底水油藏水體能量三維物理模擬裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種底水油藏水體能量三維物理模擬裝 置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 底水油藏投產(chǎn)以后，隨著原油的采出，地層壓力逐漸降低，底水能量大于油層能 量，同時由于油水粘度的差異，底水逐漸推進至油層，使油井過早見水、產(chǎn)油量驟減和含水 快速上升，嚴重地影響了油井的正常生產(chǎn)，并導致水處理費用增加和開發(fā)成本升高，底水油 藏開采效益變差。因此監(jiān)控底水油藏底水推進和研究見水規(guī)律顯得尤為重要。
[0003] 物理模擬是研究底水油藏的一種常用手段，物理模擬實驗人為再現(xiàn)底水油藏的開 發(fā)進程，較為真實地模擬實際油藏或油井的滲流特征，便于觀察水錐或水脊的形成與發(fā)育， 研究油藏參數(shù)、油井幾何因素和外部生產(chǎn)可控參數(shù)對開發(fā)效果的影響，為制定底水油藏開 發(fā)策略、不同開發(fā)階段應(yīng)對措施及穩(wěn)油控水方案提供重要依據(jù)。國內(nèi)外底水油藏物理模擬 大致可分為四種類型：微觀孔隙模擬、一維線性模擬、二維平面模擬和三維比例模擬。
[0004] 底水油藏微觀物理模擬應(yīng)用可視化儲層微觀孔隙模型，借助于顯微放大、錄像、圖 像分析和實驗計量技術(shù)，模擬底水驅(qū)替原油，實現(xiàn)儲層流體微觀滲流的定性分析和定量描 述，揭示剩余油微觀分布特征。微觀孔隙物理模型有砂巖微觀孔隙模型和仿真孔隙模型，微 觀孔隙模型尤其是砂巖微觀孔隙模型基本保留了巖石的真實孔隙結(jié)構(gòu)和表面物理性質(zhì)，直 觀性強，觀測和記錄油水兩相滲流特征，能夠?qū)κＳ嘤头植?、堵劑注入時機、堵劑賦存狀態(tài) 進行微觀研究，但無法觀察到底水推進形態(tài)，并且由于承壓能力弱，不能模擬底水油藏開發(fā) 的真實壓力條件。
[0005] 底水油藏一維物理模擬利用充填有一定目數(shù)玻璃珠的填砂管或巖心來模擬底水 油藏，先注入模擬地層水制造束縛水環(huán)境，然后注入原油飽和模型，最后開展底水驅(qū)替實 驗。一維線性模型可以研究水平方向非均質(zhì)性和生產(chǎn)壓差對含水率及采出程度等開發(fā)指標 的影響，但無法直接觀察底水推進過程，同時地層流體大多數(shù)情況下并非一維流動，一維模 型只能在一定程度上反映底水油藏開采過程。
[0006] 底水油藏二維模擬系統(tǒng)為平板模型，此類物理模型由兩塊相同尺寸的有機玻璃板 構(gòu)成，采用現(xiàn)代電子攝像監(jiān)視手段和流動試驗測試手段。二維模擬實驗?zāi)軌虮容^形象地模 擬底水油藏底水推進的過程，也能對影響生產(chǎn)井產(chǎn)能的各種因素（如生產(chǎn)井位置、油水粘 度比）進行更加真實的評價和驗證，但二維模型只能模擬均質(zhì)油藏"活塞式"驅(qū)替時的狀 況，所模擬的底水形態(tài)與真實形狀還有較大的差別，并且實驗所觀察得出的結(jié)論只是一些 定性的結(jié)論。
[0007] 底水油藏三維模擬實驗?zāi)芨诱鎸嵱行У啬M油藏狀況，更好地對影響生產(chǎn)井產(chǎn) 能的因素進行評價，尤其在水平井開發(fā)底水油藏時對水平段摩阻造成的影響進行有效的評 價，也能更好地觀察生產(chǎn)井水淹模式和水淹動態(tài)，而且在一定條件下，可對某油藏布井方式 進行有效預測和評價。但三維模型結(jié)構(gòu)復雜，必須針對具體的油藏條件，考慮參數(shù)的比例關(guān) 系，否則可能無法得出正確結(jié)論。
