【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 據(jù)在油藏工程計(jì)算中的采用精細(xì)數(shù)值模型擬合,預(yù)測(cè)及優(yōu)化油藏動(dòng)態(tài)時(shí),油氣水相對(duì)滲透率數(shù)據(jù)更是必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相滲曲線不僅反映了油氣水流動(dòng)規(guī)律,而且還包含了巖石潤(rùn)濕性、理論采收率、掃油面積等多種信息。因此,相對(duì)滲透率曲線對(duì)于充分了解地下流體的滲流規(guī)律、制定合理的開(kāi)發(fā)方案以及開(kāi)采過(guò)程中的調(diào)整措施等有著重要的意義。在油氣藏不同的環(huán)境中，以及非水相的運(yùn)移和非飽和區(qū)的排液中都存在油、水、氣三相的流動(dòng)。為了了解流體的流動(dòng)，需要評(píng)價(jià)三相相對(duì)滲透率。然而，通常要取得兩相（油/水，氣/油，氣/水）的相對(duì)滲透率是非常耗時(shí)的，而且僅有兩種主要的驅(qū)替途徑：一相的飽和度要么增加要么減少。相比之下，三相相對(duì)滲透率的測(cè)量面臨很大的難度。除了要測(cè)量飽和度，壓降，三相流動(dòng)的流量，還有無(wú)限的不同的驅(qū)替路徑。這是因?yàn)槿魏稳囹?qū)替都包含了兩個(gè)獨(dú)立飽和度的變化。因此，測(cè)量油藏中所有可能發(fā)生的三相驅(qū)替的相對(duì)滲透率是不切實(shí)際的——比如說(shuō)溶解氣驅(qū)、氣驅(qū)和不同初始含油氣飽和度下的水驅(qū)。三相相對(duì)滲透率的關(guān)系可以界定多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)。這些關(guān)系對(duì)模仿多孔介質(zhì)中的多相流動(dòng)是有必要的，例如化學(xué)驅(qū)、蒸汽驅(qū)、加強(qiáng)天然氣驅(qū)的系統(tǒng)。盡管，自從1941年之后被Leverett和Lewis報(bào)道在文獻(xiàn)中的可利用的相對(duì)滲透率測(cè)量的數(shù)量是有限的，但是在文獻(xiàn)中有幾個(gè)三相相對(duì)滲透率測(cè)量的設(shè)置對(duì)特殊的多孔介質(zhì)是有限制的。因?yàn)槿鄙倏煽康膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和三相相對(duì)滲透率測(cè)量的復(fù)雜性，所以對(duì)于評(píng)價(jià)各種相的等滲透率線的最常見(jiàn)的工程實(shí)踐是使用理論模型。這些模型通常使用這些信息，例如兩相相對(duì)滲透率、毛細(xì)管壓力和飽和歷史去預(yù)測(cè)三相相對(duì)滲透率的等滲透率線。因此，積極開(kāi)展三相相對(duì)滲透率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯?，并且針?duì)三相相對(duì)滲透率的等滲透率線的形成，提供選擇預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)則。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值，選出更好更廣泛的預(yù)測(cè)模型。