溶蚀孔洞是指孔洞直径0.2~20.0 cm, 溶蚀作用形成的不规则孔、洞呈层状或带状分布, 并与周边的溶蚀缝共同构成层状或带状的缝洞系统^[4]。根据成像测井、岩心、野外露头、地下溶洞观察分析, 溶蚀孔洞型储集层横向均匀发育且连续性较好, 孔洞呈蜂窝状、串珠状或不规则状, 孔洞直径大于2 mm, 储集层多为薄层状分布^{[5, 6, 7, 8]}。圣安东尼奥溶蚀孔洞形态、溶蚀孔洞带分布、溶蚀孔洞带裂缝的发育情况如图1所示, 可以看出, 溶孔的连通性、溶蚀孔洞型储集层中裂缝的发育程度存在一定差异。局部发育大尺度裂缝或断层, 可极大改善溶蚀孔洞间的连通性; 大部分区域则不发育裂缝或发育少量的微裂缝, 连通性相对较差^{[1, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}。溶蚀孔洞型储集层孔隙度一般为2%~10%, 平均值3%~5%^{[10, 15]}。

图1

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	图1 圣安东尼奥天然溶洞露头与溶蚀孔洞发育特征

塔里木盆地奥陶系风化壳岩溶分带性明显^{[4, 16]}, 根据岩溶作用纵向发育情况, 把距不整合面深度为0~60 m范围划为表层岩溶带, 该段溶蚀孔洞较为发育, 薄层状溶蚀孔洞钻遇率高, 厚度约为几米至几十米^[1]。该区域微裂缝不发育, 但有一定数量北偏东或北偏西的大尺度裂缝或断裂^[10], 是典型的溶蚀孔洞型储集层, 是开展溶蚀孔洞型储集层注采研究的良好对象。

现有条件下很难获取真实碳酸盐岩溶蚀孔洞型储集层大尺寸岩样, 只能寻求具有相似特征且易于获得的岩样替代：①对比碳酸盐岩溶蚀孔洞型与火山岩孔洞型储集层, 二者润湿性和力学性质较相似^{[17, 18, 19, 20]}; ②多位学者^{[21, 22, 23, 24]}对碳酸盐岩和火山岩储集空间类型、特征以及演化规律的分析总结表明, 塔河油田“ 非串珠” 薄层状储集层与火山玄武岩露头有效储集空间均为“ 溶蚀孔洞” 及起连通作用的“ 缝、洞” ; ③风化壳表层岩溶带碳酸盐岩与火山岩孔洞型储集层均表现出溶蚀、风化成因^{[25, 26, 27]}, 也均表现出层状溶蚀孔洞带和断层周围溶蚀孔洞带的分布特征^{[27, 28, 29]}。综合认为, 两种岩样的储集层类型、成因、连通关系和分布特征等均有较好的相似性。因此, 选取火山岩露头岩样作为实验样品。

岩样孔洞尺寸2~20 mm, 有效孔隙度4%~5%。通过CT扫描观察露头内部孔洞（见图2）, 主要呈蜂窝状分布, 均匀性和连续性较好, 与目标区储集层接近, 说明选用的岩样满足模拟实验要求。

图2

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	图2 溶蚀孔洞型储集层天然露头CT扫描图片

实验模型设计为边长25 cm、厚5 cm的溶蚀孔洞板状露头（见图3）。为探讨裂缝或断裂对水驱油效果的影响, 分别设计了无裂缝溶蚀孔洞（1号模型）、裂缝-溶蚀孔洞（2号模型）两种储集层模型, 裂缝采用切割的方式获得, 并考虑实际油藏中约有2/3的大裂缝未被充填^[30], 实验模型中不对裂缝进行充填。

图3

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	图3 溶蚀孔洞型储集层水驱油物理模拟实验模型

实验中根据相似理论设计模型尺寸和注采参数, 且重点关注关键参数, 确保实验能够更好地反映实际油藏的开发动态。参照童凯军等^[31]、王敬等^[32]的研究成果, 建立相似准则群（见表1）。

表1

表1

表1 溶蚀孔洞型储集层水驱油物理模拟实验相似准则 相似准则分类 相似准数 物理意义 几何相似 η 1=Lx/Ly 不同方向外观尺寸之比（外观尺寸根据井距确定）、模型厚度与油藏厚度之比 η 2=Ly/Lz η 3=h/Lz 运动相似 η 4=Qt/(ϕ LxLyLz) 注入孔隙体积倍数、雷诺数 η 5=μ o/(ρ ovLz) 动力相似 η 6=Δ p/(ρ ogLx) 注采压差与重力之比 裂缝特征参数 η 7=nfLxLy 裂缝条数、裂缝开度与 特征长度之比 η 8=wf/Lx

