岛等油田的厚油层中非常发育，给生产带来很大 困难。如在孤东油田；同位素监测2 2 口井，优势通道井数6 口，占2 7 2 t 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 动态计算七区西5 ”层系优势通道井数2 1 口，占单元井数的2 9 8 ；七区 西北部5 z , s 注聚分析，窜聚井l l 口，占总井数的2 5 ；变密度测井7 3 9 口井，第一界面窜槽占1 7 9 ，第二界面占4 8 7 。大孔道造成注入水、 聚合物沿高渗透带窜流，使油井含水急剧上升，产油下降。国内胜利油田 对大孔道进行了初步研究，窦之林、曾流芳掣1 5 1 7 1 1 1 8 】【2 7 】【3 川通过实验模拟 开展了大孔道的诊断研究，并对大孔道的特征、形成机理进行了初步探讨。 同时，在矿场上也进行了大量的大孔道封堵与调剖试验，取得了良好的效 果。 通过国内外现状调研表明，目前在该领域研究主要是利用单一信息或 单一手段从一维、二维定性研究储层参数变化规律，缺乏将地震、地质、 测井、油藏工程、动静态资料与渗流参数物理模拟相结合来研究和揭示不 同含水期储层参数变化规律以及利用试井、示踪剂生产动态资料来判别大 孔道等方面的研究，有关优势渗流通道方面的研究还不多。 1 2 研究的目的及意义 胜利油区的孤东、孤岛等大型整装油田属于河流相沉积，普遍发育着 正韵律的厚油层。在长期注水开发过程中受非均质性、水油流度比、注采 差异以及注入水长期的冲刷、剥蚀等作用的影响，逐渐形成了优势渗流通 道，有的井区甚至形成了大孔道。 储层优势渗流通道的形成，对流体的分布和运移起重要作用，影响控 制着剩余油的形成和分布如果储层水驱均匀不存在优势渗流通道，那么 在高、特高含水阶段这样的储层就不存在剩余油富集区；当储层存在优势 渗流通道时，注入水大多从优势渗流通道采出，劣势渗流区水驱较弱剩余 油富集。因此，在优势渗流理论指导下，识别和预测优势渗流通道对寻找 剩余油富集区具有重要意义。 1 3 主要研究内容 优势渗流通道的属性参数及其中流体渗流特征与相临区域呈强烈突 变关系。这些孔喉通道往往分布局限，在水驱过程中表现为注入水快速突 进、高注入孔隙体积倍数、强水淹程度、高采出程度、高水油比等特征。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 本文综合应用数学方法、数值模拟及油藏工程方法，进行了优势渗流通道 控制影响因素分析、形成机理、优势渗流通道定量表征、优势渗流通道与 剩余油分布等研究，建立了优势渗流的控油理论。 本论文研究的主要内容有： ( 1 ) 优势渗流通道的特征分析； ( 2 ) 储层优势渗流通道形成机理研究； ( 3 ) 通过数值模拟的方法对储层优势渗流通道形成条件、时机以及 演化规律进行研究； ( 4 ) 优势渗流通道对剩余油的控制作用的研究与分析； ( 5 ) 利用油藏工程方法和灰色理论，对储层优势渗流通道的判别与 预测技术进行研究； ( 6 ) 通过建立单因素、多因素预测模型，对储层优势渗流通道的形 成与控油预测方法进行研究； ( 7 ) 现场应用分析与验证。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章优势渗流通道特征分析 第2 章优势渗流通道特征分析 1 储层优势渗流通道的概念 所谓优势渗流通道是指由于地质及开发因素导致在地层局部形成的 低阻渗流通道，注水开发过程中注入水沿此通道形成明显的优势流动而产 生大量无效水循环。河流相正韵律厚油层中，受储层非均质性、水油流度 比及注采的不平衡等因素的影响，优势通道常存在于油层底部，导致注入 水沿优势通道形成短路流动，产生大量无效水循环，并在油层顶部形成弱 势渗流区，而产生剩余油的富集。 