帶隔板的韻律性砂巖底水油藏油水流動規(guī)律研究

宋惠馨 張茂林 薛軍 王賀 張藝鐘 彭軍 唐雯

摘 ?????要：在韻律性砂巖底水油藏的開發(fā)過程中，隨著地下原油的不斷采出，由于油水密度差異，底水會向上運動，形成底水錐進，而隔板的存在有效地抑制底水錐進，影響油藏水驅(qū)特征，改善開發(fā)效果。沉積韻律是厚層砂巖體內(nèi)部水淹分布規(guī)律的主要控制因素。隔板的類型及展布特征均會影響韻律性砂巖底水油藏底水錐進速度的快慢和油藏開發(fā)效果的好壞。以某油田9區(qū)韻律性砂巖底水油藏為參照，運用數(shù)值模擬方法建立了三維二相的黑油模型，研究了不同隔板尺寸大小、隔板位置及隔板滲透率對某油田9區(qū)韻律性砂巖底水油藏的影響。結果表明：隔板尺寸、隔板位置、隔板滲透率是影響韻律性砂巖油藏底水錐進速度、底水錐進形態(tài)及油藏采出程度的重要因素。

關 ?鍵 ?詞：底水油藏;沉積韻律;隔板;底水錐進;數(shù)值模擬;影響因素

中圖分類號：TE327???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2608-06

Study on Oil-water Flow Law of Rhythmic Sandstone

Bottom Water Reservoirs?With Partition

SONG Hui-xin¹， ZHANG Mao-lin²， XUE Jun¹， WANG He¹， ZHANG Yi-zong²， PENG Jun³， TANG Wen⁴

（1. College of Petroleum Engineering， Yangtze?University， Hubei Wuhan 430100， China;

2. Collaborative Innovation Center for Unconventional Oil and Gas， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China;

3. Jianghan?Oilfield Branch?Exploration and Development Research Institute， Hubei Wuhan 430073， China;

4. Southwest Oil and Gas Field?Chongqing Gas Field， Chongqing 400021， China）

Abstract： ?In the development of rhythmic sandstone bottom water reservoirs， with the continuous extraction of underground crude oil， due to the difference of?oil-water density， the bottom water will move upwards， forming bottom water coning， but the existence of the partition effectively can suppress the bottom water cone， affecting the characteristics of reservoir water flooding and improving development result. Sedimentary rhythm is the main controlling factor for controlling the distribution law of water flooding inside thick sand bodies. The type and distribution characteristics of the partitions will affect the speed of the bottom water coning of the rhythmic sandstone bottom water reservoir and the development effect of the reservoir. Based on the rhythmic sandstone bottom water reservoir in the 9th district of an oilfield， a three-dimensional two-phase black oil model was established by numerical simulation method. The?effect of the?size of the partition， the position of the partition and the permeability of the partition on the reservoir was?studied. The results showed?that the size of the baffle， the position of the baffle and the permeability of the baffle were?important factors affecting the bottom water coning rate， the bottom water coning pattern and the recovery degree of the reservoir in the rhythmic sandstone reservoir.

Key words： bottom-water reservoir;?sedimentary rhythm;?partition; water coning;?numerical simulation;influencing factors

經(jīng)過多年開發(fā)，韻律性砂巖底水油藏錐進引起的高含水、低采出程度問題日益嚴重，而關于韻律性砂巖底水油藏油水開發(fā)的理論方法仍不完善，多因素共同影響油水流動規(guī)律，各因素具體影響程度難以確定，常規(guī)油藏工程方法預測難度較大。在多因素共同作用下，油水流動規(guī)律更加復雜，嚴重制約塔河油田碎屑巖底水油藏油水的合理開發(fā)水平，建立底水錐進的油藏工程表征方法，為類似的韻律性砂巖底水油藏制定合理的開發(fā)技術政策提供理論依據(jù)，依據(jù)已有的實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結韻律性砂巖底水油藏油水流動的規(guī)律。筆者運用統(tǒng)計學中的隨機變量與分布函數(shù)方法結合實際地層滲透率級差和平均滲透率等參數(shù)，建立了砂巖底水油藏的正韻律、反韻律模型。

