煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

施小榮，蔣雪峰，陳 鳳，呂世瑤，何乃祥，劉靈靈

（1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆克拉瑪依834000；3.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營257000）

新疆油田稠油資源豐富，但稠油油藏在熱采過程中產(chǎn)生了大量的煙道氣，如果不處理產(chǎn)生的煙道氣，將嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。根據(jù)新疆油田的資源現(xiàn)狀，在這些煙道氣源附近，存在大量的高傾角、厚層塊狀油藏，這類油藏采用常規(guī)水驅(qū)開發(fā)方式，面臨低產(chǎn)、低效、難動(dòng)用等困境，迫切需要找到大幅度提高油田采收率的新途徑，實(shí)現(xiàn)開發(fā)方式的更新?lián)Q代。如果稠油熱采產(chǎn)生的煙道氣可以用于附近的低滲透油藏開發(fā)，不但可以大幅度提高原油采收率，還可以降低溫室氣體排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。因此，研究新疆油田煙道氣驅(qū)油的可行性具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

由于煙道氣的成分以氮?dú)鉃橹?，含有部分二氧化碳和其他氣體，其驅(qū)油機(jī)理主要與氮?dú)獾尿?qū)油機(jī)理相似，同時(shí)也兼有二氧化碳驅(qū)油的部分機(jī)理，包括增溶作用、降黏作用、重力分異作用、混相抽提效應(yīng)、增強(qiáng)巖石滲透作用以及強(qiáng)化蒸餾作用等［1-3］。美國從20世紀(jì)60年代開始到90年代初的近30 a內(nèi)，陸續(xù)在10余個(gè)油藏中開展了煙道氣驅(qū)的礦場(chǎng)試驗(yàn)［4-6］，這些油藏涵蓋高傾角油藏、“閣樓”油藏、稠油-超稠油油藏、低滲透油藏、輕質(zhì)高含水油藏和水敏性油藏等類型，主要采用的注入方式包括穩(wěn)定重力驅(qū)、煙道氣推動(dòng)易混相氣體（烴氣、二氧化碳等）段塞驅(qū)、水+煙道氣交替注入、蒸汽轉(zhuǎn)連續(xù)（或段塞）煙道氣驅(qū)、注水轉(zhuǎn)煙道氣吞吐等，直接連續(xù)注煙道氣的方式很少采用。從實(shí)施效果來看，高傾角油藏或者“閣樓”油藏進(jìn)行穩(wěn)定重力驅(qū)是煙道氣驅(qū)應(yīng)用最多且最易成功的驅(qū)油方式，如伊萊茵油田、伊比利亞油田、東哈克伯里油田、西哈克伯里油田、豪金斯油田和ELK油田等都取得了較好的煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油效果。淺層油藏進(jìn)行煙道氣驅(qū)（吞吐）也具有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，稠油油藏實(shí)施煙道氣輔助蒸汽驅(qū)技術(shù)、煙道氣-蒸汽混注吞吐技術(shù)等也取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)效果，中國遼河油田錦州采油廠在歡17區(qū)塊、錦45斷塊和錦7斷塊等均取得不同程度的應(yīng)用效果。但對(duì)于其他類型油藏，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不佳。

根據(jù)中外煙道氣驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，將煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)（FGAGD）作為主要的開發(fā)方式進(jìn)行目標(biāo)油藏篩選。首先，基于國外氣體輔助穩(wěn)定重力驅(qū)（GAGD）油藏實(shí)例分析，確定油藏篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立油藏篩選評(píng)價(jià)方法，通過已實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例驗(yàn)證所建方法的可靠性；然后，利用提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，對(duì)新疆油田紅153井區(qū)油藏?zé)煹罋夥€(wěn)定重力驅(qū)的可行性進(jìn)行論證，評(píng)價(jià)結(jié)果表明該區(qū)塊具備技術(shù)實(shí)施潛力。新疆油田分公司于2017年12月在該區(qū)塊開展了煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 油藏篩選評(píng)價(jià)方法

1.1 國外氣體輔助穩(wěn)定重力驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)

氣體輔助穩(wěn)定重力驅(qū)技術(shù)主要是利用油氣重力分異性質(zhì)，在油藏頂部注氣，形成人工氣頂，向下驅(qū)替原油流入生產(chǎn)井（圖1）。GAGD技術(shù)相比傳統(tǒng)高角度重力驅(qū)，優(yōu)點(diǎn)在于頂部垂直井穩(wěn)定注氣，底部水平井穩(wěn)定采油。

圖1 GAGD概念模型（據(jù)RAO等［7］修改）Fig.1 Schematic of GAGD（revised according to RAO et al［7］）

