CN109519156A - 一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，包括：(1)根据储层总厚度与物理平板模型高度的相似比，将储层中相邻且渗透率相似的井段合并为一个小层，缩小于平板模型上；(2)制作平板模型；(3)制作剖面填砂模型，按实际储层剖面顺序，往平板模型的凹槽填充石英砂，进行胶结，在填砂模型的对应位置放置不渗透隔板；(4)建立或控制储层打开程度；(5)恢复气藏原始状态；(6)建立边水系统；(7)控制采出速度，模拟气藏开采过程；(8)数据处理，获得水侵剖面直观饱和度分布图及气藏采收率。本发明原理可靠、操作简便，测量结果直观，能够模拟边水气藏开发过程中水体推进情况，为该类气藏高效开发提供技术手段。

Description

一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法

技术领域

本发明涉及一种边水气藏水驱剖面模型渗流实验方法，属于石油与天然气勘探开发领域。

背景技术

对于埋藏深、储层厚、非均质性强、边水较强的气藏，韵律差异的水驱机理不清楚，而水体的推进直接影响气藏采收率。所以弄清楚水体随着气藏开采在地层中的推进规律对预防井底过早见水有重大意义。由于技术设备的限制，目前无法在原始储层的高温高压条件下，对大面积的水驱剖面进行可视化的物理模拟。

所述水驱剖面是指：存在边水水体的气藏在开发过程中，水体沿着各个层位上推进的情况在纵向上的分布。水驱剖面可以用来反映储层的复杂性，为分层或厚层开采和防止井底过早见水提供依据，因此对于提高边水气藏开采效率具有重要的意义。

目前常用的边水气藏见水预测方法主要有以下两种：(1)气藏工程法(王会强.边水气藏气井见水时间预测方法.特种油气藏,2008,15(4):73-74)，假设地层为均质，利用气水两相渗流的基本规律，通过数学推导，得到了边水气藏见水的预测方法，在相对均质的储层中，实践证明具有一定的实用性，但该方法无法考虑储层的非均质性，对于纵向非均质性强的储层，见水时间误差很大。(2)数值模拟法(刘晓娟.水驱油藏二维剖面的含水饱和度分析法.西北大学学报(自然科学版),2012,42(4):000637-641)，通过直接建立区块数值模拟模型来研究水驱剖面的推进，但由于其要求参数多，工作量大，特别是在气藏开发早期的现场应用中存在一定的局限性。

本发明解决了高温高压下大面积水驱剖面物理模拟这一难题，进而成功模拟气藏水体推进情况，为开发边水气藏提供了重要的理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，该方法原理可靠、操作简便，测量结果直观，能够在更接近实际生产条件下，模拟边水气藏开发过程中水体推进情况，分析水体对气藏采收率的影响，为该类气藏高效开发提供技术手段。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，依次包括以下步骤：

(1)根据全井段岩心取芯物性测试资料中实际储层的总厚度，得出储层总厚度与物理平板模型高度的相似比，将储层中相邻且渗透率相似的井段合并为一个小层，小层厚度按照相似比缩小于平板模型上，实验所需其余物性资料均与实际储层保持一致。

(2)制作平板模型：

平板模型由两块长宽度相同、内部有凹槽的平板组成，外有流体注入接口和流体采出接口，内有流体物性测试点，测试点分布流体物性测试探头；平板模型的注入端连接地层水样品中间容器、氮气中间容器和高压驱替泵，还连接地层水样品压力容器，平板模型的采出端连接气水分离器、质量流量计、气量计；平板模型连有加热温控系统、压力感应器和数据采集系统；该平板模型由垂直举升机构控制角度。

(3)制作剖面填砂模型：

按实际储层剖面顺序，往平板模型的凹槽一层一层填充石英砂，石英砂颗粒大小根据真实储层岩心粒度选择，在一定压力下进行胶结，使其孔隙度、渗透率等物性条件与实际储层接近，形成剖面填砂模型；在填砂过程中，根据实际储层中隔夹层位置(隔夹层是指在储层剖面中，在横向上连续或不连续呈现出低渗透或不渗透岩层)，在填砂模型的对应位置放置不渗透隔板模拟隔夹层,旋紧平板模型螺栓，密封整个平板模型。

(4)建立或控制储层打开程度：

在平板模型的采出端纵向上分成多个(不低于2个)不连通的区间段，每一个区间段单独外接一个阀门，以便于采出时可以分段或同时打开，从而控制剖面采出端的打开程度。

(5)恢复气藏原始状态：

通过垂直举升机构将平板模型垂直放置，注入端在下，采出端在上，由真空泵对平板模型抽真空，然后自下而上对填砂模型饱和地层水并确定孔隙体积；再将平板模型升温至储层温度，注入端在上，采出端在下，从上向下对填砂模型进行气驱，恢复至原始束缚水状态，确定填砂模型的含气饱和度和束缚水饱和度；最后给平板模型持续加压，直到压力恢复到原始储层状态。