隔板主要是指在油藏開采過程中，阻礙油氣流通、運移和聚集的條狀地層，其具有低滲透或不滲透的特性。針對韻律性砂巖底水油藏開采規(guī)律和挖潛措施的研究仍然存在諸多問題，國內(nèi)外并未對帶隔板的韻律性砂巖底水油藏影響底水錐進的因素做出詳盡分析。因此，作者運用數(shù)值模擬的研究方法，將隔板展布的機理模型作為依據(jù)，針對隔板大小，隔板位置和隔板滲透率對韻律性砂巖底水油藏的采出程度及底水錐進的影響進行了詳細的分析。該模型模擬結果表示，隔板尺寸愈發(fā)大、當隔板位于油水界面與油井射孔底端之間時，隔板愈發(fā)的臨近油井射孔底端或者隔板滲透能力愈發(fā)差，則對底水錐進的封堵能力愈發(fā)好，因此延緩油井見水時間、延長無水采收期，提高采收率、加強油藏開發(fā)效果^[1-5]。

1 ?韻律性油藏劃分與描述

油藏滲透率的差異性體現(xiàn)出油藏地層的韻律性，沉積韻律是控制厚層砂體內(nèi)部水淹分布規(guī)律的主要影響因素^[6]。根據(jù)沉積時的水體能量的條件和沉積環(huán)境的差異將其劃分為以下4種基本類型：均質(zhì)韻律厚層砂、正韻律厚層砂、反韻律厚層砂、復合韻律厚層砂。

比較各地層的物性和巖性可知，均質(zhì)韻律層各性質(zhì)不隨深度變化，為均勻地層，水線均勻或略偏下推進，主要以中水淹和高水淹為主。在均質(zhì)韻律中，普遍水淹厚度大，水驅(qū)效果良好，低水淹或未水淹較為罕見。正韻律層隨深度增加，巖石粒度逐漸加粗，物性逐漸變好，水線偏下推進。推進效果主要表現(xiàn)為韻律底部高水淹，水驅(qū)效果較高;在中部和頂部，其巖性和物性較差，水淹多表現(xiàn)為中水淹和低水淹。反韻律層隨深度增加，物性逐漸變差，砂體粒度變細，在重力和水驅(qū)的耦合作用下，水線略偏上推進。與正韻律相反，反韻律層多于滲透率較高的頂部形成高水淹，水驅(qū)效果高于中部和底部。正韻律與反韻律的聯(lián)合作用地層稱為復合韻律砂體，在不同韻律類型控制下，其內(nèi)部的各種性質(zhì)產(chǎn)生不連續(xù)變化，致使水線推進不規(guī)律。在復合地層中部，韻律多表現(xiàn)出均勻性，一般為中、高水淹，在地層底部和頂部多為低、未水淹^[7，8]。

2 ?夾層類型及展布特性

研究區(qū)目的層辮狀河三角洲相沉積儲層中以泥質(zhì)夾層和鈣質(zhì)夾層為主。泥質(zhì)夾層以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和含砂礫泥巖等作為主要巖石類型^[9]。鈣質(zhì)夾層以細砂巖為主要巖石類型，填隙物中幾乎沒有黏土雜質(zhì)，鈣質(zhì)膠結物質(zhì)量超過總質(zhì)量的十分之一，膠結方式主要為兩種，分別是孔隙式膠結和孔隙接觸式膠結。

該研究區(qū)井數(shù)共有34口，其中都存在夾層。1號砂層組內(nèi)部韻律段間夾層以鈣質(zhì)夾層為主要夾層，泥質(zhì)夾層不發(fā)育;2號砂層組頂部以泥質(zhì)夾層為主要夾層，鈣質(zhì)夾層不發(fā)育。根據(jù)夾層成因分析，得出泥質(zhì)夾層主要發(fā)育兩種夾層，分別為廢棄河道泥巖夾層和心灘內(nèi)夾層。河道改道后廢棄形成的泥巖稱為廢棄河道泥巖，該泥巖水體能量減弱，由充填懸浮細粒沉積物構成，其展布與廢棄河道的展布范圍相關，在平面上大致呈現(xiàn)條帶狀。在形成洪水期洪峰波動的休水期，心灘頂部、頂部、背水面尾部垂向加積的細粒沉積物為落淤夾層，鈣質(zhì)夾層為落淤夾層發(fā)生的溶解于交代作用，黏土雜基向自生高嶺石轉變^[10-12]。

3 ?模型的建立

根據(jù)某油田9區(qū)韻律性砂巖底水油藏的實際地層提供的資料，將數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分為56×35×25，共49 000個網(wǎng)格。水平x方向為56個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格的取值10 m，水平y方向為35個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格方向為10 m;垂向上共有25層，其中上面24層為油層，每層厚度0.5 m，最下面一層是底水層，厚度為5 m。

