陸相油藏全生命周期動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)模式研究及應(yīng)用

穆立華，張雪娜，畢永斌，王秋語(yǔ)

（1.中國(guó)石油冀東油田分公司，河北唐山063000；2.中國(guó)石油冀東油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北唐山063000）

中國(guó)油田大多數(shù)屬于陸相沉積油藏，該類油藏具有油層層數(shù)多、非均質(zhì)性強(qiáng)、水驅(qū)效率較低和天然能量較小等特點(diǎn)，使得油藏全生命周期開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨多種難題，而且隨著油藏開(kāi)發(fā)的深入，不同階段面臨的主要矛盾不同［1-3］。目前關(guān)于油藏全生命周期開(kāi)發(fā)對(duì)策的研究成果鮮有報(bào)道，已有的研究成果也僅限于項(xiàng)目全生命周期或是單井全生命周期［4-5］，忽略了油藏全生命周期各階段要求。為此，筆者從唯物辯證法和系統(tǒng)學(xué)入手，研究系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，?chuàng)新提出油藏動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)原理，研究油藏協(xié)同開(kāi)發(fā)組合模式，設(shè)計(jì)全要素協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)寶塔圖版，按照該圖版制定相應(yīng)的開(kāi)發(fā)對(duì)策，以期為實(shí)現(xiàn)油藏全生命周期科學(xué)、高效開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 開(kāi)發(fā)原理

從哲學(xué)、系統(tǒng)論和協(xié)同學(xué)等理論可知，系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從無(wú)序到有序，最終達(dá)到新的平衡。系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿κ且龑?dǎo)力和推動(dòng)力，分別主導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)展路徑方向和長(zhǎng)度。如果引導(dǎo)力和推動(dòng)力始終保持協(xié)同，系統(tǒng)發(fā)展就能順利遞進(jìn)。否則，發(fā)展過(guò)程就會(huì)迂回曲折。這種動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)的發(fā)展規(guī)律被稱為系統(tǒng)動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)規(guī)律。

陸相油藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程，是持續(xù)細(xì)分層系、不斷完善井網(wǎng)來(lái)引導(dǎo)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)方向并提高介質(zhì)驅(qū)動(dòng)能力的過(guò)程。層系細(xì)分與井網(wǎng)適應(yīng)對(duì)油藏開(kāi)發(fā)起主要引導(dǎo)作用，是油藏開(kāi)發(fā)的主要引導(dǎo)力；提高介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)能力，使接替介質(zhì)性能不斷超越被接替介質(zhì)，對(duì)油藏開(kāi)發(fā)起主要推動(dòng)作用，是油藏開(kāi)發(fā)的主要推動(dòng)力。如果層系細(xì)分、井網(wǎng)適應(yīng)和介質(zhì)超越三者始終保持協(xié)同，油藏開(kāi)發(fā)就能順利遞進(jìn)。否則，開(kāi)發(fā)過(guò)程迂回曲折。系統(tǒng)動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)規(guī)律在油藏開(kāi)發(fā)中應(yīng)用，被稱為油藏動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)原理。

2 驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)序列及驅(qū)替動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)組合

眾所周知，提高采收率是油藏開(kāi)發(fā)的永恒追求，驅(qū)替介質(zhì)是影響采收率的主要因素。因此研究驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)關(guān)系就顯得格外重要。

2.1 驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)序列

地層中剩余油的流動(dòng)性是一個(gè)不斷退化的過(guò)程，一方面受原油組分流動(dòng)性差異的影響，容易流動(dòng)的組分總是優(yōu)先被采出；另一方面受地層非均質(zhì)性的影響，滲透性較好的儲(chǔ)層空間中的原油總是被優(yōu)先采出，因此，驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)是剩余油開(kāi)采的必然需求。要求驅(qū)替介質(zhì)對(duì)剩余油的溶解能力不斷進(jìn)化，通過(guò)互溶增強(qiáng)剩余油的流動(dòng)能力，減少黏滯力和毛管壓力等流動(dòng)阻力，以適應(yīng)剩余油開(kāi)采的需要。另外，還需要驅(qū)替介質(zhì)與剩余油的混相性不斷增強(qiáng)，通過(guò)與剩余油的混相消除界面張力，從而提高剩余油的流動(dòng)能力。因此溶解混相能力是判斷驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)的重要依據(jù)。