油气的存储空间一孔隙及其与之相连的喉道组成储层的渗流通道，并 构成了复杂的孔吼网络。由于成岩矿物颗粒大小、形状及接触关系的复杂， 造成孔隙和喉道的千变万化，表现为储层通道的半径、长度和连通情况变 化多样。 储层在长期的注水开发过程中，受其非均质性、时变性等影响发生了 较大变化。其主要原因在于储层中与流体( 原油、地层水) 性质差异较大 的注入水长期对储层浸泡、冲刷，对储层产生程度不同的改造，其微观属 性发生物理、化学作用，致使储层参数发生变化。注入水的驱动力与冲刷 力对储层岩石矿物颗粒及粒间胶结物产生侵蚀、剥蚀作用，可使孔喉变光 滑或扩大喉道空间，增加孔喉配位数，并在喉道增加较大的高渗透储层区 域形成“优势通道”。 储层优势渗流通道的形成，对流体的分布和运移起重要作用，影响控 制着剩余油的形成和分布。如在平面上河流相沉积储层在注水开发过程 中，注入水主要沿着优势通道( 如厚度大、渗透率高、压力传导快的主河 道) 运移，因此注入水波及程度高。而相对厚度小、渗透率低、压力传导 速度慢的河道侧缘等非优势通道注入水波及程度低，剩余油饱和度比较 高。在纵向上高渗透的主力层与非主力层相比，为优势通道，注入水波及 程度较高；在正韵律沉积的厚油层层内底部，为层内的优势通道。通过室 内实验以及对上述种种现象等分析，总结出了“高含水优势通道渗流理 论”。 6 中国石油大学( 华东) - t ：稗硕士学衍论文第2 章优势渗流通道特征分析 高含水优势通道渗流理论的初步形成，可指导研究剩余油的形成机理 和分布规律，为改善油田开发效果和提高采收率提供科学依据。 孤岛、孤东、胜坨等疏松砂岩油藏由于长期注水开发导致优势通道普 遍发育，造成注入水、聚合物沿优势通道窜流，油井含水上升速度加快， 波及体积降低，采出程度降低，注水、注聚效果变差。而许多小孔道内的 原油由于注水效果差，波及体积小，驱油效果差。目前优势通道已成为制 约水驱开发效果和三次采油的一大主要矛盾“”“”1 。 2 2 储层优势渗流通道的表现特征 优势渗流通道形成后，注水井的注入动态和生产井的生产动态均会发 生明显的变化，主要表现在如下几个方面“”“州”1 ： ( 1 ) 注水井流压低，视吸水指数高。孤东油田八区5 ”属于典型的河 流相正韵律油藏，统计其注水井2 0 0 0 年的相关资料，平均注水量为 2 9 1 3 m 3 d ，平均注入压力为6 6 m p a ，视吸水指数为4 4 11 1 1 3 ( d m ) 。注入 压力比中含水期下降3 i m p a ，视吸水指数上升2 5 4 m 3 ( d m ) 。孤岛油田 的中二中馆3 5 和中一区馆5 3 也有类似特征，部分调剖井在施工过程中对 应油井冒堵剂的现象说明了这个问题。 ( 2 ) 部分油井含水上升快，采出程度相对较低。部分油井含水率高、 含水上升率高，而累计产油量低，井区采出程度低，剩余油富集，主要原 因就是注采井间局部形成了优势渗流通道。 ( 3 ) 注入水单层突进严重。从示踪剂和吸水剖面监测结果来看，这 类油藏注入水沿底部突进严重。根据孤岛油田近年来对应油井出堵剂的 1 0 口调剖井的吸水剖面分析结果，油层总厚度2 3 9 6 m ，其中强吸水层厚 度5 4 7 m ，占总厚度的2 2 8 ，但吸水量却占7 3 8 ，强吸水层的吸水强 度是其余部分的9 5 倍以上。如x 6 1 7 1 井1 9 9 8 年1 0 月2 2r 测吸水剖面， 4 2 小层厚8 9 m ，相对吸水量1 9 6 ，每米相对吸水量只有0 2 2m 3 l ( d m ) ； 4 3 小层厚4 8 m ，相对吸水量9 8 0 4 ，每米相对吸水量高达2 0 4m 3 ( d m ) 。 中国石油大学( 华东) t 稃硕十学何论文第2 章优势渗流通道特征分析 ( 4 ) 地层存水率低( 无效水循坏严重) 。