[0008] 三維物理模型設(shè)計以相似三定理為基礎(chǔ)，以量綱相似概念為依據(jù)，各個物理量都 按照相似比例進行描述。按照比例建立的模型要求三維底水油藏實驗室模型與礦場原型的 介質(zhì)條件、空間條件和動力作用在每個相應(yīng)的位置都相似，基本方程、初始條件和邊界條件 都要滿足用無量綱參量表示的相似準則。因此，找出底水驅(qū)替過程的相似準則數(shù)的方法，從 本質(zhì)上說就是應(yīng)用相似理論對描述底水驅(qū)替過程的數(shù)學表達式或者驅(qū)替過程中所包括的 壓力、溫度、含油飽和度等變量進行相似分析的過程。底水油藏三維物理模擬相似準則數(shù)的 推導首先需要定義基本假設(shè)條件，然后建立基本微分方程，包括質(zhì)量守恒方程、能量守恒方 程和運動方程，在定義初始條件及邊界條件之后歸一化處理數(shù)學方程，利用方程分析法中 的類比分析法，對方程進行無因次化處理，對求解出的相似準則數(shù)組進行化簡處理，刪除不 重要的相似準則數(shù)，對形式復雜的相似準則數(shù)重新組合，使相似準則數(shù)形式上變的簡單，物 理意義更加明確。
[0009] 針對底水油藏水平井開發(fā)，可采用以下5類15個相似準則數(shù)：
[0010] ①幾何相似：油藏長與寬之比、油藏長與厚度之比、油藏長與水平井長度之比、生 產(chǎn)壓差與重力之比
[0011]
[0012] ②壓力相似：生產(chǎn)壓差與毛管力之比、油藏壓力與地層平均壓力之比
[0013]
[0014] ③物性相似：油水密度之比、油水流度之比、原型與模型相滲端點相似、原型與模 型孔隙度相似、綜合壓縮系數(shù)與油水壓縮系數(shù)之比
[0015]
[0016] ④生產(chǎn)動態(tài)相似：達西公式、水侵量與水平井產(chǎn)量之比、油水產(chǎn)量之比
[0017]
[0018] ⑤井筒摩阻相似：原型和模型的生產(chǎn)壓差與井筒壓降之比
[0019]
[0020] 其中=L1山，H，L分別為油藏的長、寬、高以及水平井的長度，m ;Λ p，Pl，pa分別為 生產(chǎn)壓差、油藏壓力和地層平均壓力，MPa 為毛管壓力，Pa;p。，Pw分別為油密度和水密 度，kg/m3;g為重力加速度，9. 8m/s 2;KOT。，Kwot分別為束縛水狀態(tài)下油相相對滲透率和殘余 油狀態(tài)下水相相對滲透率，小數(shù)；μ。，μ "分別為油相粘度和水相粘度，mPa · s ;S OT，Sw。分別 為殘余油的飽和度和束縛水飽和度，小數(shù)；Φ為孔隙度，小數(shù)；c。，Cw，Ct分別為油亞索系數(shù)、 水壓縮系數(shù)以及綜合壓縮系數(shù)，MPa Sk為絕對滲透率，10 3 μ m2;t為生產(chǎn)時間，S ;Q為井筒 流量，m3/d ;q。，qw:分別為油采出量和水采出量，m 3/d ; μ為井筒內(nèi)流體粘度，mPa · s ;d為水 平井井筒直徑，m; P為井筒內(nèi)流體密度，kg/m3。
[0021] 通過上述相似準則可以實現(xiàn)物理模型與底水油藏原型的轉(zhuǎn)化，設(shè)計和制作底水油 藏的三維物理模型，并對現(xiàn)場主要工藝參數(shù)進行按比例處理。同時，受實驗條件、人為等客 觀因素制約，難以將所有的相似準則完全按比例轉(zhuǎn)化現(xiàn)場參數(shù)，并且轉(zhuǎn)化的參數(shù)跟原型有 不同程度的誤差，因此需要對轉(zhuǎn)化的參數(shù)進行適當調(diào)整。
[0022] 現(xiàn)有的底水油藏三維物理模擬系統(tǒng)通常由模型本體11、底水模擬系統(tǒng)12、產(chǎn)出計 量系統(tǒng)13、檢測系統(tǒng)14和控制系統(tǒng)15組成，實驗裝置如圖1所示。
[0023] ①模型本體11 :由底水油藏模型及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、移動支架組成，底水油藏模型包括 油層模型和生產(chǎn)井模型。油層模型的制作需要利用填砂管模型測量出符合模擬模型孔滲要 求的巖石粒度組成，并按此組成配置模型砂，充填三維物理模型。不銹鋼管或有機玻璃管則 用來模擬生產(chǎn)井不同的井型、完井方式和避水高度。
[0024] ②產(chǎn)出計量系統(tǒng)13 :由產(chǎn)出液計量和回壓系統(tǒng)等組成，主要用于回壓的控制、實 驗時間記錄和流量的計量。
