高含水期微观剩余油分布研究

[收稿日期]20050728 [作者简介]何建华(1965),男,1987年大学毕业,高级工程师,硕士生,现从事提高采收率研究工作。

高含水期微观剩余油分布研究
何建华,张树林 (江汉油田分公司勘探开发研究院,湖北潜江433124)
[摘要]应用微观渗流物理模拟技术,通过图像分析,观察了剩余油的形成和分布规律,分析了孔隙结
构、注入速度等对剩余油分布的影响,研究了水驱后剩余油的微观分布特征及剩余油形成机理。

水驱后
高含水期的剩余油分为连片状剩余油和分散型剩余油两大类。

[关键词]微观模型;物理模型;水驱油试验;高含水期;剩余油分布
[中图分类号]T E327;T E347
[文献标识码]A [文章编号]10009752(2006)04034005
剩余油的分布表现为宏观分布和微观分布两种形式[1]。

剩余油的多少和空间分布是设计注水开发调整方案或三次采油方案的重要依据,也是评价注水开发油田经济效益的主要基础资料。

尤其在当今高油价情况下,已开发油田增加产量和提高采收率已成为当务之急,而确定剩余油分布则是其中的关键。

搞清这些剩余油的形态和分布,能够选择合适的三次采油方法,充分提高三次采油的效果,对提高采收率具有重要的理论和实际应用价值。

为此,笔者主要运用微观模拟技术,定性、定量研究水驱油效率,微观剩余油的分布特征及形成机理,同时运用分形理论方法研究微观剩余油的分形分布特征。

1 微观物理模拟水驱油试验
111 微观水驱油试验条件及方法
1)微观模型 采用光化学刻蚀工艺[2],按天然岩心切片的真实孔隙系统刻到平面玻璃上,制作3个不同的仿真二维模型,模型厚20L m 。

由于模型是在高温下烧结而成的,模型表面最初为强亲水,可用二氯二甲基硅烷溶液将其处理成亲油性。

模型参数见表1。

表1 试验微观模型物性参数表
模型
编号
孔隙度/%渗透率/10-3L m 2模型尺寸/mm @mm 孔隙配位数孔喉比1#
321765818930@2021625132#
3416117811330@20219341143#41158-40@40--
2)试验流程 主要由物理模型、驱替系统、光源系统、图像采集系统、图像处理5部分组成。

3)试验步骤 ①根据试验要求,将微观模型孔隙表面的润湿性处理成亲油或亲水;②将模型烘干,并称干重;然后再抽真空,饱和水称重,确定模型的孔隙体积;③用模拟油驱替水,驱至模型出口不再出水为止(驱替约10PV 左右),并录取原始含油图像;④按试验方案选择一定的注入速度,进行恒速水驱油试验;⑤根据试验要求,改变注入速度、润湿性、原油粘度、微观模型等,重复上述步骤进行试验;⑥根据图像分析计算剩余油饱和度和水驱油效率。

112 水、油驱替过程描述
亲水模型在建立束缚水的过程中,油先沿着大孔道向前流动,并且占据大孔道,水分布在较小的孔道中;另外,水还以连续的水膜形式分布在孔隙的表面。

当进行水驱油时,水的进入,一方面沿大孔道中间突进,另一方面沿孔隙表面慢慢运移。

渗入的水以水膜形态分布于孔壁周围,进而充满孔隙,将小孔隙中的油挤出孔隙。

如果突进的速度大于沿孔壁润湿的速度,则小孔隙中的油易被水锁;如果沿孔壁#340#石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2006年8月 第28卷 第4期
Journal of Oil and Gas Technology (J 1JPI) Aug 12006 Vol
128 No 14
润湿速度大于大孔中的突进速度,则大孔中易形成油珠,形成的剩余油存在于被众多的小孔隙包围了的较大孔隙中。

驱替速度高时,在较大孔道中的油被驱出,当一些较大孔道形成水流通道而油被水切割开后,处在流动侧向和一些结构不好的孔道中的油很难再被驱出来。

图1(a),(b),(c)展示了亲水模型的微观水驱油进程以及在不同时期剩余油的分布(黑色为剩余油)。

在亲水模型中剩余油的分布主要以油珠状分布在较大孔道中,
还有一些分布在较细小的孔道中。

图1 1#亲水微观模型的低速水驱油过程(01002ml/min)
亲油模型在建立束缚水的过程中,油沿孔道壁首先向前推进,把孔隙中的水先包围,然后再驱赶出来,少部分水残留在较小的孔道中,有时小水珠也夹杂在大孔道的油里。

