厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果及其影響因素分析

關(guān)云,曹仁義,徐鋒,呂文賀,晉劍利

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京102249;2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京100083)

0 引言

Z油田M區(qū)塊為層狀邊水巖性-構(gòu)造油藏,油層埋藏較淺,儲(chǔ)層厚度在100.0～280.0 m,平均孔隙度20.8%,整體上滲透率在1 000X10-3μm2左右.該油藏劃分為2個(gè)開(kāi)發(fā)層系:上開(kāi)發(fā)層系有3個(gè)砂體,相對(duì)均質(zhì);下開(kāi)發(fā)層系包含2個(gè)砂體,厚度大,韻律明顯,縱向非均質(zhì)性強(qiáng).此外,該油藏的流體性質(zhì)差異也較大.在高速開(kāi)發(fā)下,該油藏出現(xiàn)遞減過(guò)快、壓力下降快、縱向干擾嚴(yán)重等問(wèn)題.這些問(wèn)題的影響因素復(fù)雜,若不找出主控因素,就難以為下步調(diào)整提供理論依據(jù)及相應(yīng)指導(dǎo).

前人通過(guò)對(duì)影響厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)的因素研究認(rèn)為,地層縱向非均質(zhì)性對(duì)其開(kāi)發(fā)有重要影響.一般看法是,正韻律油藏會(huì)較快地形成優(yōu)勢(shì)通道,導(dǎo)致注采無(wú)效循環(huán)[1-9].劉斌等[10]還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了非均質(zhì)油藏的平均滲透率對(duì)于其水驅(qū)采收率的影響較小.

關(guān)于厚油層的厚度,國(guó)內(nèi)研究涉及的一般為2.0～69.4 m[11-16],而巴彥河套新區(qū)新盆地勘探發(fā)現(xiàn)的195.0 m大規(guī)模厚油層[17]則很少見(jiàn).油層厚度很大時(shí),可能會(huì)對(duì)開(kāi)發(fā)造成影響,但對(duì)此國(guó)內(nèi)鮮有研究.另外,油水黏度比作為影響?zhàn)ば灾高M(jìn)程度的參數(shù),也對(duì)開(kāi)發(fā)效果有較大影響[5,10].本文通過(guò)調(diào)研,抽提出影響厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的因素,并設(shè)計(jì)了單因素和正交實(shí)驗(yàn);將影響厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的因素確定為油層厚度、地層韻律(簡(jiǎn)稱韻律)、滲透率級(jí)差(簡(jiǎn)稱級(jí)差)、油水黏度比等,這些因素也是該區(qū)實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)發(fā)中的變量;同時(shí),通過(guò)建立數(shù)值模型研究了厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)特征,并評(píng)價(jià)了厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果對(duì)各影響因素的敏感性.

1 模型建立與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Z油田M區(qū)塊的平均物性參數(shù)建立厚油層水驅(qū)理論模型.模型采用正方形五點(diǎn)法井網(wǎng)一注一采模式,井距為500 m,注入量恒定且注采平衡.平面上為25X25個(gè)網(wǎng)格,縱向上網(wǎng)格單位為1 m.模型孔隙度為20.8%,原始地層壓力為12.8 MPa,模型設(shè)置的水平滲透率為1 000X10-3μm2,垂向滲透率為水平滲透率的0.1倍,注水速度設(shè)置為0.9 m3/(d.m).

該模型為均質(zhì)模型.由于該區(qū)砂體發(fā)育厚度主要在20～140 m,故研究厚度影響時(shí),在10～150 m厚度范圍進(jìn)行了7組實(shí)驗(yàn).研究?jī)?chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響時(shí),需對(duì)模型進(jìn)行微調(diào).表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性的參數(shù)有滲透率變異系數(shù)、滲透率突進(jìn)系數(shù)和滲透率級(jí)差,三者與非均質(zhì)強(qiáng)度正相關(guān),即非均質(zhì)性越強(qiáng),3個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值越大.整體來(lái)看,滲透率級(jí)差對(duì)非均質(zhì)程度的表征更直觀,與地層的韻律性結(jié)合度好,因此選用該參數(shù)來(lái)表征模型的非均質(zhì)性,并根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料確定了該區(qū)韻律地層的級(jí)差范圍.油水黏度比選取的范圍由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際原油黏度轉(zhuǎn)化而來(lái).

