变质岩裂缝性油藏水驱油特征三维物理模拟_童凯军
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(1. Bohai Oil Research Institute, Tianjin Branch of CNOOC Limited, Tianjin 300452, China; 2. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)
1 裂缝性油藏三维物理模型相似准则
1.1 渗流数学模型 1.1.1 模型假设
在构建裂缝性油藏水平井立体开发水驱油过程的 数学模型时，采用以下基本假设：①渗流介质为双孔 单渗介质；②存在重力作用，考虑为底水驱油，重力 为阻力；③储集空间主要为裂缝、溶蚀孔隙和微裂缝， 溶蚀孔隙和微裂缝划入基质系统，宏观裂缝则构成裂 缝系统，基质系统通过毛细管力渗吸作用向裂缝系统 供油，裂缝系统为渗流通道；④裂缝系统内忽略油水 毛细管力；⑤油、水不互溶；⑥流体不可压缩，渗流 介质微可压缩；⑦水驱油为等温驱替过程；⑧渗吸时 间与驱替时间相同，驱替一开始，基质系统内就发生 渗吸作用。 1.1.2 数学模型
η10= [1/ Cf − (γ w − γ o )Lz ] Lx K / qμw
η11= μo / μw η12= ( p − pi )Lx K / qμw
驱替动力与注采压差之比 油水黏度比
压力降与注采压差之比
在设计实验模型时，选用边长为 5 cm 的立方体岩 块。综合考虑模型的典型性、模型重量及实验工作量， 最终构建起尺寸为 25 cm×25 cm×25 cm 的三维模型。 根据表 1 中推导得到的相似准数群，结合油藏实际参 数，可实现矿场原型与物理模型之间主要参量的相互 换算，将矿场原型按比例缩小到实验室物理模型（见 表 2）。 1.3 相似准数验证
（1. 中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院；2. 中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室）
基金项目：国家科技重大专项（2011ZX05057-001）；中国海洋石油总公司“十二五”重点科技攻关项目 （CNOOC-KJ125ZDXM06LTD-02）
摘要：为认识变质岩裂缝性油藏水驱油特征及改善水驱开发效果的机理，以渤海湾盆地 JZ251S 油藏为原型，根据相 似理论设计了满足几何相似、运动相似、动力相似和双重介质特征参数相似的大尺度物理模型并开展了水平井立体 开发水驱油实验，研究了双重介质油藏水驱油机理、影响因素以及不同注水方式的提高采收率特征。实验结果表明： ①受毛细管力影响的渗吸作用是双重介质油藏基质系统水驱油的主要机理；②无论基质是否出油，见水后的含水上 升趋势均可划分为 2 个阶段，第 1 阶段为见水初期的快速上升段，第 2 阶段为中高含水期的缓慢增加段；③驱替速 度是决定油藏无水采油期、含水率变化规律及最终采收率的主要因素；④与连续注水相比，间歇注水充分发挥了油 水重力分异作用，对于降低阶段含水率与提高初期采油速度具有重要意义。图 9 表 3 参 18 关键词：裂缝性油藏；水驱油特征；三维物理模拟；含水上升规律
为了验证相似准数的正确性，将表 2 中的原型值 与模型值分别利用斯伦贝谢公司产品 Eclipse 软件进行 计算，可以得到油藏原型与物理模型的含水率、产油 量及产液量等随时间变化关系曲线。通过比较它们在 相同时间上的生产特征，可以验证原型与模型的相似 程度[16]。从二者含水率曲线（见图 2）可以看出，油 藏原型与物理模型计算结果的相似性较好，表明该相 似准数可以满足实验要求。
0 引言
变质岩潜山裂缝性储集层具有非均质性强、空间 结构复杂、裂缝随机分布及裂缝倾角大等特点，使得 该类油藏开发存在巨大困难，目前国内外整体研究仍 处于探索阶段[1-4]。近年来，研究者在低渗透裂缝性油 藏注采井网的合理部署方面开展了大量研究工作[5-8]， 主要通过数值模拟和油藏工程方法确定布井方式及开
假设长 Lx、宽 Ly、高 Lz 的长方体裂缝性油藏，基 质系统包括微裂缝和溶蚀孔隙，裂缝系统为宏观裂缝， 模型底部设置 1 口注水井、顶部设置 2 口生产井，井 型均为水平井，定注入量 q 注入，生产井定井底流压 生产，水平井相对于油藏整体尺度很小，在整体考虑 时可作为“点源”或“点汇”，井位坐标取水平段中点， 见图 1。
540
石油勘探与开发·学术讨论
Vol. 42 No.4
模化参数
Lx Ly Lz （xi，yi，zi） （xp1，yp1，zp1） （xp2，yp2，zp2）
d
rw t μo γo T p q
表 2 双重介质油藏水平井立体井网水驱油模拟实验特征参数模化
油藏原型
物理模型
比例因子（原型与模型之比）
200 m 200 m 200 m （90 m, 200～0 m, 20 m）
中图分类号：TE122.2
文献标识码：A
Three-dimensional physical modeling of waterflooding in metamorphic fractured reservoirs
Tong Kaijun1, Liu Huiqing2, Zhang Yingchun1, Wang Jing2, Ge Lizhen1, Dai Weihua1, Hong Cheng2, Meng Qingbang2
η6=L/Lx
η7=L/d
η8=Lz/rw
无量纲坐标及 特征长度之比
不同方向外观尺度之比
水平段长度与油藏长度之比 水平段长度与井距之比 油藏厚度与井径之比
运动 相似
η9=
Dt K / φf0 Lx Ly (1 − φf0 )R
σt μw Lx
渗吸量占储集层总体可渗吸 量的比例与特征时间乘积
动力 相似
