梅勝文( 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點實驗室(西南石油大學(xué))，四川成都610500中石化西北油田分公司塔河油田采油二廠，新疆輪臺830011)

陳小凡，樂平唐潮，易虎　(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點實驗室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

縫洞型碳酸鹽巖注水指示曲線理論改進新模型

梅勝文( 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點實驗室(西南石油大學(xué))，四川成都610500中石化西北油田分公司塔河油田采油二廠，新疆輪臺830011)

陳小凡，樂平唐潮，易虎(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點實驗室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500)

[摘要]塔河油田碳酸鹽巖儲層基質(zhì)孔滲不發(fā)育，但縫洞儲集體隨機、局部、不連續(xù)發(fā)育。注水替油機理顯示，碳酸鹽巖油藏的注水指示曲線不同于砂巖注水指示曲線。對于非連續(xù)性質(zhì)的碳酸鹽巖儲集體，根據(jù)油井注水指示曲線的形態(tài)，可以初步判斷儲集體類型，針對具有溶洞性質(zhì)的高滲縫洞儲集體采用改進的注水指示曲線理論模型，可確定溶洞儲集體容積、原油和地層水的體積。通過現(xiàn)場實例驗證，改進新模型解釋的參數(shù)合理可靠。

[關(guān)鍵詞]縫洞型；碳酸鹽巖；注水指示曲線；注水替油；模型

塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏基質(zhì)沒有儲滲能力，儲量主要集中在局部發(fā)育的縫洞儲集體中[1~3]，因此單井縫洞單元儲集體規(guī)模有限，油井生產(chǎn)多表現(xiàn)為能量不足；通過自噴-轉(zhuǎn)抽-深抽后，再實施注水替油生產(chǎn)，具有較好的增油效果[1,4,5]。砂巖注水指示曲線一般反映的是注水壓力與注入速度之間的關(guān)系[6~8]，而碳酸鹽巖縫洞型油藏在注水替油過程中，注入壓力往往與輪次的累計注入水量相關(guān)[9]，因此砂巖的注水理論曲線并不適用。對于存在縫洞單元體的碳酸鹽巖油藏而言，需重新給定注水指示曲線的定義。碳酸鹽巖油藏的注水指示曲線為累計注水量與壓力的關(guān)系曲線(不同于砂巖油藏日注水量與壓力的關(guān)系)。二者的差別在于模型的推導(dǎo)基礎(chǔ)不同，砂巖油藏基于單重介質(zhì)均質(zhì)模型的達西滲流理論，而碳酸鹽巖縫洞油藏的注水指示曲線基于零維儲罐模型，將儲集體抽提成非連續(xù)介質(zhì)的單個溶洞和裂縫的組合[10~13]。

塔河油田現(xiàn)場實踐表明存在這樣一類高滲儲集體：即裂縫的規(guī)模較大，孔滲參數(shù)也較高，其本質(zhì)具有與溶洞類似的性質(zhì)，都歸為高滲儲集體一類。對于該類縫洞型儲集體，其裂縫與溶洞并無本質(zhì)區(qū)別，因此將其定義為具有溶洞性質(zhì)的縫洞高滲儲集體，并將其等效為單一的溶洞[14，15]。筆者以上述單溶洞模型為研究目標(biāo)，針對以往模型只考慮溶洞中的油相彈性能量，而忽略溶洞中水相能量的不足之處，同時考慮了油水兩相的彈性能量對注水指示曲線形態(tài)影響。改進新模型可考慮水相彈性能量對注水指示曲線形態(tài)的影響，因此適用于如下2種情況下儲集體油水體積的計算：①溶洞儲集體內(nèi)初始情況為油水共存；②后期注水替油過程中溶洞儲集體內(nèi)存水率逐步變化。改進的新模型初始條件更符合儲集體真實情況，注水替油過程中存水率變化與礦場實際更接近。利用理論模型可以初步判斷儲集體類型，更準確地確定溶洞儲集體容積、原油和地層水的體積。采用塔河油田典型油井現(xiàn)場實例驗證，模型解釋參數(shù)合理可靠。

