D0I:10.13374/i.issnl001t03.2009.10.009 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol.31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2009 多段塞等渗阻调驱复杂渗流 宋洪庆)朱维耀)王明) 孙玉凯)韩修廷) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国石油吐哈油田分公司石油物探开发研究院，哈密839009 3)大庆油田有限责任公司技术发展部，大庆163453 摘要由于复杂地质条件的约束，油藏非均质性较强，水驱油过程中各渗流通道阻力差异大，流体容易沿渗流阻力小的高 渗透率通道流动，这就造成储层波及范围小、动用程度低·为了控制渗流场各渗流通道的阻力，尽可能使各渗流通道阻力相 同，提出了多段塞等渗阻调控驱油方法·根据质量传输流体力学、物质平衡原理和各级化学驱段塞特征建立了等渗阻调驱复 杂渗流数学模型，简化后通过积分变换求出一维多层分析解·结合实验验证和理论计算压力特征分析发现等渗阻调驱能够大 幅扩大波及体积，降低含水率，动用低渗透层原油，从而大幅提高采收率。 关键词水驱油：渗阻：调驱：复杂渗流：压力分布 分类号TE357.4 Complicated controllable displacement of equivalent filtrational resistance with several slugs SONG Hong-qing),ZHU Wei-yao).WANG Ming).SUN Yu-kai2).HA N Xiu-ting3) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)Research Institute of Exploration and Development.TuHa Oilfield Company.Hami 839009.China 3)Department of Technical Development.Daqing Oilfield Company Limited.Daqing 163453.China ABSTRACT The constraint of complex geological conditions and the high heterogeneity of oil reservoirs make filtration resistance vary greatly in the process of water flooding.Fluid tends to flow along high permeability formation with low resistance,leading to a smaller reservoir swept volume and a lower producing degree.In order to control the resistances of all channels in the seepage field to balance the resistances as much as possible,a new method of controllable displacement of equivalent filtration resistance with several slugs was presented.A series of mat hematical models were established for describing complicated controllable displacement on the basis of the mass transport fluid mechanics,the material balance principle and the characteristics of each slug.After simplification the one- dimension analytical solution was derived through integral transformation.Combined experimental results with the theoretical analysis of pressure distribution calculated by the filtration theory,it is demonstrated that the controllable displacement of equivalent filtration resistance with several slugs can greatly enlarge the swept volume,reduce the water cut,activate oil in the low permeability reservoir and enhance the oil recovery. KEY WORDS water flooding:filtration resistance;control displacement;complex flow:pressure distribution 气、水两相流体在非均质多孔介质流动过程中， 如何使储层各渗流通道阻力相当，流体整体均 由于储层存在非均质性，渗流阻力不能均匀分布，导 匀推进，是注水开发油田提高采收率的一个合理方 致驱动压力不均匀消耗，使流体容易沿渗透率高、渗 向，若要实现此目的，需在理论上揭示非均质储层 流阻力小的通道窜流，在实际应用中导致油田水驱不同开采阶段各渗流通道阻力变化规律，调控流体 油过程中波及效率低，效果不理想，大部分低渗透率 渗流阻力变化，达到其整体均匀推进；在实际应用 通道未发挥作用，大量的剩余油残留在储层中， 中，通过各级段塞组合调整，使渗流阻力反转，扩大 收稿日期：2008-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。·10772023):国家重点基础研究发展计划资助项目(Na,2007CB209500) 作者简介：宋洪庆(1982一），男，博士，E-mail:songhongqing@yahoo~com-cn
