CN106368678A - 用于缝洞型油藏试验的方法 - Google Patents

Abstract

为了研究油井开发过程中的底水锥进的动态过程及影响因素，本发明提出了一种用于缝洞型油藏试验的方法，所述方法通过下述设备来进行，所述设备包括试验段、油水分离平台、油箱、水箱和用于进行连接的管路，所述方法至少包括下述步骤：将来自油箱的油和来自水箱的水按照第一参数混合地输入到所述试验段中；在所述试验段中模拟缝洞型油藏的洞穴内的条件；观测所述试验段中的油水分布状况；将油和水按照第二参数从所述试验段经试验段出口输送至油水分离平台进行分离；以及将油和水分别输送到油箱和水箱，形成完整的流体通路。

Description

用于缝洞型油藏试验的方法

技术领域

本发明涉及用于缝洞型油藏试验的方法，属于油气田开发领域。

背景技术

缝洞型碳酸盐岩油藏在全球范围内分布广泛，其石油储量约占世界石油总储量的40％左右。此类油藏的储集空间以裂缝、溶蚀孔隙、溶蚀孔洞及大型洞穴为主。碳酸盐岩基质发育极不规则，其非均质性很强，同时，还存在底水，因此这类岩石内流体流动情况非常复杂。

根据理论分析可知，油井投入开发后，底水上升过程大致可分为托进、成锥、突破和含水四个阶段，托进过程中水均匀驱油，油水界面水平上升，有助于原油的采集，而锥进发生在油井附近，一旦锥进发生后，会使油井迅速见水，降低原油采收率。

可见，研究底水锥进的动态过程及影响因素对于减缓底水锥进、延缓产量降低、提高原油采收率都有很大的帮助。

发明内容

为了研究油井开发过程中的底水锥进的动态过程及影响因素，本发明提出了一种用于缝洞型油藏试验的方法，所述方法通过下述设备来进行，所述设备包括试验段、油水分离平台、油箱、水箱和用于进行连接的管路，所述方法至少包括下述步骤：

将来自油箱的油和来自水箱的水按照第一参数混合地输入到所述试验段中；

在所述试验段中模拟缝洞型油藏的洞穴内的条件；

观测所述试验段中的油水分布状况；

将油和水按照第二参数从所述试验段经试验段出口输送至油水分离平台进行分离；以及

将油和水分别输送到油箱和水箱，形成完整的流体通路。

优选地，将所述试验段构造为二维矩形。

优选地，将所述试验段在水平方向上分为位于所述二维矩形的两个相对的边缘处的过渡区和位于所述过渡区之间的稳定区，在所述过渡区中来自油箱的油和来自水箱的水交错分布，在所述稳定区中形成油水分界面。

优选地，使所述试验段出口设置在所述稳定区的顶部。

优选地，流体经所述试验段出口排出时，在稳定区的油水分界面处形成水锥。

优选地，观测设定时刻的所述水锥的结构和所述水锥周围的油水两相的速度场分布。

优选地，所述第一参数包括来自油箱的油和来自水箱的水的初始油水比例。

优选地，所述第二参数包括所述试验段出口处的流体速度。

优选地，绘制所述水锥的高度的关于所述试验段出口处的流体速度的图像。

优选地，在所述油水分离平台中通过重力作用或通过油水分离器来进行油水分离。

为了研究缝洞型油藏大型溶洞内的底水锥进现象，本发明在二维可视化试验***基础上，给出了试验研究的方法，可深入研究了水锥形成的机理与演化过程，并分析采油速率以及入***水率对水锥高度、油井见水后剩余油层厚度等动态特性的影响。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了缝洞型油藏中的一种典型的大型洞穴的物理模型；