1注水替油機理

塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏油井的注水壓力與周期內(nèi)累計注水量成良好的線性關(guān)系，則可以將其等效成單一溶洞單元的縫洞高滲儲集體，通過自噴-轉(zhuǎn)抽-深抽后，再實施注水替油生產(chǎn)，具有較好的增油效果[1, 16~19]。

如圖1所示，封閉性單一定容溶洞儲集體碳酸鹽巖油藏單井生產(chǎn)初期依靠流體彈性驅(qū)采油，生產(chǎn)一段時間后，彈性能量減弱而使油井供液不足，此時對該單井注入高密度水后燜井。由于縫洞系統(tǒng)的高孔高滲，毛細管力作用忽略不計，在燜井過程中，一方面利用油水密度差、重力分異原理，使注入水在燜井過程中與油發(fā)生置換，抬高油水界面，實現(xiàn)剩余油重新富集在縫洞單元上部，增加原油采出量，提高采出程度；另一方面，在縫洞單元底部形成注入水體空間，減少地下油體儲集空間，增加油藏地層壓力，提高原油彈性能量，實現(xiàn)對地層能量的補充，然后開井生產(chǎn)，在彈性能量或者機抽作用下采出地下原油。注水替油井以“注水-燜井-采油”為周期循環(huán)注采，經(jīng)過多輪次的注水替油，逐步提高縫洞單元的原油采出程度[1, 20, 21]。值得提到的是：上述機理中提到的彈性能量，以往模型僅僅只考慮了油相的壓縮能，而沒有考慮儲集體中水的彈性能量。而塔河地區(qū)縫洞型油藏原油性質(zhì)多為稠油，其彈性能量與水的彈性能量處在同一數(shù)量級，因此從上述機理中也可以看出忽略水的彈性能量勢必會產(chǎn)生大的解釋誤差。

圖1　單井注水替油原理示意圖(據(jù)涂興萬等[1])

2原有模型的注水指示曲線

原有注水指示曲線模型假設(shè)條件如下：封閉定容油藏，油井鉆遇溶洞，不考慮裂縫的儲集性能，將整個儲集體簡化為溶洞，油藏驅(qū)動能量來自注入水和原油的彈性能量，忽略地層水、注入水和儲層巖石的彈性能量。油藏壓力變化與鉆遇油井井口壓力的變化近似同步，即壓力近似地保持同步升高和降低，其過程如圖2所示。在井底高溫高壓條件下，由于不考慮注入水和地層水的彈性能量，因此其相對地下原油為剛性，原油被壓縮的體積ΔV即為注入水的體積Nw，即：

圖2　注水替油過程示意圖

ΔV=Voi-V′oi=Nw

(1)

式中：ΔV為原油體積變化，m3；Voi為油藏原油的初始體積，m3；V′oi注水后原油體積，m3；Nw為注入水體積，m3。

根據(jù)原油壓縮系數(shù)定義：

(2)

式中：Co為原油壓縮系數(shù)，MPa-1；Δp為壓力變化，MPa。

當(dāng)井筒充滿水后，井口壓力變化可以近似代替井底壓力變化，忽略摩阻，兩者之間差值即為水柱壓差：

Δp=p-pi

(3)

式中：p為井口壓力，MPa；pi為井口初始壓力，MPa。

由式(1)~式(3)可得:

(4)

在每輪注水均為一定值、不考慮地層巖石壓縮系數(shù)的情況下，對定容較好的儲集體，井口壓力p與周期累計注水量Nw成線性關(guān)系。從而根據(jù)不同輪次注水指示曲線斜率變化，即各輪次之間的產(chǎn)液量、產(chǎn)油量計算溶洞中的原油體積和剩余油體積。

3改進新模型的注水指示曲線

3.1　模型理論推導(dǎo)

模型假設(shè)：封閉定容油藏，油井鉆遇溶洞，不考慮裂縫的儲集性能，將整個儲集體簡化為溶洞，油藏驅(qū)動能量來自注入水和原油的彈性能量。對于儲層中水體較大的油藏，如溶洞中地層水所占的比例較大時，不應(yīng)忽略地層水和注入水的彈性能量。但對于溶洞儲層巖石的彈性能量仍是可以忽略的。仍假設(shè)油藏壓力變化與鉆遇油井井口壓力的變化近似同步，即壓力同步升高和降低。