在驱替过程中,水沿着大孔道进入孔隙,由于亲油的关系,孔道四周都有一层油膜,形成一个边界层。

在驱替初期,油沿着孔道流动,驱替到一定程度后油便沿孔道壁向前移动,水在流经某些较小孔道时会被油切割成小水珠夹带在油中间。

由于孔隙表面是亲油的,所以表面吸附力所引起的渗流阻力要高于亲水模型,水驱时油有被驱走的趋势,油同时还受界面引力作用,因此,也不容易被驱走。

图2(a),(b),(c)展示了亲油模型的微观水驱油进程以及在不同时期剩余油的分布。

在亲油模型上剩余油主要由两部分构成,即小孔道中油的段塞和孔隙表面的油膜。

在非均质程度复杂的微观孔隙结构中,还可能存在大块的剩余油)))由很多
大的含油孔隙组成的孔隙群被周围许多小的含油孔隙包围。

图2 2#亲油微观模型的高速水驱油过程(01015ml/min)
113 水驱油试验结果
利用制备的微观仿真物理模型,进行了水驱油试验,显微照片和录像提供了孔隙几何形状、石油捕集和剩余油微观分布等图形。

考察微观水驱油的全过程发现,在不同的驱替速度、不同粘度的模拟油条件下,水驱油的进程快慢和形成剩余油的多少都有所不同,驱替速度低时形成的剩余油多,驱替速度高时形成的剩余油少;原油粘度大时形成的剩余油多,粘度小时形成的剩余油少。

图3是在模拟油粘度为1213mPa #s 、不同的驱替速度下进行的水驱油试验结果。

从图3可以看出,驱替速度从01002m l/min 增大到01015ml/m in 时,亲油模型(2-1#)驱油效率由5313%增大到
#341#第28卷第4期何建华等:高含水期微观剩余油分布研究
6818%,剩余油饱和度降低近12%;亲水模型(2-2#)的驱油效率由6410%增大到7818%。

微观模型在不同驱替速度下水驱油效率随速度的增大而增大,并且亲水模型要比亲油模型的驱油效率平均高约10%。

在水驱速度恒定为01005m l/min 的条件下,改变原油粘度,进行微观水驱油试验(结果见图4)。

对于粘度510mPa #s 原油(1-1#),由于油水粘度比相对较小,水驱前沿的推进相对均匀,水的指进不严重,驱替水容易波及到较细小的孔道,油膜及油斑易被驱走,亲油、亲水模型的驱替效率分别5615%,5915%,剩余油量少。

在驱替粘度为2314mPa #s 原油(1-2#
)时,前沿推进不均匀,油水流度比大,驱替水容易突破大孔道迅速向前运移,形成较严重的指进,因此,细小孔道中的原油不易被驱走,亲油、亲水模型的驱替效率分别为4211%,4711%,剩余油量较多。

相比较而言,高粘原油驱替效率比低粘原油驱替效率要低近13%左右。

比较润湿性对驱油效率的影响发现,亲水模型的驱油效率高于亲油模型的驱油效率近3%。

图3 微观驱油效率与驱替速度的关系 图4微观驱油效率与原油粘度的关系
2 微观剩余油分布特征
剩余油的形式多种多样,根据所占孔隙空间的大小,可以将剩余油分为两大类:一类是占较多孔隙的连片状剩余油,它分为水波及域外的连片状剩余油和水波及域内的簇状剩余油;另一类是占据较少孔隙的分散型剩余油,主要有柱状、膜状、角状和孤岛状等形式。

211
片状剩余油
图5 剩余油的簇状连片分布
水波及域外的片状剩余油是指在微观模
型驱油试验中,由于注入水未驱到而滞留于
模型边角处的剩余油。

簇状剩余油是指被通
畅的大孔道所包围的小喉道控制群中的剩余
油,实际上是一种水淹区内更小范围的剩余
油块,主要是由于注入水在孔隙空间内的绕
流形成的。

在水驱油过程中,注入水沿着阻
力较小的孔道前进要快,即微观指进;当两
条突进的水道在前方某些孔道合拢后,两条
水道之间的油块就会残留下来成为剩余油。

当注入水的通道形成以后,水在这些通道内的流动阻力就会大大降低,从而更有利于水的流动。

由于多孔介质内广泛存在着的微观非均质性,所以簇状剩余油在水驱过程中能大量地形成,每一个簇状剩余油块相对于其他形式的剩余油所占的油量又多,因此,簇状剩余油在剩余油中占的比例很大。