具體實(shí)驗(yàn)方案:1)油層厚度.均質(zhì)模型,其他因素一定,通過(guò)改變縱向網(wǎng)格的數(shù)量來(lái)模擬10,25,50,75,100,125,150 m油層厚度.2)韻律和級(jí)差.非均質(zhì)模型,其他因素一定,同時(shí)保證油層的平均滲透率不變,改變正(反)韻律的滲透率級(jí)差(3,6,9,12).以級(jí)差為3的正韻律地層為例.模型頂層平均水平滲透率為500X10-3μm2,底層為1 500X10-3μm2,中間層的平均水平滲透率按等差數(shù)列排列,地層平均滲透率仍為1 000X10-3μm2;級(jí)差為3的反韻律地層顛倒即可,依此類推.3)油水黏度比.均質(zhì)模型,與厚度進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),改變各厚度模型中的油水黏度比(4,15,25).

2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行數(shù)值模擬,模型均運(yùn)行至含水率達(dá)到95%時(shí)停止.各組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比指標(biāo)主要體現(xiàn)在含水率隨采出程度的變化曲線、主流剖面水驅(qū)前緣形態(tài)圖及其無(wú)因次曲線,以及注入水體積波及系數(shù)等.其中,主流剖面無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線是將前緣形態(tài)圖的橫向長(zhǎng)度(油水井距離)和縱向長(zhǎng)度(水淹厚度)進(jìn)行無(wú)因次處理,消除厚度變化對(duì)觀測(cè)的干擾,可以直觀地比對(duì)水線運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

2.1 油層厚度

研究油層厚度影響因素采用均質(zhì)模型,其他參數(shù)不變.圖1為不同油水黏度比、不同厚度油層主流剖面的水驅(qū)前緣形態(tài).

圖1 不同油水黏度比、不同厚度油層主流剖面水驅(qū)前緣形態(tài)

由圖1可知,厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)時(shí),注入水在縱向上存在嚴(yán)重的波及不均勻現(xiàn)象.油水密度差導(dǎo)致了層內(nèi)的重力分異現(xiàn)象,大厚度油層這一問(wèn)題更加突出,注入水向油井推進(jìn)時(shí)受重力影響,逐漸向油層底部運(yùn)移,在油層底部形成了優(yōu)勢(shì)通道,導(dǎo)致底部的含水飽和度遠(yuǎn)大于油層上部.

為精確描述油層厚度的影響,繪制油水黏度比為4條件下油井見(jiàn)水時(shí)的無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線(見(jiàn)圖2).

圖2 不同厚度油層主流剖面無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線

對(duì)比圖2曲線發(fā)現(xiàn):當(dāng)油層厚度較小時(shí),主流剖面上注入水易于洗到,水線推進(jìn)相對(duì)均勻,無(wú)因次水驅(qū)前緣位置較靠上,油層剖面動(dòng)用較好;當(dāng)油層厚度較大時(shí),注入水受縱向重力分異作用影響,向油層底部運(yùn)移的趨勢(shì)更明顯,導(dǎo)致較厚油層的無(wú)因次水驅(qū)前緣要低于較薄油層,油層上部水洗程度更低.該現(xiàn)象存在一個(gè)明顯的油層厚度界限——50 m.當(dāng)油層厚度小于50 m時(shí),油層厚度越大,導(dǎo)致水驅(qū)前緣越向下偏移,水流優(yōu)勢(shì)通道現(xiàn)象越加劇;當(dāng)油層厚度大于50 m時(shí),油層水驅(qū)前緣形態(tài)趨于一致,即使油層厚度繼續(xù)增加,水驅(qū)前緣形態(tài)變化也不明顯,說(shuō)明油層厚度大于50 m后,其對(duì)水驅(qū)開(kāi)發(fā)的影響不大,故厚度大于50 m的油層可采用同一套方案開(kāi)發(fā).經(jīng)計(jì)算:底層見(jiàn)水時(shí),10 m厚油層頂端前緣位置相對(duì)于底部滯后54.8%,25 m厚油層相對(duì)滯后66.7%,而50～150 m厚油層相對(duì)滯后在76.5%～84.3%;就頂端水驅(qū)前緣位置來(lái)看,150 m厚油層相對(duì)10 m厚油層要滯后65.4%.