所述步骤(5)恢复气藏原始状态，具体过程如下：

1)通过垂直举升机构将平板模型垂直放置，注入端在下，采出端在上，由真空泵从采出端对平板模型抽真空；

2)通过高压驱替泵和地层水样品中间容器从下向上向填砂模型注入地层水，当模型内地层水达到饱和状态，注入的地层水体积即为填砂模型的孔隙体积；

3)平板模型的注入端在上，采出端在下，将平板模型升温至储层温度，通过高压驱替泵和氮气中间容器从上向下对填砂模型注入氮气，直至气水分离器中不再产生地层水时停止，填砂模型内的地层水即为束缚水，计量采出的地层水体积，采出的地层水体积除以孔隙体积，即为填砂模型的含气饱和度，1-含气饱和度即为填砂模型的束缚水饱和度；

4)向填砂模型和地层水样品压力容器注入但不采出氮气，使填砂模型内部压力升高至原始储层压力。

(6)建立边水系统：

根据填砂模型的孔隙体积和含气饱和度计算含气孔隙体积，根据气藏水体倍数和含气孔隙体积确定地层水样品压力容器的体积。

将地层水样品压力容器装满地层水，由高压驱替泵加压，通过氮气中间容器将氮气驱入地层水中，直到地层水样品压力容器的压力恢复到原始储层压力。

在平板模型的注入端设有多个阀门，分别对应平板模型的采出端纵向上分成的区间段，用来控制地层水与各小层的接触位置，从而模拟气水界面位置。

在平板模型的注入端还设有金属滤网，可以将流入滤网的地层水由点发散为面，使地层水在纵向剖面上均匀注入。

(7)控制采出速度，模拟气藏开采过程：

通过垂直举升机构将平板模型调整为地层真实倾角，将质量流量计设定恒定的流速实现定产量开采，通过平板模型采出端的阀门控制储层打开程度，通过压力感应器实时记录井底压力。

除了通过质量流量计设定恒定的流速实现定产量开采，还可通过回压阀设置恒定的回压实现定井底流压生产。

(8)数据处理，获得水侵剖面直观饱和度分布图及气藏采收率：

随着平板模型内部压力下降，水体体积膨胀而进入填砂模型内部，数据采集系统实时收集流体物性测试点测量的填砂模型中相应位置的含水、含气饱和度，输入配套的软件中，即可生成水侵剖面直观饱和度分布图；通过气量计实时读取产气总量，计算气藏采收率。

气藏采收率＝产气总量/模型总储量。

模型总储量＝含气饱和度*孔隙体积/地层条件下氮气体积系数。

本发明所用的重要仪器及部件说明如下：

(1)全自动高压驱替泵：其工作体积大，能为剖面模型提供驱替压力源，以完成水饱和及气驱水过程，建立束缚水。

(2)平板模型：提供实验所用的平板承压型腔，能承受压力70MPa，温度150℃，剖面模型体积为80cm×30cm×1cm。材质为高碳钢。包括底板、盖板、密封条、紧固螺栓、流体注入接口、流体采出接口。

(3)垂直举升机构：主要由活塞面积为φ160mm、行程500mm标准气缸作举升装置，通过0～1MPa气压作动力进行。可对平板模型进行0～90°旋转。

(4)加热温控系统：在平板模型的底板和盖板上均安装有用于加热的加热管，通过温控系统进行探温和控温。

(5)剖面流体物性测试点：平板模型内部加工分布有90个流体物性测试点，每个测试点安装有超声波探头组件、电极测量仪以及阀门，用于流体取样及测量填砂模型中相应位置的含水、含气饱和度。

(6)压力监测系统:在平板模型的进口端和出口端安装测压传感器，用以观测控制模型的压力变化。

(7)流量控制系统：采用高压质量流量计进行设置与控制，实现不同速度采气过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明借助平板模型，平面空间足够大，允许按照实际储层剖面的物性参数来构造复杂的非均质韵律性剖面填砂模型，还可考虑隔夹层的影响，相比传统的剖面模型更接近实际气藏的地质状况。并且分布于剖面模型上的流体物性测试探头能实时监测填砂模型中流体物性变化，更加直观的显示边水流动过程。