图5(a)
簇状剩余油是2#亲油模型中低速驱替时产生的,图5(b)的簇状剩余油是在3#模型中观察到的。

无论
润湿性是亲油或亲水,驱替速度是高或低,3#模型中都存在簇状剩余油,这主要是孔隙结构的微观非
均质性强的缘故。

#342# 石油天然气学报(江汉石油学院学报)2006年8月
212 分散型剩余油
柱状剩余油主要存在于连通孔隙的喉道处,特别是那些细长的喉道中更加明显。

它主要有两种形式,一种是存在于并联孔道中的细喉道内;另一种是存在于/H 0形孔道内。

角状剩余油是指被水驱扫过后密封于死角或孔隙盲端的剩余油,而与其相连的孔喉则大部分被水取代。

它存在于大量的孔隙盲端中,且盲端越深,其剩余油量越大。

膜状剩余油主要存在于亲油的孔隙结构中,由于油在岩石壁面的附着力大于水驱过程的剪切力,注入水在孔隙中间通过,使粘附在岩石表面的油留下,形成油膜或油环,它在油湿孔隙中普遍存在。

/孤岛状0剩余油是亲水孔隙结构中特有的一种形式的剩余油。

在水驱油过程中,注入水沿着亲水的岩石壁面或壁面上的水膜前进,在孔隙内的油被完全驱走之前,水已占据了油流通道前的喉道,使油流被卡断,油即以油滴的形式留在大孔隙内成为/孤岛状0剩余油。

孔喉比相差越大,/孤岛状0剩余油越容易形成,且孔隙介质亲水性越强,形成的可能性越大。

3 剩余油形成机理
311 毛管力作用
图6 油水界面弯月面类型毛管力是岩石体系毛管孔道中作用于油、
水、固相界面上各种力引起的。

在试验过程中,
由于驱替速度较慢且微观模型小,粘滞力和重
力可以忽略,因此,作用于油水和岩石孔隙界
面的毛管力主要控制孔隙水平的驱替活动。

在
真实岩石孔隙系统中,水驱油过程可归结为油
水界面弯月面的活动。

这种活动在许多孔隙中
是同时发生的[3]。

油水界面的弯月面包含3种
类型(图6):①覆盖弯月面。

侵入水沿孔壁楔
入或/爬行0,自发地润湿岩石表面并扩展,尤
其是孔隙表面较粗糙部分。

覆盖弯月面和孔壁
间的润湿液体,在不同时间不同部位,厚度是变化的。

②颈部弯月面。

这种弯月面呈马鞍形,很不稳定,由润湿相在颈部积聚形成,它倾向于占据喉颈部位,通过喉道连接的油通常称为油颈,颈部弯月面极易使油颈断裂,堵塞油路,导致石油捕集。

③头部弯月面。

这种弯月面凹向油相,它趋向于占领孔体。

真实岩石孔隙系统,孔体的形状多种多样,剖面呈发散收缩形是常见的一种。

在此孔体中,弯月面推进时,在不同部位弯月面的曲率是变化的,因而在界面两侧的毛管压力也随之变化。

于是弯月面总是处于不平衡状态,当然,界面总是试图达到它的能量为最小的状态。

从上述油水界面弯月面的活动可看到,局部孔隙几何形状强烈地影响油水界面的形态及毛管力作用。

水驱时油路断裂作用形成相对大的油块,其连续部分一般都是较大的孔道;断裂作用和绕流作用共同产生更大的油块,其连续部分除大孔道外,其中也有孔隙收缩部位;毛管力作用和其他形式导致的不规则的油滴,一般占在被小孔隙包围和单个孔体中。

被捕集的剩余油形态各异,其形状和数量强烈地依赖于其所占据的孔隙形状和大小以及流体的性质、驱替速度等外部条件。

在亲水孔隙的仿真模型中,水驱油时,水几乎侵入小孔隙的任何连续部分,剩余油则滞留在相对大的孔隙中。

因此,毛管力一方面有利于水孔道内油被驱走,另一方面又引发阻塞作用、绕流作用等,导致石油的滞留。

在亲油孔隙的仿真模型中,小孔喉形成的门槛毛管压力是导致石油滞留的主要因素。

在非均质的孔隙系统中,各式各样、大大小小的喉道随处可见,它成为注入水的油水弯月面通过的一道道关口,当施加的驱动压力小于门槛毛管压力时,注入水的油水弯月面就很难进去,此时,注入水要么却步,要么绕道而行。