表1 溶蚀孔洞型储集层水驱油物理模拟实验相似准则

根据表1的相似准则群, 结合油藏实际参数, 对矿场原型与物理模型间主要参量进行相互换算得模型尺寸和注采参数（见表2）。

表2

表2

表2 溶蚀孔洞型储集层水驱油模拟实验特征参数 参数 名称 储集层原型 参数值 实验模型参数值 比例因子 （原型与模型之比） Lx 150 m 25 cm 600 Ly 150 m 25 cm 600 Lz或h 30 m 5 cm 600 ϕ 3%~5% 3%~5% 1 Q 5~50 m3/d * 0.56~5.60 mL/min 6 200 t 20 a 300 min 35 040 μ o 20 mPa· s 20 mPa· s 1 ρ o 0.82 g/cm3 0.82 g/cm3 1 Δ p 2~40 MPa 3.3~66.7 kPa 600 nf 10~100 条/km2 12 条/m2 1/1 200 000~1/120 000 wf 1~10 mm 10 μ m 100~1 000 注：* 表示储集层1/4井网条件下的注水速度

表2 溶蚀孔洞型储集层水驱油模拟实验特征参数

实验装置包括驱替系统、溶蚀孔洞型储集层模型系统和计量系统3部分（见图4）。模型系统具有25 cm× 25 cm的大尺度内腔, 用于夹持溶蚀孔洞型储集层模型（见图5a）。模型安置前及安置后, 需在模型上、下表面各加25 cm× 25 cm的密封垫, 避免注入流体在各接触面发生窜流; 完成夹持后, 通过环空加压对模型四周进行密封。夹持装置上部均匀布置25个井孔, 实验前将溶蚀孔洞模型预定位置和上密封垫相应位置钻孔, 实验过程中可以根据需要打开对应的井孔阀门, 实现注采关系和井网调整（见图5b）。

图4

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	图4 溶蚀孔洞型储集层水驱油实验装置图

图5

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	图5 溶蚀孔洞型储集层模型系统

实验共设计7组方案, 用于研究注采井网、裂缝和注水速度对溶蚀孔洞型储集层水驱开发特征的影响：①无裂缝溶蚀孔洞型储集层井网及调整实验。首先进行1/4五点井网水驱实验, 含水率接近98%时打开2号和3号井转九点井网驱替至含水98%（见图6a）, 注入速度均为1 mL/min; ②无裂缝溶蚀孔洞型储集层九点井网实验。直接采用1/4九点井网水驱至含水98%, 注入速度为1 mL/min; ③无裂缝溶蚀孔洞型储集层九点井网及调整实验。首先进行1/4九点井网水驱实验, 根据实验①和②结果, 待2号和3号井含水均达到98%时, 将1号井转注变为交错井网水驱至含水98%, 注入速度均为3 mL/min; ④裂缝-溶蚀孔洞型储集层井网及调整实验。首先进行1/4五点井网水驱实验, 注采井连线垂直于裂缝, 含水接近98%时打开裂缝上的2号和3号井转变为九点井网驱替至含水98%（见图6b）, 注入速度均为1 mL/min; ⑤裂缝-溶蚀孔洞型储集层九点井网实验。直接采用1/4九点井网, 注入井钻在距裂缝较远的溶蚀孔洞带（见图6b）, 注入速度为1 mL/min, 生产井含水达98%关停, 其他井继续生产, 直至所有井关停; ⑥裂缝-溶蚀孔洞型储集层九点井网实验。直接采用1/4九点井网, 注入井钻在裂缝上（见图6c）, 注入速度为1 mL/min, 至生产井综合含水98%停止驱替; ⑦裂缝-溶蚀孔洞型储集层九点井网提高注水强度实验。直接采用1/4九点井网, 注入井钻在距裂缝较远的溶蚀孔洞带（见图6b）, 注入速度为3 mL/min, 生产井含水至98%关停, 其他井继续生产, 直至所有井均关停。

图6

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	图6 不同类型溶蚀孔洞储集层注采井分布

实验选用25^#白油, 温度45 ℃, 围压5 MPa。水驱实验前先饱和原油并计算孔隙度, 各组实验饱和油量与孔隙度见表3。每组实验结束后取出模型清洗、干燥, 然后利用该模型进行下组实验, 其中实验1— 3采用1号模型, 实验4— 7采用2号模型。

表3

表3

表3 各组实验饱和油量与模型孔隙度计算结果 实验序号 饱和油量/mL 孔隙度/% 实验序号 饱和油量/mL 孔隙度/% 1 150 4.80 5 145 4.64 2 162 5.18 6 145 4.64 3 147 4.70 7 140 4.48 4 142 4.54

表3 各组实验饱和油量与模型孔隙度计算结果

无裂缝溶蚀孔洞型储集层五点井网及高含水期转九点井网（实验1）开发指标（见图7）显示, 五点井网无水采收率7.93%, 最终采收率12.83%（见图7a）, 高含水期含水率在85%~100%波动（见图7b）; 转九点井网后, 综合含水率大幅下降, 采收率快速升高, 最终采收率达28.97%, 比五点井网提高16.14%; 转九点井网后, 1号井仅产极少量水（见图7c）, 2号和3号井生产效果较好, 且初期采收率上升较快, 说明五点井网注水过程中, 注入水沿注采井连线窜进, 主流线两侧剩余油较多。

