底水油藏水体能量三维物理模拟装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油工业技术领域，尤其涉及一种底水油藏水体能量三维物理模拟装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 底水油藏投产以后，随着原油的采出，地层压力逐渐降低，底水能量大于油层能 量，同时由于油水粘度的差异，底水逐渐推进至油层，使油井过早见水、产油量骤减和含水 快速上升，严重地影响了油井的正常生产，并导致水处理费用增加和开发成本升高，底水油 藏开采效益变差。因此监控底水油藏底水推进和研究见水规律显得尤为重要。
[0003] 物理模拟是研究底水油藏的一种常用手段，物理模拟实验人为再现底水油藏的开 发进程，较为真实地模拟实际油藏或油井的渗流特征，便于观察水锥或水脊的形成与发育， 研究油藏参数、油井几何因素和外部生产可控参数对开发效果的影响，为制定底水油藏开 发策略、不同开发阶段应对措施及稳油控水方案提供重要依据。国内外底水油藏物理模拟 大致可分为四种类型：微观孔隙模拟、一维线性模拟、二维平面模拟和三维比例模拟。
[0004] 底水油藏微观物理模拟应用可视化储层微观孔隙模型，借助于显微放大、录像、图 像分析和实验计量技术，模拟底水驱替原油，实现储层流体微观渗流的定性分析和定量描 述，揭示剩余油微观分布特征。微观孔隙物理模型有砂岩微观孔隙模型和仿真孔隙模型，微 观孔隙模型尤其是砂岩微观孔隙模型基本保留了岩石的真实孔隙结构和表面物理性质，直 观性强，观测和记录油水两相渗流特征，能够对剩余油分布、堵剂注入时机、堵剂赋存状态 进行微观研究，但无法观察到底水推进形态，并且由于承压能力弱，不能模拟底水油藏开发 的真实压力条件。
[0005] 底水油藏一维物理模拟利用充填有一定目数玻璃珠的填砂管或岩心来模拟底水 油藏，先注入模拟地层水制造束缚水环境，然后注入原油饱和模型，最后开展底水驱替实 验。一维线性模型可以研究水平方向非均质性和生产压差对含水率及采出程度等开发指标 的影响，但无法直接观察底水推进过程，同时地层流体大多数情况下并非一维流动，一维模 型只能在一定程度上反映底水油藏开采过程。
[0006] 底水油藏二维模拟系统为平板模型，此类物理模型由两块相同尺寸的有机玻璃板 构成，采用现代电子摄像监视手段和流动试验测试手段。二维模拟实验能够比较形象地模 拟底水油藏底水推进的过程，也能对影响生产井产能的各种因素（如生产井位置、油水粘 度比）进行更加真实的评价和验证，但二维模型只能模拟均质油藏"活塞式"驱替时的状 况，所模拟的底水形态与真实形状还有较大的差别，并且实验所观察得出的结论只是一些 定性的结论。
[0007] 底水油藏三维模拟实验能更加真实有效地模拟油藏状况，更好地对影响生产井产 能的因素进行评价，尤其在水平井开发底水油藏时对水平段摩阻造成的影响进行有效的评 价，也能更好地观察生产井水淹模式和水淹动态，而且在一定条件下，可对某油藏布井方式 进行有效预测和评价。但三维模型结构复杂，必须针对具体的油藏条件，考虑参数的比例关 系，否则可能无法得出正确结论。
[0008] 三维物理模型设计以相似三定理为基础，以量纲相似概念为依据，各个物理量都 按照相似比例进行描述。按照比例建立的模型要求三维底水油藏实验室模型与矿场原型的 介质条件、空间条件和动力作用在每个相应的位置都相似，基本方程、初始条件和边界条件 都要满足用无量纲参量表示的相似准则。因此，找出底水驱替过程的相似准则数的方法，从 本质上说就是应用相似理论对描述底水驱替过程的数学表达式或者驱替过程中所包括的 压力、温度、含油饱和度等变量进行相似分析的过程。底水油藏三维物理模拟相似准则数的 推导首先需要定义基本假设条件，然后建立基本微分方程，包括质量守恒方程、能量守恒方 程和运动方程，在定义初始条件及边界条件之后归一化处理数学方程，利用方程分析法中 的类比分析法，对方程进行无因次化处理，对求解出的相似准则数组进行化简处理，删除不 重要的相似准则数，对形式复杂的相似准则数重新组合，使相似准则数形式上变的简单，物 理意义更加明确。
[0009] 针对底水油藏水平井开发，可采用以下5类15个相似准则数：
[0010] ①几何相似：油藏长与宽之比、油藏长与厚度之比、油藏长与水平井长度之比、生 产压差与重力之比
[0011]
[0012] ②压力相似：生产压差与毛管力之比、油藏压力与地层平均压力之比
[0013]
[0014] ③物性相似：油水密度之比、油水流度之比、原型与模型相渗端点相似、原型与模 型孔隙度相似、综合压缩系数与油水压缩系数之比
[0015]
[0016] ④生产动态相似：达西公式、水侵量与水平井产量之比、油水产量之比
[0017]
[0018] ⑤井筒摩阻相似：原型和模型的生产压差与井筒压降之比
[0019]
