劉 佳,程林松,范子菲,黃世軍,宋 珩,趙 倫

(1．中海油研究總院，北京 100028；2.中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,北京 102249；3.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

氣頂和油區(qū)是一個統(tǒng)一的水動力系統(tǒng)，投入開發(fā)前，它們處在一種壓力平衡狀態(tài)，開發(fā)后，任何一方壓力變化都將影響到另一方[1]。天然氣竄入油區(qū)后，對天然氣自身的采收率沒有太大影響，而油井產(chǎn)量將下降，嚴(yán)重時只出氣不出油，影響油井穩(wěn)產(chǎn)。原油侵入氣頂后會造成巨大的浪費，原油的采收率要受到影響[2-3]。所以開采氣頂油藏最核心的問題是采用最經(jīng)濟有效的方法獲得最大的氣頂和油環(huán)的采出程度[4-5]。其中向油藏中注水保持能量開采是一種較為傳統(tǒng)的方法；但當(dāng)注水井位于油環(huán)內(nèi)時，注入水推動原油向氣頂方向運移，導(dǎo)致油氣界面上升,使原油進入含氣層,大量原油被吸附在孔隙表面而滯留在油層內(nèi),造成大量損失[6]。在此方法上，將注水井鉆于油水界面附近，此時水和氣混合驅(qū)替油環(huán)，具有較好的驅(qū)替效果；同時注入水可以保持油氣界面相對平衡[7-8]，并將油環(huán)和氣頂分隔，提高油藏開發(fā)效果[9-10]。此開發(fā)方式稱為屏障注水，該方法適用于地層傾角較小的油藏[11]，并已被證實是一種提高氣頂油藏開發(fā)效果的有效方法。W.Deboni和M.B.Field[12]通過數(shù)值模擬手段研究了加拿大Kaybob South油田屏障注水開發(fā)方式，研究結(jié)果表明，該方式可以在氣頂和油區(qū)之間建立一道合適的水墻，并提高采油率達(dá)10%以上。哈薩克斯坦讓納若爾氣頂油藏采用在油氣界面附近屏障注水，封隔油氣區(qū)，先開發(fā)油環(huán)，后期開發(fā)氣頂或在水障形成后油氣同采的方式進行開發(fā)[13]，生產(chǎn)實踐證明，實施屏障注水后，氣頂氣擴散有所控制。T.C.Billiter等[14]系統(tǒng)地介紹了屏障注水開采方式，并通過數(shù)值模擬對比了不同開發(fā)方案(衰竭開采、面積注水開采、屏障注水開采、氣頂油環(huán)同時開采并屏障注水開發(fā))的開發(fā)效果，證明了在油氣界面處注水可以取得較好的開發(fā)效果。但屏障注水形成過程，及屏障注水在地層中的運移規(guī)律目前研究較少。本文通過油藏數(shù)值模擬方法，對屏障注水運移規(guī)律、屏障注水作用機理進行深入分析，并優(yōu)化屏障注水井位置、屏障注采比等重要參數(shù)。

1 實驗?zāi)Ｐ徒?/h2>

根據(jù)國外某典型氣頂油藏儲層特征,建立理想地質(zhì)模型(圖1)，其中紅色代表氣頂，綠色代表油環(huán)。地質(zhì)模型中儲層和流體的特性參數(shù)取自該油藏的實際數(shù)據(jù)。地層原油和地層水的黏度分別為0.6 mPa·s和0.6 mPa·s,原始地層壓力為20 MPa,地層有效厚度為80 m,孔隙度為13%，滲透率為54.5×10-3μm2。采用網(wǎng)格為35×250×8,網(wǎng)格步長dx、dy、dz均為10 m。氣頂孔隙體積為油環(huán)孔隙體積的3.13倍。

圖1 油藏數(shù)值模型示意圖Fig.1 Schematic diagram demonstrating the numerical model of oil reservoir

2 屏障注水提高油藏開發(fā)效果機理

分別從屏障注水運移規(guī)律、運移形態(tài)以及油井生產(chǎn)效果進行深入分析，明確屏障注水提高油藏開發(fā)效果的機理。

2.1 屏障注水運移規(guī)律

屏障水注入地層后，需要一定的時間形成隔障。通過油藏數(shù)值模擬方法，研究采油速度為0.7%、采氣速度為4%、屏障注采比為0.5時屏障注水形成過程，分析屏障形成前和屏障形成后屏障注水運移規(guī)律。