對于溶洞而言：設(shè)原始條件下單元體溶洞的容積為Vp,原油體積為Voi，地層水體積為Vwi，并定義溶洞中原始的水油體積比為：

R=Vwi/Voi

(5)

式中：R為原始的水油體積比，m3/m3；Vwi為地層水初始體積，m3。則:

Vp=Voi+Vwi

(6)

式中：Vp為壓力為p時的油藏體積，m3。

當(dāng)油藏注入一定水量(Nw)之后，油藏的壓力從原始地層壓力pi上升到目前的地層壓力p，油藏壓力上升為Δp=p-pi。對于封閉溶洞，雖然水體中的水不會與外界發(fā)生交換，但油藏中的原有地層水的體積會因為壓力上升而收縮，忽略油藏溶洞體積會因為壓力的變化而變化。

溶洞部分地層水的壓縮量為：

ΔVw=VwiCwΔp

(7)

式中：ΔVw為地層水體積變化，m3；Cw為地層水的壓縮系數(shù)，MPa-1。

溶洞中地層水體積的收縮將增加溶洞部分油藏的容積。溶洞系統(tǒng)壓力上升到p時的容積為：

Vc=Vci+ΔVw

(8)

式中：Vc為油藏體積，m3；Vci為油藏初始體積，m3。

把式(7)代入式(8)可得：

Vc=Vci+VwiCwΔp

(9)

把式(5)代入式(9)得：

Vc=Vci(1+RCwΔp)

(10)

對于溶洞系統(tǒng)的油藏容積與壓力的變化關(guān)系可由式(10)表示，注入水占據(jù)的體積為NwBw，則油藏中原油占據(jù)的體積為：

(11)

式中：Bw為地層水體積系數(shù)，m3/m3；Vo為注水后油藏中原油所占體積，m3。。

式(11)就是封閉油藏開發(fā)過程中的油相體積的計算公式，由該式可以看出，油相體積隨注入水增加不斷減小。

若原始條件下油藏容積中儲存了原油，則原油占據(jù)的體積：

Voi=Vci

(12)

把地下體積換算至地面條件下的體積，可得油藏地質(zhì)儲量，并用符號N表述，計算式如下：

(13)

式中：N為油藏地質(zhì)儲量，m3；Boi為原油初始體積系數(shù)，m3/m3。

根據(jù)前后原油的物質(zhì)平衡就可以獲得：

(14)

式中：Bo為原油體積系數(shù)，m3/m3。

顯然式(14)也是滿足累計注水量Nw與壓差Δp的線性關(guān)系式的：

NwBw= NBoiRCwΔp + (Boi-Bo)N

(15)

又由原油的壓縮系數(shù)，即:

(16)

將式(16)代入式(15)可得：

NwBw= NBoiRCwΔp + CoBoiNΔp

NwBw= NBoi(RCw+ Co)Δp

(17)

將式(3)代入式(17)可得：

(18)

式(18)說明當(dāng)油藏中的溶洞中存在的原始水較多時，不可忽略地層水彈性能量的影響，建議若RCw與Co在一個數(shù)量級之內(nèi)，采用該模型可以考慮地層水彈性能量對指示曲線的影響。對于塔河油田而言，Cw與Co在一個數(shù)量級內(nèi)，如R>1，顯然也滿足RCw與Co在一個數(shù)量級之內(nèi)，水相彈性能量不可忽略。

3.2　注水指示曲線形態(tài)分析

為了表述方便，將原有舊模型對應(yīng)的注水指示曲線稱為曲線①，將改進的新模型對應(yīng)的指示曲線命名為曲線②。單溶洞儲集模型，假設(shè)油藏的初始壓力相同，當(dāng)溶洞的原始水油體積比相同時，不同的油藏容積其注水指示曲線的變化規(guī)律仍如圖3所示，油相原始體積越大，彈性能量大，吸水能力越強，直線斜率越小。曲線①與曲線②的差別體現(xiàn)在由于考慮了地層水的彈性能量，因此儲集體總的彈性能量略有增加，吸水能力變強，指示曲線②的斜率比曲線①的斜率小。當(dāng)初始油相體積相等時，原始水油體積比R變化時，其注水指示曲線的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3　模型2指示曲線②示意圖版(R相等時)　　　　圖4　模型2指示曲線②示意圖版(Vo相等時)

