缝洞油藏内的调流剂速度分布模型及在流道调整中的运用*

舒 政，梁旭伟，钱 真，叶仲斌，朱诗杰

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川成都 610500；2.中国石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830011）

碳酸盐岩缝洞型油藏的基质基本没有储渗能力，以复杂的缝洞系统作为主要储集空间，具有很强的非均质性和复杂的油水关系［1-4］，主要通过注水开发提高油田采出程度。在注水过程中，由于注入水沿着裂缝、溶洞条带高速窜流，在注采井组之间形成明显的优势通道，导致水驱波及范围有限，注水效果逐渐变差［5］。向地层注入调流剂，使调流剂在缝洞中发生沉降、堆积，能够有效封堵窜流通道，扩大注入水的波及体积，提高井组或区块整体的开发效果［6-7］。由于调流剂进入溶洞后会大量滞留在溶洞空间内，阻碍调流剂进一步向油藏深部运移，降低调流剂的封堵效果，提高了调流剂用量和作业成本。因此在调流作业中，调流剂应当能在流入溶洞之前就在裂缝中产生有效沉降和堆积。由于流速对调流剂在裂缝中的堆积位置、堆积形态均有明显影响，因此明确调流剂在油藏内的速度分布，研究调流剂在裂缝中的运移特征规律对于调流施工设计非常重要。

目前对调流剂在裂缝中运移特征规律的主要研究方法为室内物理实验模拟［8-11］和理论计算推导［12-15］。室内实验主要通过平板裂缝模型模拟颗粒在裂缝中的流动，获得可视化数据进行分析。理论计算推导主要基于Stokes 定律，从流体力学的基础公式进行理论推导，得到描述颗粒在流体中的自由沉降方程，并对所建立的方法或模型进行解析方法或数值方法求解，得到各种条件下的理论结果，进而指导工作实践［16］。

本文基于简化的裂缝模型，推导出调流剂在油藏裂缝内不同位置的速度分布，将速度分布模型与TH 缝洞型油藏的某典型井组资料结合，计算出调流剂在油藏调流作用半径内的速度变化。进一步通过CFD模拟软件Fluent（美国Ansys公司）评价了不同流速下调流剂在裂缝中的运移规律，从而建立了流道调整效果与施工排量之间的关系，对缝洞型油藏的调流施工设计具有指导意义。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

TH缝洞型油藏典型井组:TK825CH井组；现场用水矿化度15×104数22×104mg/L，CaCl2型，密度平均值为1.14 g/cm3，pH平均值为6.13；弹性橡胶颗粒调流剂（密度1.19 g/cm3），微量隐现光示踪剂BY-1，TH采油三厂提供。

1.2 流速分布模型

实际地层中裂缝的形态（产状、缝高、缝宽）、方向（垂直缝、水平缝、斜缝）及分布密度均存在差异，同时裂缝之间彼此交叉贯穿使渗流情况更加复杂，难以分析调流剂在地层中的运移情况。因此建立的模型中，将地层中的裂缝简化为具有均匀形态和分布密度的垂直缝，同时假设基质无渗流能力，仅考虑调流剂在裂缝内的运移。取一定流动半径的地层微元（见图1），按式（1）计算该半径下的裂缝过流面积Afi，即可根据排量q得到裂缝中的流速。

图1 地层微元示意图

其中，Afi—地层微元中的裂缝过流面积，m2；wi—缝宽，m；hi—缝高，m；wf—平均缝宽，m；hf—平均缝高，m；ni—裂缝条数。则在一定流动半径ri下，裂缝中的流速vri为:

从而可得流体从井壁流至某流动半径ri（ri≤d/2，d为井距）的时间tri:

进一步可得流体从井壁流至某流动半径ri的平均速度:

由于缝洞油藏的地质特征，注采井间普遍存在优势通道，注入流体波及效率很低，致使流体前缘推进速度远高于理想的均匀推进的情况。因此引入平面波及系数E（平面过流面积和理想面积的比值）和油藏等吸水厚度系数C（纵向吸水厚度与油层厚度的比值）来表征调流剂的波及效果，再加上平均油层厚度H（m）和裂缝面密度ρf（条/m2），可得实际波及区域的地层微元裂缝条数:

进一步得:

在式（6）、式（7）中，平均油层厚度H和油藏等吸水厚度系数C可以通过测井结果确定；平均缝宽wf、平均缝高hf和裂缝面密度ρf可以通过岩心成像识别结果确定。平面波及系数E 无法直接获得，可由现场示踪剂监测资料推算出注入流体的平均速度，带入式（7）反算出平面波及系数E。

2 结果与讨论

2.1 典型井组的流速分布

对于TH 缝洞型油藏的典型TK825CH 井组，由井组电成像测井识别结果获得目标区块的相关参数如下:平均缝高（hf）0.9 m、平均缝宽（wf）2.2 mm、裂缝密度（ρf）15 条/m2、日排量（q）27.3 m3、平均油层厚度（H）57.99 m，等吸水厚度系数（C）取0.3、井径（rw）0.1492 m、平均井距（d）1859.6 m。据此得到不同流动半径对应的流速表达式，如式（8）、式（9）所示。

TK825CH井组现场注水排量为27.3 m3/d，相应的示踪剂监测结果如表1所示。

表1 TK825CH井组注水示踪剂监测结果

根据注采井之间的平均井距与示踪剂平均突破时间，计算出流体在地层中整体的平均速度为179.27 m/d。即q=27.3 m3/d、ri=d/2=929.8 m时，vˉri=179.27 m/d，带入式（9），求得E=0.0001。