图2示意性地显示了作为试验对象的洞穴的结构图；

图3显示了在根据本发明的方法中的油水***的循环流程图；

图4显示了用于根据本发明的方法的试验设备；

图5显示了在通过根据本发明的方法所进行的一次试验中水锥高度随采油速率的变化关系；以及

图6显示了根据本发明的方法的步骤流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

缝洞型碳酸盐岩油藏的溶洞尺度变化较大，大尺度的溶洞对该类油田的开发具有关键影响，因此需要需要一套试验方法，来研究溶洞的各种特征，洞穴内的油水两相流的流动主要有以下特征：

(1)采油过程开始后，洞穴内的油水两相流动为非稳态过程，随时间发生变化；但其具体的演化过程、特点未知，需观测；

(2)在不同的边界条件(初始油水界面位置、油井的抽油速度/流量)下，其演化规律可能不同，需观测；

(3)在洞穴的边界区域，存在由“油水混合物”向“油水分层”的转化区域，即称为“过渡区”；

(4)过渡区内油水混合物的流动特性、过渡区的大小、影响范围未知，需观测；

(5)随着采油过程的进行，洞穴内油水的体积比随时间发生变化，洞穴的核心区域的油水界面的位置将逐渐上升；

(6)洞穴内油水界面的位置不同，则油层和水层内的速度分布可能不同，导致油水界面的“锥”的形成时机、“锥”的形状不同；油水界面“锥”体的特征与形成规律、变化规律和影响因素需要观测、总结。

(7)油水界面的“锥”的形状、位置等对“油井”入口的油水混合物的比例的影响不同，影响油井产出物中的含水率。

针对碳酸盐岩缝洞型油藏储层介质复杂的特征，首先可开展数值模拟研究，形成处理洞穴的数值模拟步骤。这样可解决油藏尺度的洞、缝、孔计算问题。数值模拟步骤包括如下子步骤：

在油水两相在溶洞中流动的过程中，把油和水看作等温的、微可压缩的牛顿流体。采用二流体模型描述自由流动区的流动，不相互混溶的两种流体为两个组元，每一种流体都被看作是充满整个流场的连续介质，流场中的任一点都同时被两种组元所占据，两种组元存在相互作用。

①状态方程：

$\begin{array}{cc}{C}_o=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_o}\frac{{\mathrm{d\ρ}}_o}{{\mathrm{dp}}_o}& C_w=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_w}\frac{{\mathrm{d\ρ}}_w}{{\mathrm{dp}}_w}\end{array}$

式中：C——压缩系数；ρ——密度；p—压力；下标o、w——油相、水相。

②根据质量守恒定律，可得k相(k＝o：油；k＝w：水)的连续性方程：

$\frac{\∂S_w{\mathrm{\ρ}}_w}{\∂t}+\▿\·\left(S_w{\mathrm{\ρ}}_w{u}_w\right)=0$

$\frac{\∂S_o{\mathrm{\ρ}}_o}{\∂t}+\▿\·\left(S_o{\mathrm{\ρ}}_o{u}_o\right)=0$

式中：S——饱和度；ρ——密度；u—速度；t—时间；下标o、w——油相、水相。

③根据动量守恒方程，可得k相的运动方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(S_w{\mathrm{\ρ}}_w{u}_w\right)+u_w\·(\▿\·(S_w{\mathrm{\ρ}}_w{u}_w\left)\right)=S_w{\mathrm{\ρ}}_{w}g-\▿p_w+\frac{{\mathrm{\μ}}_w}{3}\▿(\▿\·(u_w\left)\right)+{\mathrm{\μ}}_w{\▿}^2{u}_w+S_w{F}_w$

$\frac{\∂}{\∂t}\left(S_o{\mathrm{\ρ}}_o{u}_o\right)+u_o\·(\▿\·(S_o{\mathrm{\ρ}}_o{u}_o\left)\right)=S_o{\mathrm{\ρ}}_{o}g-\▿p_o+\frac{{\mathrm{\μ}}_o}{3}\▿(\▿\·(u_o\left)\right)+{\mathrm{\μ}}_o{\▿}^2{u}_o+S_o{F}_o$