[0020] 其中=L1山，H，L分别为油藏的长、宽、高以及水平井的长度，m ;Λ p，Pl，pa分别为 生产压差、油藏压力和地层平均压力，MPa 为毛管压力，Pa;p。，Pw分别为油密度和水密 度，kg/m3;g为重力加速度，9. 8m/s 2;KOT。，Kwot分别为束缚水状态下油相相对渗透率和残余 油状态下水相相对渗透率，小数；μ。，μ "分别为油相粘度和水相粘度，mPa · s ;S OT，Sw。分别 为残余油的饱和度和束缚水饱和度，小数；Φ为孔隙度，小数；c。，Cw，Ct分别为油亚索系数、 水压缩系数以及综合压缩系数，MPa Sk为绝对渗透率，10 3 μ m2;t为生产时间，S ;Q为井筒 流量，m3/d ;q。，qw:分别为油采出量和水采出量，m 3/d ; μ为井筒内流体粘度，mPa · s ;d为水 平井井筒直径，m; P为井筒内流体密度，kg/m3。
[0021] 通过上述相似准则可以实现物理模型与底水油藏原型的转化，设计和制作底水油 藏的三维物理模型，并对现场主要工艺参数进行按比例处理。同时，受实验条件、人为等客 观因素制约，难以将所有的相似准则完全按比例转化现场参数，并且转化的参数跟原型有 不同程度的误差，因此需要对转化的参数进行适当调整。
[0022] 现有的底水油藏三维物理模拟系统通常由模型本体11、底水模拟系统12、产出计 量系统13、检测系统14和控制系统15组成，实验装置如图1所示。
[0023] ①模型本体11 :由底水油藏模型及旋转机构、移动支架组成，底水油藏模型包括 油层模型和生产井模型。油层模型的制作需要利用填砂管模型测量出符合模拟模型孔渗要 求的岩石粒度组成，并按此组成配置模型砂，充填三维物理模型。不锈钢管或有机玻璃管则 用来模拟生产井不同的井型、完井方式和避水高度。
[0024] ②产出计量系统13 :由产出液计量和回压系统等组成，主要用于回压的控制、实 验时间记录和流量的计量。
[0025] ③检测系统14和控制系统15 :包括信号检测和数据采集处理部分，通过电阻率传 感器、温度传感器和压力传感器实时检测模型内部的饱和度、温度和压力，传输至计算机实 现实时采集处理，显示模型内部的饱和度场、温度场和压力场图。
[0026] ④底水模拟系统12 :用于模拟底水的水体能量，能够将底水油藏实际水体能量大 小在三维物理模拟中合理有效地反映出来。
[0027] 现有技术中通常采用以下模拟流程实现对底水油藏的三维物理模拟：
[0028] ①将模型井、传感器布置到设计位置。
[0029] ②若采用干装法填砂，将模型砂均匀填入模型。
[0030] ③模型砂填充完毕后，用模拟盖层的陶泥均匀覆盖，上盖封装。模型封装后，接入 氮气瓶，观察油藏压力变化，确定是否有漏气现象。
[0031] ④将模拟地层水由饱和注入口注入模型，饱和出口打开，收集模拟地层水，至出口 流量与进口流量相近时停止，记录进口模拟水的注入量、出口的收集总量，计算出模型的孔 隙体积以及孔隙度。
[0032] ⑤将模拟油注入模型，收集产出液，至出口端连续出油不出水或含油率达99. 9% 时停止，关闭饱和出口，继续注入模拟油使油藏憋压至模拟地层压力，记录出口模拟水的收 集总量以及注入模拟油的净量，得出饱和油体积，从而计算出模型初始含油饱和度以及束 缚水饱和度。
[0033] ⑥三维模型置于恒温箱中，恒定到模拟地层温度，开始驱替实验。实验过程中采集 模型不同时刻不同位置饱和度、温度及压力数据，产出液收集计量，直至产出井含水率达到 98 %后，结束实验。
[0034] 目前，针对底水油藏水体能量三维物理模拟的实现主要是采用恒压模拟方法，即 利用一定的实验模拟装置在底水油藏模型本体底部形成恒定压力的底水层，实现无限大水 体条件下油藏开发动态的研究。实现底水恒压所采用的实验装置主要包括：
[0035] ①恒压恒速栗：实验装置如图2所示，包括恒压恒速驱替栗21、活塞式容器22、底 水模拟系统阀门23和压力计量装置24。恒压恒速栗21依次通过活塞式容器22、底水模拟 系统阀门23与模型本体25底水注水口连接，开启恒压恒速驱替栗21，根据底水压力设定栗 压，开启底水模拟系统阀门23,按照实验设定的恒压恒速驱替栗21驱替压力，保证稳定的 模拟地层水进入模型本体25。
[0036] ②双桶设计：双桶设计的底水供给系统可以保持底水恒压供给，以模拟无限水体 底水油藏。该系统由储液桶31、进液桶32、水栗33及其连接管线组成，实验装置如图3所 示。进液桶32设有两条进液通道和两条出液通道，其中一条出液通道为三维物理模型34供 给底水，另一条出液通道用于保持进液桶水位以保证底水压力恒定，同时三维物理模型34 底部的渗流板35可保证流体能均匀地注入。试验开始时，首先打开底水入口，待两台压力 传感器36、37的读数稳定至水桶到三维物理模型35的静水高度时再打开生产井38进行生 产，这样操作可以使三维物理模型内各点的折算压力相等，从而模拟原始地层压力。
[0037] ③气源模拟：气源模拟装置如图4所示，底水层通过下部阀门41与一个水容器42 相连，水容器42与气容器43相连，气容器43与气瓶44相连。实验时，气瓶44通过调节阀 调节压力到设定值，再加上与之相连的水容器的42缓冲作用，可以很好地模拟底水层恒定 压力供给状况。
[0038] 恒压模拟方法采用水体压力来体现水体能量的大小，只适合于水体能量充足的底 水油藏，不能满足底水油藏任意水体能量三维物理模拟实现的要求，依据《油藏描述方法 (SY/T 5579. 1-2008)》采出百分之一的地质储量地层压力下降值小于0. 2MPa，弹性产量比