對(duì)解決油氣藏開(kāi)發(fā)中三相流的各種問(wèn)題，優(yōu)化開(kāi)發(fā)方式合理的開(kāi)發(fā)油氣藏、提高油田采收率都具有重要的指導(dǎo)意義。2. 油藏油水兩相滲流機(jī)理分析 油藏兩相滲流微觀機(jī)理描述為了更好的描述低滲透油藏中的油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有必要對(duì)水驅(qū)油的微觀機(jī)理進(jìn)行深入研究。關(guān)于油水兩相滲流時(shí)的分布狀態(tài)，描述最早的時(shí)Versluys, 他提出了三種分布形態(tài)：飽和式、懸空式和腸道式。50年代初，有人用伍德合金和塑料模擬潤(rùn)濕相和非潤(rùn)濕相，用切薄片德方式連續(xù)放映，形成動(dòng)畫(huà)片，研究了油水分布。Chatenever 。不過(guò)真正觀察孔道中油水滲流機(jī)理德大概應(yīng)該算是Mattax ，盡管由于技術(shù)和方法的局限性，所得到的結(jié)論比較簡(jiǎn)單或不太確切，但是，應(yīng)該說(shuō)上述工作有非常重要的意義，他們不僅提出問(wèn)題，而且用實(shí)驗(yàn)向人們展現(xiàn)出了某些啟示。為了對(duì)水驅(qū)油微觀機(jī)理進(jìn)行完整描述，目前我國(guó)發(fā)展了核磁共振成像技術(shù)，該技術(shù)是利用帶有核磁性的原子與外磁場(chǎng)的相互作用引起的共振現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)各種物質(zhì)的。利用該技術(shù)可以對(duì)巖心的孔隙結(jié)構(gòu)骨架特征以及滲流流體的狀態(tài)和分布作出定性和定量的描述。黃延章利用油層的潤(rùn)濕性機(jī)理詳細(xì)的描述了不同潤(rùn)濕性的地層油水兩相滲流的微觀機(jī)理。論述認(rèn)為，油層的潤(rùn)濕性相差很大，有些油層是親水的，有些地層是親油的，還有一些油層具有中等潤(rùn)濕性，有時(shí)就算對(duì)于同一油層，在不同的位置，地層的潤(rùn)濕性都有不同，水驅(qū)油經(jīng)過(guò)不同潤(rùn)濕性的層位時(shí)，其驅(qū)油機(jī)理有明顯的區(qū)別。因此，必須研究不同潤(rùn)濕性油層中水驅(qū)油的微觀機(jī)理。 親水地層中水驅(qū)油的微觀機(jī)理在油田投入開(kāi)發(fā)以前，油層中的流體處于原始狀態(tài)，可以不考慮氣體的存在。因?yàn)樗幱谌芙鉅顟B(tài)，因此只考慮油水的原始狀態(tài)。在親水的油層中，束縛水主要時(shí)一水膜的形式附著在孔道壁上，或充滿較小的孔道和盲端，而油則充滿較大的孔道空間。在親水的油層模型內(nèi)進(jìn)行水驅(qū)油時(shí)，可以看到，當(dāng)水被注入油層后，一部分水沿著孔道中心阻力最小的地方向前推進(jìn)，驅(qū)替原油，另一部分水則穿破油水界面的油膜，與束縛水匯合，沿著巖石顆粒表面（孔道壁）驅(qū)動(dòng)束縛水，而束縛水則把原油推離巖石表面，將原油從巖石表面剝蝕下來(lái)。被剝蝕下來(lái)的原油被注入水驅(qū)走。束縛水匯入注入水中，巖石顆粒表面為注入水所占據(jù)。由于地層是非均質(zhì)的，微觀地質(zhì)模型的孔道也是大小不等的。我們首先觀察在孔道中水驅(qū)油的現(xiàn)象，在親水地層模型內(nèi)進(jìn)行水驅(qū)油過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。在一些孔道中，油膜已斷裂，束縛水把油膜剝蝕下來(lái)，匯入大片油內(nèi)，被注入水均勻地向前推進(jìn)。