多段塞等渗阻调驱复杂渗流 宋洪庆1） 朱维耀1） 王 明1） 孙玉凯2） 韩修廷3） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 中国石油吐哈油田分公司石油勘探开发研究院哈密839009 3） 大庆油田有限责任公司技术发展部大庆163453 摘 要 由于复杂地质条件的约束油藏非均质性较强水驱油过程中各渗流通道阻力差异大流体容易沿渗流阻力小的高 渗透率通道流动这就造成储层波及范围小、动用程度低．为了控制渗流场各渗流通道的阻力尽可能使各渗流通道阻力相 同提出了多段塞等渗阻调控驱油方法．根据质量传输流体力学、物质平衡原理和各级化学驱段塞特征建立了等渗阻调驱复 杂渗流数学模型简化后通过积分变换求出一维多层分析解．结合实验验证和理论计算压力特征分析发现等渗阻调驱能够大 幅扩大波及体积降低含水率动用低渗透层原油从而大幅提高采收率． 关键词 水驱油；渗阻；调驱；复杂渗流；压力分布 分类号 T E357∙4 Complicated controllable displacement of equivalent filtrational resistance with several slugs SONG Hong-qing 1）ZHU We-i yao 1）W A NG Ming 1）SUN Y u-kai 2）HA N Xiu-ting 3） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Research Institute of Exploration and DevelopmentTu-Ha Oilfield CompanyHami839009China 3） Department of Technical DevelopmentDaqing Oilfield Company LimitedDaqing163453China ABSTRACT T he constraint of complex geological conditions and the high heterogeneity of oil reservoirs make filtration resistance vary greatly in the process of water flooding．Fluid tends to flow along high permeability formation with low resistanceleading to a smaller reservoir swept volume and a lower producing degree．In order to control the resistances of all channels in the seepage field to balance the resistances as much as possiblea new method of controllable displacement of equivalent filtration resistance with several slugs was presented．A series of mathematical models were established for describing complicated controllable displacement on the basis of the mass transport fluid mechanicsthe material balance principle and the characteristics of each slug．After simplification the onedimension analytical solution was derived through integral transformation．Combined experimental results with the theoretical analysis of pressure distribution calculated by the filtration theoryit is demonstrated that the controllable displacement of equivalent filtration resistance with several slugs can greatly enlarge the swept volumereduce the water cutactivate oil in the low permeability reservoir and enhance the oil recovery． KEY WORDS water flooding；filtration resistance；control displacement；complex flow；pressure distribution 收稿日期：20081029 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．10772023）；国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2007CB209500） 作者简介：宋洪庆（1982—）男博士E-mail：songhongqing＠yahoo．com．cn 气、水两相流体在非均质多孔介质流动过程中 由于储层存在非均质性渗流阻力不能均匀分布导 致驱动压力不均匀消耗使流体容易沿渗透率高、渗 流阻力小的通道窜流．在实际应用中导致油田水驱 油过程中波及效率低效果不理想大部分低渗透率 通道未发挥作用大量的剩余油残留在储层中． 如何使储层各渗流通道阻力相当流体整体均 匀推进是注水开发油田提高采收率的一个合理方 向．若要实现此目的需在理论上揭示非均质储层 不同开采阶段各渗流通道阻力变化规律调控流体 渗流阻力变化达到其整体均匀推进；在实际应用 中通过各级段塞组合调整使渗流阻力反转扩大 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．009
