縫洞型油藏強邊、底水竄進油井特征及機理研究

李小波 ，榮元帥，龍喜彬，吳 鋒，王可可

1.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊830011

2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都610500

引 言

塔河油田碳酸鹽巖縫洞型油藏是經(jīng)多期構(gòu)造運動與古巖溶共同作用形成的、以巖溶縫洞為主控因素、以縫洞儲集體控藏為主的復(fù)雜油氣藏[1]。在風化面剝蝕區(qū)、地下暗河系統(tǒng)和深大斷裂帶附近是形成規(guī)模較大縫洞連通體的有利區(qū)域；而多井縫洞單元為大尺度縫洞連片分布的縫洞連通體[2-4]。單元高產(chǎn)井在生產(chǎn)特征上整體表現(xiàn)為：初期產(chǎn)能高穩(wěn)產(chǎn)期較長、一般不含水、彈性能量充足；中期呈快速遞減、開始見水；后期含水快速上升或暴性水淹、產(chǎn)量大幅遞減。由于受構(gòu)造和連通性影響單元高產(chǎn)井呈現(xiàn)同時水淹或逐井水淹的特征。尤其對高產(chǎn)單元強邊、底水竄進對油井產(chǎn)量的損失是巨大的，現(xiàn)場已證實對此類水淹井進行堵水等措施挖潛效果均較差，高產(chǎn)井水淹后恢復(fù)生產(chǎn)，產(chǎn)量一般占水淹前穩(wěn)產(chǎn)的10%～20%。所以，有必要分析油井水淹前的生產(chǎn)特征，找到其生產(chǎn)動態(tài)上的異常信號，以控制高產(chǎn)井的見水風險。

文章通過對已水淹高產(chǎn)井生產(chǎn)動態(tài)的分析找出了水淹前的異常信號，并利用井筒節(jié)點分析方法和流體力學軟件開展了強邊、底水竄進機理研究，論證水淹前異常信號的正確性，提出見水風險預(yù)警控制方法，為油田對高產(chǎn)井實施見水風險預(yù)警以延長油井的見水時間提供理論依據(jù)。

1 強邊、底水竄進油井動態(tài)特征

塔河油田縫洞型碳酸鹽巖油藏以縫洞單元為基本的開發(fā)單元，縫洞單元強調(diào)了流體連通性及滲流差異，是具有統(tǒng)一壓力系統(tǒng)和油水關(guān)系的獨立油氣藏[5]。塔河碳酸鹽巖油藏受古巖溶和多期構(gòu)造運動影響，在風化面剝蝕區(qū)易形成的溶洞發(fā)育區(qū)、地下暗河系統(tǒng)易發(fā)育多套縫洞系統(tǒng)、在斷控巖溶發(fā)育帶都易形成縫洞規(guī)模較大的儲集體。

這些縫洞發(fā)育區(qū)形成規(guī)模較大的縫洞單元，縫洞單元整體表現(xiàn)為儲集體規(guī)模大、彈性能量充足、邊底水能量強、井間連通性好。這種強邊、底水單元往往呈現(xiàn)出油井同時暴性水淹或逐井暴性水淹特征[6-8]。

通過對塔河油田縫洞型油藏332 口已水淹中高產(chǎn)井統(tǒng)計表明，有210 口井在水淹前存在異常信號，占水淹中高產(chǎn)井數(shù)的63.3%。從動態(tài)特征統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)水竄突破井底前最突出的3 點表現(xiàn)為：（1）水錐突破前油壓下降趨勢變緩；（2）突破節(jié)點前出現(xiàn)油壓出現(xiàn)小幅度上揚（多為0.1～0.2 MPa，一般＜0.5 MPa）；（3）油井會由不含水到零星含水或者由零星含水到連續(xù)含水，部分井也伴有產(chǎn)量上升、套壓上升現(xiàn)象。如T1 井（圖1），初期6 mm 油嘴，160 t/d 自噴穩(wěn)定生產(chǎn)；中期油壓保持穩(wěn)定，產(chǎn)量逐漸上升到170 t/d，不含水生產(chǎn)；末期油壓小幅上升（7.8 MPa 上升到8.2 MPa），產(chǎn)量突然從178 t/d 上升到202 t/d后，油井開始見水，短期內(nèi)暴性水淹，油井停噴。所以，油井水淹前油壓和產(chǎn)量的異常波動為水淹前的重要異常信號。

表1 塔河縫洞型油藏中高產(chǎn)井異常信號統(tǒng)計Tab.1 Statistics of signals of water flood risks of high-yield wells in Tahe vug reservoir