[0025] ③檢測系統(tǒng)14和控制系統(tǒng)15 :包括信號檢測和數(shù)據(jù)采集處理部分，通過電阻率傳 感器、溫度傳感器和壓力傳感器實時檢測模型內(nèi)部的飽和度、溫度和壓力，傳輸至計算機實 現(xiàn)實時采集處理，顯示模型內(nèi)部的飽和度場、溫度場和壓力場圖。
[0026] ④底水模擬系統(tǒng)12 :用于模擬底水的水體能量，能夠?qū)⒌姿筒貙嶋H水體能量大 小在三維物理模擬中合理有效地反映出來。
[0027] 現(xiàn)有技術(shù)中通常采用以下模擬流程實現(xiàn)對底水油藏的三維物理模擬：
[0028] ①將模型井、傳感器布置到設(shè)計位置。
[0029] ②若采用干裝法填砂，將模型砂均勻填入模型。
[0030] ③模型砂填充完畢后，用模擬蓋層的陶泥均勻覆蓋，上蓋封裝。模型封裝后，接入 氮氣瓶，觀察油藏壓力變化，確定是否有漏氣現(xiàn)象。
[0031] ④將模擬地層水由飽和注入口注入模型，飽和出口打開，收集模擬地層水，至出口 流量與進口流量相近時停止，記錄進口模擬水的注入量、出口的收集總量，計算出模型的孔 隙體積以及孔隙度。
[0032] ⑤將模擬油注入模型，收集產(chǎn)出液，至出口端連續(xù)出油不出水或含油率達99. 9% 時停止，關(guān)閉飽和出口，繼續(xù)注入模擬油使油藏憋壓至模擬地層壓力，記錄出口模擬水的收 集總量以及注入模擬油的凈量，得出飽和油體積，從而計算出模型初始含油飽和度以及束 縛水飽和度。
[0033] ⑥三維模型置于恒溫箱中，恒定到模擬地層溫度，開始驅(qū)替實驗。實驗過程中采集 模型不同時刻不同位置飽和度、溫度及壓力數(shù)據(jù)，產(chǎn)出液收集計量，直至產(chǎn)出井含水率達到 98 %后，結(jié)束實驗。
[0034] 目前，針對底水油藏水體能量三維物理模擬的實現(xiàn)主要是采用恒壓模擬方法，即 利用一定的實驗?zāi)M裝置在底水油藏模型本體底部形成恒定壓力的底水層，實現(xiàn)無限大水 體條件下油藏開發(fā)動態(tài)的研究。實現(xiàn)底水恒壓所采用的實驗裝置主要包括：
[0035] ①恒壓恒速栗：實驗裝置如圖2所示，包括恒壓恒速驅(qū)替栗21、活塞式容器22、底 水模擬系統(tǒng)閥門23和壓力計量裝置24。恒壓恒速栗21依次通過活塞式容器22、底水模擬 系統(tǒng)閥門23與模型本體25底水注水口連接，開啟恒壓恒速驅(qū)替栗21，根據(jù)底水壓力設(shè)定栗 壓，開啟底水模擬系統(tǒng)閥門23,按照實驗設(shè)定的恒壓恒速驅(qū)替栗21驅(qū)替壓力，保證穩(wěn)定的 模擬地層水進入模型本體25。
[0036] ②雙桶設(shè)計：雙桶設(shè)計的底水供給系統(tǒng)可以保持底水恒壓供給，以模擬無限水體 底水油藏。該系統(tǒng)由儲液桶31、進液桶32、水栗33及其連接管線組成，實驗裝置如圖3所 示。進液桶32設(shè)有兩條進液通道和兩條出液通道，其中一條出液通道為三維物理模型34供 給底水，另一條出液通道用于保持進液桶水位以保證底水壓力恒定，同時三維物理模型34 底部的滲流板35可保證流體能均勻地注入。試驗開始時，首先打開底水入口，待兩臺壓力 傳感器36、37的讀數(shù)穩(wěn)定至水桶到三維物理模型35的靜水高度時再打開生產(chǎn)井38進行生 產(chǎn)，這樣操作可以使三維物理模型內(nèi)各點的折算壓力相等，從而模擬原始地層壓力。
[0037] ③氣源模擬：氣源模擬裝置如圖4所示，底水層通過下部閥門41與一個水容器42 相連，水容器42與氣容器43相連，氣容器43與氣瓶44相連。實驗時，氣瓶44通過調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)壓力到設(shè)定值，再加上與之相連的水容器的42緩沖作用，可以很好地模擬底水層恒定 壓力供給狀況。
[0038] 恒壓模擬方法采用水體壓力來體現(xiàn)水體能量的大小，只適合于水體能量充足的底 水油藏，不能滿足底水油藏任意水體能量三維物理模擬實現(xiàn)的要求，依據(jù)《油藏描述方法 (SY/T 5579. 1-2008)》采出百分之一的地質(zhì)儲量地層壓力下降值小于0. 2MPa，彈性產(chǎn)量比