忽略掉重力得：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(S_w{\mathrm{\ρ}}_w{u}_w\right)+u_w\·(\▿\·(S_w{\mathrm{\ρ}}_w{u}_w\left)\right)=-\▿p_w+\frac{{\mathrm{\μ}}_w}{3}\▿(\▿\·(u_W\left)\right)+{\mathrm{\μ}}_w{\▿}^2{u}_w+S_w{F}_w$

$\frac{\∂}{\∂t}\left(S_o{\mathrm{\ρ}}_o{u}_o\right)+u_o\·(\▿\·(S_o{\mathrm{\ρ}}_o{u}_o\left)\right)=-\▿p_o+\frac{{\mathrm{\μ}}_o}{3}\▿(\▿\·(u_o\left)\right)+{\mathrm{\μ}}_o{\▿}^2{u}_o+S_o{F}_o$

式中：S——饱和度；ρ——密度；u—速度；μ——粘度；t—时间；下标o、w——油相、水相。

F_k是其它相对K相的作用力，可表示为K相流体相对于其它相流体的流速(u_k-u_p)的函数，F_k＝f(u_k-u_p)。

④油相和水相的体积分数有如下关系：

S_w+S_o＝1

⑤在油水接触面上，压力相等

P_w＝P_o

式中：S_k——k相占据的体积百分数；u_k——k相的流速；ρ_k——k相的密度；μ_k——k相的粘度；P_k——k相的流场压力。

根据形成的缝洞型油藏数值模拟方法开展相关的流体流动机理研究，初步形成缝洞型油藏大型洞穴流体流动机理，为开展相关物理实验奠定了基础。

在油藏开发前，洞内油水混合物保持一种稳定的油水分层结构，油水分层的界面的位置取决于油藏内原始的油水比例。由于洞穴内容积足够大，油水混合物在进入洞穴内后，一边低速流向抽油井入口，同时受重力作用，油水混合物发生重力分层：油颗粒发生团聚，形成大的油块并上浮，油层漂浮于水体的上方，逐渐形成明显的油水分层结构(如图1所示)。

图1示意性地显示了缝洞型油藏中的一种典型的大型洞穴的物理模型。在油田开发过程中，假设有一口油井103处于这种洞穴的上方，并与该洞穴连通，则该洞穴内的油水混合物可在地层压力的驱动下流出油井103；同时，具有一定体积比的油水混合物104会以一定的速度(流量)从该洞穴周围的各类储油层中连续渗入洞穴内。

在洞穴的左右两侧(三维情况时，应该考虑为洞穴的四周)有一个过渡区105。在该过渡区105的入口，来自储油层的油水混合物104中的油滴、水滴杂乱无章地分布，近似处于均匀混合状态，没有清晰的油水分界面；随着油水混合物向位于洞穴顶部的“油井入口”103的方向迁移，油滴和水滴受重力作用逐渐分层，油滴和水滴分别发生“同类”聚合。在离开洞穴的边界一定距离之后，油水混合物完全分层——此处“过渡区”105结束。在洞穴内的核心区域106(远离洞的边界的区域)，油101和水102有清晰的分界面。在油井103的下方，油101和水102亦有清晰的分界面。

一方面，由于缺乏关于位于地层深处的井下洞穴的具体结构和形状的明确数据，难以给出其具体的几何结构；另一方面，由于洞穴的几何尺寸足够大，可以认为洞穴的四周边界上的渗透的具体流动细节不影响洞穴的核心区域内(中心区域)106的流体流动状态；因此，可以把洞穴简化为一个具有一定尺寸的矩形。

图2示意性显示了作为试验对象的洞穴的结构图。参照图2，其中把洞穴简化为一个具有一定尺寸的矩形。矩形内的空间分为过渡区205和稳定区206两部分。当然，如果能够给出洞穴的具体几何结构和尺寸，非规则形的洞穴结构也可以按类似的方式处理。