美國開展了大量的GAGD現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，所注入氣體介質(zhì)包括空氣、氮?dú)狻N類氣體和二氧化碳?xì)獾?，這些應(yīng)用實(shí)例的參數(shù)如表1所示［8］。表1中的礦場(chǎng)實(shí)例應(yīng)用效果表明，GAGD技術(shù)的應(yīng)用效果優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)常用的氣驅(qū)開采技術(shù)，如連續(xù)注氣（CGI）技術(shù)、水氣交替驅(qū)（WAG）技術(shù)及二者混合驅(qū)技術(shù)，并且GAGD技術(shù)所需驅(qū)替氣量最小，驅(qū)替體積幾乎為100%，礦場(chǎng)采收率可達(dá)到64.1%～95.5%。

從這些實(shí)例可以總結(jié)出GAGD技術(shù)的5個(gè)重要應(yīng)用條件包括：①實(shí)例中包含碎屑巖油藏和碳酸鹽巖油藏，說明碎屑巖油藏和碳酸鹽巖油藏均適合，且構(gòu)造起伏越大，應(yīng)用效果越好。②實(shí)例油藏地層原油黏度為0.43～370 mPa·s，說明適合凝析、輕質(zhì)、中質(zhì)甚至部分重質(zhì)油藏［9］，但要求地層原油黏度小于370 mPa·s。③采油方式上，實(shí)例證明二次采油和三次采油均可，但前者應(yīng)用效果更明顯，提高采收率幅度更大。④如果采油速度控制適當(dāng)，對(duì)油藏非均質(zhì)性（甚至油藏內(nèi)部存在高角度裂縫）不敏感，甚至還會(huì)對(duì)開發(fā)效果產(chǎn)生積極影響［10］，這一點(diǎn)特別適合中國陸相油藏強(qiáng)非均質(zhì)性的特點(diǎn)。⑤滲透率為10～6 000 mD的油藏均有成功案例。因此該技術(shù)對(duì)油藏的滲透率沒有過高要求，能夠適用于特低滲透油藏。

表1 美國實(shí)施GAGD開發(fā)油藏特征參數(shù)Table1 A brief list of characteristic parameters of GAGD reservoirs in the United States

1.2 篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)技術(shù)原理與其他氣體輔助穩(wěn)定重力驅(qū)原理相似，由于其煙道氣的主要成分是氮?dú)夂投趸?，所以FGAGD的技術(shù)原理基本等同于氮?dú)?、二氧化碳或空氣輔助穩(wěn)定重力驅(qū)的技術(shù)原理。因此，可借鑒上述GAGD技術(shù)的應(yīng)用條件，結(jié)合新疆油田的實(shí)際來確定煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)的油藏篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)。

將篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)按重要性分為必要指標(biāo)和重要指標(biāo)2級(jí)。必要指標(biāo)是煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏必須滿足的條件，有一條不滿足，該油藏就不具備實(shí)施FGAGD技術(shù)的條件，如斷裂封閉性［11-12］和井況［13］等。重要指標(biāo)主要代表煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選的重要條件，會(huì)較大程度地影響煙道氣驅(qū)的開發(fā)效果，當(dāng)然，如果某一條件不具備，但其他條件較好時(shí)，也可能會(huì)取得較好的開發(fā)效果，即這些條件雖重要但可替代。必要指標(biāo)包括油藏封閉性、經(jīng)濟(jì)可行性、井況及注采系統(tǒng)。具體參數(shù)為：蓋層泥巖厚度大于20 m，控藏?cái)嗔逊忾]性較好；與氣源距離小于50 km，石油地質(zhì)儲(chǔ)量規(guī)模大于1 000×104t；井網(wǎng)較為完善，井況良好［6］。重要指標(biāo)包括油藏埋深、含油飽和度、地面原油密度、油藏跨度與傾角及地層原油黏度。具體參數(shù)為：油層埋深大于1 372 m（Hawkins油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)［8］），含油飽和度大于40%［6］，地面原油密度小于0.91 g/cm3（Hawkins油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)［8］），當(dāng)?shù)貙觾A角大于20°，無其他要求（美國路易斯安那州West Hackberry油藏現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)［8］），當(dāng)?shù)貙觾A角小于20°，油藏跨度應(yīng)大于69 m（美國得克薩斯州Hawks Dexter油藏現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)［8］），地層原油黏度應(yīng)小于370 mPa·s（Hawkins油田現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)［8］）。

1.3 篩選評(píng)價(jià)方法

在評(píng)價(jià)某一特定油藏開展煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)的可行性時(shí)，若僅具備以上指標(biāo)中的部分指標(biāo)，其他指標(biāo)不能滿足要求，就難以給出最終的可行性論證結(jié)論。為解決這一困難，將待評(píng)價(jià)油藏進(jìn)行客觀的綜合定量評(píng)價(jià)，需要將表1中的條件做定量化處理。提出煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選指數(shù)，其計(jì)算公式為：