它表示束縛水剝蝕油膜的速度與大孔道中水驅(qū)油的速度相等，油水界面平整，水驅(qū)油的過(guò)程象活塞一樣向前推進(jìn)，驅(qū)油效率最高。在另一些孔道中，油膜即將破裂，但注入水已進(jìn)入大孔道。它表示注入水驅(qū)油的速度大雨束縛水剝蝕油膜的速度，引起水驅(qū)油的非均勻推進(jìn)。在其他的一些孔道中，還可以看到，注入水已經(jīng)沿著巖石顆粒表面束縛水的通道突進(jìn)，已經(jīng)把油剝蝕、推離了巖石表面。但是，在大孔道中注入水的推進(jìn)則太慢，這樣就容易使油相斷裂，形成油珠，殘留在地層中。隨著注水的進(jìn)行，注入水繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，上述過(guò)程不斷重復(fù)出現(xiàn)。不同的是，在注入水中已匯入部分束縛水，成為某種程度的混合水。這樣隨著注水的進(jìn)行，在油水驅(qū)替前沿，在驅(qū)動(dòng)水中束縛水的比例也不斷在增加。在油田生產(chǎn)實(shí)踐中，在油井見(jiàn)水初期，水的礦化度較高就是對(duì)上述過(guò)程的證明。這樣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察研究，在親水地層中水驅(qū)油的機(jī)理可概括為：（1）驅(qū)替機(jī)理：在注入壓力的作用下，注入水驅(qū)替大孔道中的油，使原油向前流動(dòng)，用水替換了原來(lái)由油所占據(jù)的空間。（2）剝蝕機(jī)理：束縛水與注入水接觸，得到注入水的動(dòng)力，將原油推離顆粒的表面。在親水地層中，這種剝蝕機(jī)理在驅(qū)油過(guò)程中起著相當(dāng)大的作用。（3）兩種機(jī)理的最佳配合能最大限度地提高水驅(qū)采收率。從上述實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)看到，當(dāng)驅(qū)替速度與剝蝕速度相等時(shí)，可以得到最好的驅(qū)替效果。但是，應(yīng)當(dāng)指出，由于地層孔隙系統(tǒng)的非均勻性，其中流體的速度場(chǎng)也是非均勻的，不同孔道中的驅(qū)油速度也是隨機(jī)的，而剝蝕速度與束縛水飽和度及油水界面性質(zhì)有關(guān)。因此，只要使大部分孔道中的驅(qū)替速度與束縛水的剝蝕速度相當(dāng)就可以了，這個(gè)最佳配合的界限就是最佳驅(qū)油速度，只能結(jié)合具體的油層條件，用實(shí)驗(yàn)方法求得。 親油地層中水驅(qū)油微觀機(jī)理在該模型中，束縛水主要以水珠的形式存在，油充滿整個(gè)孔道系統(tǒng)。在親油地層中進(jìn)行水驅(qū)油時(shí)，可以看到，注入水沿著大孔道的中軸部位驅(qū)替原油，在孔道壁上的油膜可以沿壁流動(dòng)，在小孔道中殘留一部分原油。隨著注水過(guò)程的延續(xù)，油膜也越來(lái)越薄，小孔道中的油也越來(lái)越少，最后形成水驅(qū)殘余油。在水驅(qū)油的過(guò)程中，束縛水可匯入注入水內(nèi)，一同流動(dòng)，起到驅(qū)替原油的作用。從上述實(shí)驗(yàn)可以了解到，在親油地層中水驅(qū)油的主要滲流機(jī)理是：（1）驅(qū)替機(jī)理：即注入水沿著孔道的中軸部位驅(qū)替原油（2）油沿孔道壁流動(dòng)機(jī)理：在水侵入孔道將中軸部位的油驅(qū)走以后，留在孔道壁上的油主要是以此方式運(yùn)移（3）合理利用這兩種機(jī)理的目標(biāo)是減少指進(jìn)和增加壁流能力。