这类油藏从区块总体和单井 的指标分析来看，到高含水期以后的存水率几乎均低于理论存水率，地层 无效水循环严重。 ( 5 ) 大孔道现象严重。孤东油田同位素监测2 2 口井中，有大孔道井 数6 口，占2 7 2 ；动态计算七区西5 2 ”层系有大孔道井数2 1 口，占单元 井数的2 9 8 。 ( 6 ) 注水井井口压降快，压力指数p i 值低。注水井压力指数p i 值 是指注水井关井后在一定时间内测其压力变化历史，这一历史的平均值就 是其压力指数p i 值。 。巫( 2 - 1 ) r 式中：p 为关井期内测得的各点压力，m p a = t 为测试时日j ，m i n 。 i i | j 、。 o 2 04 06 08 0 1 0 0 关井时闻( m i n ) 图2 - 18 - 2 卜1 6 井井口压降曲线 如果地层存在优势渗流通道，则导压系数高，泄压快，注水井井口压 力降落曲线就陡，p i 值低，就有可能存在优势渗流通道。孤东油田八区 5 6 层系注水井关井后压力降落快，平均压降指数为2 o m p a 。比如8 - 2 1 1 6 井，其井口压降曲线见图2 - 1 ，根据曲线可以推断该井可能存在优势渗流 通道。 ( 7 ) 聚合物驱井区聚窜严重。七区西北部5 ”3 注聚分析，窜聚井1 1 8 6 4 2 0 名鲁v r 幽朱 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章优势渗流通道特征分析 口，占总井数的2 5 。孤岛油田x 6 - 1 7 1 井注聚油压从高值急剧下降，从 8 m p a 下降到1 m p a ，并发生聚合物窜流，出聚浓度高达1 6 5 7 m g l 。 窜聚的同时，对应油井含水上升速度加快，产油量下降。如孤东七区 西馆5 ”3 南的2 3 2 5 4 井1 9 9 8 年2 月丌始注聚，注聚后的第4 个月就见到 了降水增油效果，但有效期较短，只有三个月。1 9 9 8 年9 月就发生了聚 合物窜流，含水由8 8 3 上升到9 6 5 ，产油量由1 1 7 t d 下降到4 4 t d 。 x 5 1 4 2 井是孤岛西区三元复合试验区的一口中心井，在注入三元主体段 塞后，于1 9 9 8 年9 月开始见效。1 9 9 9 年8 月产出液中聚合物和碱的浓度 上升，最高见聚浓度1 0 5 5 m g 几，见碱浓度4 1 3 8 m g l ，化学剂窜流严重， 同时含水上升，产油下降，2 0 0 0 年2 月关井。 ( 8 ) 水淹非均质严重，形成明显的底部水淹型。河流相正韵律厚油 层在长期的注水开发过程中，各段的水洗程度差异大。底部水淹严重，水 洗程度明显高于顶部。 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 第3 章优势渗流通道形成机理 储层在长期的注水开发过程中，发生了较大的变化，其主要原因在于 储层中与流体( 原油、地层水) 性质不同的注入水长期对储层浸泡、冲刷， 对储层进行改造，使储层的微观属性发生物理、化学作用，致使储层参数 发生变化。另一方面是各种渗流差异导致的流体向某一局部区域流动，这 种流动长期进行就导致在局部产生优势渗流，而形成优势渗流通道 【埘【i 【卜【捌【l 。 3 1 储层骨架结构变化导致优势通道的形成 在初、中含水阶段，储层骨架颗粒的接触关系变化不大。从胜坨油田 1 9 7 1 1 9 7 3 年钻的第一批检查井( 7 口井) 薄片鉴定看出，在初、中含水 阶段，胜二区沙二卜2 砂组开发层系矿物颗粒间的接触关系仍为点一线接 触，电镜观察的图像也清楚看出颗粒的接触关系( 图3 一1 ) ，1 2 层在初、 中含水阶段水驱动力对层位骨架结构的影响不大。 