.1214 北京科技大学学报 第31卷 波及体积，达到提高采收率的目的与].为此，需要 提出能实现上述目的的等渗阻调控驱动方法，探讨 7{(Vp-g7D-刘 a(Psa) 一种可以有效地同时挖潜高、中、低渗透油层的剩余 (1) 油，全面提高油层的整体动用程度，大幅度提高原油 驱替剂溶液： 采收率的新技术[]，这在理论上和应用上具有重 要的意义 :a(7p-gR7D-】 a(Pswi) 1等渗阻调驱物理本质及渗流模型 (2) 上两式是考虑平面非均质和低渗透油藏存在启动压 1.1等渗阻调驱物理本质 力梯度的非达西数学模型的渗流微分控制方程，式 等渗阻调驱主要是采用不同性质的驱替剂匹配 中，k为绝对渗透率，ko、km分别为油相、驱替剂溶 不同级别的渗透率地层，由高黏度至低黏度顺序间 液相对渗透率，“。、“分别为油相、驱替剂溶液相的 断注入·注入高黏度段塞，使其进入地层深部；接着 黏度，入为启动压力梯度，P。、P为油相、驱替剂溶 注入次黏度段塞，当次黏度段塞遇到高黏度段塞后， 液密度，D为海拔深度，P。、Pw分别为油相、驱替剂 在段塞前后压差的作用下，次黏度段塞将进入次渗 溶液相压力，P为孔隙度，s。、sw分别为含油饱和度 透率层段（或区域）；按同样方法将各段塞依次注入， 和驱替溶液饱和度，q。、q分别为源汇项，j为驱替 在地层深部形成立体柱塞墙，使全程加载压力转变 剂溶液相· 为局部加载，将能量聚集在移动段塞处，提高局部压 1.2.3模型分析解 力梯度，迫使注入水进入更微小的孔隙，形成相对完 为得到方程的解析解，将控制方程做一些必要 整的活塞式驱油方式， 的简化，把方程转化为柱坐标系，只考虑一维平面 在等渗阻的条件下，不同渗透层能实现阻力反 径向流的情况，考虑在边界条件下，不考虑重力的影 转，各段塞能实现近似平行移动，扩大段塞的分布跨 响时稳态流动，边界条件井底流压为Pw,单层产量 度和作用区域，提高波及体积，控制无效驱替. 为Q,单层渗流阻力R:,得到解析解为： 1.2多段塞等渗阻的调驱渗流模型 0,=D-p--l=、B0 1.2.1基本假设 Ri ∑R (3) 考虑工程实际，提出如下假设条件：(1)基质渗 渗流阻力为： 透率各向同性；(2)各级段塞驱油均为驱替剂溶液及 1 油两相流动，且互相不混容；(3)考虑启动压力梯度 Ri2 hm,am.m In 的广义达西定量；(4)忽略温度的影响；（⑤）多段塞等 1 Im-1+.十 In 渗阻的调驱结构，如图1所示(W为水相，T为体膨溶 2xhm.n-1km.n-1fm:n-1 液相，P为聚合物溶液，F为泡沫溶液相，0为油相)， 1 注入井 采油井个 2πhm,1km,lfm,1 驱替段寒3- 低渗透地层 段塞流度为f=十一，m为层号 驱替段塞2· 中渗透地层 。 以w 驱替段塞1 高渗透地层 由式（③）可以看出，在平面径向稳态流动情况 下，各小层的流量为驱动项除以各小层阻力项，各小 层的流量也按照各层渗流阻力占总渗流阻力的分数 W+O +0 P+0 T+0 W+0 实时调控分配 后续水驱泡沫溶液驱聚合物溶液驱体膨溶液驱水驱 1.2.4各级段塞的特征方程 等渗阻调驱 (1)驱替溶液黏度. (a)交联聚合物溶液黏度： 图1等渗阻调驱模型结构示意图 (1+Apl Cp+Ap2 Cp+Ap3 Cp)Cip R(4) Fig.1 Sketch map of controllable displacement of equivalent filtra- tion resistance with several slugs 式中，%为未受剪切作用影响的交联聚合物溶液 1.2.2微分控制方程 黏度，从w为水相的黏度，Apl、Ap2和Ap3为黏度方程 油相、驱替剂溶液相两相基本微分控制方程如 中的系数，C。为聚合物溶液质量分数，Sp方程中的 下，油相： 系数，Cp为含盐度
波及体积达到提高采收率的目的［1—5］．为此需要 提出能实现上述目的的等渗阻调控驱动方法探讨 一种可以有效地同时挖潜高、中、低渗透油层的剩余 油全面提高油层的整体动用程度大幅度提高原油 采收率的新技术［6—12］这在理论上和应用上具有重 要的意义． 1 等渗阻调驱物理本质及渗流模型 1∙1 等渗阻调驱物理本质 等渗阻调驱主要是采用不同性质的驱替剂匹配 不同级别的渗透率地层由高黏度至低黏度顺序间 断注入．注入高黏度段塞使其进入地层深部；接着 注入次黏度段塞当次黏度段塞遇到高黏度段塞后 在段塞前后压差的作用下次黏度段塞将进入次渗 透率层段（或区域）；按同样方法将各段塞依次注入 在地层深部形成立体柱塞墙使全程加载压力转变 为局部加载将能量聚集在移动段塞处提高局部压 力梯度迫使注入水进入更微小的孔隙形成相对完 整的活塞式驱油方式． 在等渗阻的条件下不同渗透层能实现阻力反 转各段塞能实现近似平行移动扩大段塞的分布跨 度和作用区域提高波及体积控制无效驱替． 1∙2 多段塞等渗阻的调驱渗流模型 1∙2∙1 基本假设 考虑工程实际提出如下假设条件：（1） 基质渗 透率各向同性；（2） 各级段塞驱油均为驱替剂溶液及 油两相流动且互相不混容；（3） 考虑启动压力梯度 的广义达西定量；（4） 忽略温度的影响；（5） 多段塞等 渗阻的调驱结构如图1所示（W 为水相T 为体膨溶 液相P 为聚合物溶液F 为泡沫溶液相O 为油相）． 图1 等渗阻调驱模型结构示意图 Fig．1 Sketch map of controllable displacement of equivalent filtration resistance with several slugs 1∙2∙2 微分控制方程 油相、驱替剂溶液相两相基本微分控制方程如 下．油相： ∇· k·kro μo （∇ po—gρo ∇ D—λ） ＋qo＝ ∂（φso） ∂t （1） 驱替剂溶液： ∇· k·krwj μwj （∇ pwj—gρwj∇ D—λ） ＋qwj＝ ∂（φswj） ∂t （2） 上两式是考虑平面非均质和低渗透油藏存在启动压 力梯度的非达西数学模型的渗流微分控制方程．式 中k 为绝对渗透率kro、krwj分别为油相、驱替剂溶 液相对渗透率μo、μwj分别为油相、驱替剂溶液相的 黏度λ为启动压力梯度ρo、ρwj为油相、驱替剂溶 液密度D 为海拔深度po、pwj分别为油相、驱替剂 溶液相压力φ为孔隙度so、swj分别为含油饱和度 和驱替溶液饱和度qo、qwj分别为源汇项j 为驱替 剂溶液相． 1∙2∙3 模型分析解 为得到方程的解析解将控制方程做一些必要 的简化．把方程转化为柱坐标系只考虑一维平面 径向流的情况考虑在边界条件下不考虑重力的影 响时稳态流动边界条件井底流压为 pw单层产量 为 Qi单层渗流阻力 Ri得到解析解为： Qi＝ pe— pw—λ（ re— rw） Ri ＝ Ri ∑Ri Q （3） 渗流阻力为： Ri＝ 1 2πhmnkmnf mn ln rmn rw ＋ 1 2πhmn—1kmn—1f mn—1 ln rmn—1 rmn ＋…＋ 1 2πhm1km1f m1 ln re rm1 ． 