(2)本发明可以进行不同开采速度下的水体推进情况。

(3)本发明通过在剖面模型采出端纵向上可设置不同独立分段，可以实现剖面井段的不同射开程度。

(4)本发明根据水体大小，可在剖面模型中考虑水体能量的影响，并模拟气水接触情况及储层倾角。

本发明结合高温高压平板模型和图像处理技术，实时监控剖面模型各个位置的气相、水相饱和度变化，更直观地描述边水气藏实际渗流过程。本发明实际操作性强，为更好地认识边水气藏水驱剖面的动态变化以及后续开发措施的调整提供技术支持。

附图说明

图1为边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验装置结构示意图。

图2为高温高压平板模型结构示意图。

图中：1—高压驱替泵，2、3—阀门，4—地层水样品中间容器，5—氮气中间容器，6、7—阀门，8—地层水样品压力容器，9、10、11、12—阀门，13—金属滤网，14—填砂模型，15—平板模型，16—数据采集系统，17—压力感应器，18—不渗透隔板，19—短金属条，20、21、22—阀门，23—真空泵，24—阀门，25—压力感应器，26—阀门，27—气水分离器，28—排水阀，29—阀门，30—干燥器，31—质量流量计，32—回压阀，33—阀门，34—气量计，35—紧固螺栓，36—流体注入接口，37—流体物性测试探头，38—流体采出接口，39—加热温控系统，40—垂直举升机构。

图3为合并分层后的全井段岩心水平渗透率归位图。

图4为1/3储层打开程度、500ml/min配产下、生产时间为0.5h时的水侵分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明。

本发明依靠边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验装置完成，该装置(见图1)由高压驱替泵1、地层水样品中间容器4、氮气中间容器5、地层水样品压力容器8、平板模型15、气水分离器27、质量流量计31、气量计34组成，平板模型15的注入端连接地层水样品中间容器4、氮气中间容器5和高压驱替泵1，还连接地层水样品压力容器8，平板模型的采出端连接气水分离器27、质量流量计31、气量计34；平板模型还连有加热温控系统39、压力感应器17、25和数据采集系统16；该平板模型由垂直举升机构40控制角度。

平板模型15(见图2)由两块长宽度相同、内部有凹槽的平板组成，外有流体注入接口36和流体采出接口38，内有流体物性测试点，测试点分布流体物性测试探头37。

平板模型15内部充填剖面填砂模型14，其孔隙度、渗透率等物性条件与实际储层接近，根据实际储层中隔夹层位置，在填砂模型的对应位置放置不渗透隔板18模拟隔夹层,旋紧平板模型的紧固螺栓35，密封整个平板模型。

实施例

(1)将全井段岩心取芯物性测试资料转化为剖面实验基础数据

参看图3。

全井段岩心水平渗透率归位图显示储层总厚度约为100m左右，平板模型高度为30cm，两者相似比约为1000:3。将岩心渗透率相近井段合并为一个小层，渗透率取平均值。如图中折线所示将储层划分为12个小层，其厚度按照相似比1000:3缩小物理实验当中。其渗透率不变。

表1：实际井剖面转化为剖面模型中基础数据

	第1层	第2层	第3层	第4层	第5层	第6层	第7层	第8层	第9层	第10层	第11层	第12层
													顶深/m	3700	3724	3731	3742	3750	3754	3761	3773	3776	3779	3784	3788
底深/m	3724	3731	3742	3750	3754	3761	3773	3776	3779	3784	3788	3801
													层厚/m	24	7	11	8.3	3.5	7.6	11.8	2.3	3.9	4.6	4.3	12.8
模型中厚度/cm	7.1	2.1	3.3	2.5	1	2.3	3.5	0.7	1.2	1.4	1.3	3.8
													模型中渗透率/mD	1	20	15	30	0.1	30	5	40	5	80	10	200

(2)剖面填砂模型制作

根据剖面实验数据，往平板模型15里面一层一层填充石英砂，然后胶结。颗粒大小根据真实岩心粒度选择，根据事先建立的孔渗与粒度等的相关性选择配方的材料进行填充，以保证小层的物性和真实储层相近，填充完毕后旋紧紧固螺栓，密封整个平板模型。

(3)填砂模型中隔夹层制作

根据测井资料显示，储层中的第五层在横向存在不连续的隔夹层，隔夹层的位置和长度根据相似比换算到填砂模型中。从进水端起算，在横向10-30cm、50-70cm的位置放置两个不渗透隔板18，其余位置依然进行填砂，渗透率与上下层一致。