圖1 TH10420X 井暴性水淹生產(chǎn)曲線Fig.1 TH10420X storm flooded wells production curve

2 強邊、底水竄流機理研究

2.1 油藏能量階段接替

根據(jù)縫洞型碳酸鹽巖油藏強邊、底水油井的生產(chǎn)動態(tài)特征，從油井累產(chǎn)液量和油壓的關(guān)系曲線可以將油藏能量補給和接替劃分為以下3 個階段：

純彈性驅(qū)階段：表現(xiàn)為油藏壓力擴散到油體邊界前的壓力變化特征，階段的長短反映油體規(guī)模的大?。ㄈ鐖D2 的AB 段）。

彈性驅(qū)向水驅(qū)過渡階段：油藏壓力擴散至油體邊界后彈性能量衰減，邊底水尚未突破井底的驅(qū)替階段；BC 段的斜率反映的是油體能量的衰竭速度，CD 段反映的是邊底水已開始補充，其長短反映邊底水的能量大小，BD 段油藏能量逐漸從彈性驅(qū)過渡到邊、底水驅(qū)。

純邊、底水驅(qū)階段：DE 段水體推進到井底附近油壓出現(xiàn)異常波動，一般油壓多以上升為主；EF 段水體突破到井底，油管中含水率上升，油井油壓快速下降。

從油藏的水體突破階段分析，油井投產(chǎn)后，在油藏內(nèi)部產(chǎn)生一個壓降漏斗；當達到一定壓降后，邊、底水侵入，水的流動阻力小于油的流動阻力，水體不斷向井底推進；隨著開采的進行，水量侵入增加，一旦水體進入壓力快速下降區(qū)域，水體將快速突破井底即從托錐期進入到突破期。

圖2 強邊、底水縫洞型油藏油井能量階段劃分示意Fig.2 Wells energy phasing diagram of strong edge and bottom water fractured-vuggy reservoir

2.2 突破機理分析

縫洞型碳酸鹽巖油藏大尺度縫洞體內(nèi)流體的流動屬于管流，屬于流體力學范疇，其流動遵循有黏流伯努利定理。為了進一步分析強邊、底水的突破機理和驗證水淹前的異常信號，對于溶洞系統(tǒng)和井筒中的流體流動采用伯努利方程分析[9-13]。

在純彈性驅(qū)動階段（圖2，AB 段），當水侵入之前，溶洞系統(tǒng)內(nèi)為單相流，從油藏和井筒井底壓力分別表示為式（1）和（式2）

式中：pe—油藏壓力，MPa；

pwf—井底流壓，MPa；

ρo—油的密度，kg/m3；

g—重力加速度，m/s2；

hf—油藏厚度，m；

νf—井底流速，m/s；

pwh—井口壓力，MPa；

Hw—井筒深度，m；

vh—井口流速，m/s；

Δpf油(q)—井筒油相流動摩阻，MPa。

假設(shè)井筒半徑不變，則井底流速等于井口流速，則上式可簡化為式（3）

當井筒單相穩(wěn)定流動的時候，井筒流動摩阻不變即Δpf油(q)不變，pwf增大時pwh增大；從現(xiàn)場監(jiān)測的井底流壓和井口油壓關(guān)系也可以看出，兩者呈正相關(guān)（圖3，AB 段）。

當水侵入地層以后（圖2，BD 段），會出現(xiàn)油水兩相流動，但在大尺度通道的縫洞型油藏中毛管力可以不考慮，兩相流動消耗的能量將比單相油流少，由于水油流度相差大，強底水將具有較快的流動速度。則油藏壓力表示為

式中：ρo,w—井筒油水兩相的混合密度，kg/m3。

在底水竄入到井底附近時會使溶洞系統(tǒng)的壓力發(fā)生震蕩，這種震蕩會以壓力波的形式很快傳到溶洞體內(nèi)的各個位置，因此對井底流壓會有一定的影響。由于井筒附近壓差更大，底水的竄進速度增加，井底流壓將出現(xiàn)短暫的上升，同時在油井生產(chǎn)動態(tài)上表現(xiàn)為：油壓波動（一般表現(xiàn)為上升特征）、油量上升（圖2，DE 段；圖3，BC 段）。

底水開始進入井筒后，由于油藏深度平均大于5 000 m，需克服油水密度差的能量損耗，井筒內(nèi)靜水柱壓力增大，油從井底流到井口剩余壓力減少，所以井口油壓急劇降低，且油井開始見水，短期內(nèi)油井含水快速上升或暴性水淹（圖2，EF 段；圖3，CD 段）。