c 中含水阶段2 - 3 1 6 9 井1 2 层2 2 单元电镜全貌d 、中吉水阶段2 - 3 1 6 9 井1 2 层2 2 单元电镜全貌 图3 一l 初、中含水阶段1 2 层薄片、电镜图象 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 高含水阶段：注水开发已达1 6 年，胜二区沙二1 - 2 开发层系的综合 含水达到8 5 ，累积注水2 3 8 5 1 0 m 3 ，累积产水1 6 9 7 1 0 l m 3 ，累积产油 8 5 8 1 0 4 t ，月注采比1 0 4 ，采出程度3 0 1 5 。经过大量注入水的浸泡冲 刷后，大量油被水驱替，储层骨架颗粒支撑方式改变较为明显，粒间原有 的点、线接触关系部分不存在，原孔隙及颖粒接触处的胶结物被水冲走或 被搬运至其它部位。1 2 层连通孔隙增多，原有的点、线接触处变为连通 孔喉，部分颗粒处于流体衬托状态，显示出颗粒的游离状态，连通孔隙的 细小部位有地层微粒及杂基充填，在薄片图像中看得比较清楚( 图3 2 ) 。 图3 吨高、特高含水阶段1 2 层储层骨架支撑方式薄片图像 从岩石计算机层析( c t ) 测试，初特高含水阶段的图像也明显看出 岩石骨架颗粒间的接触与离散关系。从图3 3 看出，1 2 层同一个流动单元， 从中含水阶段至特高含水阶段，颗粒接触点相连度从7 0 降至2 0 ，特高 含水阶段绝大部分颗粒互不连接，呈分离状态。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 图3 - 31 2 层四图象 通过以上资料的观察、分析将储层骨架颗粒支撑形态的变化归纳为四 种模型( 图3 4 ) 。骨架颗粒支撑形态的改变必然引起储层参数变化，原 来高渗透部位长期注水的冲刷作用厉害，渗透率的增加幅度大，非均质性 加强，逐步形成优势渗流通道。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 点线接触 点线接触 部分分离 点线接触 大部分分离 颗粒游离 呈。漂浮状” 初 中高特高 图3 - 4 四个含水阶段储层骨架颗粒接触关系变化示意图 3 2 储层孔喉网络变化导致优势通道的形成 注入水的长期冲刷作用不但使得岩石骨架遭到破坏的同时，也会引起 储层孔喉结构的变化。总起来讲，注入水的长期冲刷作用会使储层孔喉半 径变大，利于形成优势渗流通道。高含水阶段孔喉半径增大主要原因：一 是孔喉中一些胶结物被水冲刷位移，有的与采出油同时被抽出，孔隙中除 流体外无其它物质。二是骨架由于受到水冲刷的影响，从原来颗粒支撑较 脆弱的部分点线接触处冲开，使其喉道增大，连通性大部分变好。图3 - 5 所示的是胜二区沙二段1 2 层中粗砂岩样品在高、特高含水阶段薄片图像， 图像3 - 5 a 左下方出现空孔喉( 指无杂基及油泥等充填的孔喉，孔喉中只 有水，在普通薄片制作过程中部分水被烘干蒸发，留下只是空孔隙，其它 孔喉中的黑色部分为制片岩心中残留的重质油沥青质或被浸染的胶结物 部分) 高含水阶段2 - 2 - j 1 4 0 2 井1 2 层岔单元b 、特高含水阶段2 - i - j 1 8 0 3 井1 2 层 图3 巧高含水、特高含水阶段12 层孔喉变化薄片图像 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 特高含水阶段：从薄片下观察岩石骨架中颗粒的支撑关系大部分破 坏，多数颗粒呈游离状，似漂浮在流体中，与高含水期比较分选差。从图 3 - 5 b 看出颗粒大小不一，孔喉大小差别大，非均质性严重。孔与喉在有 的部位成管道式，没有孔喉之分，易形成优势通道。 