當(dāng)原始油相體積一定時，水油體積比R增加，即溶洞的體積也相應(yīng)增加，考慮水的彈性能量，則儲集體總的彈性能量略有增加，吸水能力變強，注水指示曲線斜率隨R增加而降低。

4礦場實例應(yīng)用

礦場實例選用了典型的溶洞型儲集體油井進行模型的對比應(yīng)用分析。典型井TH10229井為多輪次高效注水井，注水指示曲線呈直線，定容特征明顯(如圖5所示)，從首輪注水至第7輪注水期間，累計采出原油15020t(如圖6所示)，該井原油密度0.994g/cm3，原油壓縮系數(shù)Co=10×10-4MPa-1，地層水的彈性壓縮系數(shù)為Cw=4×10-4MPa-1。根據(jù)注水指示曲線選用上述2種模型進行解釋，結(jié)果如下。

圖5　TH10229井注水指示曲線　　　　　　　　　　　　　圖6　TH10229井累計產(chǎn)油曲線

4.1　指示曲線①計算結(jié)果

根據(jù)首輪注水指示曲線斜率計算出波及地層原油體積為227273m3。隨著注水輪次的增多，斜率呈變大趨勢，井底剩余油減少，第7輪計算出的原油體積為200000m3，計算出來體積減少27273m3，即井底原油減少27109t，而該期間實際采出原油15020t，采用原有的單溶洞定容模型①計算誤差為80%，顯然是不合適的。

4.2　指示曲線②計算結(jié)果

當(dāng)考慮溶洞中地層水的彈性能量時，已知參數(shù)Cw=4×10-4MPa-1，但由于溶洞儲集體中初始水油比例R未知，需根據(jù)前述理論圖板的分析，以及實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以取不同的R進行試算。當(dāng)R=2時從首輪注水指示曲線斜率計算出波及地層原油體積為126263m3，第7輪計算出的原油體積為111111m3，計算出來體積減少15152m3，即井底原油減少15060t，而該期間實際采出原油15020t，采用考慮溶洞中水的彈性能量的單溶洞定容模型②進行計算，誤差僅為0.27%。

根據(jù)上述計算結(jié)果，可以確定該溶洞型儲集體在初始條件下存在油水兩相，且水油體積比大致為R=2，其中油相體積約為12.63×104m3，從而可以定量地計算出溶洞儲集體的容積、油水相體積。

5結(jié)論

1)縫洞型油藏注水替油機理與砂巖注水的滲流機理不同，碳酸鹽巖油藏注水指示曲線完全有別于常規(guī)砂巖注水指示曲線，其形態(tài)與儲集體類型密切相關(guān)，曲線參數(shù)(斜率、截距)為儲集體容積、油水體積的函數(shù)。

2)以往注水指示曲線只適合溶洞全部充滿油相的情況，而新模型可用于溶洞儲集體中存在油水兩相的情況。

3)新模型可以考慮多輪次注水替油后，溶洞儲集體總存水量逐步變化對注水曲線形態(tài)和解釋結(jié)果的影響。

4)改進的新模型考慮因素更全面，適用性更廣，經(jīng)現(xiàn)場實例應(yīng)用表明模型解釋結(jié)果合理可靠。

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[編輯]黃鸝

[引著格式]梅勝文，陳小凡，樂平，等.縫洞型碳酸鹽巖注水指示曲線理論改進新模型[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版) ,2015,12(29):57~62.

[中圖分類號]TE357.6

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)29-0057-06

[作者簡介]梅勝文(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事碳酸鹽巖油藏的開發(fā)工作，xuanju16@163.com。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05010-002)；國家自然科學(xué)青年基金項目(51404201)；油氣資源與探測國家重點實驗室開放課題(PRP/open-1501)；四川省科技廳基礎(chǔ)項目(2015JY0076)。

[收稿日期]2015-03-20