展产能评价。裂缝性介质渗流机理方面的物理模拟实 验研究也有所发展[9-15]，但其模型设计或者没有严格依 据相似准则，如黄代国为了研究碳酸盐岩储集层中油 水运动规律，所用二维剖面模型采用的相似准则仅满 足几何尺寸相似，没有考虑运动相似及动力相似对生 产的影响[9]；或者由于储集体尺寸和取心条件限制，采 用的物理模型多为微观玻璃蚀刻模型或者垂向尺寸非 常小的平面模型，无法准确反映基质孔隙-裂缝空间配
538 2015 年 8 月
石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT
Vol.42 No.4
文章编号：1000-0747(2015)04-0538-07 DOI: 10.11698/PED.2015.04.18
变质岩裂缝性油藏水驱油特征三维物理模拟
童凯军 1，刘慧卿 2，张迎春 1，王敬 2，葛丽珍 1，戴卫华 1，洪铖 2，孟庆帮 2
百度文库
2 实验
图 1 水平井注采模型示意图
1.2 相似准数群建立 本文采用方程分析法推导相似准则，基于双重介
2.1 实验模型制备 为了定量刻画双重介质中水驱油的一般性规律，
本文研究以渤海湾盆地 JZ251S 油藏为原型，参照该油 田储集层的储集空间特征及岩石物性，从典型露头区 选择了溶蚀孔洞特征明显、微裂缝大量发育的浅褐色 变质花岗岩作为实验介质，与油田实际岩样相比，所 选介质能够正确地反映微裂缝及溶蚀孔隙的空间分布 特征。参照经典的 Warren-Root 模型，按照砌墙错缝式
质双孔单渗数学模型，选取整个渗流数学模型中涉及 的物理量对相似准数群进行组合、简化，最终得到满 足裂缝性油藏模拟要求的具几何相似、运动相似及动 力相似的三维物理模拟相似准则群（见表 1）。
表 1 双重介质油藏水驱油模拟实验相似准数群及物理意义
相似 准则分类
相似准数
物理意义
几何 相似
η1=x/Lx η2=y/Ly η3=z/Lz η4=Lx/Ly η5=Lx/Lz
2015 年 8 月
童凯军 等：变质岩裂缝性油藏水驱油特征三维物理模拟
539
置关系对水驱油特征和剩余油分布的影响[12-13]。 本文以渤海湾盆地 JZ251S 潜山变质岩裂缝性油藏
为原型，采用典型露头岩样，参考经典的 Warren- Root 模型设计，建立了表征基质孔隙-裂缝组合的大尺度三 维比例物理模拟实验模型。利用该模型开展水驱油模 拟实验，研究双重介质油藏水驱油机理、影响因素以 及不同注水方式的提高采收率特征。
Abstract: To understand water-oil displacement characteristics and the mechanism of improving waterflood efficiency in metamorphic fractured reservoirs, taking JZ251S oil field as an example, a large-scale physical simulating model which meets the geometric similarity, kinematic similarity, dynamic similarity and dual media characteristic parameters similarity based on the theory of scaling criteria was designed to simulate the development of the reservoir by horizontal wells. The mechanism of water displacing oil in dual media reservoirs, the factors affecting fluid flow and waterflood characteristics, and the enhanced oil recovery (EOR) features of different water injection patterns were studied by experiments. The results show that: (1) Capillary imbibition is the main mechanism of enhancing matrix oil recovery in a dual media reservoir which is controlled by waterflooding; (2) whether or not there is crude oil draining from matrix, the water cut trend after water breakthrough can be divided into two stages, the first stage is quick rise stage of water cut in early water breakthrough period and the second stage is slow rise stage of water cut in mid-high water cut period; (3) displacement rate is the main factor controlling water-free production period, water cut trend and ultimate recovery; (4) compared with continuous injection, intermittent injection can give full play to the function of oil-water gravity segregation, reducing the water cut and improving the production rate of initial stages greatly. Key words: fractured reservoir; waterflooding characteristics; 3-D physical modeling; water cut rise pattern