在图2中，在过渡区205的入口，来自储油层的油水混合物204中的油滴、水滴杂乱无章地分布，近似处于均匀混合状态，没有清晰的油水分界面；随着油水混合物向位于洞穴顶部的“油井入口”203的方向迁移，油滴和水滴受重力作用逐渐分层，油滴和水滴分别发生“同类”聚合。在离开洞穴的边界一定距离之后，油水混合物完全分层——此处“过渡区”205结束。在稳定区206处，油201和水202有清晰的分界面。在油井203的下方，油201和水202亦有清晰的分界面。

结合实际工程现象，针对上述洞穴内的油水两相流的模拟试验，存在一些试验的设计原则：

(1)洞穴的体积庞大，“油井”的直径较大，不可能直接进行全尺寸、全三维的试验；必须对试验装置进行特殊设计，既要能观测、分析洞穴内油水两相流的特征和规律，还要在试验技术上具有可行性；

(2)试验希望进行观测的内容：

①观测并判断是否可在油井入口的附近形成准稳定的油水界面“锥体”；

②观测油水界面“锥体”的形成过程；

③观测在不同的条件(初始油水界面位置、油井的抽油速度/流量等)下，油水界面“锥体”的结构与变化规律及影响“锥体”结构形状的因素；

④观测油水界面的“锥体”周围的油水两相的速度场分布；验证数值模拟计算结果的可靠性，为大规模的模拟计算提供校验依据；

⑤观测“油井”产出物中油水比例的变化规律，分析油井产出物中油水比例的变化与洞穴内油水两相流形态变化之间的关系，找出规律性。

由于本试验研究的物理现象是一个动态变化过程，为了能对该现象的相关变化规律进行观测，需要设法模拟出该物理现象从“起始”到“结束”这一过程中间在各个典型时刻的状态，并使之保持稳定；只有如此，才能完成定量观测。为了保持这些典型“时刻”的流动现象的稳定，需要对试验装置进行很特殊的设计，模拟不同的流动条件(进口流量、油水比例、初始油水界面位置等)。

考虑到物理现象的特殊性，该试验可按如下思路进行：

采用二维模型。这样做出发点在于：一方面，二维模型的横向尺度可以做得尽可能大，尽可能反映洞穴内两相流的实际尺度效应。因为在三维条件下，考虑到试验场地和经费的限制，模型的尺寸不可能非常大；另一方面，只有在二维模型上才能方便地实现油水两相流的“流动可视化”观测。

根据本发明的方法优势在于：可在横向尺度与洞穴的实际尺寸相接近的模型上实现可视化观察与测量，直观地观测洞穴内油水混合物的分层过程及油水界面的详细流动信息(如油水分布状况、分层过程的变化历程或各相速度分布等)。

通过根据本发明的方法，可实现下述试验功能：

(1)观察、测量在不同的初始油水比例以及不同的油井出口速度条件下，洞穴内油水两相流的宏观、动态、连续的流动变化过程与特征；

(2)观察、测量在不同的初始油水比例以及不同的油井出口速度条件下，洞穴内油水两相流界面的“锥体”的形成条件及“锥体”的结构变化规律；(需设法模拟出该物理现象从“起始”(油藏开始采油)到“结束”(油藏采油结束)这一过程中间的各个典型时刻的状态，并使之保持稳定；惟有如此，才能进行观测)。

(3)观察、测量在不同的初始油水比例以及不同的油井出口速度条件下，洞穴的边界过渡区内的油、水的分离过程及变化规律；(需设法模拟出该物理现象从“起始”(油藏开始采油)到“结束”(油藏采油结束)这一过程中间的各个典型时刻的状态，并使之保持稳定；惟有如此，才能进行观测)。