因此，采用較低的驅(qū)替速度是合理的。 中性地層中水驅(qū)油微觀機(jī)理在中性的多孔介質(zhì)中，水驅(qū)油的機(jī)理比較復(fù)雜，從實(shí)驗(yàn)中觀察的現(xiàn)象可以知道，注入水主要沿大孔道的中軸部位驅(qū)替原油，這種現(xiàn)象與親油介質(zhì)中的相似，但是，注入水與束縛水不易接觸，在它們之間有一層油膜，因而，束縛水不流動(dòng)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，束縛水的位置和形狀幾乎沒(méi)有變化。 油藏殘余油的形成和分布機(jī)理殘余油的問(wèn)題是油田開(kāi)發(fā)的重要問(wèn)題之一，它影響油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)，影響水驅(qū)采收率的大小，也影響進(jìn)一步提高采收率技術(shù)路線的科學(xué)決策。這里所談的殘余油是指注入水波及區(qū)內(nèi)的殘余油，而水波及區(qū)（或波及體積）是指被注入水封閉的區(qū)域，其中，有被油占據(jù)的部分，也有被水占據(jù)的部分，但是它的特點(diǎn)是封閉區(qū)內(nèi)的油與封閉區(qū)以外的油是不連續(xù)的。殘余油的形成與孔隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其表面性質(zhì)有關(guān)，與油和水的性質(zhì)有關(guān)，也與驅(qū)替條件有關(guān)，所以，殘余油形成的機(jī)理是復(fù)雜的。為了敘述方便，根據(jù)多孔介質(zhì)的性質(zhì)分類來(lái)討論殘余油的形成。 在親水多孔介質(zhì)中殘余油的形成在親水多孔介質(zhì)中，水驅(qū)油的過(guò)程是潤(rùn)濕相驅(qū)替非潤(rùn)濕相的過(guò)程，正如上面所述，水驅(qū)油的微觀機(jī)理分為驅(qū)替機(jī)理和剝蝕機(jī)理，在最佳的驅(qū)油速度下，這兩種機(jī)理達(dá)到最佳配合。這時(shí)，在均勻的多孔介質(zhì)中，殘余油很少，當(dāng)驅(qū)油速度太大時(shí)，驅(qū)替機(jī)理的作用顯著大于剝蝕機(jī)理，這樣，一部分砂粒表面的油和小孔道中的油還沒(méi)有來(lái)的及剝離，孔隙中大部分空間已經(jīng)被水所占據(jù)，這部分油在被剝離以后即被水包圍，也會(huì)由于賈敏效應(yīng)而以珠狀被滯留在大孔隙中。當(dāng)驅(qū)油速度太小時(shí)，剝蝕機(jī)理遠(yuǎn)大于驅(qū)替機(jī)理，注入水沿著孔道壁進(jìn)入孔隙，把孔隙中部的油包圍起來(lái)，以珠狀滯留在孔隙中。如果多孔介質(zhì)不均勻，滲流的速度場(chǎng)也將更復(fù)雜，這將導(dǎo)致形成各種形態(tài)的殘余油。當(dāng)小孔道群被周圍大孔道所包圍時(shí)，那么，在較高的驅(qū)替速度下，水就經(jīng)大孔道運(yùn)動(dòng)，繞流包圍小孔道群，這時(shí)，小孔道群中的油將被滯留。當(dāng)大孔道群被小孔道所包圍時(shí)，那么，在較小的驅(qū)替速度下，水就進(jìn)入小孔道，而把大孔道群中的油包圍而滯留下來(lái)。 親油多孔介質(zhì)中殘余油的形成在親油的多孔介質(zhì)中，水驅(qū)油是非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相的過(guò)程，它的驅(qū)油機(jī)理是驅(qū)替機(jī)理和油沿孔道壁流動(dòng)機(jī)理，不管驅(qū)替速度大小，水主要沿大孔道中軸部位向前流動(dòng)。