1 裂缝性油藏三维物理模型相似准则
1.1 渗流数学模型 1.1.1 模型假设
在构建裂缝性油藏水平井立体开发水驱油过程的 数学模型时，采用以下基本假设：①渗流介质为双孔 单渗介质；②存在重力作用，考虑为底水驱油，重力 为阻力；③储集空间主要为裂缝、溶蚀孔隙和微裂缝， 溶蚀孔隙和微裂缝划入基质系统，宏观裂缝则构成裂 缝系统，基质系统通过毛细管力渗吸作用向裂缝系统 供油，裂缝系统为渗流通道；④裂缝系统内忽略油水 毛细管力；⑤油、水不互溶；⑥流体不可压缩，渗流 介质微可压缩；⑦水驱油为等温驱替过程；⑧渗吸时 间与驱替时间相同，驱替一开始，基质系统内就发生 渗吸作用。 1.1.2 数学模型
η10= [1/ Cf − (γ w − γ o )Lz ] Lx K / qμw
η11= μo / μw η12= ( p − pi )Lx K / qμw
驱替动力与注采压差之比 油水黏度比
压力降与注采压差之比
在设计实验模型时，选用边长为 5 cm 的立方体岩 块。综合考虑模型的典型性、模型重量及实验工作量， 最终构建起尺寸为 25 cm×25 cm×25 cm 的三维模型。 根据表 1 中推导得到的相似准数群，结合油藏实际参 数，可实现矿场原型与物理模型之间主要参量的相互 换算，将矿场原型按比例缩小到实验室物理模型（见 表 2）。 1.3 相似准数验证
（1. 中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院；2. 中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室）
基金项目：国家科技重大专项（2011ZX05057-001）；中国海洋石油总公司“十二五”重点科技攻关项目 （CNOOC-KJ125ZDXM06LTD-02）
摘要：为认识变质岩裂缝性油藏水驱油特征及改善水驱开发效果的机理，以渤海湾盆地 JZ251S 油藏为原型，根据相 似理论设计了满足几何相似、运动相似、动力相似和双重介质特征参数相似的大尺度物理模型并开展了水平井立体 开发水驱油实验，研究了双重介质油藏水驱油机理、影响因素以及不同注水方式的提高采收率特征。实验结果表明： ①受毛细管力影响的渗吸作用是双重介质油藏基质系统水驱油的主要机理；②无论基质是否出油，见水后的含水上 升趋势均可划分为 2 个阶段，第 1 阶段为见水初期的快速上升段，第 2 阶段为中高含水期的缓慢增加段；③驱替速 度是决定油藏无水采油期、含水率变化规律及最终采收率的主要因素；④与连续注水相比，间歇注水充分发挥了油 水重力分异作用，对于降低阶段含水率与提高初期采油速度具有重要意义。图 9 表 3 参 18 关键词：裂缝性油藏；水驱油特征；三维物理模拟；含水上升规律
为了验证相似准数的正确性，将表 2 中的原型值 与模型值分别利用斯伦贝谢公司产品 Eclipse 软件进行 计算，可以得到油藏原型与物理模型的含水率、产油 量及产液量等随时间变化关系曲线。通过比较它们在 相同时间上的生产特征，可以验证原型与模型的相似 程度[16]。从二者含水率曲线（见图 2）可以看出，油 藏原型与物理模型计算结果的相似性较好，表明该相 似准数可以满足实验要求。
0 引言
变质岩潜山裂缝性储集层具有非均质性强、空间 结构复杂、裂缝随机分布及裂缝倾角大等特点，使得 该类油藏开发存在巨大困难，目前国内外整体研究仍 处于探索阶段[1-4]。近年来，研究者在低渗透裂缝性油 藏注采井网的合理部署方面开展了大量研究工作[5-8]， 主要通过数值模拟和油藏工程方法确定布井方式及开
假设长 Lx、宽 Ly、高 Lz 的长方体裂缝性油藏，基 质系统包括微裂缝和溶蚀孔隙，裂缝系统为宏观裂缝， 模型底部设置 1 口注水井、顶部设置 2 口生产井，井 型均为水平井，定注入量 q 注入，生产井定井底流压 生产，水平井相对于油藏整体尺度很小，在整体考虑 时可作为“点源”或“点汇”，井位坐标取水平段中点， 见图 1。
540
石油勘探与开发·学术讨论
Vol. 42 No.4
模化参数
Lx Ly Lz （xi，yi，zi） （xp1，yp1，zp1） （xp2，yp2，zp2）
d
rw t μo γo T p q
表 2 双重介质油藏水平井立体井网水驱油模拟实验特征参数模化
油藏原型
物理模型
比例因子（原型与模型之比）
200 m 200 m 200 m （90 m, 200～0 m, 20 m）
中图分类号：TE122.2
文献标识码：A
Three-dimensional physical modeling of waterflooding in metamorphic fractured reservoirs
Tong Kaijun1, Liu Huiqing2, Zhang Yingchun1, Wang Jing2, Ge Lizhen1, Dai Weihua1, Hong Cheng2, Meng Qingbang2
η6=L/Lx
η7=L/d
η8=Lz/rw
无量纲坐标及 特征长度之比
不同方向外观尺度之比
水平段长度与油藏长度之比 水平段长度与井距之比 油藏厚度与井径之比
运动 相似
η9=
Dt K / φf0 Lx Ly (1 − φf0 )R
σt μw Lx
渗吸量占储集层总体可渗吸 量的比例与特征时间乘积
动力 相似
展产能评价。裂缝性介质渗流机理方面的物理模拟实 验研究也有所发展[9-15]，但其模型设计或者没有严格依 据相似准则，如黄代国为了研究碳酸盐岩储集层中油 水运动规律，所用二维剖面模型采用的相似准则仅满 足几何尺寸相似，没有考虑运动相似及动力相似对生 产的影响[9]；或者由于储集体尺寸和取心条件限制，采 用的物理模型多为微观玻璃蚀刻模型或者垂向尺寸非 常小的平面模型，无法准确反映基质孔隙-裂缝空间配