圖3 TH10422X 井底流壓和井口油壓關(guān)系曲線Fig.3 Flowing bottom hole pressure and well head oil pressure relationship curve of Well TH10422X

從圖4（b-1，b-2）圖對比發(fā)現(xiàn)，分布有序的流線變得雜亂和密集。從流體力學原理可以知道，流線簇的疏密程度反映了該時刻流場中各點速度的變化情況，疏的地方流速變化慢，密的地方變化快。這使溶洞內(nèi)部本身處于均勻分布的壓力場產(chǎn)生局部高壓或低壓區(qū)，形成震蕩的壓力波。從（c-1，c-2）圖對比看出，溶洞中有水體侵入的地方流速出現(xiàn)局部增大，使得溶洞系統(tǒng)的壓力發(fā)生震蕩。從（d-1，d-2）圖對比看出，突破后的井口壓力升高。

通過對強邊、底水竄進前后和突破井底前后井底流壓，井口油壓的綜合分析，高產(chǎn)井從底水開始竄進-底水突破井底-井口見水，油井的井口油壓和產(chǎn)量都會出現(xiàn)異常波動，這種油壓和產(chǎn)量的波動是預(yù)測和判定高產(chǎn)油井水淹風險的重要依據(jù)。

圖4 水體侵入之前、水體侵入后油相、流線、速度及壓力分布Fig.4 Oil phase，flow lines，velocity and pressure distribution before and after water intrusion

3 高產(chǎn)井見水風險預(yù)警方法

由于不同水淹類型和水體強弱在動態(tài)曲線上將有不同程度的反映信號，對于水淹預(yù)警信號的捕捉與研究，是進行高產(chǎn)井生產(chǎn)控制的關(guān)鍵。通過對現(xiàn)場已水淹的高產(chǎn)井統(tǒng)計表明：在相對穩(wěn)定工作制度下異常信號類型可劃分為：（1）油壓小幅下降后上升，產(chǎn)量穩(wěn)定；（2）產(chǎn)量穩(wěn)定，油壓、套壓上升型；（3）油壓、產(chǎn)量同時小幅上升[14-15]。

對于高產(chǎn)井見水風險預(yù)警提出了分階段控制方法，根據(jù)油井所處的生產(chǎn)階段分為：（1）純彈性驅(qū)階段：制定初期合理工作制度，控制產(chǎn)油量，延長彈性能量的釋放時間；根據(jù)油體規(guī)模，選擇適當油嘴大小。（2）彈性驅(qū)向水驅(qū)過渡階段：水驅(qū)開始啟動，油壓遞減速度減緩，即時進行主動控嘴，延長油井無水期。（3）純邊、底水驅(qū)階段：油壓出現(xiàn)小幅上升，油量波動，這時底水已經(jīng)達到井底附近，應(yīng)大幅度控制產(chǎn)量或關(guān)井，以控制底水的竄進，實現(xiàn)水體的橫向擴散。如圖5 所示，T2 井見水前的異常信號為：油壓從4.8 MPa 上升到5.3 MPa、日產(chǎn)油量產(chǎn)量從214 t 增加到238 t、且開始零星見水，當采取油嘴從10 mm 下調(diào)到6 mm 的大幅度控嘴措施后，有效延緩了底水快速上升，防止了油井的暴性水淹。

圖5 S99 井見水風險預(yù)警控制Fig.5 Water flood risk and control of Well S99

對高產(chǎn)油井實施提前見水風險預(yù)警是現(xiàn)場高產(chǎn)井穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵?？梢愿鶕?jù)油井所處的不同生產(chǎn)階段進行見水風險預(yù)警以實現(xiàn)油井的穩(wěn)產(chǎn)、延長無水生產(chǎn)期，從而進一步提高單元油井采出程度。

4 結(jié) 論

（1）強邊、底水油藏能量接替階段可以分為：純彈性驅(qū)階段、彈性驅(qū)向水驅(qū)過渡階段、純邊、底水驅(qū)階段。

（2）利用水淹前油井的油壓和產(chǎn)量異常波動特征可以作為預(yù)測強邊、底水突破到井底附近的重要信號。

（3）根據(jù)油井所處的生產(chǎn)階段不同，對于高產(chǎn)井見水風險預(yù)警提出了分階段控制方法，將油井的水淹由被動控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃涌刂疲瑸橛吞锔弋a(chǎn)井穩(wěn)產(chǎn)和油井見水風險預(yù)警提供了依據(jù)。

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