图7

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	图7 无裂缝溶蚀孔洞型储集层五点（高含水期转九点）井网开发指标（Q=1 mL/min）

直接采用九点井网注水驱替（实验2）的开发指标（见图8）表明, 该井网无水采收率16.79%, 最终采收率34.36%, 均明显优于五点井网和五点转九点井网; 3口井同时生产时, 1号井始终未见水但产量非常低, 2号、3号井距离注水井更近, 渗流阻力较小, 受益快, 产油量较高。

图8

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	图8 无裂缝溶蚀孔洞型储集层九点井网开发指标（Q=1 mL/min）

裂缝-溶蚀孔洞型储集层五点井网及高含水期转九点井网（实验4）开发指标见图9, 五点井网的注采井连线与裂缝垂直, 无水采收率10.71%, 最终采收率13.71%, 均略高于无裂缝模型; 转九点井网后, 综合含水率大幅下降, 采收率快速升高, 最终采收率达45.07%, 较五点井网提高了31.36%。可见, 存在裂缝时水驱采出程度更高, 转九点井网效果更好。从含水率变化曲线分析, 存在裂缝时, 尽管2号和3号井钻在裂缝上, 但并未出现类似孔隙型储集层中的水窜现象, 采收率反而大幅增加。这是由于连通性较好的溶蚀孔洞的导流能力远高于裂缝, 裂缝不会形成优势渗流通道导致水窜, 同时裂缝较好地沟通了连通性较差的溶蚀孔洞, 改善了开发效果。

图9

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	图9 裂缝-溶蚀孔洞型储集层五点（高含水期转九点）井网开发指标（Q=1 mL/min）

分析裂缝-溶蚀孔洞型储集层采用九点井网开发且注水井钻在溶蚀孔洞带（实验5）的开发指标（见图10）可知, 九点井网无水采收率29.52%, 最终采收率51.12%, 均大幅高于无裂缝模型; 1号井产油量较低, 而2号、3号井产油量较高, 采收率分别为28.80%和20.40%, 直接采用九点井网效果优于五点井网及五点转九点井网。

图10

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	图10 裂缝-溶蚀孔洞型储集层九点井网（注水井钻在溶蚀孔洞带）开发指标（Q=1 mL/min）

裂缝-溶蚀孔洞型储集层采用九点井网开发且注水井钻在裂缝上（实验6）的开发指标见图11, 当有1组注采井均钻在裂缝上时, 裂缝上的生产井（3号井）很快见水且含水率迅速上升, 无水采收率仅为4.54%。另2口位于溶蚀孔洞带的井则始终未见水, 对采收率的贡献也很低, 最终采收率仅为16.99%, 远低于注水井钻在溶蚀孔洞带上的情形。因此, 裂缝发育的储集层开发时应尽量避免将注采井同时钻在裂缝上或靠近裂缝的位置。

图11

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	图11 裂缝-溶蚀孔洞型储集层九点井网（注水井钻在裂缝上）开发指标（Q=1 mL/min）

从实验2和5可以看出, 当注水速度为1 mL/min时九点井网角井（1号）产液量非常低。实验3和7提高注水速度至3 mL/min, 开展无裂缝、裂缝-溶蚀孔洞型储集层的水驱油实验, 并将结果与实验2和5对比, 研究注采速度对溶蚀孔洞型储集层水驱油开发动态的影响。

无裂缝溶蚀孔洞型储集层注水速度3 mL/min, 九点井网开发（实验3前段）的指标变化见图12, 其无水采收率为10.85%, 最终采收率为37.62%, 与1 mL/min注水速度相比, 无水采收率降低6.12%, 最终采收率小幅提高3.26%, 距离较远的角井（1号）产油量小幅上升。

图12

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	图12 无裂缝溶蚀孔洞型储集层九点井网开发指标（Q=3 mL/min）

实验3前段的结果表明即使提高注入速度, 距离较远的角井产液量仍较低, 开发效果未能明显提高。因此将角井（1号）转注, 九点井网转化为交错井网开展实验（实验3后段）。开发指标变化情况见图13, 九点井网转为交错井网后, 2号、3号井含水率出现微降, 最终采收率达到42.15%, 提高4.77%。

图13

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	图13 无裂缝溶蚀孔洞型储集层九点井网转交错井网开发指标（Q=3 mL/min）

裂缝-溶蚀孔洞型储集层注入速度3 mL/min, 九点井网的（实验7）开发指标见图14, 注水速度增加, 无水采收率为8.02%, 降低8.77%, 但最终采收率为61.77%, 提高10.65%, 角井（1号）采收率提高了8.81%。可见, 无论是否存在裂缝, 提高注水井的注入速度, 见水时间提前, 无水采收率下降幅度较大, 但距离较远的角井生产指标得到较大改善, 最终采收率提高幅度较大。

图14

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	图14 裂缝-溶蚀孔洞型储集层九点井网开发指标（Q=3 mL/min）