(4)最后，综合分析上述试验的结果，形成可靠结论。

基于上述分析，拟以油、水为介质建立模拟试验设备。。

图3显示了在根据本发明的方法中的油水***的循环流程图。在图中，试验设备包括：储液罐303、油箱301、水箱302、试验段304以及可选的油水分离器305。

在根据本发明的方法中，试验工质的基本循环过程如下：

(1)试验工质(油或油-水混合物)从试验段304中流出；

(2)由位于试验段304出口的两相流测量装置监测流出液体中的油水比例；

(3)油水混合物经由油水分离器305粗分离，再流入储液箱303；

(4)在储液箱303内，油水两相在重力的作用下继续分离；如果在储液箱303中靠重力分离的效果比较理想，那么油水混合物也可以不经过油水分离器305而直接进入储液箱303中分离(这时只需关掉油水分离器305前后的阀门，而打开油水分离器305旁路的阀门即可实现)；

(5)储液箱303中的液体经过重力分离后呈分层流状态，上层为油，下层为水，经过整流栅整流后，在重力的作用下分别输入到油箱301和水箱302中；

(6)油和水分别经由油泵和水泵按不同的油水比(由试验工矿要求确定)再送入试验段；

(7)在试验段304内，实现碳酸盐岩缝洞型油藏的洞穴内的油水两相流的流动过程模拟、流动结构测量以及其它相关现象的观测；油-水介质流出试验段304。

在该试验设备中，需安装一系列的压力传感器和温度传感器来检测工质的压力和温度；工质流量由回路上的各阀门的协同工作来调节；流量由主路和支路上的流量计来测量和监测；各种流动工况参数由计算机采集***采集、记录、存储。

根据本发明的用于缝洞型油藏试验的方法可用于研究缝洞型油藏的大尺度溶洞内的流体流动机理。有利的是，采用可视化技术对井底的油水两相界面演化进行观测，并且采用实时监测技术对出口的含水率进行监测。通过根据本发明的用于缝洞型油藏试验的方法，能够有效开展大尺度的油水两相流动试验，研究井底的油水两相流动机理，从而可精确地知道油水两相在井底的分布状况，为相关研究工作提供了试验支撑，为今后的理论研究与实际生产提供了一定的指导。

图4显示了用于根据本发明的方法的试验设备。整个试验设备包括优选由有机玻璃构造的试验段8、不锈钢管路、水箱1、油箱4、油水分离箱12、水泵2、油泵5以及各种测量仪器仪表构成。油水分离箱12与水箱1、油箱4层叠放置，油水分离箱12在上层，水箱1和油箱4并排放在下层，这样设计可以使得在上层油水分离箱中分离好的水相和油相只需靠重力驱动就可以分别流回水箱和油箱。油水分离箱12进一步包括入口构件10和聚结构件11。在管路中，还设置有用于测量水的流量的电磁流量计3、用于控制流体温度的热电偶6和用于测量油的流量的孔板流量计7。为了防止紊流，在试验段8中设置有整流挡板9。

下面介绍通过根据本发明的方法展开的一系列物理模拟试验，这些试验可协助研究水锥对开发的影响。所述实验包括如下步骤：

1)使得试验工质(油或油-水混合物)从试验段中流出；

2)通过位于试验段出口的两相流测量装置监测流出液体中的油水比例；

3)油水混合物经由油水分离器粗分离，再流入储液箱；

4)在储液箱内，油水两相在重力作用下继续分离；如果在储液箱中靠重力分离的效果比较理想，那么油水混合物也可以不经过油水分离器而直接进入储液箱中分离(这时只需关掉油水分离器前后的阀门，而打开油水分离器旁路的阀门即可实现)；

5)储液箱中的液体在经过重力分离后呈分层流状态，上层为油，下层为水，经过整流栅整流后，在重力的作用下分别放入到油箱和水箱中；

6)油和水分别经由油泵和水泵按不同的油水比(由试验工况要求确定)再送入试验段；

7)在试验段内，实现碳酸盐岩缝洞型油藏洞穴内油水两相流的流动过程模拟、流动结构测量以及其它相关现象的观测；油-水介质流出试验段。

图5显示了在上述试验中水锥高度随采油速率的变化关系。参照图5，可以看出采油速度越高，水锥高度越高。因此，在油田开发中需要采用适当的采油速度，以增加油田采收率。利用根据本发明的方法可以科学地开展相关试验，有效指导油田的开发。