固定參數(shù)：只考慮一口水平井的情況，水平井位于油層頂部，水平井段長度為300 m;水平井地面產(chǎn)量50 m³/d的速度定量生產(chǎn)，水平滲透率與垂直滲透率比值為1.3，孔隙度為0.21。根據(jù)某油田9區(qū)三疊系下油組層內(nèi)層間非均質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)（如表1所示）。

考慮實際情況將地層分為三個韻律層，對各韻律層的滲透率數(shù)據(jù)進行非均質(zhì)參數(shù)計算，1號韻律層平均滲透率130×10^-3 ?m²，滲透率級差33;2號韻律層平均滲透率500×10^-3 ?m²，滲透率級差56;3號韻律層平均滲透率1 000×10^-3 ?m²，滲透率級差256。

遵循單一變量原則，控制唯一變量，排除其他因素的干擾和影響，從而驗證唯一變量的作用。變量參數(shù)取值：隔板大小分別為200 m×100 m、300 m×200 m、400 m×300 m;隔板位置分別為水平井下部、避水高度中部、油水界面上部;隔板滲透率分別為0、0.1、1、10、50 md。機理模型儲層及流體參數(shù)如表2所示。

運用數(shù)值模擬方法建立油藏模型時，各韻律層油藏中各層的滲透率情況，前人依據(jù)實際地層的滲透率級差、平均滲透率和滲透率突進系數(shù)等參數(shù)，采取固定范圍手動取值的方法，雖然具有合理性，但具有主觀因素，為了尊重實際地層的客觀隨機性，服從正態(tài)分布，筆者在取值時引用隨機變量與分布函數(shù)的算法。利用了C語言中的Rand隨機函數(shù)算法，根據(jù)實際地層的滲透率級差和平均滲透率參數(shù)，隨機出3段合理可靠的韻律性砂巖底水油藏的正韻律，反韻律的數(shù)值，筆者認為此方法更加具有客觀性和合理性。得出數(shù)據(jù)如表3、4所示。

下面通過Eclipse數(shù)值模擬軟件方法分析隔板尺寸，隔板位置，隔板滲透率等不同因素對采出程度，含水率和時間的關系及對底水錐進水錐水脊形態(tài)的變化的影響規(guī)律進行分析。

4 ?不同因素影響因素分析

4.1??隔板大小影響因素分析

運用數(shù)值模擬方法，研究隔板尺寸對正、反韻律砂巖底水油藏水椎水脊形態(tài)，采出程度及含水率等開發(fā)動態(tài)指標的影響。

A.正韻律

模擬計算了正韻律砂巖底水油藏中隔板大小分別為200?m×100?m、300?m×200?m、400?m×300?m。得出正韻律情況下，不同隔板大小與采出程度、含水率和時間的關系曲線和底水錐進水錐水脊動態(tài)圖（如圖1、2所示）。

B. 反韻律

模擬計算了反韻律油藏中人工隔板大小分別為200?m×100?m、300?m×200?m、400?m×300?m。根據(jù)數(shù)模結果，做出反韻律情況下不同隔板大小與采出程度、含水率和時間的關系曲線和底水錐進水錐水脊動態(tài)圖（如圖3、4所示）。

隔板尺寸大小對正、反韻律性砂巖底水油藏油水流動影響顯著。在正韻律砂巖底水油藏中，采出程度隨著隔板尺寸的增大呈現(xiàn)增加趨勢。在反韻律性砂巖底水油藏中，采出程度隨著隔板尺寸的增大呈現(xiàn)增加趨勢，并且趨勢比正韻律砂巖底水油藏較為明顯。

但并不是隔板越大，無水采出程度越高，見水越晚。分析認為，隔板尺寸較小時，水驅(qū)油波及面積小，隔板上部水錐形成較快，隨著隔板尺寸增大，水體首先向上脊進并在隔板末端形成水脊，然后水脊向上突破油區(qū)，致使油井見水。這時，水會繞過隔板后繼續(xù)脊進，但如果隔板太大，就會在隔板下面圈閉更多的原油，從而導致無水采出程度偏低。隨著隔層尺寸的大小越來越大，隔層對底水的封堵作用也會越來越強，當隔板尺寸增加到一定程度時，底水對地層虧空體積和能量能力的填補將受到阻礙，因此降低了采收率的增加幅度;如果隔板尺寸持續(xù)增加，隔板將會徹底封堵住底水，底水會徹底喪失向上流動的能力，油藏的驅(qū)動方式也會從底水驅(qū)動轉變?yōu)閺椥则?qū)動，由于驅(qū)替能量不足，將導致采收率的降低和無水采出程度的降低^{[13，14]}。