這樣，殘余油主要以大孔道壁上的油膜和小孔道中油柱的形式存在。當(dāng)多孔介質(zhì)非均質(zhì)嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)各種各樣形態(tài)的殘余油，如果大孔隙包圍著一個(gè)小孔隙群，那么，水將流過(guò)大孔隙而把小孔隙群包圍起來(lái)，形成小孔隙群中的一片殘余油，如果大孔隙群被小孔隙所包圍，那么，水不易進(jìn)入這些小孔隙而把這些小孔隙及其所包圍的大孔隙中的油都圈閉起來(lái)，形成連片的殘余油。 中性多孔介質(zhì)中殘余油的形成在中性多孔介質(zhì)中，水主要是沿著大孔道的中軸部位驅(qū)替原油，這一點(diǎn)與親油多孔介質(zhì)中的水驅(qū)油過(guò)程相似，殘余油的主要形式是孔道壁上的油膜和小孔道中的段塞，同時(shí)，在注入水和束縛水之間也會(huì)形成油膜。這種形成殘余油的機(jī)理還需進(jìn)一步探討。3. 注氣開(kāi)發(fā)方式及注氣驅(qū)機(jī)理 注氣開(kāi)發(fā)的方式隨著人們對(duì)注氣開(kāi)采原油技術(shù)的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)注氣開(kāi)發(fā)油田有它的優(yōu)點(diǎn)，即可以大幅度的提高驅(qū)油效率，理論上可以達(dá)到100%，但是由于氣體的密度、粘度都很低等的特點(diǎn)，容易造成粘性指進(jìn)和氣竄等問(wèn)題，大大降低了原油采收率，因此為了減小這些缺點(diǎn)對(duì)開(kāi)采效果的影響，針對(duì)開(kāi)發(fā)油田地多樣性，采取了不同的注氣開(kāi)發(fā)方式。注氣開(kāi)發(fā)方式現(xiàn)在有直接進(jìn)行天然氣、氮?dú)饣蚨趸简?qū)替、水氣交替驅(qū)、氣水交替驅(qū)和脈沖注氣開(kāi)發(fā)方式。[25][26][27]氣竄對(duì)油田開(kāi)發(fā)產(chǎn)生巨大威脅，為解決氣竄問(wèn)題，采用氣水混注的方法來(lái)控制驅(qū)替前緣，使之較為均勻地向前推進(jìn)。氣水混注在一定程度上減小了氣竄影響的程度，但其有效性受到限制，并且在氣水混注的過(guò)程中還可能出現(xiàn)其他一些問(wèn)題。例如，氣水混注可能使地層中某些部位的含水飽和度和含氣飽和度增大，使油相有效滲透率急劇降低，影響石油產(chǎn)量，因此，非均質(zhì)性和裂縫儲(chǔ)層盡量不采用該方法。按一定比例交替注入單一的水和氣驅(qū)油，按注入程序可分為水／氣交替驅(qū)和氣／水交替驅(qū)，前者為先注水，后注氣；后者為先注氣，后注水。按交替次數(shù)可分單次交替驅(qū)和多次交替驅(qū)，每次單相注入量約為孔隙體積的10%。由于交替注入了非混相的氣和水，交替驅(qū)油過(guò)程與單純水驅(qū)或氣驅(qū)有較大不同。前者是油、氣、水三相在孔隙中共同滲流過(guò)程，油、氣、水的分布各不相同。先注入的氣體具有氣驅(qū)油的特征：氣體分散占據(jù)大孔道，在滲透性較好的孔隙和層中氣體飽和度較高。改為水驅(qū)后，由于氣泡產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)使得水在大孔道或滲透性好的層中滲流阻力增大，驅(qū)動(dòng)壓力升高，高于單一介質(zhì)驅(qū)替。