段塞流度为 f mn＝ kro mn μo ＋ krw mn μw n m 为层号． 由式（3）可以看出在平面径向稳态流动情况 下各小层的流量为驱动项除以各小层阻力项各小 层的流量也按照各层渗流阻力占总渗流阻力的分数 实时调控分配． 1∙2∙4 各级段塞的特征方程 （1） 驱替溶液黏度． （a） 交联聚合物溶液黏度： μ0＝μw （1＋ Ap1Cp＋ Ap2C 2 p＋ Ap3C 3 p） C s p sep Rμ（4） 式中μ0 为未受剪切作用影响的交联聚合物溶液 黏度μw 为水相的黏度Ap1、Ap2和 Ap3为黏度方程 中的系数Cp 为聚合物溶液质量分数sp 方程中的 系数Csep为含盐度． ·1214· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 宋洪庆等：多段塞等渗阻调驱复杂渗流 ,1215 若瞬时交联： 方程系数，C。为驱替溶液的质量分数，PV。为驱替 Rx= 2x8(1+b.C6) 溶液注入的体积倍数，Kromax、krwmax为油、水最大相 (5) ar C6exp(x11-xe6) 对渗透率，Somax、Swmm为最大含油、含水饱和度，sor、 式中，=名么8a和么，为交联方程中的系数， Sw分别为残余油饱和度、束缚水饱和度，S。、Sw分别 为含油、含水饱和度 C6为聚合物质量分数，C1为防窜剂质量分数，xc6 (3)残余油饱和度下降 为交联强度最大时聚合物质量分数与防窜剂质量分 数的比值 saw=ar-C[1-exp(-c2py】 1+c3·Cm 若延迟交联为： 式中，c1、c2和c3都是方程系数， 1 a12C124T Ra-2xp()(1F)C21+b (4)渗透率下降系数(Rk)· 聚合物渗透率下降系数： (6) Rk=1.0+(Rmg-1)d1Cn 式中，B=侣ma,,a和b加为延迟交联方 1+d2Cn 式中，Rmax为最大渗透率下降系数，d1和d2为方程 程中的系数，τ为凝胶聚合物交联时间，C2为凝胶 的系数 剂质量分数 Ho一c∞ 2室内调驱实验 ,=o 1+(/Yw2)P.T 为了能较好地反映等渗阻调驱特性，选择具有 式中，“。为受剪切作用影响的交联聚合物溶液黏 代表性的渗透率相同的标准岩心进行实验，实验设 度，∞为剪切速率无穷大时溶液黏度，Pa为黏度方 备有：恒温烘箱，控温精度为士0.5℃；气体质量流 程中的系数，Y为剪切速率，Y/2为最大剪切速率一 量计，控制流量为0~30mL;回压阀，控压为0~ 半时的剪切速率 10MPa;调压阀，控压精度为0.02MPa;数字压力 (b)泡沫溶液黏度： 表，精度为0.01MPa;油水测量仪等 4=41+Af.(s,-snh+1 实验条件：实验温度为45℃，实验用油为模拟 1+Esg 油（煤油十泵油+原油）实验油黏度为7.1mPas· fn=bp1(△P)-bp2(△p)2 (7) 驱替剂分别有体膨颗粒(500mg·L1)、聚合物 f=Jb1C,-b.2C,C,≤C (1500mgL-1Ⅲ型功能聚合物)和泡沫(0.25%驱 (8) f。=C, C.>CO 油剂+500mgL-1的Ⅱ型功能聚合物)，其中泡沫 f=bx1K-bk2 K2, K≤k* 复合驱实验气液比选择为1：1. (9) 实验步骤：(1)建立束缚水，实验用岩心为水 、f=bk3, K>k* 湿，抽真空8h,饱和地层水，计算饱和度和有效孔隙 式中，A、E为方程系数，△p为压力差，Swc为束缚水 度值，之后将模型饱和油，直到出口无水产出为止， 饱和度，bnl、bp2、be1、b2、bk1、bk2、bk3和k分别为 (2)方案驱替，将模型按照驱油实验方案进行，并 方程中的系数，C,和C分别为表活剂发泡剂质量 对驱替过程进行时时测量，直到出口不出油为止· 分数和开始发泡的最低表面活性剂质量分数， 为了研究等渗阻调驱效果，设计高中一低并联 (2)各相相对渗透率. 组合模型：体膨0.07PV+水驱0.25PV+聚合物 流体各相相对渗透率是相饱和度和各流体残余 0.06PV+水驱0.25PV+泡沫水驱0.1PV+水驱 饱和度的函数，即： 1.0PV实验方案，以便对比驱油效果，通过表1可 看出，三层三级段塞等渗阻调驱，使高渗层在水驱基 础上提高采收率12.1%，中渗层提高采收率 (10) 20.3%,低渗层提高采收率高达32.9%，平均提高 为21.4%.由图2可以看出：注入初期高渗透层采 式中，ea=a+a(1一cxp(-b1CnPV。), 收率提高较快；调驱过程中，中低渗透层采收率增幅 e8=8+az(1-exp (-62C,PV ))az(1- 较大，整体动用状况良好.可见等渗阻调驱对中低 exp(一b2 CaPV)这里a1、a2、b1、b2、a和B都是 渗透层的驱替力度更大，效果更明显，好于其他单一
若瞬时交联： Rμ＝ 2πδ（1＋br C6） ar C6exp（ x11— xc6） （5） 式中x11＝ C6 C11 δ、ar 和 br 为交联方程中的系数 C6 为聚合物质量分数C11为防窜剂质量分数xc6 为交联强度最大时聚合物质量分数与防窜剂质量分 数的比值． 若延迟交联为： Rμ＝ 1 2πδ exp（ x12— f cp） a12C12 （1＋b12） C12 atτ 1＋btτ （6） 式中x12＝ C12 C6 f cp、at、bt、a12和 b12为延迟交联方 程中的系数τ为凝胶聚合物交联时间C12为凝胶 剂质量分数． μp＝μ∞＋ μ0—μ∞ 1＋（γ／γ1／2） p a—1． 式中μp 为受剪切作用影响的交联聚合物溶液黏 度μ∞为剪切速率无穷大时溶液黏度pa 为黏度方 程中的系数γ为剪切速率γ1／2为最大剪切速率一 半时的剪切速率． （b） 泡沫溶液黏度： μf＝ μg ［1＋ A f c（ sw—swc） f k＋ f p ］ 1＋ Es 2 o ． f p＝bp1（ΔP）—bp2（ΔP） 2 （7） f c＝ bc1Cs—bc2C 2 s Cs≤C 0 s f c＝Cs Cs＞C 0 s （8） f k＝ bk1K—bk2K 2 K≤k ∗ f k＝bk3 K＞k ∗ （9） 式中A、E 为方程系数Δp 为压力差swc为束缚水 饱和度bp1、bp2、bc1、bc2、bk1、bk2、bk3和 k ∗ 分别为 方程中的系数Cs 和 C 0 s 分别为表活剂发泡剂质量 分数和开始发泡的最低表面活性剂质量分数． （2） 各相相对渗透率． 