溶解性是一種物質(zhì)與一種或多種流體混合，并形成一種單一均質(zhì)相的能力。物質(zhì)按照溶解能力從小到大依次分為難溶、微溶、可溶、易溶和極易溶?；煜嘈允莾煞N或更多種流體以所有比例混合時(shí)形成單一均質(zhì)相的能力［4-5］?；煜囹?qū)的驅(qū)油效果高于非混相驅(qū)［6-7］。綜合考慮溶解性和混相性，設(shè)計(jì)驅(qū)替介質(zhì)能力遞進(jìn)序列，按驅(qū)替能力遞進(jìn)關(guān)系依次為難溶-非混相、微溶-非混相、可溶-非混相、可溶-混相、易溶-混相和極易溶-混相六大類。

目前常用的涉及到人工驅(qū)替介質(zhì)的驅(qū)替方式有水壓驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)等，對(duì)應(yīng)的驅(qū)替介質(zhì)有12種，水壓驅(qū)動(dòng)介質(zhì)為水，化學(xué)驅(qū)動(dòng)介質(zhì)包括聚合物、表面活性劑、堿水、化學(xué)復(fù)合驅(qū)體系和泡沫5種，氣壓驅(qū)動(dòng)介質(zhì)包括氮?dú)?、煙道氣、二氧化碳、干氣、濕氣和液化石油?種。筆者借助室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬法研究常見(jiàn)驅(qū)替介質(zhì)在原油中的溶解混相能力與驅(qū)油動(dòng)力之間的關(guān)系。

2.1.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法

眾所周知，氣體介質(zhì)更能滿足介質(zhì)易溶易混的發(fā)展要求，因此通過(guò)開(kāi)展地層油與注入氣體系統(tǒng)相態(tài)實(shí)驗(yàn)、最小混相壓力實(shí)驗(yàn)及驅(qū)油實(shí)驗(yàn)，得到不同氣體介質(zhì)在原油中的溶解混相能力和驅(qū)替動(dòng)力。

氣體介質(zhì)在原油中的溶解能力 由圖1可見(jiàn)，在相同飽和壓力下，3種氣體在原油中的溶解能力由大到小依次為二氧化碳、濕氣和氮?dú)狻?/p>

圖1 氣體介質(zhì)在原油中的溶解能力Fig.1 Soluble capacity of gas medium in crude oil

氣體介質(zhì)混相能力對(duì)比 通過(guò)3種氣體介質(zhì)與3個(gè)油樣的最小混相壓力實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在同等條件下不同氣體介質(zhì)混相能力。測(cè)試結(jié)果（表1）表明，二氧化碳和濕氣最易混相，氮?dú)獠灰谆煜唷?/p>

表1 不同油樣與3種氣體介質(zhì)最小混相壓力測(cè)試結(jié)果Table1 Test results of minimum miscible pressure in different media of different oil samples MPa

不同驅(qū)替介質(zhì)驅(qū)油動(dòng)力對(duì)比 不同驅(qū)替介質(zhì)的驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表2）表明：在9種介質(zhì)中，提高采收率最高的是混相條件下的濕氣和二氧化碳；其次為非混相條件下的化學(xué)復(fù)合驅(qū)體系、濕氣和二氧化碳；表面活性劑、泡沫和堿水次之；氮?dú)?、聚合物和水提高采收率幅度最低?/p>

表2 不同驅(qū)替介質(zhì)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Experimental result of oil displacement efficiency of different media %