注调流剂过程中，为了防止调流剂在近井地带卡堵，达到深部调驱的目的，流道调整施工采用0.3数0.5 m3/min 大排量。将调流剂注入排量带入式（8），获得现场施工排量下，调流剂在地层中的速度分布曲线，如图2所示。

图2 现场施工排量下调流剂在地层中的流速分布曲线

2.2 基于速度分布的调流剂运移特征模拟

2.2.1 裂缝模型建立

取流动半径1 m 对应的流速至平均井距的1/3处（620 m）对应的流速为模拟流速范围，据图2 可知，随着调流剂流动半径由1 m 增至620 m，其流速由25 m/s 逐渐降至0.025 m/s。由此结合现场施工条件，确定调流剂运移模拟的参数如下:缝宽2.2 mm、缝长20 m、缝高0.9 m、调流剂密度1.19 g/cm3、调流剂加量20%、携带液黏度1 mPa·s、地层水密度1.14 g/cm3、模拟注入速度范围0.025数25 m/s。通过Fluent建立裂缝模型，并使用Mixture模型来模拟各相速度不同的多相流动［17-18］。求解采用Simplec算法进行速度和压力耦合，对裂缝内的固液两相流动进行数值分析［19］。

2.2.2 不同流速的调流剂运移特征模拟

在模型中赋予调流剂不同的初始注入速度，模拟不同流速下调流剂在裂缝中的运移特征。通过考察形成堆积体的位置、高度和疏松程度，评价不同速度调流剂对裂缝的封堵效果。（1）在25 m/s流速下，地层水对调流剂的携带能力很强，调流剂进入裂缝后，基本无沉降趋势。由于存在密度差异，调流剂进入裂缝0.8 m 后逐渐沉降堆积，同时流体会进一步将沉降下来的调流剂向裂缝深处冲刷携带。因此，该流速下随着运移距离的增加，调流剂在裂缝底部的堆积高度增加，且调流剂堆积体非常疏松，最大堆积高度约0.1 m，调流剂所占体积分数为8.72%。（2）在2.5 m/s 流速下，调流剂进入裂缝后略有沉降趋势。在进入裂缝0.6 m 后开始出现堆积，随着运移距离的增加，裂缝底部堆积高度增加，且调流剂堆积体较为疏松，堆积最高高度约0.1 m，调流剂所占体积分数为35.8%。（3）在0.25 m/s 流速下，调流剂进入裂缝有明显的沉降，约0.5 m即出现堆积。在堆积形成的位置，裂缝的过流面积减小，后续流体流经时的速度增加，导致流体对沉降下来的调流颗粒携带能力增强，从而降低堆积体的高度；而堆积体高度降低又使得后续流体速度降低，调流剂的沉降趋势加强，最终形成冲刷携带与堆积沉积的动态平衡。调流剂堆积区域调流剂体积分数占到60%以上，在距离入口处6 m 堆积高度达到最大0.45 m，为缝高的50%。（4）在0.025 m/s流速条件下，由于存在密度差异，调流剂进入裂缝立刻开始沉降，在入口处即形成堆积。该流速下流体对调流剂携带能力较弱，因此调流剂大部分在裂缝前部沉降，形成了前高后低的堆积体形态。堆积最高处出现在距离入口0.65 m处，堆积高度为0.28 m，调流剂体积分数占到60%以上。0.65数7 m间的堆积高度逐渐降低，在7 m之后趋于平缓，堆积高度0.07 m。

不同注入速度下调流剂的运移特征模拟结果如图3 所示。随着注入速度的增加，流体对调流剂的携带能力增强，调流剂不易发生沉降堆积，距离入口的堆积位置更加靠后，堆积高度降低，调流剂在堆积体中的体积分数降低，即堆积体变得疏松。根据调流剂的堆积形态综合判断，调流剂流速低于0.25 m/s时才可以形成有效堆积体。

图3 不同注入速度下调流剂的运移特征模拟结果

调流剂向地层深部传播过程中，如果存在较大的溶洞空间，调流剂将在溶洞内大量沉降，造成调流剂浪费，流道调整效果差。因此，可以基于生产动态和地震资料对缝洞储层的刻画结果来判断溶洞在注采主流线方向上的位置，根据式（6）调整施工排量，使调流剂在进入溶洞之前即形成有效堆积。以TK825CH井为例，假设注采主流线方向100 m 位置存在溶洞，那么调流剂应该在主流线方向运移100 m之前发生堆积才能有效封堵流道。根据模拟结果，调流剂在ri=100 m 时的流速νri应小于等于0.25 m/s，带入式（8）可得施工排量q≤0.487 m3/min。

3 结论

基于简化的裂缝模型，推导出调流剂在油藏裂缝内不同位置的速度分布。将速度模型应用于TH油田典型井组，计算出现场施工排量下，随着流动半径由1 m 增至1/3 井距（620 m）时，调流剂流速由25 m/s 逐渐降至0.025 m/s。随着调流剂速度降低，在裂缝中堆积形成的位置更加靠前，堆积高度增加，堆积体的致密程度增加。调流剂流速低于0.25 m/s时可以形成有效的堆积体。要实现调流剂在主流线方向100 m 位置可以有效封堵裂缝，施工排量应小于0.487 m3/min。结合调流剂速度分布模型和不同流速下调流剂在裂缝中的运移规律模拟结果，建立了流道调整效果与施工排量之间的关系，对缝洞油藏调流作业具有指导意义。