(4)储层打开程度控制系统建立

参看图1。

储层打开程度控制系统以3段为例，主要由短金属条19和阀门20、21、22组成。

在平板模型右侧纵向上1/3和2/3的位置各焊接一块长度为1cm的短金属条19，将填砂模型分为3段，防止气体和地层水沿右测边缘纵向窜流。通过阀门20、21、22的开关即可控制储层的打开程度。仅打开阀门20，可实现储层1/3打开程度开采；打开阀门20和阀门21，可实现储层2/3打开程度开采；同时打开阀门20、21和22，可实现储层3/3打开程度开采。

(5)边水系统建立

参看图1。

边水系统主要由地层水样品压力容器8、阀门10、11、12及长条形金属滤网13组成。

地层水样品压力容器8中的水样根据实际地层水水样分析资料配制。

阀门10、11、12可以控制地层水与各小层的接触位置，从而模拟气水界面位置。

金属滤网13可以将流入滤网的地层水由点发散为面，使地层水在纵向剖面上均匀注入。

将地层水样品压力容器8装满地层水，恢复到原始地层温度压力条件，当填砂模型14内部压力下降后，水体体积膨胀而进入填砂模型14内部。

(6)实验关键操作流程

a)按照图1、图2所示连接所有仪器及部件。

b)根据地层实际情况制作填砂模型14，密封整个平板模型15，通过直举升机构40将平板模型按逆时针方向旋转90度置，注入端(注入接口36)在下，采出端(采出接口38)在上。关闭阀门10、11、12，打开阀门20、21、22、24，使用真空泵23对填砂模型抽真空，抽真空时间不少于6小时。抽完真空关闭阀门20、21、22、24，打开阀门2、6、10、11、12，通过高压驱替泵1和地层水样品中间容器4向填砂模型注入地层水。当驱替泵压力升高时停泵，待压力降落时再开泵，反复操作多次，直到停泵后压力在20分钟内保持稳定不下落，此时岩心模型内地层水达到饱和状态。通过高压驱替泵1可读取注入地层水体积，该体积即为填砂模型的孔隙体积。

c)打开加热温控系统39将平板模型的温度升到地层温度，关闭阀门2、6，打开阀门3、7。通过自动高压驱替泵1和氮气中间容器5从上向下对填砂模型注入氮气。打开阀门20、21、22、26、29、33，直至气水分离器27中不再产生地层水时，填砂模型内的地层水即为束缚水。计量采出的地层水体积，采出的地层水体积除以孔隙体积，即为填砂模型的含气饱和度；1-含气饱和度即为填砂模型的束缚水饱和度；关闭阀门20、21、22，打开阀门9，继续向填砂模型14和地层水样品压力容器8注入但不采出氮气，使填砂模型内部压力升高至原始地层压力，通过压力感应器17可以读取填砂模型压力值。在原始地层温度下，等待2小时以上，至此填砂模型便成功恢复到了气藏原始状态。

d)模拟气藏开采过程：通过垂直举升机构40将平板模型调整为地层真实倾角，本实验为5度的地层倾角。质量流量计31可以设定恒定的流速模拟生产井的配产，实现定产量开采。通过阀门20、21、22来模拟生产井生产和控制储层打开程度，压力感应器25实时记录井底压力。除了通过质量流量计31设定恒定的流速实现定产量开采，亦可通过回压阀32设置恒定的回压来实现定井底流压生产。

e)测试边水推进剖面及采收率：分布于平板模型15内的90个流体物性测试点37，通过超声波探头组件、电极测量仪实时测量填砂模型中相应位置的含水、含气饱和度信息，并将信息反馈给数据采集系统16；气量计34可以实时读取产气总量，进而计算出采收率。

(7)采出速度控制

质量流量计31可以设定不同的出气速度。为了防止水进入质量流量计，在质量流量计前加装气水分离器27和干燥器30。气水分离器27用来分离开采的气相和水相，排水阀28可以排掉气水分离器27中的水，防止水溢出。干燥器30用来进一步干燥从气水分离器27分离出的气，保证质量流量计31的精密性不受影响。

(8)获得水侵剖面直观饱和度分布图及气藏采收率

将数据采集系统16收集的数据输入配套的软件中，即可生成水侵剖面直观分布图。由于软件生成的为颜色渐变的彩图，不易清晰分辨水淹区域，故将图像进行了二值化处理。图4为1/3储层打开程度、500ml/min配产下、0.5h生产时间时的水侵分布图，深色部分代表边水侵入的范围，浅色部分代表仍未被波及的范围。