4.2 ?隔板位置影響因素分析

運用數(shù)值模擬方法，研究隔板位置對正、反韻律砂巖底水油藏水椎形態(tài)，采出程度及含水率等開發(fā)動態(tài)指標的影響。

A.正韻律

模擬計算了正韻律油藏中人工隔板位置分別為水平井下部，避水高度中部，油水界面上部。根據(jù)數(shù)模結果，做出正韻律情況下不同隔板位置與采出程度、含水率和時間的關系曲線和底水錐進水錐水脊動態(tài)圖（如圖5、6所示）。

B.反韻律

模擬計算了反韻律油藏中隔板位置分別為水平井下部，避水高度中部，油水界面上部。根據(jù)數(shù)模結果，做出反韻律情況下不同隔板位置與采出程度、含水率和時間的關系曲線和底水錐進水錐水脊動態(tài)圖（如圖7、8所示）。

隔板位置對于正、反韻律性砂巖底水油藏油水流動影響顯著。在正、反韻律性砂巖底水油藏中，當且僅當隔板位于油水界面與油井射孔底端之間時，隔板才會對底水錐進起到抑制作用，進而提高底水油藏的開發(fā)效果。當隔板位于避水高度中部時，無水采油期最長，隔板在油水界面越近，無水采油期越短。因為當隔板距油水界面越近時，此時底水驅(qū)替將類似邊水驅(qū)替，水很容易繞過隔板并由于重力分異作用在隔板上方形成新的底水層。這樣，當水在井底突破時，油層中還有大量油區(qū)沒有被波及，無水采出程度不高^[15]。

4.3 ?隔板滲透率影響因素分析

運用數(shù)值模擬方法，研究隔板位置對正、反韻律砂巖底水油藏水椎形態(tài)，采出程度及含水率等開發(fā)動態(tài)指標的影響。

A.正韻律

模擬計算了正韻律油藏中隔板滲透率分別為0、0.1、1、10、50?md。根據(jù)數(shù)模結果，得到正韻律情況下不同隔板滲透率與采出程度、含水率和時間的關系曲線和底水錐進水錐水脊動態(tài)圖（如圖9、10所示）。

B.反韻律

模擬計算了反韻律油藏中采油速度分別為0、0.1、1、10、50?md。根據(jù)數(shù)模結果，得到反韻律情況下不同隔板滲透率與采出程度、含水率和時間的關系曲線和底水錐進水錐水脊動態(tài)圖（如圖11、12所示）。

不同隔板滲透力對正、反韻律砂巖底水油藏的采出程度和油水流動影響顯著。

針對不同的隔板滲透率對底水錐進抑制程度有顯著的不同，當隔板滲透率為0時，因為底水繞流，所以無法驅(qū)替隔層下伏、上覆原油，因此形成“屋檐油”和“屋頂油”;然而在弱滲透隔板中，底水可緩慢浸透隔板，可以有效驅(qū)替隔板周圍附近區(qū)域的原油，促進采收率的提高。因此，具有弱滲透能力的隔板在一定程度上可以減輕底水錐進速度，與此同時，也可以有效運用底水驅(qū)替出原油，增加無水采油期。當隔板滲透率達到50?md時，無水采油期明顯縮短。因此隨著隔板滲透能力的增加，無水采油期越來越短^[16]。

5 ?結束語

隔板因素影響了正、反韻律砂巖底水油藏油水流動規(guī)律，控制了采出程度的高低和底水錐進的流動形態(tài)。隔板大小、位置及滲透率在正、反兩種韻律情況下，采出程度隨著隔板尺寸的增大呈現(xiàn)增加趨勢，并且趨勢比正韻律砂巖底水油藏較為明顯。但并不是隔板越大，無水采出程度越高，見水越晚。如隔板尺寸過大，隔板將會徹底封堵住底水，底水徹底喪失向上流動的能力，油藏的驅(qū)動方式從底水驅(qū)動變?yōu)閺椥则?qū)動，從而導致驅(qū)替能量將不足，采收率將降低，無水采收期縮短。射孔段底部與油水界面之間的隔板對底水有明顯的阻隔作用，油水界面處的次之，油水界面下的隔板基本不起阻隔作用。因此在設計射孔段時，盡量在射孔段底部到油水界面之間的位置至少要留一個隔板，以利于抑制底水錐進。隔板的滲透性越差，其對底水錐進的抑制作用越好。當隔板具有弱滲透能力時，在一定程度上能減輕底水錐進的速度，與此同時，也可以有效運用底水驅(qū)替出原油，增加無水采油期。

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