3 3 储层粘土矿物变化导致优势通道的形成 在水驱油过程中，注入水的酸碱度与地层水总有差别，对粘土物质发 生物理、化学作用，改变粘土矿物的结晶格架，有的粘土矿物会分解被水 冲刷而移位，有的粘土矿物遇水易膨胀并堵塞孔喉，这些因素致使储层的 孔喉网络发生改变。 在高、特高含水阶段，高岭石相对含量减少，伊利石含量相对增加， 绿泥石增加，伊蒙混层下降。造成高岭石减少的原因是：高岭石是片状晶 体集合体，一般呈蠕虫状，在注水驱动力作用下，尤其是注水强度大，长 时期受注入水浸泡的情况下，这种集合体晶体格架遭破坏，从而形成细小 的微粒，这些微粒容易随采液带出油层。而绿泥石、伊利石一般呈膜状附 贴于颗粒表面或环绕颗粒，其结晶格架较紧密，不易遭到破坏，故随着开 发程度的加深这些粘土矿物的相对含量增高。蒙脱石的水化能力最强，水 化后体积膨胀可大于5 0 ，在细喉道中起到堵塞孔喉的作用，对储层产生 不利影响。 上述分析表明，不同类型的粘土矿物对孔喉的影响不同，高岭石在强 水洗下扩大了孔喉，特别是在渗透率高的部位极易形成优势通道，而蒙脱 石遇水膨胀堵塞细喉道。因此粘土矿物在长时期注水的冲刷下，加剧了储 层的非均质程度。 3 4 储层微粒运移变化导致优势通道的形成 通常将储层中一些粒径小于0 0 5 或0 0 4 m 的矿物颗粒，如石英、长 石、岩屑、高岭石碎片及菱铁矿晶体、方解石等矿物颗粒称为地层微粒。 这些物质有的被粘土胶结呈条带状，有的呈分散状态，有的充填于孔隙中 成为充填物。在特高含水阶段，随着水驱程度的加深，储层骨架网络发生 变化，微粒被冲散、迁移，有的随水驱采油而带走，使孔隙喉道畅通，形 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 成储层优势渗流通道。另一方面水的动力作用将这些微粒搬运至狭窄的喉 道处堵塞孔喉的通道。 3 5 强注强采导致优势通道的形成 通过物理模拟研究强注强采对地层的冲刷作用，实验设计模型为长 2 5 c m 、宽l o o m 的玻璃板填砂模型，按照孤东油田实际情况确定填砂粒径， 模型的气测渗透率为1 2 1 1 3 u m 2 ，孔隙度为2 5 8 2 9 4 。模拟不同 得注采速率条件下，压力的变化特征和出砂情况。实验结果表明，注采强 度越大，作用在岩石颗粒上的压力梯度越大，砂粒越容易脱落，出砂量越 大，越容易形成高渗透带，压力下降越快。反过来，压力下降越快越容易 出砂。实际地层长期在高强度的注采速率作用下，容易形成优势渗流通道， 注采强度越大，越容易形成优势渗流通道。 上述五种机理主要是指由于注入水的冲刷、侵蚀等物理化学作用，导 致储集层物理性质( 主要是孔隙度、渗透率等) 的变化，引起注入水不均 衡流动，从而形成优势渗流通道。以下几个机理则主要是指由于储集层岩 石和流体本身的差异，导致注入水的渗流差异，从而形成优势渗流通道。 3 6 储层本身的非均质性导致优势通道的形成 由于储层本身的非均质性，导致在注水开发过程中注入水优先沿底部 高渗透部位流动，这种长期的不均衡流动导致底部高渗透层水洗程度明显 比上部低渗透层水洗程度高。而且，这种差异随着注入体积倍数的增加在 逐步扩大，注入水也就沿着底部低阻、强水洗程度的部位逐步形成优势流 动。当非均质性和注入体积倍数达到一定程度后，在这种优势流动的部位 就形成了优势渗流的通道，这种优势渗流通道的形成纯粹是由于非均质性 引起的渗流差异而产生的。 为此，设计了一个两层模型，第一层的渗透率为l o o x l 0 4 扯m 2 ，第二 层渗透率为1 0 0 0 x 1 0 4 蝉1 2 ，并设纵向渗透率为o 1 0 4 ”m 2 ( 不考虑窜流) ， 两层的厚度均为5 m ，原油粘度为7 0 m p a s 。定注采速率，模拟两个层的 1 5 中国石油大学( 华东) i 程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 开发指标变化，见图3 - 6 和图3 7 。 