流体各相相对渗透率是相饱和度和各流体残余 饱和度的函数即： kro＝kromax 1— somax—so somax—sor eα krf＝ krwmax 1＋ζ sw—swc （ swmax—swc） eβ （10） 式 中eα ＝ α＋ a1 （1— exp （ — b1CnPV n ）） eβ＝β＋ a2（1— exp （ — b2CnPV n ））ζ＝ a2（1— exp（—b2CnPV n））．这里 a1、a2、b1、b2、α和β都是 方程系数Cn 为驱替溶液的质量分数PV n 为驱替 溶液注入的体积倍数kromax、krwmax为油、水最大相 对渗透率somax、swmax为最大含油、含水饱和度sor、 swc分别为残余油饱和度、束缚水饱和度so、sw 分别 为含油、含水饱和度． （3） 残余油饱和度下降． sor＝sor— c1·Cn ［1—exp（—c2·PV n）］ 1＋c3·Cn ． 式中c1、c2 和 c3 都是方程系数． （4） 渗透率下降系数（ Rk）． 聚合物渗透率下降系数： Rk＝1∙0＋ （ Rmax—1） d1Cn 1＋ d2Cn ． 式中Rmax为最大渗透率下降系数d1 和 d2 为方程 的系数． 2 室内调驱实验 为了能较好地反映等渗阻调驱特性选择具有 代表性的渗透率相同的标准岩心进行实验．实验设 备有：恒温烘箱控温精度为±0∙5℃；气体质量流 量计控制流量为0～30mL；回压阀控压为0～ 10MPa；调压阀控压精度为0∙02MPa；数字压力 表精度为0∙01MPa；油水测量仪等． 实验条件：实验温度为45℃实验用油为模拟 油（煤油＋泵油＋原油）实验油黏度为7∙1mPa·s． 驱替剂分别有体膨颗粒 （500mg·L —1）、聚合物 （1500mg·L —1 Ⅲ型功能聚合物）和泡沫（0∙25％驱 油剂＋500mg·L —1的Ⅱ型功能聚合物）其中泡沫 复合驱实验气液比选择为1∶1． 实验步骤：（1） 建立束缚水．实验用岩心为水 湿抽真空8h饱和地层水计算饱和度和有效孔隙 度值．之后将模型饱和油直到出口无水产出为止． （2） 方案驱替．将模型按照驱油实验方案进行并 对驱替过程进行时时测量直到出口不出油为止． 为了研究等渗阻调驱效果设计高—中—低并联 组合模型：体膨0∙07PV ＋水驱0∙25PV ＋聚合物 0∙06PV＋水驱0∙25PV＋泡沫水驱0∙1PV＋水驱 1∙0PV 实验方案以便对比驱油效果．通过表1可 看出三层三级段塞等渗阻调驱使高渗层在水驱基 础上 提 高 采 收 率 12∙1％中 渗 层 提 高 采 收 率 20∙3％低渗层提高采收率高达32∙9％平均提高 为21∙4％．由图2可以看出：注入初期高渗透层采 收率提高较快；调驱过程中中低渗透层采收率增幅 较大整体动用状况良好．可见等渗阻调驱对中低 渗透层的驱替力度更大效果更明显好于其他单一 第10期 宋洪庆等： 多段塞等渗阻调驱复杂渗流 ·1215·
,1216 北京科技大学学报 第31卷 化学剂驱油效果，而且对于渗透率级差大的比级差 小的提高采收率幅度更大 表1等渗阻调驱与水驱油效果对比 Table I Effect comparison between water flooding and controllable displacement of equivalent filtration resistance 水测渗透率/ 含油 水驱 累积 等渗阻调驱提高 方案 并联模型 (10-3m3 饱和度/% 采收率/% 采收率/% 采收率/% 高渗管 1020 64.9 53.5 中渗管 651 63.8 40.8 水驱 低渗管 89 59.7 24.5 总平均 587 62.8 39.6 高渗管 1016 66.3 54.2 66.3 12.1 等渗阻调驱（体膨颗粒十 中渗管 650 63.8 40.5 60.8 20.3 聚合物十泡沫连续组合) 低渗管 126 64.1 24.3 57.2 32.9 总平均 597 64.7 40.03 61.43 21.4 70 透层渗透率100×10-3m2,含油饱和度0.47，有效 50 厚度3m,孔隙度为0.15，油黏度为5mPas,水黏 40 度为1mPas,井距为250m,日注入量120m3d1, ·高渗透层 油井井底流压3.0MPa,调驱前含水率达95%. 20 ■一中渗透层 o 一低渗透层 以多段塞等渗阻调驱15个月即0.45PV为研 究条件，组合每个阶段调驱时间不同即体膨 6 810 12 14 注人孔隙体积倍数 0.15PV+聚合物0.1PV+泡沫0.2PV调驱组合， 来研究地层压力分布情况，进而阐明等渗阻调驱机 图2等渗阻调驱方案采收率与注入孔隙体积倍数关系 理，去解释等渗阻调驱到底能不能提高高渗透层的 Fig.2 Relationship between recovery and injection pore volume by controllable displacement of equivalent filtration resistance 压力，能不能促使流体由高渗透层窜向中、低渗透 层，由中渗透层窜向低渗透层，形成这种有利的驱动 3等渗阻调驱压力分布特征分析及优化 条件 由图3(a)可以看出：刚开始调驱时注体膨溶 3.1不同调驱阶段压力分布 液，高渗透层流量大，体膨段塞移动较中、低渗透层 以大庆油田某实验区为例，水驱后储层一共分 要快；在体膨段塞移动过的地方压力明显被憋升高， 为三层：即高渗透层渗透率800×10-3m2,含油饱 这必然导致每一层的渗流阻力不同，影响进一步调 和度0.35，有效厚度3m;中渗透层渗透率300× 驱，图3(b)可以看出：随着第2阶段调驱开始，开始 10-3hm2,含油饱和度0.41，有效厚度3m:中低渗 注入聚合物溶液：已经明显高、中渗透层压力被憋起 14r a 12 16 (b) (c) 25 14 20 8 10 6 一高渗层 8 一高渗层 一高渗层 -一中渗层 6 -一中渗层 -一一中渗层 …一低渗层 …低渗层 5 4 低渗层 40,80120160 200 80120 160 200 40 80 120 160 200 距井简距离m 距井筒距离m 距井简距离m 图3多段塞等渗阻调驱三阶段地层压力分布图.(a)第1阶段注入体膨段塞：(b)第2阶段注入聚合物段塞：（©）第3阶段注入泡沫段塞 Fig-3 Pressure distributions of three phases by controllable displacement of equivalent filtration resistance:(a)the first phase of injection solution with volume expansion particles:(b)the second phase of injection solution with polymer slugs:(c)the third phase of injection solution with foam slugs