油水運(yùn)動(dòng)是動(dòng)力、阻力和重力共同作用的結(jié)果.對(duì)于本組實(shí)驗(yàn),動(dòng)力和阻力一定,主要變量就是重力及其作用范圍.圖3為不同厚度油層見(jiàn)水時(shí)的體積波及系數(shù)變化情況.圖3也證明了油層厚度界限(50 m)的存在.10 m厚油層油井見(jiàn)水時(shí)體積波及系數(shù)為0.52,25 m厚油層為0.45,隨著油層厚度增大,體積波及系數(shù)相應(yīng)減小;但油層厚度大于50 m后體積波及系數(shù)變化幅度不大,基本持平.150 m厚油層對(duì)應(yīng)的體積波及系數(shù)為0.35,相較于10 m厚油層的體積波及系數(shù)下降了32.8%,該下降幅度要小于油層頂部水驅(qū)前緣位置的滯后程度65.4%.其主要原因是,大厚度油層重力作用范圍更大,注入水受重力影響,主要沿著中下部驅(qū)替,而對(duì)油層頂部的驅(qū)替效果相對(duì)差,不如小厚度油層水驅(qū)前緣均勻.

圖3 體積波及系數(shù)隨油層厚度變化情況

圖4為不同厚度油層含水率隨采出程度變化情況.由圖可以看出,油層厚度對(duì)油井見(jiàn)水時(shí)機(jī)和無(wú)水采出程度影響較大,而對(duì)于油藏最終采出程度沒(méi)太大影響.隨油層厚度增大,無(wú)水采出程度依次降低.10 m厚油層無(wú)水采出程度可達(dá)28.3%,25 m厚油層無(wú)水采出程度為24.2%,50 m厚油層無(wú)水采出程度為20.9%;同樣,油層厚度大于50 m的不同厚度油層的曲線較為接近,規(guī)律近似,150 m厚油層無(wú)水采出程度最小,僅為17.5%.隨油層厚度增大,含水采收期要相對(duì)延長(zhǎng),開(kāi)發(fā)效果相對(duì)更差.

圖4 不同厚度油層含水率隨采出程度變化情況

2.2 韻律與級(jí)差

研究韻律和級(jí)差時(shí),選取厚度為100 m、油水黏度比為4的油層作為研究對(duì)象.

2.2.1 正韻律

正韻律油層底部發(fā)育高滲透帶,注入水更容易進(jìn)入油層底部,頂部油層為低滲透帶,抑制了注入水的推進(jìn),從而進(jìn)一步加重了厚油層水驅(qū)縱向波及的不均勻程度,導(dǎo)致底部油層注入水更快速突進(jìn),出現(xiàn)嚴(yán)重的低效、無(wú)效循環(huán),頂部油層未被波及的剩余油體積更大.正韻律級(jí)差為3的地層體積波及系數(shù)為0.33,較相同厚度的均質(zhì)地層下降8.5%;級(jí)差為6,9,12的地層體積波及系數(shù)分別為0.31,0.30,0.29.

圖5為正韻律不同級(jí)差油層與等厚度均質(zhì)油層含水率-采出程度曲線對(duì)比.