被捕集的油少则是一段小孔隙,多则是大片油块,严重地影响注水驱油的面积波及效率。

#343#第28卷第4期何建华等:高含水期微观剩余油分布研究
312 指进现象
指进现象是水驱油过程中普遍存在的现象。

在微观模型的水驱油试验中,经常会发现注入水的指进现象,即水沿着一条阻力最小的孔隙通道深入到充满油的孔隙空间,这就是微观指进现象。

而对于整个模型来讲,注入水由入口端进入,沿着一条或几条通道向前突入并首先到达出口;相对于整个油田开发来说,注入水由注入井注入,沿着阻力最小的通道迅速到达生产井,将油层中的大部分油留下,这种现象即为宏观指进。

无论是宏观指进还是微观指进,其结果都是使储层中的油成片地滞留于孔隙空间成为剩余油,从而降低整个油层的采收率。

在油湿岩石中,毛管力起着相反的作用。

在压力梯度作用下,注入水主要沿着大孔道的轴心部位流动,并占据大孔道,由于孔体在不同部位的配位数是不同的,在交汇处,侵入水总是选择孔径较大的孔道或喉道作为突破口向前推进。

但是,在实际储层中,即便是较大的孔道,也不是等径的,在某些部位总有收缩部分或喉道。

注入水遇到收缩部位时,由于门槛毛管压力的作用,头部弯月面的推进就要作暂时地停顿,直到驱动压差突破门槛毛管压力,弯月面才继续往前运动。

因此,注入水的流动前缘是跳跃式的,指进现象明显。

但是,在水驱速度大时,粘滞力起主要作用,此时,注入水沿最小渗流阻力的孔道渗流要快,在孔隙结构非均质性强时,无论是亲油还是亲水的模型,都将表现出明显的指进现象。

313 绕流和阻塞作用
在水湿模型中,阻塞作用也导致了剩余油滞留,它的进程可分为3个步骤:第1步,侵入水自发地润湿孔隙表面并以水膜扩展;第2步,当水到达喉道后,在喉道处渐渐积聚,水膜变厚,形成马鞍形的喉颈弯月面,喉道轴心的油颈被挤成油丝;第3步,油丝断裂,水桥形成,颈部弯月面产生了两个头部弯月面并缩回到孔体。

水桥构成了油路的阻塞作用(有时也称为卡断作用)。

侵入水一般总是首先占据这些小的孔隙或喉道,并把小孔隙中的油排向大孔道中流动。

一旦大孔道的油路在某些孔隙的缩小部位被水桥卡断,并被充满水的小孔隙包围,捕集在大孔道中的这部分油就成了/孤岛0。

在驱替速度缓慢时,/孤岛0状的油很难流动。

但若提高驱替速度,被捕集的油滴或油块仍能流动。

从一个孔道突进的注入水与从另一个孔道突进的注入水,通过毛管力相互作用,对部分孔隙或油区形成的圈闭作用的是绕流作用,其结果是使许多孔隙中的油未能水驱到,导致水的波及系数低。

在非均质的仿真模型中,绕流现象则更为普遍,并导致大量的石油被捕集,事实上,指进作用和绕流作用是对石油捕集的一种联合作用,经过迂回曲折的流道,造成大量剩余油被喉道处的门槛毛管压力所圈闭,成为死油区。

4 结论及认识
1)应用微观渗流物理模拟技术,通过图像分析,观察水驱油过程及微观物理模型中剩余油的形成和分布。

2)分析了孔隙结构、驱替速度、粘度比等对水驱油效率和剩余油分布的影响,驱替速度低时形成剩余油多,驱替速度高时形成的剩余油少;原油粘度大时形成的剩余油多,粘度小的形成剩余油少。

3)水驱后剩余油分布分为两大类:一类是占较多孔隙的连片状剩余油,它分为水波及域外的连片状剩余油和水波及域内的簇状剩余油;另一类是占据较少孔隙的分散型剩余油,主要有柱状、膜状、角状和孤岛状等形式。

4)毛管力作用、指进现象、绕流和阻塞作用是是剩余油形成的主要机理。

[参考文献]
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[编辑] 萧 雨#344# 石油天然气学报(江汉石油学院学报)2006年8月。