化学剂驱油效果而且对于渗透率级差大的比级差 小的提高采收率幅度更大． 表1 等渗阻调驱与水驱油效果对比 Table1 Effect comparison between water flooding and controllable displacement of equivalent filtration resistance 方案 并联模型 水测渗透率／ （10—3μm 2） 含油 饱和度／％ 水驱 采收率／％ 累积 采收率／％ 等渗阻调驱提高 采收率／％ 高渗管 1020 64∙9 53∙5 — — 水驱 中渗管 651 63∙8 40∙8 — — 低渗管 89 59∙7 24∙5 — — 总平均 587 62∙8 39∙6 — — 高渗管 1016 66∙3 54∙2 66∙3 12∙1 等渗阻调驱（体膨颗粒＋ 中渗管 650 63∙8 40∙5 60∙8 20∙3 聚合物＋泡沫连续组合） 低渗管 126 64∙1 24∙3 57∙2 32∙9 总平均 597 64∙7 40∙03 61∙43 21∙4 图2 等渗阻调驱方案采收率与注入孔隙体积倍数关系 Fig．2 Relationship between recovery and injection pore volume by controllable displacement of equivalent filtration resistance 图3 多段塞等渗阻调驱三阶段地层压力分布图．（a） 第1阶段注入体膨段塞；（b） 第2阶段注入聚合物段塞；（c） 第3阶段注入泡沫段塞 Fig．3 Pressure distributions of three phases by controllable displacement of equivalent filtration resistance：（a） the first phase of injection solution with volume expansion particles；（b） the second phase of injection solution with polymer slugs；（c） the third phase of injection solution with foam slugs 3 等渗阻调驱压力分布特征分析及优化 3∙1 不同调驱阶段压力分布 以大庆油田某实验区为例水驱后储层一共分 为三层：即高渗透层渗透率800×10—3μm 2含油饱 和度0∙35有效厚度3m；中渗透层渗透率300× 10—3μm 2含油饱和度0∙41有效厚度3m；中低渗 透层渗透率100×10—3μm 2含油饱和度0∙47有效 厚度3m．孔隙度为0∙15油黏度为5mPa·s水黏 度为1mPa·s井距为250m日注入量120m 3·d —1 油井井底流压3∙0MPa调驱前含水率达95％． 以多段塞等渗阻调驱15个月即0∙45PV 为研 究条 件组 合 每 个 阶 段 调 驱 时 间 不 同 即 体 膨 0∙15PV＋聚合物0∙1PV＋泡沫0∙2PV 调驱组合 来研究地层压力分布情况进而阐明等渗阻调驱机 理去解释等渗阻调驱到底能不能提高高渗透层的 压力能不能促使流体由高渗透层窜向中、低渗透 层由中渗透层窜向低渗透层形成这种有利的驱动 条件． 由图3（a）可以看出：刚开始调驱时注体膨溶 液高渗透层流量大体膨段塞移动较中、低渗透层 要快；在体膨段塞移动过的地方压力明显被憋升高 这必然导致每一层的渗流阻力不同影响进一步调 驱．图3（b）可以看出：随着第2阶段调驱开始开始 注入聚合物溶液已经明显高、中渗透层压力被憋起 ·1216· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 宋洪庆等：多段塞等渗阻调驱复杂渗流 ,1217 来，全程高渗透层压力大于中渗透层压力，高渗透层 具体结果如表2所示，在众多方案中，方案2前期 向中渗透层窜流：据井筒距离较近70m以外，中渗 注入相对少剂量体膨溶液，再注入中等剂量聚合物 透层压力大于低渗透层压力，中渗层向低渗层窜流， 溶液，最后注入相对较大剂量泡沫溶液，提高采收率 图3(c)可以看出：第3阶段注泡沫溶液的开始，地 的效果最佳，达到28%. 层压力继续升高，但是注泡沫溶液很好地中和了三 通过压力分布关系和含水率变化情况分析可 层的地层压力，三层压力基本稳定，起到等渗阻调驱 知，多段塞等渗阻调驱存在最佳组合方案，它遵循的 的结果.这种方案更有利于中渗透层有效动用， 原则有：(1)每一个阶段段塞都存在最佳大小； 3.2等渗阻调驱最佳组合方案及原则 (2)段塞和段塞之间存在最佳的注入时机；(3)控 根据本文所研究的理论模型，结合实验区物性 制第1个段塞即体膨段塞突破是关键 条件，一共设计了七种组合方案对其进行模拟计算， 表2方案计算结果对比表 Table 2 Contrast of calculation results of different projects 方案 段塞大小组合方式 最低含水率/% 提高的采收率/% 方案1 0.15PV体膨+0.15PV聚合物十0.15pV泡沫 72 24 方案2 0.1pV体膨+0.15PV聚合物+0.2PV泡沫 66 方案3 0.1PV体膨十0.2PV聚合物十0.15PV泡沫 68 25 方案4 0.15PV体膨+0.1PV聚合物+0.2pV泡沫 71 27 方案5 0.15PV体膨+0.2PV聚合物十0.1PV泡沫 72 23 方案6 0.2PV体膨+0.1PV聚合物+0.15PV泡沫 73 品 方案7 0.2PV体膨+0.15PV聚合物+0.1PV泡沫 73 22 plugging and selective divided-flow.Acta Pet Sin.2007,28(4): 4结论 115 (李兆敏，孙茂盛，林日亿，等.泡沫封堵及选择性分流实验研 (1)本文提出了多段塞等渗阻调控驱动这种新 究.