圖5 正韻律不同級(jí)差油層與均質(zhì)油層含水率-采出程度

由圖5可知,正韻律顯著降低了厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果,且正韻律的級(jí)差越大,油藏的水線推進(jìn)不均勻程度越高,底層高滲層的水線推進(jìn)越快,油井見(jiàn)水更早,影響了油藏的開(kāi)發(fā)效果.級(jí)差為3,6,9,12條件下對(duì)應(yīng)的無(wú)水采出程度依次降低,分別為14.3%,12.9%,12.5%,12.3%,相比于均質(zhì)地層降低了4.9～6.7百分點(diǎn),最終采出程度相比于均質(zhì)地層分別下降了1.0,2.5,3.5,4.2百分點(diǎn).可以發(fā)現(xiàn),級(jí)差變化主要對(duì)無(wú)水采出程度影響較大,對(duì)最終采出程度的影響相對(duì)較小.此外,對(duì)于正韻律油層,仍存在一個(gè)級(jí)差界限,當(dāng)級(jí)差大于6時(shí),繼續(xù)增大級(jí)差對(duì)于開(kāi)發(fā)效果的影響就相對(duì)較小.

2.2.2 反韻律

反韻律油層頂部滲透率高,底部滲透率低,注入水進(jìn)入地層后頂部吸水量大于底部,因此,反韻律改善了流體重力分異帶來(lái)的注入水沿油層底部突進(jìn)的縱向波及不均勻狀況.圖6為反韻律不同級(jí)差油層與等厚度均質(zhì)油層的含水率及采出程度曲線對(duì)比.由圖6可知,反韻律對(duì)于無(wú)水采出程度的影響較大,對(duì)最終采出程度的影響相對(duì)較小.級(jí)差為3,6,9,12條件下對(duì)應(yīng)的無(wú)水采出程度比等厚度均質(zhì)油層分別提高了9.5,14.5,13.3,12.9百分點(diǎn).值得注意的是,與正韻律的規(guī)律不同,反韻律的級(jí)差同開(kāi)發(fā)效果并非同步變化,而是存在一個(gè)最優(yōu)級(jí)差.反韻律級(jí)差由3增大到6時(shí),無(wú)水采出程度顯著增強(qiáng);隨后繼續(xù)增大級(jí)差,無(wú)水采出程度出現(xiàn)了小幅回落,但仍大于級(jí)差為3時(shí).出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是,級(jí)差為6時(shí)水線的推進(jìn)更均勻,而級(jí)差為9和12時(shí)油層頂部層的滲透率過(guò)大,一定程度上使得頂部見(jiàn)水變?cè)?略微影響了水驅(qū)效果.但總體來(lái)說(shuō),反韻律油層較大的級(jí)差對(duì)于開(kāi)發(fā)有利.

圖6 反韻律不同級(jí)差油層與均質(zhì)油層含水率-采出程度

2.3 油水黏度比

在2.1中討論了較低油水黏度比下的厚油層水驅(qū)規(guī)律,為研究黏度對(duì)厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響,進(jìn)行了油水黏度比為15,25兩種條件下的數(shù)值模擬,同樣采用均質(zhì)模型,相應(yīng)的水驅(qū)前緣曲線對(duì)比見(jiàn)圖1.研究發(fā)現(xiàn):較低油水黏度比(為4)時(shí),任何厚度油層進(jìn)行水驅(qū),其無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線均相對(duì)連續(xù)且平滑,基本未出現(xiàn)注入水沿底部油層"舌進(jìn)"現(xiàn)象.當(dāng)油水黏度比為15時(shí),在重力分異和油水黏度比的共同作用下,厚度大于50 m的油層,其無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線會(huì)在某處出現(xiàn)"拐點(diǎn)",之后則"舌進(jìn)"現(xiàn)象嚴(yán)重,底部油層注入水提前突破,導(dǎo)致注入水在上下部油層之間分配的比例差距和滲流阻力差距較低油水黏度比時(shí)更大,而由于注入水黏性指進(jìn),油水過(guò)渡帶范圍增大,剩余油形狀趨近于塊狀;油水黏度比為25時(shí),該現(xiàn)象進(jìn)一步加劇,油層厚度大于25 m即出現(xiàn)無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線的"拐點(diǎn)",且"拐點(diǎn)"出現(xiàn)時(shí)的油層厚度界限變小,開(kāi)采效率也進(jìn)一步降低.