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

在精細(xì)擬合室內(nèi)相態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值模擬手段，研究干氣、煙道氣、液化石油氣、濕氣、二氧化碳、氮?dú)夂退?種不同介質(zhì)的驅(qū)油動(dòng)力。從最終提高采收率幅度（表3）來(lái)看，提高采收率幅度由大到小依次為液化石油氣、濕氣、二氧化碳、干氣、煙道氣和氮?dú)狻?/p>

2.1.3 驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)序列分類

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究結(jié)果，將12種常見(jiàn)驅(qū)替介質(zhì)按其溶解混相能力和驅(qū)油動(dòng)力分為六大驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)序列（圖2），這六大系列驅(qū)替介質(zhì)的驅(qū)油動(dòng)力是逐級(jí)遞進(jìn)關(guān)系。

2.2 驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)組合

驅(qū)替介質(zhì)序列協(xié)同遞進(jìn)接替應(yīng)用，有利于提高最終采收率。按照油藏開(kāi)發(fā)驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)序列設(shè)計(jì)自然綠色遞進(jìn)、自然清潔遞進(jìn)、綠色遞進(jìn)、清潔遞進(jìn)和正常接替遞進(jìn)五種全生命周期開(kāi)發(fā)動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)組合，分析了每種組合方式的優(yōu)缺點(diǎn)（圖3）。

表3 不同驅(qū)替介質(zhì)驅(qū)油效果對(duì)比Table3 Comparison of oil displacement results in different media

圖2 常見(jiàn)驅(qū)替介質(zhì)動(dòng)力遞進(jìn)序列Fig.2 General oil displacement efficiency progressive sequence

圖3 砂巖油藏全生命周期開(kāi)發(fā)動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)組合及優(yōu)缺點(diǎn)Fig.3 Dynamics combination model of whole life-cycle development in sandstone reservoir and its advantages and disadvantages

3 開(kāi)發(fā)模式

陸相油藏開(kāi)發(fā)的主要推動(dòng)力是驅(qū)替介質(zhì)，但只有開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同，才能保障油藏開(kāi)發(fā)穩(wěn)定有序進(jìn)行［8-11］。

3.1 全生命周期開(kāi)發(fā)階段劃分

3.1.1 全要素協(xié)同

陸相油藏全生命周期開(kāi)發(fā)應(yīng)針對(duì)不同開(kāi)發(fā)階段不同矛盾，從層系組建、井網(wǎng)構(gòu)建和驅(qū)替介質(zhì)三大要素入手，以階段采收率遞進(jìn)協(xié)同，極限采收率最大化為發(fā)展動(dòng)力，最終按照動(dòng)力階段遞進(jìn)、動(dòng)力極限向?qū)У拈_(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力遞進(jìn)主導(dǎo)的油藏全生命周期全要素協(xié)同開(kāi)發(fā)。因此，驅(qū)替對(duì)象、驅(qū)替手段、驅(qū)替介質(zhì)、發(fā)展方式、發(fā)展動(dòng)力和開(kāi)發(fā)模式是油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的全要素。油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①主觀與客觀的協(xié)同。層系、井網(wǎng)和驅(qū)替介質(zhì)是以客觀為主的油藏開(kāi)發(fā)要素。發(fā)展方式、發(fā)展動(dòng)力和發(fā)展模式是以主觀為主的油藏開(kāi)發(fā)要素，是開(kāi)發(fā)工作者在長(zhǎng)期實(shí)踐摸索中由感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的升華。②統(tǒng)領(lǐng)與支撐的協(xié)同。驅(qū)替對(duì)象、驅(qū)替手段、驅(qū)替介質(zhì)、發(fā)展方式和發(fā)展動(dòng)力是在發(fā)展模式統(tǒng)領(lǐng)下環(huán)環(huán)聯(lián)動(dòng)、協(xié)同共榮。③共時(shí)與歷時(shí)協(xié)同。油藏各要素在同一時(shí)間相互聯(lián)系、相互制約，體現(xiàn)油田開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)性；同時(shí)油田開(kāi)發(fā)是一個(gè)過(guò)程的集合體，同一要素隨著時(shí)間遞進(jìn)演變，體現(xiàn)要素內(nèi)部的歷時(shí)協(xié)同。

