大于30才属于天然能量充足油藏，恒压模拟很难成为室内研究底水油藏开发动态普遍运 用的一种方法。
[0039] 并且，通常恒压模拟方法适用于水体能量充足的底水油藏，其应用具有一定的局 限性。水体能量充足的天然水驱油藏外部天然水域很大，随着油藏开发，天然水侵的补给 量也不断增加，由于充足的底水连续供给，并且采油速度不高而使水层压力趋于稳定。而 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为 0. 2MPa~0. 8MPa，弹性产量比为8~30属于水体能量较充足的底水油藏，采出百分之一的 地质储量地层压力下降值为〇. 8MP~2. OMPa，弹性产量比为2. 5~8属于水体能量较不足 的底水油藏，采出百分之一的地质储量地层压力下降值大于2. OMPa，弹性产量比小于2. 5 属于水体能量较微弱的底水油藏，恒压方法无法模拟这些类型的底水油藏，例如水体规模 有限，无地面供水露头或地下供给水源的封闭型弹性供水系统，采出速度高于水侵速度，底 水能量持续消耗，底水压力和油藏地层压力随时间不断变化。因此，底水恒压模拟方法很难 满足室内任意底水油藏三维物理模拟的实现要求。
[0040] 除了利用水体压力模拟水体能量外，水侵量也可以作为模拟水体能量的一种手 段。底水油藏的开采过程中都存在一定程度的水侵作用，水侵量因水体能量不同而存在较 大的差异。例如，当油藏包含的天然水域比较小时，水体能量较低，油藏开采所引起的地层 压力下降，可以很快地波及到整个天然水域的范围，水侵活跃程度较弱。
[0041] 对于天然水域比较大的油藏，油藏开采的地层压降不可能很快地波及到整个天然 水域。在某些情况下，甚至在整个开采阶段中，仍有一部分天然水域保持原始地层压力，这 就存在着油藏含油部分的地层压力向天然水域传播时存在着一个明显的时间滞后现象。由 此可见，天然水侵量的大小除与地层压降有关外，还当与开发时间有关，所需要的天然水侵 量的表达式必须考虑时间因素的影响。
[0042] -般地，底水油藏天然水侵分为定态水侵、拟定态水侵和不定态水侵。当油藏有充 足的底水连续补给，或者因采油速度不高而使油区压降能够保持相对稳定时，水侵速度与 采出速度相等，水侵是定态水侵。此时水侵速度可表示为：
[0043]
(I)
[0044] 在式⑴中，qe为水侵速度，m3/d为Wf3:天然累积水侵量，m 3;t为开采时间，d ; ω 为水侵系数，mV(d · MPa) ;Λ ρ为含油区平均压力降，即原始地层压力与目前地层压力之 差，MPa。
[0045] 当有充足的底水供给，即供水区的压力比较稳定，但油藏压力还未达到稳定状态 时，可以采用薛尔绍斯法，即准定态水侵法，把这个压力变化阶段看作是无数稳定状态的连 续变化，此时天然水侵量为：
[0046]
(.2)
[0047] 在式（2)中，We为天然累积水侵量，m3;p i为原始地层压力，MPa ;p为油藏开采到t 时间的地层压力，MPa ;t为开采时间，d ; ω为水侵常数，与天然水域的储层物性、流体物性 和油藏边界形态有关，mV (MPa · d)。
[0048] 赫斯特修正了薛尔绍斯公式，修正后天然水侵量为：
[0049]
(3)
[0050] 在式（3)中，（；为赫斯特的水侵常数，mV(MPa · d) ; α为与时间单位有关的换算 常数。
[0051] 当地层压力的传递尚未波及到天然水域的外边界之前，是一个非稳定渗流的过 程。不定态水侵量与油藏及供水区的形状有关，即与流动情况有关。底水油藏油水界面以 下的底水为球面径向流，对弹性可压缩流体在弹性多孔介质中的半球形渗流方程求解，可 得半球形流系统底水油藏的天然水侵量为：
[0052]
Π )
[0053] 在式（4)中，Bs为半球形流的水侵系数，m3/MPa ;rws为半球形流的等效油水接触面 的半径，πι;Φ为天然水域的有效孔隙度，小数；(；为地层水和岩石的有效压缩系数，MPa S 厶匕为油藏内边界上（即油藏平均）的有效地层压降，MPa ;Q(tD)为无因次水侵量，是无因 次时间的函数；tD为半球形流系统的无因次时间，小数，可以表达为：
[0054]
(5)
[0055] 在式（5)中，Kw为天然水域的有效渗透率，mD ; μ w为天然水域地层水的粘度， MPa · s ; β 3为半球形流的综合参数，可以表达为：
[0056]
(6)
[0057] 对于无限大天然水域和不同规模的有限封闭天然水域、有限敞开外边界定压天然 水域三种情况，底水油藏半球形流系统无因次水侵量Q (tD)与无因次时间tD的关系数据，均 可从《实用油藏工程方法》专用数据表中查出。
[0058] 在天然水侵公式的基础上，将模型参数带入，计算出模型在不同生产压差和生产 时间下底水的累计水侵量和水侵速度，采用计算机控制高精度流量栗，从而调整生产压差 变化速率和底水的水侵量速率，即可实现底水油藏水体能量的三维物理模拟。