圖7為100 m厚油層在3種油水黏度比下的含水率與采出程度曲線對(duì)比.由于高油水黏度比加劇了注入水沿底部突進(jìn),導(dǎo)致縱向波及更不均勻;因而,油井見(jiàn)水早,對(duì)應(yīng)無(wú)水采出程度較低,且油井見(jiàn)水后,底層滲流阻力進(jìn)一步降低,上下部吸水速度差進(jìn)一步增大.隨油水黏度比增加,曲線呈現(xiàn)明顯的"上拱"趨勢(shì),即出現(xiàn)含水率上升較快而采出程度上升緩慢的現(xiàn)象.驅(qū)替結(jié)束時(shí),油水黏度比為15,25的油層的采出程度較油水黏度比為4的油層分別下降了4.4,9.3百分點(diǎn).

圖7 不同油水黏度比下油層含水率及采出程度對(duì)比

此外,對(duì)油層厚度因素和油水黏度比因素進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn),以探究二者對(duì)于水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響程度.表1為10,50,100,150 m 4種油層厚度與4,15,25等3種油水黏度比之間的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果.其中:采出程度指驅(qū)替結(jié)束時(shí)的最終采出程度;黏度影響程度是同一厚度下油水黏度比為15和25時(shí)采出程度相較于油水黏度比為4時(shí)的下降程度;厚度影響程度指同一油水黏度比下,油層厚度分別為50,100,150 m時(shí)采出程度相較于厚度為10 m時(shí)的下降程度.由表1可知:油層厚度對(duì)厚油層的采出程度有影響,表現(xiàn)在厚度大導(dǎo)致采出程度下降,但影響相對(duì)小,在本實(shí)驗(yàn)中的最大下降程度為11.4%;而油水黏度比對(duì)采出程度的影響要普遍大于油層厚度的影響,可使采出程度最大下降22.4%.

表1 油層厚度和油水黏度比影響程度對(duì)比

3 結(jié)論

1)基于Z油田M區(qū)塊厚油層油藏?cái)?shù)據(jù),建立了理論注采模型,研究了油層厚度、韻律、級(jí)差、油水黏度比等因素對(duì)厚油層水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的影響程度,認(rèn)為韻律和級(jí)差對(duì)于開(kāi)發(fā)的影響較大,油水黏度比次之,油層厚度影響相對(duì)小.

2)油層厚度越大,油水的重力分異作用就越明顯.含水率相同的條件下,采出程度越低,注入水的體積波及系數(shù)越低;油層厚度的影響存在一個(gè)界限,即50 m,大于這一界限時(shí),其對(duì)開(kāi)發(fā)效果的作用不明顯;油水黏度比增大,導(dǎo)致大于某一厚度的油層水驅(qū)前緣曲線出現(xiàn)"拐點(diǎn)",注入水沿油層底部"舌進(jìn)",加劇注入水分布不均勻,油井提前見(jiàn)水,采出程度下降,且使出現(xiàn)無(wú)因次水驅(qū)前緣曲線"拐點(diǎn)"的油層厚度界限降低.

3)油層厚度一定時(shí),韻律和級(jí)差對(duì)水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果有很大影響.反韻律油層的開(kāi)發(fā)效果好于均質(zhì)韻律油層,均質(zhì)韻律油層好于正韻律油層.正韻律油層級(jí)差越大,水驅(qū)開(kāi)發(fā)的效果越差,但級(jí)差大于6后,其對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響變小;對(duì)于反韻律油層,整體來(lái)說(shuō)增大級(jí)差有利于水驅(qū)開(kāi)發(fā),在級(jí)差為6的時(shí)候開(kāi)發(fā)效果最好,繼續(xù)增大級(jí)差,開(kāi)發(fā)效果會(huì)小幅下降,這可能與頂部高滲層提前見(jiàn)水有關(guān).