3.1.2 開(kāi)發(fā)階段劃分

按照陸相油藏全生命周期全要素協(xié)同開(kāi)發(fā)理念，可將油藏從初始平衡狀態(tài)到廢棄平衡狀態(tài)全生命周期劃分為7個(gè)開(kāi)發(fā)階段，依次分別為天然驅(qū)層系組合階段、正能驅(qū)層系組合階段、正能驅(qū)層系細(xì)分階段、超能驅(qū)層系組合階段、超能驅(qū)層系細(xì)分階段、極限驅(qū)層系組合階段和回收有利介質(zhì)階段。按照該開(kāi)發(fā)階段有序進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)油藏的協(xié)同高效開(kāi)發(fā)。

圖4 油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)寶塔圖版Fig.4 Pagoda-like chart about synergetic development of all elements in reservoir production system

3.2 油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同開(kāi)發(fā)寶塔圖版

陸相油藏涉及到層系、井網(wǎng)和驅(qū)替介質(zhì)等全要素的協(xié)同開(kāi)發(fā)。筆者在文獻(xiàn)［12-13］的基礎(chǔ)上，綜合考慮油藏動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)原理和全生命周期全要素協(xié)同開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面，研究形成了分析陸相油藏動(dòng)力遞進(jìn)主導(dǎo)的全生命周期全要素協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)的方法——油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)寶塔圖版。該圖版采用金字塔原理進(jìn)行構(gòu)思［14-15］，共分為6層21環(huán)（圖4）。自下而上，第1—3層為層系細(xì)分、井網(wǎng)適應(yīng)和介質(zhì)超越，包括15項(xiàng)動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)模式，揭示了不同開(kāi)發(fā)階段、不同開(kāi)發(fā)要素的協(xié)同順序，明確了路徑規(guī)劃研究時(shí)相輔相成、相互作用的戰(zhàn)術(shù)及做法。第4層為方式遞進(jìn)，以驅(qū)替介質(zhì)為基礎(chǔ)，提出了一次采油、二次采油和三次采油協(xié)同開(kāi)發(fā)理念。第5層為動(dòng)力協(xié)同，層系階段細(xì)分、介質(zhì)階段超越指導(dǎo)了油藏開(kāi)發(fā)中前期開(kāi)發(fā)階段的有序遞進(jìn)，層系極限細(xì)分、介質(zhì)極限驅(qū)替指導(dǎo)了油藏開(kāi)發(fā)后期開(kāi)發(fā)階段的有序遞進(jìn)。第6層為模式指導(dǎo)，動(dòng)力階段遞進(jìn)、動(dòng)力極限向?qū)怯筒亻_(kāi)發(fā)全生命周期的發(fā)展模式。

3.3 全生命周期動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)特征

陸相油藏全生命周期動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)是全過(guò)程的開(kāi)發(fā)協(xié)同，協(xié)同的標(biāo)準(zhǔn)就是產(chǎn)量的平穩(wěn)疊加、衰減，因此陸相油藏開(kāi)發(fā)特征曲線具有典型的扇貝型特征（圖5）。陸相油藏開(kāi)發(fā)以該特征曲線為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，若與曲線相符則為協(xié)同開(kāi)發(fā)，反之則為不協(xié)同開(kāi)發(fā)，應(yīng)根據(jù)不協(xié)同開(kāi)發(fā)的程度建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、有效的判斷，并因地制宜、辯證施策，制定出有針對(duì)性的協(xié)同計(jì)策，改善開(kāi)發(fā)效果，重新實(shí)現(xiàn)協(xié)同開(kāi)發(fā)。