图3 喝高低渗透层吸水差异变化图 图3 7 高低渗透层采出程度变化图 从图3 - 6 看出，在注水初期高低渗透层的吸水差异主要取决于其渗透 率的差异，随着注可以入体积倍数的增加，高渗透层的含水饱和度增加比 低渗透层快。含水饱和度增加时，混合液的平均粘度下降，同时水相渗透 率大大增加，使得高渗透层的流动阻力下降也比低渗透层快得多。这样导 致高渗透层与低渗透层的流动阻力差异变大，高渗透层吸水量进一步增 加，低渗透层吸水量迸一步减小。当注入体积倍数达到一定值时，高渗透 层的吸水达到9 9 ，形成一种“定势”流动，注入水就沿着高渗透层形成 优势流动。从图3 - 7 的采出程度变化特征来看，高渗透层水洗程度明显比 低渗透层高，而且低渗透层的采出程度增加速度也明显较慢。 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 3 7 油水粘度差异导致优势通道的形成 油水粘度差异越大，随着注入体积倍数的增加，高低渗透层的差异变 化越明显，越容易形成优势渗流通道。为此，再设计一个两个模拟层的方 案，其他条件与上述的非均质模型相同，只是原油粘度为1 o m p a s 。定 注采速率，模拟两个层的开发指标变化，并与上述的高原油粘度模型的结 果进行对比，见图3 8 和图3 9 。 图3 - 8 不同粘度低渗透层吸水差异变化 图3 - 9 不同粘度低渗透层采出程度变化 从图3 - 8 可以看出当原油粘度较高时，低渗透层的吸水量比原油粘度 较低条件下低渗透层的吸水量下降快，而且从图3 - 9 中的采出程度对比曲 线来看，原油粘度较低时低渗透层的采出程度明显较高，而且，采出程度 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 随注入时间增加也较明显。因此原油粘度越高越有利于形成优势渗流通 道。 3 8 层内纵向窜流导致优势通道的形成 正韵律厚油层如果纵向渗透率较大，在注水开发过程中就容易引起上 部的注入水在向生产井方向流动的同时，在重力作用下也会向底部高渗透 部位流动，这样就会加剧底部优势通道的形成。 为此，设计了两个两层的均质模型，各层的渗透率均为5 0 0 x 1 0 。l a n 2 、 厚度均为5 m ，并设纵向渗透率为分别为o 1 0 4 p m 2 ( 不考虑窜流) 和 1 0 0 x 1 0 4 j a n 2 ，原油粘度为7 0 m p a s 。定注采速率，分别模拟两个层的开 发指标变化，见图3 1 0 和图3 一l l 。 图3 1 0 两模型上f 层驱油效翠对比 从图3 - 1 0 中可以看出，无纵向窜流时，由于厚度和渗透率相等，上 下两层的驱油效率几乎一样。而存在纵向窜流时，底部层的驱油效率明显 高于顶部层。从图3 - 1 1 中可以看出，纵向无窜流时，由于厚度和渗透率 相等，上下两层的驱油效率几乎一样，因而两个层的产水情况也相近。而 存在纵向窜流时，底部层的产水量明显高于顶部层，而且顶部层产水还有 减小的趋势( 主要是其产液量减小导致的) 。所有这些都说明，当纵向存 在窜流时，会加剧底部层段形成优势渗流通道。 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章优势渗流通道形成机理 恹 一 * 钆 皿 图3 1 l 两模型上下层产水对比 除了上述因素外，在平面上由于井网条件导致在主流线和非主流线上 存在渗流的差异，长期注水开发过程中就容易沿主流线方向形成优势渗流 通道。 随着注水开发过程的进一步深入，优势渗流通道内的渗透率会逐渐再 扩大，水洗效率进一步升高，吸水百分数进一步变大。