由于驅(qū)動(dòng)壓差的升高，迫使部分注入水向滲透性較差的區(qū)（層）中分流，增加了細(xì)小孔隙的自吸幾率，既擴(kuò)大了水的波及面積，也提高了單位孔隙的掃油效率，因?yàn)闅怛?qū)后的孔隙中仍有油存在于喉道處和孔壁上。注入水的一部分仍將沿大孔隙流動(dòng)，它將占據(jù)大孔隙中的氣體壓縮并沿氣體“讓開(kāi)”的空間滲流，其中有部分氣體被水驅(qū)動(dòng)隨之滲流。被驅(qū)動(dòng)的氣體進(jìn)入下個(gè)孔隙仍占據(jù)它，對(duì)流動(dòng)的水具有一定的阻力，所以說(shuō)擴(kuò)大波及面積是隨氣的流動(dòng)產(chǎn)生的。由于模型親水，氣驅(qū)后殘余在喉道處的油被水以活塞的方式驅(qū)出。被驅(qū)動(dòng)的油不是以水的形式驅(qū)氣，而是以油膜的形式沿大孔隙中的氣體表面流動(dòng)，進(jìn)入下一個(gè)喉道聚合成一個(gè)油段（喉道處），油在孔一喉之間循環(huán)，“油段一油膜一油段”的流動(dòng)方式交替出現(xiàn)在孔一喉之間。而水的流動(dòng)則須對(duì)氣體進(jìn)行壓縮才可流動(dòng)，因此，氣可以降低水的流動(dòng)能力。先注入的水具有單純的水驅(qū)特征：一部分水以非活塞的驅(qū)油方式進(jìn)入到大孔道中，另一部分則以活塞式進(jìn)入細(xì)小孔道和喉道中，將其中的油排出。滯留在大孔道中的油被水分割包圍，形成孤立的、不連續(xù)的狀態(tài)。因而，大大降低了油相的流動(dòng)能力。注入的氣體因大孔道中的油和水及喉道處水增加的毛管阻力，驅(qū)替壓力明顯升高，比氣／水驅(qū)的壓力高，氣體主要沿含油孔道以活塞式驅(qū)油。因?yàn)椋蜐?rùn)濕相而言，水為潤(rùn)濕相，它對(duì)孔壁的附著力大于油相，所占據(jù)孔道的滲流阻力相對(duì)較大。由于先注入的水在孔壁上鋪上了一層較厚的水膜，這部分水在孔隙迂曲度大的地方偏多，在不同程度上也減小迂曲度，孔隙的粗糙度也因水膜的存在而降低。較單純氣驅(qū)中的殘余油明顯減少。水/氣交替驅(qū)過(guò)程中，部分氣驅(qū)中的特征，如“卡斷一聚并”及“間歇式”流動(dòng)特征較單純氣驅(qū)更為明顯。由于三相流體同存于孔道中，流體的比表面積增大及水占據(jù)喉道，阻礙氣體的流動(dòng)，致使驅(qū)動(dòng)壓力升高。氣體較容易在滲透性好的區(qū)（層）形成氣竄，此現(xiàn)象在非均質(zhì)模型中尤其突出，不利于擴(kuò)大波及面積。經(jīng)過(guò)單次交替驅(qū)后的模型中的各相流體飽和度相差不大，隨著驅(qū)替的不斷進(jìn)行，飽和度的變化是油相逐漸下降，氣、水飽和度升高，水相升高得最快，參與滲流的三相流體中，油、氣為非連續(xù)相。水因其潤(rùn)濕力最強(qiáng)而為連續(xù)相。其相對(duì)滲透率呈上升趨勢(shì)；氣相雖也上升，但幅度較小，其流動(dòng)能力隨水相上升而逐漸下降。三相流動(dòng)過(guò)程中油的“油段—油膜—油段”流動(dòng)形式是主要形式。隨著交替驅(qū)的進(jìn)行，模型孔隙中含水飽和度逐漸增加，注入水開(kāi)始占據(jù)大孔道，在孔道中部形成連續(xù)相，氣相則以更小的氣泡形式滲流。由于孔隙中流體的比表面積進(jìn)一步增加，使得任何一種流體的注入驅(qū)替壓力均較高。剩余的油以油膜形式聚集在氣的周圍，在孔喉處油膜較厚，聚集的油也較多，水驅(qū)氣時(shí)，也將油采出。油氣水三相滲流時(shí)，其流動(dòng)能力在大小孔道中各不相同，大孔道中油氣水交叉共存，油膜在氣體周圍，油外有水，油相沿氣水界面流動(dòng)。在較細(xì)孔道中，則以氣驅(qū)水、水驅(qū)油形式滲流，油水、氣水界面