圖5 全生命周期動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)模式產(chǎn)量生長(zhǎng)模型Fig.5 Model of production growth in dynamic synergetic progressive development model of all elements in whole life-cycle

4 應(yīng)用實(shí)例

柳贊北區(qū)斷層根部于2000年投入開(kāi)發(fā)，初期采用彈性開(kāi)發(fā)，但地層能量不足，產(chǎn)量下降快，階段末采出程度為2.2%，日產(chǎn)油量為7 t/d。2004年實(shí)施注水開(kāi)發(fā)，油井見(jiàn)效明顯，注水初期日產(chǎn)油量達(dá)60 t/d，由于籠統(tǒng)注采，單層突進(jìn)嚴(yán)重，層間矛盾逐步顯現(xiàn)，之后實(shí)施層系細(xì)分，開(kāi)發(fā)效果有所好轉(zhuǎn)，采出程度為8.6%。2010年后，以油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)寶塔圖版為指導(dǎo)，以動(dòng)力階段遞進(jìn)、動(dòng)力極限向?qū)榘l(fā)展模式，以層系階段細(xì)分和介質(zhì)階段超越為發(fā)展動(dòng)力，確定采用三次采油開(kāi)發(fā)方式，結(jié)合精細(xì)地質(zhì)研究成果及開(kāi)發(fā)歷程，按照正常接替遞進(jìn)典型組合模式，考慮氣體介質(zhì)來(lái)源，確定后續(xù)驅(qū)替介質(zhì)為二氧化碳。根據(jù)剩余油富集程度及地層傾角，確定氣驅(qū)層位為Es33Ⅳ2油組。頂部部署注氣井6口，低部位注水井8口，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)井20口。注氣使該試驗(yàn)區(qū)取得較好的開(kāi)發(fā)效果，截至2018年1月，氣驅(qū)見(jiàn)效井為11口，注氣初期日產(chǎn)油量為110 m3/d，單井最長(zhǎng)有效期達(dá)1 524 d，單井最高增油量為1.9×104t，階段末采出程度達(dá)到23.4%，在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高了14.8%，該油藏在彈性驅(qū)層系組合階段、水驅(qū)層系組合階段和水驅(qū)層系細(xì)分階段、二氧化碳驅(qū)層系組合階段遞進(jìn)協(xié)同作用下（圖6），實(shí)現(xiàn)了高效開(kāi)發(fā)的理念。

圖6 柳贊北區(qū)斷層根部Es33Ⅳ2油組生產(chǎn)曲線Fig.6 Production curve of Es33Ⅳ2 oil group at root of fault in the north of Liuzan block

5 結(jié)論

層狀非均質(zhì)砂巖油藏的開(kāi)發(fā)要遵循油藏動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)原理，層系細(xì)分和井網(wǎng)適應(yīng)是油藏開(kāi)發(fā)的主要引導(dǎo)力，介質(zhì)超越是油藏開(kāi)發(fā)的主要推動(dòng)力。

從驅(qū)替介質(zhì)溶解混相能力和驅(qū)油動(dòng)力入手，建立油藏開(kāi)發(fā)驅(qū)替介質(zhì)能力遞進(jìn)六大序列，推導(dǎo)出五種油藏開(kāi)發(fā)驅(qū)替介質(zhì)能力遞進(jìn)典型組合。

全生命周期動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中全要素共時(shí)協(xié)同、單要素歷時(shí)遞進(jìn)，油藏全生命周期可劃分為7個(gè)開(kāi)發(fā)階段。

油藏開(kāi)發(fā)系統(tǒng)全要素協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)寶塔圖版，涵蓋了陸相油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中六大要素協(xié)同應(yīng)變方法，全生命周期動(dòng)力協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)模式能夠指導(dǎo)油藏協(xié)同遞進(jìn)開(kāi)發(fā)。