优势渗流通道逐渐 会起到一种水动力分割作用，注入水的无效循环进一步扩大，水驱波及体 积随注入体积倍数增加缓慢。当其渗透率演变到一定程度时，优势渗流通 道就会进一步演化成大孔道。 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章优势渗流通道形成条件和时机 第4 章优势渗流通道形成条件和时机 河流相正韵律厚油层在长期注水开发过程中易形成优势渗流通道，从 而影响油田的开发，所以有必要研究在什么条件下能形成优势渗流通道， 何时能形成，优势渗流通道是否能演变成大孔道等问题。 研究思路是：在统计分析胜利油区河流相正韵律厚油层地质及开发特 点的基础上，抽象出能代表该类油藏总体特征的地质模型原型，并建立考 虑影响优势渗流通道形成主要因素在内的各种概念模型。利用数值模拟方 法，模拟各层段的产吸水状况、洗油效率、无效水循环等开发指标的变化 特征，并依据这些指标的变化特征判断是否形成优势渗流通道及形成时 机。 4 1 模型的建立 首先抽象出馆陶组河流相正韵律厚油层的地质模型原型，根据优势渗 流通道的形成机理，建立考虑主要机理( 影响因素) 在内的各种概念模型， 然后设计相应的模拟方案。 表4 _ l 地质模型原型主要参数取值表 参数名称最小值最大值平均值模型取值 纵向渗透率级差 2 4 3 0 01 2 01 2 0 k d k h 0 0 0 0 10 10 0 1o o l 孔隙度( ) 3 l3 73 43 4 地下原油粘度( m p a 8 ) 2 01 3 0 6 56 5 原始含油饱和度 o 6 50 7 0o 6 80 6 8 油层有效厚度( m ) 4 31 5 98 99 o 油层中部深度( m ) 1 2 8 0 原始地层压力( m p a ) 1 2 8 原始地层温度( ) 7 0 相渗曲线归一化处理 2 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章优势渗流通道形成条件和时机 l o 9 o 8 o 7 0 6 是o 5 o 4 0 3 0 2 0 1 o t l l t l i o 图4 - 1 馆陶组油藏归一化相渗曲线 4 1 1 概念模型原型的建立 建立概念模型原型的原则是根据胜利油区馆陶组河流相正韵律厚油 层的特点，抽象出相应的能代表这类油层的地质模型，然后结合研究问题 的需要设计出相应的数值模拟模型。 原型基本参数的选取原则是根据馆陶组的参数变化范围，取各项参数 的平均值作为概念模型原型的相应参数。主要参数取值见表4 - l ，相渗曲 线见图4 - 1 。 原型网格的划分方法：平面上设计为一个均质的五点井网，一注四采， 井距2 1 2 m ( 模拟区域为3 0 0 m x3 0 0 m ) ，划分为2 1 2 1 的均匀网格系统。 纵向上考虑优势渗流通道的形成主要在油层底部，因此建立一种下细上粗 的纵向非均匀精细网格，以反映底部优势渗流通道的形成和演变特征。具 体方法是将纵向9 米油层分为上中下三段，底部段分为3 0 个网格，每个 网格0 1 米，中间段分为1 5 个网格，每个网格0 2 米，顶部段分为1 0 个 网格，每个网格0 3 米。因此，纵向网格数为5 5 。划分的网格图见图4 - 2 。 根据原型参数的取值原则和网格划分结果，原型纵向从上到下各层的 渗透率取值见表4 2 。 2 l 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章优势渗流通道形成条件和时机 ( a ) 平面网格系统 ( b ) 纵向月格系统 图4 - 2 概念模型网格划分 4 1 2 各概念模型方案设计 设计好概念模型的原型后，要研究优势渗流通道的形成条件和形成时 机，就需要考虑影响优势渗流通道形成的主要因素，设计相应的概念模拟 方案，然后通过数模