通过气量计34获得产气总量，计算气藏采收率。

上述的实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，依次包括以下步骤：

(1)根据实际储层的总厚度，得出储层总厚度与物理平板模型高度的相似比，将储层中相邻且渗透率相似的井段合并为一个小层，小层厚度按照相似比缩小于平板模型上；

(2)制作平板模型：

平板模型由两块长宽度相同、内部有凹槽的平板组成，外有流体注入接口和流体采出接口，内有流体物性测试点，测试点分布流体物性测试探头；平板模型的注入端连接地层水样品中间容器、氮气中间容器和高压驱替泵，还连接地层水样品压力容器，平板模型的采出端连接气水分离器、质量流量计、气量计；平板模型连有加热温控系统、压力感应器和数据采集系统；该平板模型由垂直举升机构控制角度；

(3)制作剖面填砂模型：

按实际储层剖面顺序，往平板模型的凹槽一层一层填充石英砂，石英砂颗粒大小根据真实储层岩心粒度选择，进行胶结，使其孔隙度、渗透率与实际储层接近，形成剖面填砂模型；根据实际储层中隔夹层位置，在填砂模型的对应位置放置不渗透隔板，旋紧平板模型螺栓；

(4)建立或控制储层打开程度：

在平板模型的采出端纵向上分成多个不连通的区间段，每一个区间段单独外接一个阀门，采出时可以分段或同时打开，控制剖面采出端的打开程度；

(5)恢复气藏原始状态：

将平板模型垂直放置，注入端在下，采出端在上，由真空泵对平板模型抽真空，然后自下而上对填砂模型饱和地层水并确定孔隙体积；再将平板模型升温至储层温度，注入端在上，采出端在下，从上向下对填砂模型进行气驱，恢复至原始束缚水状态，确定填砂模型的含气饱和度和束缚水饱和度；最后给平板模型持续加压，直到压力恢复到原始储层状态；

(6)建立边水系统：

将地层水样品压力容器装满地层水，由高压驱替泵加压，通过氮气中间容器将氮气驱入地层水中，直到地层水样品压力容器的压力恢复到原始储层压力；

(7)控制采出速度，模拟气藏开采过程：

垂直举升机构将平板模型调整为地层真实倾角，质量流量计设定恒定的流速实现定产量开采，通过平板模型采出端的阀门控制储层打开程度，通过压力感应器实时记录井底压力；

(8)数据处理，获得水侵剖面直观饱和度分布图及气藏采收率：

随着平板模型内部压力下降，水体体积膨胀进入填砂模型内部，数据采集系统实时收集流体物性测试点测量的填砂模型中相应位置的含水、含气饱和度，输入配套的软件中，即可生成水侵剖面直观饱和度分布图；通过气量计实时读取产气总量，计算气藏采收率。

2.如权利要求1所述的一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，其特征在于，所述步骤(5)恢复气藏原始状态，具体过程如下：

1)通过垂直举升机构将平板模型垂直放置，注入端在下，采出端在上，由真空泵从采出端对平板模型抽真空；

2)通过高压驱替泵和地层水样品中间容器从下向上向填砂模型注入地层水，当模型内地层水达到饱和状态，注入的地层水体积即为填砂模型的孔隙体积；

3)平板模型的注入端在上，采出端在下，将平板模型升温至储层温度，通过高压驱替泵和氮气中间容器从上向下对填砂模型注入氮气，直至气水分离器中不再产生地层水时停止，填砂模型内的地层水即为束缚水，计量采出的地层水体积，采出的地层水体积除以孔隙体积，即为填砂模型的含气饱和度，1-含气饱和度即为填砂模型的束缚水饱和度；

4)向填砂模型和地层水样品压力容器注入但不采出氮气，使填砂模型内部压力升高至原始储层压力。

3.如权利要求1所述的一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据填砂模型的孔隙体积和含气饱和度计算含气孔隙体积，根据气藏水体倍数和含气孔隙体积确定地层水样品压力容器的体积。

4.如权利要求3所述的一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，其特征在于，所述步骤(6)中，在平板模型的注入端设有多个阀门，分别对应平板模型的采出端纵向上分成的区间段。

5.如权利要求3所述的一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，其特征在于，所述步骤(6)中，在平板模型的注入端设有金属滤网，将流入滤网的地层水由点发散为面，使地层水在纵向剖面上均匀注入。

6.如权利要求1所述的一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，其特征在于，所述步骤(7)中，还可通过回压阀设置恒定的回压实现定井底流压生产。

7.如权利要求1所述的一种边水砂岩气藏水驱剖面模型渗流实验方法，其特征在于，所述步骤(8)中，通过如下公式计算气藏采收率：

气藏采收率＝产气总量/模型总储量

模型总储量＝含气饱和度*孔隙体积/地层条件下氮气体积系数。