538 2015 年 8 月
石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT
Vol.42 No.4
文章编号：1000-0747(2015)04-0538-07 DOI: 10.11698/PED.2015.04.18
变质岩裂缝性油藏水驱油特征三维物理模拟
童凯军 1，刘慧卿 2，张迎春 1，王敬 2，葛丽珍 1，戴卫华 1，洪铖 2，孟庆帮 2
百度文库
2 实验
图 1 水平井注采模型示意图
1.2 相似准数群建立 本文采用方程分析法推导相似准则，基于双重介
2.1 实验模型制备 为了定量刻画双重介质中水驱油的一般性规律，
本文研究以渤海湾盆地 JZ251S 油藏为原型，参照该油 田储集层的储集空间特征及岩石物性，从典型露头区 选择了溶蚀孔洞特征明显、微裂缝大量发育的浅褐色 变质花岗岩作为实验介质，与油田实际岩样相比，所 选介质能够正确地反映微裂缝及溶蚀孔隙的空间分布 特征。参照经典的 Warren-Root 模型，按照砌墙错缝式
质双孔单渗数学模型，选取整个渗流数学模型中涉及 的物理量对相似准数群进行组合、简化，最终得到满 足裂缝性油藏模拟要求的具几何相似、运动相似及动 力相似的三维物理模拟相似准则群（见表 1）。
表 1 双重介质油藏水驱油模拟实验相似准数群及物理意义
相似 准则分类
相似准数
物理意义
几何 相似
η1=x/Lx η2=y/Ly η3=z/Lz η4=Lx/Ly η5=Lx/Lz
2015 年 8 月
童凯军 等：变质岩裂缝性油藏水驱油特征三维物理模拟
539
置关系对水驱油特征和剩余油分布的影响[12-13]。 本文以渤海湾盆地 JZ251S 潜山变质岩裂缝性油藏
为原型，采用典型露头岩样，参考经典的 Warren- Root 模型设计，建立了表征基质孔隙-裂缝组合的大尺度三 维比例物理模拟实验模型。利用该模型开展水驱油模 拟实验，研究双重介质油藏水驱油机理、影响因素以 及不同注水方式的提高采收率特征。
Abstract: To understand water-oil displacement characteristics and the mechanism of improving waterflood efficiency in metamorphic fractured reservoirs, taking JZ251S oil field as an example, a large-scale physical simulating model which meets the geometric similarity, kinematic similarity, dynamic similarity and dual media characteristic parameters similarity based on the theory of scaling criteria was designed to simulate the development of the reservoir by horizontal wells. The mechanism of water displacing oil in dual media reservoirs, the factors affecting fluid flow and waterflood characteristics, and the enhanced oil recovery (EOR) features of different water injection patterns were studied by experiments. The results show that: (1) Capillary imbibition is the main mechanism of enhancing matrix oil recovery in a dual media reservoir which is controlled by waterflooding; (2) whether or not there is crude oil draining from matrix, the water cut trend after water breakthrough can be divided into two stages, the first stage is quick rise stage of water cut in early water breakthrough period and the second stage is slow rise stage of water cut in mid-high water cut period; (3) displacement rate is the main factor controlling water-free production period, water cut trend and ultimate recovery; (4) compared with continuous injection, intermittent injection can give full play to the function of oil-water gravity segregation, reducing the water cut and improving the production rate of initial stages greatly. Key words: fractured reservoir; waterflooding characteristics; 3-D physical modeling; water cut rise pattern