石油学报，2007,28(4)：115) 的提高采收率方法，解释其驱油原理，阐明了其渗流 [3]Liu X C.Wu M.LiZ Y,et al.Mass volume polymer flooding in 的物理本质 middle block of Xing 5 area.Pet Geol Oilfield Dev Daging. (2)本文建立多段塞等渗阻复杂渗流数学模 2001,20(2):119 型，依据自动调控各渗流通道阻力的假设，得出分 (刘新仓，吴梅，李忠友，等.杏五区中块大用量聚合物溶液驱油 效果.大庆石油地质与开发，2001,20(2)：119) 析解. [4]Zhang Y B.Lu X G.Ren Y B.et al.Displacement efficiency for (③)室内实验和理论计算都证明，非均质油层 three different EOR chemical agents in two-dimension heteroge 水驱后，等渗阻调驱能大幅扩大波及体积，降低含水 neous physical model after polymer flooding.Oilfield Chem. 率，提高采收率，同时提出最佳组合原则 2007,24(3).42 (4)对等渗阻调驱压力特征分析可知，各级段 (张云宝，卢祥国，任艳滨，等.三种驱油剂在聚驱后二维非均质 塞合理分配注入油层，能够提高相对较高渗透层阻 物理模型上的驱油效果.油田化学，2007,24(3)：42) [5]Ma L M.Liu FZ.Depth profile control for pregelatinized cubical 力，最终导致各渗流通道阻力趋同，段塞平行驱替， expansion granule in Sanan area.Pet Geol Oilfield Dee Daging. 大幅度动用低渗透层原油， 2004,23(4).66 (马丽梅，刘风珍·萨南开发区预交联体膨颗粒深度调剖效果分 参考文献 析·大庆石油地质开发，2004,23(4)：66) [1]Han X T,Liu CT,Wan X D.et al.Research on high-efficiency [6]Zhu W Y,Cheng J C.Wu C J.et al.Porous flow mathematic oil displacement method with gat hered energy equi-fluidity design- models of multi-component foam drive.J Univ Sci Technol Bei- Acta Pet Sin.2008.29(3):18 jing,2006.28(7):20 (韩修廷，刘春天，万新德，等.聚能等流度高效驱油新方法研 (朱维耀，程杰成，吴军政，等.多元泡沫化学剂复合驱油渗流数 究.石油学报，2008,29(3)：18) 学模型.北京科技大学学报，2006,28(7)：20) [2]LiZ M.Sun M S,Lin R L.et al.Laboratory study on foam (下转第1321页)
来全程高渗透层压力大于中渗透层压力高渗透层 向中渗透层窜流；据井筒距离较近70m 以外中渗 透层压力大于低渗透层压力中渗层向低渗层窜流． 图3（c）可以看出：第3阶段注泡沫溶液的开始地 层压力继续升高但是注泡沫溶液很好地中和了三 层的地层压力三层压力基本稳定起到等渗阻调驱 的结果．这种方案更有利于中渗透层有效动用． 3∙2 等渗阻调驱最佳组合方案及原则 根据本文所研究的理论模型结合实验区物性 条件一共设计了七种组合方案对其进行模拟计算 具体结果如表2所示．在众多方案中方案2前期 注入相对少剂量体膨溶液再注入中等剂量聚合物 溶液最后注入相对较大剂量泡沫溶液提高采收率 的效果最佳达到28％． 通过压力分布关系和含水率变化情况分析可 知多段塞等渗阻调驱存在最佳组合方案它遵循的 原则有：（1） 每一个阶段段塞都存在最佳大小； （2） 段塞和段塞之间存在最佳的注入时机；（3） 控 制第1个段塞即体膨段塞突破是关键． 表2 方案计算结果对比表 Table2 Contrast of calculation results of different projects 方案 段塞大小组合方式 最低含水率／％ 提高的采收率／％ 方案1 0∙15PV 体膨＋0∙15PV 聚合物＋0∙15PV 泡沫 72 24 方案2 0∙1PV 体膨＋0∙15PV 聚合物＋0∙2PV 泡沫 66 28 方案3 0∙1PV 体膨＋0∙2PV 聚合物＋0∙15PV 泡沫 68 25 方案4 0∙15PV 体膨＋0∙1PV 聚合物＋0∙2PV 泡沫 71 27 方案5 0∙15PV 体膨＋0∙2PV 聚合物＋0∙1PV 泡沫 72 23 方案6 0∙2PV 体膨＋0∙1PV 聚合物＋0∙15PV 泡沫 73 24 方案7 0∙2PV 体膨＋0∙15PV 聚合物＋0∙1PV 泡沫 73 22 4 结论 （1） 本文提出了多段塞等渗阻调控驱动这种新 的提高采收率方法解释其驱油原理阐明了其渗流 的物理本质． （2） 本文建立多段塞等渗阻复杂渗流数学模 型依据自动调控各渗流通道阻力的假设得出分 析解． （3） 室内实验和理论计算都证明非均质油层 水驱后等渗阻调驱能大幅扩大波及体积降低含水 率提高采收率同时提出最佳组合原则． （4） 对等渗阻调驱压力特征分析可知各级段 塞合理分配注入油层能够提高相对较高渗透层阻 力最终导致各渗流通道阻力趋同段塞平行驱替 大幅度动用低渗透层原油． 参 考 文 献 ［1］ Han X TLiu C TWan X Det al．Research on high-efficiency oil displacement method with gathered energy equ-i fluidity design． Acta Pet Sin200829（3）：18 （韩修廷刘春天万新德等．聚能等流度高效驱油新方法研 究．石油学报200829（3）：18） ［2］ Li Z MSun M SLin R Let al．Laboratory study on foam plugging and selective divided-flow．Acta Pet Sin200728（4）： 115 （李兆敏孙茂盛林日亿等．泡沫封堵及选择性分流实验研 究．石油学报200728（4）：115） ［3］ Liu X CWu MLi Z Yet al．