图6显示了根据本发明的方法的步骤流程图。参照图6，本发明提出了一种用于缝洞型油藏试验的方法，所述方法通过图4所示的设备来进行，所述设备包括试验段、油水分离平台、油箱、水箱和用于进行连接的管路，所述方法至少包括下述步骤：

将来自油箱的油和来自水箱的水按照第一参数混合地输入到所述试验段中；

在所述试验段中模拟缝洞型油藏的洞穴内的条件；

观测所述试验段中的油水分布状况；

将油和水按照第二参数从所述试验段经试验段出口输送至油水分离平台进行分离；以及

将油和水分别输送到油箱和水箱，形成完整的流体通路。

其中，正如前面所介绍的，将所述试验段构造为二维矩形。将所述试验段在水平方向上分为位于所述二维矩形的两个相对的边缘处的过渡区和位于所述过渡区之间的稳定区，在所述过渡区中来自油箱的油和来自水箱的水交错分布，在所述稳定区中形成油水分界面。使所述试验段出口设置在所述稳定区的顶部。流体经所述试验段出口排出时，在稳定区的油水分界面处形成水锥。观测设定时刻的所述水锥的结构和所述水锥周围的油水两相的速度场分布。所述第一参数包括来自油箱的油和来自水箱的水的初始油水比例。所述第二参数包括所述试验段出口处的流体速度。绘制所述水锥的高度的关于所述试验段出口处的流体速度的图像。在所述油水分离平台中通过重力作用或通过油水分离器来进行油水分离。

本发明涉及碳酸盐岩缝洞型油藏大型溶洞内油水两相流动试验方法，属于油藏物理模拟试验领域。本发明根据缝洞型油藏大型裂缝溶洞分布特点，针对流体流动机理系列试验，设计了物理试验物理模型，建立了试验的设计原则，提出了试验的技术路线，确定了实验的设计方案，从而形成了大尺度流体流动试验方法。该试验方法采用可视化技术对井底的油水两相界面演化进行了观测，采用实时监测技术对出口的含水率进行监测。并采用该试验方法，开展了一些物理试验，为理论研究与实际生产提供了重要的指导作用。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于缝洞型油藏试验的方法，其特征在于，

所述方法通过下述设备来进行，所述设备包括试验段、油水分离平台、油箱、水箱和用于进行连接的管路，

所述方法至少包括下述步骤：

将来自油箱的油和来自水箱的水按照第一参数混合地输入到所述试验段中；

在所述试验段中模拟缝洞型油藏的洞穴内的条件；

观测所述试验段中的油水分布状况；

将油和水按照第二参数从所述试验段经试验段出口输送至油水分离平台进行分离；以及

将油和水分别输送到油箱和水箱，形成完整的流体通路。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述试验段构造为二维矩形。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述试验段在水平方向上分为位于所述二维矩形的两个相对的边缘处的过渡区和位于所述过渡区之间的稳定区，在所述过渡区中来自油箱的油和来自水箱的水交错分布，在所述稳定区中形成油水分界面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使所述试验段出口设置在所述稳定区的顶部。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，流体经所述试验段出口排出时，在稳定区的油水分界面处形成水锥。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，观测设定时刻的所述水锥的结构和所述水锥周围的油水两相的速度场分布。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一参数包括来自油箱的油和来自水箱的水的初始油水比例。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二参数包括所述试验段出口处的流体速度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，绘制所述水锥的高度的关于所述试验段出口处的流体速度的图像。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述油水分离平台中通过重力作用或通过油水分离器来进行油水分离。