2.1.1 屏障形成前

如圖2所示，屏障水注入地層后，由于油區(qū)與氣區(qū)互相連通，屏障水以徑向流的運移規(guī)律向氣頂和油環(huán)流動，分別補充油區(qū)與氣區(qū)地層能量，延長油藏開發(fā)時間，提高油藏開發(fā)效果。當(dāng)注入水將氣頂與油環(huán)完全隔離后，屏障形成。圖中紅色代表氣頂，綠色代表油環(huán)，藍(lán)色代表屏障水。

2.1.2 屏障形成后

當(dāng)屏障形成后，屏障切斷油區(qū)與氣區(qū)的連通通道(油氣界面)，將氣頂油環(huán)分為一個大氣頂小油環(huán)油藏與小氣頂大油環(huán)油藏。其中屏障注水則相當(dāng)于2個“油藏”的能量供給源，并根據(jù)采油速度與采氣速度的大小向2個“油藏”以不同速度運移(圖3)。由于氣頂采氣速度大，壓力下降速度快，注入水向氣區(qū)運移速度快。

2.2 屏障注水補充地層能量

采油速度為0.7%、采氣速度為4%時，對比屏障注水與衰竭開采2種開發(fā)方式下地層壓力變化規(guī)律以及氣頂油藏開發(fā)效果，其中屏障注水注采比為0.5。實施屏障注水后，地層壓力下降變緩，整個氣頂和油環(huán)獲得更長的開發(fā)時間(圖4)。

故隨著生產(chǎn)年限的適當(dāng)延長， 氣頂采出程度大幅度提高，油環(huán)采出程度也有適當(dāng)提升，從而使得整個油氣當(dāng)量大范圍提高，有效提高了氣頂油環(huán)的開發(fā)效果(圖5)。

圖2 屏障形成前屏障注水運移過程Fig.2 Migration process of barrier waterflooding before the formation of barrier

圖3 屏障形成后屏障注水運移過程Fig.3 Migration process of barrier waterflooding after the formation of barrier

圖4 屏障注水與衰竭開采時壓力曲線對比Fig.4 Diagram showing relation of pressure curve between barrier waterflooding and depletion development

2.3 實現(xiàn)氣區(qū)油區(qū)獨立開發(fā)

無屏障注水時，氣頂與油環(huán)通過油氣界面連通，氣區(qū)與油區(qū)任何一方的壓力變化都將導(dǎo)致油氣界面運移，從而造成氣侵或油侵，均對油藏的開發(fā)效果造成巨大影響。采取屏障注水方式后，屏障將氣區(qū)與油區(qū)隔離，從圖6中所述的流線場中可以看到，氣頂與油環(huán)之間無流線連通，均通過屏障井向氣區(qū)和油區(qū)補充能量， 實現(xiàn)了氣區(qū)與油區(qū)的獨立開發(fā)，油氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)橛退缑婧蜌馑缑妫行Х乐褂蜌饣ジZ現(xiàn)象。

圖5 屏障注水與衰竭開采采出程度對比Fig.5 Correlation of recovery reserves for barrier waterflooding and depletion development

但由于油水具有一定的密度差，當(dāng)?shù)貙觾A角較大時，水在重力分異的作用下將快速運移至油環(huán)底部，則無法實現(xiàn)屏障的目的，故該方法僅適用于傾角較小的地層。

2.4 降低油井生產(chǎn)油氣比

屏障注水注入地層后，補充地層能量，壓力下降速度減慢，氣頂膨脹能被有效抑制，油氣界面運移速度減慢，油井見氣時間延緩。圖7為采氣速度為2%時，屏障注水與衰竭開采時的油井生產(chǎn)油氣比曲線。從圖中可以看到，具有屏障注水的油井見氣時間晚；同時，油井見氣后，具有屏障注水的油井生產(chǎn)油氣比小，提高油井開發(fā)效果。由于采氣速度大，屏障注水量多，屏障易形成，且屏障形成后，油井則相當(dāng)于開發(fā)一個小氣頂油藏，氣頂指數(shù)小，氣頂膨脹能大幅度減弱，油井見氣后油井生產(chǎn)油氣下降，進一步提高油井開發(fā)效果。

圖6 不同開采方式下流體流線分布圖Fig.6 Diagram showing the distribution of fluid flow line under different development methods

圖7 采氣速度2%時油井生產(chǎn)油氣比曲線Fig.7 Curve of gas-oil ratio for well production at different gas recovery rates