[0059] 天然水侵公式涉及的参数较多，尤其是不定态情况下，涉及到参数更多。并且某些 与水体有关的参数不容易确定，在实际应用时，很难直接计算，常从函数表值中查取，这样 一来，将得不到连续的数据，只得对表值进行插值，这不但操作十分麻烦，而且精度大大降 低，存在较大的计算误差和取值的局限性。因此，这些数据的获取及整理需要耗费一定的人 力与时间，不能满足室内快速实现底水油藏水体能量三维物理模拟的要求。同时，该方法对 实验设备和实验设计提出了过高的要求，很难满足实验室内对底水能量模拟的需求。
【发明内容】
[0060] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种底水油藏水体能量三维物理模拟装置及 方法。
[0061] 本发明一方面提供了一种底水油藏水体能量三维物理模拟装置，所述底水油藏水 体能量三维物理模拟装置包括：模型本体、水体中间容器、气体中间容器、驱替栗、高压气 瓶、第一六通阀及第二六通阀；其中，
[0062] 所述驱替栗、高压气瓶、水体中间容器的顶端、气体中间容器的顶端和底端分别与 所述第一六通阀的其中一个阀门连接；所述水体中间容器的底端通过所述第二六通阀连接 至所述模型本体的底部；
[0063] 所述驱替栗用于将外部水体通过所述第一六通阀栗入所述水体中间容器，或者栗 入所述水体中间容器及气体中间容器；
[0064] 所述高压气瓶用于将外部气体通过所述第一六通阀注入所述气体中间容器，或者 注入所述气体中间容器及水体中间容器；所述模型本体，用于容置底水油层，以模拟底水油 藏。
[0065] 在一实施例中，所述水体中间容器与所述气体中间容器的总容积等于所述外部水 体的体积与所述外部气体的体积之和。
[0066] 在一实施例中，所述底水油藏水体能量三维物理模拟装置还包括：压力表，连接至 所述第一六通阀的阀门。
[0067] 在一实施例中，所述水体中间容器为无活塞容器。
[0068] 在一实施例中，所述气体中间容器为无活塞容器。
[0069] 在一实施例中，所述外部气体为氮气。
[0070] 本发明另一方面还提供了一种应用所述的底水油藏水体能量三维物理模拟装置 进行底水油藏水体能量三维物理模拟的方法，所述底水油藏水体能量三维物理模拟方法包 括：
[0071] 根据气瓶水压试验方法，测定所述外部水体在模拟地层压力P下的压缩系数Cw;
[0072] 计算所述底水油藏的水体倍数η ;
[0073] 根据底水油藏三维物理模拟的预设试验条件，确定所述模型本体所需的模拟原油 体积V。以及预设水体倍数η。；
[0074] 根据所述模拟地层压力ρ、压缩系数Cw、水体倍数η、模拟原油体积V。及预设水体 倍数η。，计算外部气体的体积Vg与所述模拟原油体积V。的比值：
[0075]
[0076] 在所述水体中间容器与所述气体中间容器的总容积等于所述外部水体的体积与 所述外部气体的体积之和的条件下，计算所述外部气体的体积Vg及所述外部水体的体积 Vw2，并确定组成所述底水油藏水体能量三维物理模拟装置的所述水体中间容器及气体中间 容器各自的容量；
[0077] 采用先栗入所述外部水体，后注入所述外部气体的顺序，将所述外部水体及外部 气体注入所述水体中间容器及所述气体中间容器，直至所述第一六通阀中的压力值达到所 述模拟地层压力Ρ，开始驱替试验，进行底水油藏水体能量三维物理模拟。
[0078] 在一实施例中，采用先栗入所述外部水体，后注入所述外部气体的顺序，将所述外 部水体及外部气体注入所述水体中间容器及所述气体中间容器，包括：
[0079] 当所述水体中间容器的体积大于所述外部水体的体积时，先将所述外部水体栗入 所述水体中间容器中，再向所述水体中间容器中注入所述外部气体，直至所述第一六通阀 中的压力值达到所述模拟地层压力P ;然后向所述气体中间容器中注入所述外部气体，直 至所述第一六通阀中的压力值再次达到所述模拟地层压力Ρ。
[0080] 在一实施例中，采用先栗入所述外部水体，后注入所述外部气体的顺序，将所述外 部水体及外部气体注入所述水体中间容器及所述气体中间容器，包括：
[0081] 当所述水体中间容器的体积等于所述外部水体的体积时，先将所述外部水体栗入 所述水体中间容器中，然后将所述外部气体注入所述气体中间容器中。
[0082] 在一实施例中，采用先栗入所述外部水体，后注入所述外部气体的顺序，将所述外 部水体及外部气体注入所述水体中间容器及所述气体中间容器，包括：
[0083] 当所述水体中间容器的体积小于所述外部水体的体积时，先向所述水体中间容器 中栗入所述外部水体；再向所述气体中间容器中注入剩余的所述外部水体，然后向所述气 体中间容器中注入所述外部气体，直至所述第一六通阀中的压力值再次达到所述模拟地层 压力Ρ。
[0084] 在一实施例中，计算所述底水油藏的水体倍数η，包括：
[0085] 根据容积法、或者物质平衡法、或者非稳态水侵法、或者数值模拟法，确定所述底 水油藏的水体倍数η。
[0086] 在一实施例中，根据所述模拟地层压力p、压缩系数Cw、水体倍数n、模拟原油体积 Vci及预设水体倍数η。，计算外部气体的体积Vg与所述模拟原油体积V ^的比值，包括：
[0087] 仅采用模型本体底部水体进行三维物理模拟时，依据弹性水压驱动理论计算第一 弹性产液量Vu:<