Mass volume polymer flooding in middle block of Xing 5 area． Pet Geol Oilfield Dev Daqing 200120（2）：119 （刘新仓吴梅李忠友等．杏五区中块大用量聚合物溶液驱油 效果．大庆石油地质与开发200120（2）：119） ［4］ Zhang Y BLu X GRen Y Bet al．Displacement efficiency for three different EOR chemical agents in two-dimension heterogeneous physical model after polymer flooding． Oilfield Chem 200724（3）：42 （张云宝卢祥国任艳滨等．三种驱油剂在聚驱后二维非均质 物理模型上的驱油效果．油田化学200724（3）：42） ［5］ Ma L MLiu F Z．Depth profile control for pregelatinized cubical expansion granule in Sanan area．Pet Geol Oilfield Dev Daqing 200423（4）：66 （马丽梅刘凤珍．萨南开发区预交联体膨颗粒深度调剖效果分 析．大庆石油地质开发200423（4）：66） ［6］ Zhu W YCheng J CWu C Jet al．Porous flow mathematic models of mult-i component foam drive．J Univ Sci Technol Beijing200628（7）：20 （朱维耀程杰成吴军政等．多元泡沫化学剂复合驱油渗流数 学模型．北京科技大学学报200628（7）：20） （下转第1321页） 第10期 宋洪庆等： 多段塞等渗阻调驱复杂渗流 ·1217·
第10期 谢长川等：动态轻压下模型的开发及优化 ,1321. 冶金工业出版社，2001) on center segregation in C.C.Slab.ISIJ Int,1996,36(Suppl): [4]Won Y M.Thomas B G.Simple model of microsegregation dur- S231 ing solidification of steels.Metall Mater Trans A.2001,32: [7]Mojumdar D,Chaudhari P,Kozak B.Optimization of slab cen- 1755 terline quality using dynamic soft reduction//AISTech 2007 Pro- [5]Nabeshima S,Nakato H.Fujii T.et al.Control of centerline ceedings.Indianapolis:209 segregation continuous forging process in continuously cast blooms [8]Fash R E,Vielkind P J,Bederka D J.et al.Dynamic machine by continuous forging process.ISIJ Int,1995.35(6):673 gap control at the ISG Sparrows Point No.1 caster.Iron Steel [6]Yim C H.Park J K,You B D.et al.The effect of soft reduction Technol,2005(5):229 (上接第1217页) oil displacement with cross-linking polymer.Pet Explor Dev, [7]Chen C.Zhao G.Liao Z G.3-D multi phase multi-component 1994,21(1).56 mathematical model of combined ASP-foam flooding./Tsinghua (朱维耀.交联聚合物防窜驱油组分模型模拟器，石油勘探与 Unin Sci Technol.2002.42(12):16 开发，1994,21(1)：56) (陈国，赵刚，廖广志，泡沫复合驱油三维多相多组份数学模 [11]Wu X C.Zhu W Y,Ma Q K,et al.Study on nonlinearity seep- 型.清华大学学报：自然科学版，2002,42(12)：16) age characteristic and mathematical model of movable gel.Oil [8]Zhu W Y.Ju Y,Yan L D,et al.Porous flow mathematical mod- Drilling Prod Technol.2006,28(5):43 el of multiphase complex flow with phase change and wax deposi- (吴行才，朱维耀，马庆昆，等.可动凝胶体系非线性渗流特性 tion.JUniv Sci Technol Beijing.2007.29(9):74 及数学模型研究·石油钻采工艺，2006,28(5)：43) (朱维耀，鞠岩，燕良东，等.蜡沉积凝析气一液一固变相态复杂 [12]Cheng LS,Xiao Shuangai.Numerical simulation of steam-foam 渗流数学模型.北京科技大学学报，2007,29(9)：74) flooding for heavy oil reservoir.Chin J Comput Phys.2003. [9]Islam M R,Farour A.Numerical simulation of foam flow in 20(5):46 porous media.J Can Pet Technol.1990.29(3):47 (程林松，肖双爱.稠油油藏落汽一泡沫驱数值模拟方法.计算 [10]Zhu W Y.A compositional simulator for channeling control and 物理，2003,20(5)：46)
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