3 屏障注水開發(fā)方式優(yōu)化

氣頂油環(huán)在進行屏障注水時，屏障注水井位置和注采比大小會對油氣界面運移規(guī)律和油井見水/氣時間有一定影響，為了達(dá)到最佳的開發(fā)效果，有必要對影響屏障注水的屏障注水井的位置進行分析和優(yōu)化。為了方便分析和繪圖，定義了R值作為屏障井相對位置的衡量指標(biāo)。其中R值等于屏障井距離原始外油氣界面的距離與原始內(nèi)外油氣界面距離之比。

首先從油侵損失角度對屏障井的合理位置進行探討。注采比一定的情況下，當(dāng)屏障井位于油區(qū)附近或者油氣過渡帶上時，屏障注水除補充油環(huán)虧空體積外，還會將部分原油推向氣區(qū)，侵入氣頂?shù)脑筒糠忠詺堄嘤偷男问酱嬖谟诘貙又?，無法采出。當(dāng)屏障井位置位于內(nèi)油氣邊界附近時，油侵損失最少(圖8)。從油侵損失量的角度考慮，屏障井位于內(nèi)油氣界面附近效果最佳。

圖8 屏障井不同位置時油侵損失示意圖Fig.8 Schematic diagram showing oil immersion loss for barrier well in different positions

以采油速度0.7%、采氣速度1.0%為例，分別模擬屏障井不同位置、不同注采比下氣頂油環(huán)開發(fā)效果，從累產(chǎn)油氣當(dāng)量角度分析屏障井的最優(yōu)位置，圖9為屏障井位置與油氣當(dāng)量采出程度的關(guān)系曲線。

圖9 屏障井位置與油氣當(dāng)量采出程度的關(guān)系曲線Fig.9 Diagram showing the relation between positions of barrier well and recovery percent of reserves for oil-gas equivalent

從圖9可以看出，同一注采比進行屏障注水時，總存在一個最優(yōu)的屏障注水位置，使得油氣當(dāng)量的開發(fā)效果達(dá)到最好；且當(dāng)注采比在一定范圍內(nèi)增加時，最優(yōu)屏障井位置逐漸向里移動，并最終穩(wěn)定在R=2/3的位置上。

當(dāng)注采比較小時，注入水形成屏障需要較長時間，很難短時間內(nèi)形成有效屏障。此時屏障井應(yīng)打在靠近外油氣界面的位置，主要用于補充油環(huán)地層能量，抑制氣頂膨脹能，減緩油氣界面運移速度。隨著注采比增加，屏障注水形成的能力不斷加強，屏障形成時間早于油井見氣時間；同時，注水量過大會導(dǎo)致油井過快見水，開發(fā)效果受限，故此時屏障井位置應(yīng)適當(dāng)向氣頂方向移動。如圖9所示，注采比為0.2、0.3、0.4時，屏障井最優(yōu)位置R分別等于1/5、2/5、2/3；但為了避免屏障形成后油環(huán)區(qū)域再次形成一個大氣頂，造成油井再次發(fā)生氣竄，減弱屏障井作用，故屏障井不宜離油環(huán)太遠(yuǎn)，當(dāng)注采比為0.6和0.8時，屏障井最優(yōu)位置R=2/3。

4 結(jié) 論

a.分別從屏障形成前和屏障形成后探討屏障注入水運移規(guī)律，當(dāng)屏障形成前，屏障注入水以徑向流的運移規(guī)律向氣頂和油環(huán)流動，分別補充油區(qū)與氣區(qū)地層能量。當(dāng)屏障形成后，屏障切斷油區(qū)與氣區(qū)的連通通道，將氣頂油環(huán)分為一個大氣頂小油環(huán)油藏與小氣頂大油環(huán)油藏，屏障為2個“油藏”提供能量，并根據(jù)采油速度與采氣速度的大小向2個“油藏”以不同速度運移。

b.形成了氣頂油環(huán)屏障注水開發(fā)機理：屏障注水可以及時補充地層能量，地層壓力下降變緩，延長開發(fā)年限；屏障注水可以隔離氣頂和油環(huán)，實現(xiàn)氣頂油環(huán)單獨開采，防止油氣互竄；屏障注水有效抑制了氣頂膨脹能，使得油井見氣后生產(chǎn)油氣比處于較低的水平，提高油井開發(fā)效果。

c.隨著屏障注水注采比的增加，屏障井最優(yōu)位置逐漸向氣頂方向移動，并最終穩(wěn)定在外油氣界面以內(nèi)整個油氣過渡帶2/3長度的位置。