參數(shù)T的具體計(jì)算方法為：若地層傾角大于20°，則 T=(α -20)/100；若地層傾角小于 20°，則T=(Ho-69)/100。

將待評(píng)價(jià)油藏的基礎(chǔ)參數(shù)代入（1）式，計(jì)算YQZS值。若YQZS＞0，說明該油藏具備實(shí)施煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)的技術(shù)條件，并且YQZS值越大，煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)的開發(fā)效果越好；若YQZS≤0，則說明該油藏在技術(shù)上不適合開展煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)。方法適用條件為：Hm＞20 m，Z＞1（至少有一套完整注采系統(tǒng)），G＞1×107t，L＜50 km。

YQZS評(píng)價(jià)方法的建立采取各參數(shù)重要程度不同則權(quán)重方法不同的原則，必要參數(shù)設(shè)定邊界值，不滿足必要邊界值時(shí)則整個(gè)YQZS評(píng)價(jià)參數(shù)分子或分母會(huì)表現(xiàn)為負(fù)數(shù)，在具體定量化方面，蓋層泥巖厚度、井網(wǎng)完善程度、油藏規(guī)模、油藏剩余油飽和度、油層埋深和油藏傾角為正相關(guān)參數(shù)，氣源距離和地層原油黏度為負(fù)相關(guān)參數(shù)；在方法構(gòu)建上，正相關(guān)參數(shù)作為分子，負(fù)相關(guān)參數(shù)作為分母，由于各個(gè)參數(shù)數(shù)量級(jí)不同，故取值時(shí)以統(tǒng)一到線性的個(gè)位為原則。

1.4 評(píng)價(jià)方法可靠性驗(yàn)證

利用表1中油藏對(duì)該方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體計(jì)算結(jié)果和單井日增油量數(shù)據(jù)見表2。表2中YQZS值與單井日增油量之間呈正相關(guān)關(guān)系，煙道氣穩(wěn)定重力氣驅(qū)油藏篩選指數(shù)越大，單井日增油量越高，油藏開發(fā)效果越好；相反，穩(wěn)定重力氣驅(qū)油藏篩選指數(shù)越小，單井日增油量越低，油藏開發(fā)效果越差。如煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不成功的Weir和Bay t.Elaine油藏，YQZS值小于0，為-3.43和-1.45，生產(chǎn)井幾乎沒有增產(chǎn)跡象。這些實(shí)例說明，采用所建煙道氣重力氣驅(qū)油藏篩選評(píng)價(jià)方法，能夠較好地評(píng)價(jià)油藏是否具備實(shí)施煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)的可行性。

表2 煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選指數(shù)與開發(fā)效果對(duì)比結(jié)果Table2 Comparison between selection index and development results of different oil reservoirs with FGAGD

2 紅153油藏?zé)煹罋庵亓︱?qū)可行性評(píng)價(jià)及效果

從2012年開始，在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量厚層、低孔低滲透油藏，其中，紅153井區(qū)二疊系夏子街組油藏（簡稱紅153油藏）是這類油藏的典型代表。筆者以該油藏為例，分析厚層低滲透油藏是否具備煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)的可行性。

2.1 可行性評(píng)價(jià)

必要指標(biāo) 新疆油田正在推廣稠油油藏的火驅(qū)采油技術(shù)，預(yù)計(jì)2018年因采用火驅(qū)產(chǎn)生的煙道氣日產(chǎn)量將達(dá)210×104m3/d?；痱?qū)過程中所產(chǎn)生的煙道氣主要成分為76%左右的氮?dú)狻?5%左右的二氧化碳?xì)夂?%左右烴類氣體。因此，氣源條件充足、氣體組分適宜。紅153油藏地處火驅(qū)氣源地東南部，直線距離僅為20 km，符合氣源距離小于50 km的要求。近距離的煙道氣源條件，將大大降低煙道氣驅(qū)的采油成本。紅153油藏于2016年投入開發(fā)，注采井網(wǎng)完善，井況好，耐腐蝕性強(qiáng)，符合煙道氣驅(qū)的工程條件。

重要指標(biāo) 紅153油藏頂界構(gòu)造形態(tài)為一東南傾的鼻狀構(gòu)造，中、東部構(gòu)造平緩，西部紅157井附近構(gòu)造變陡，斷塊內(nèi)部小斷裂發(fā)育（圖2），地層傾角為3°～7°。盡管地層傾角不大，但油藏縱向跨度大，平均跨度為373 m，為特低滲透巨厚塊狀油藏，且油藏內(nèi)部發(fā)育大量裂縫，具有較好的縱向連通性，有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定重力驅(qū)。

紅153油藏為典型的“剝蝕殘凹”所形成的斷層-地層油藏，剖面上呈殘余的、不連續(xù)的“楔型”展布（圖3）。紅153控藏?cái)嗔褜贁D壓閉合斷裂，封閉性好，蓋層泥巖厚度為75 m，油藏原始地層壓力系數(shù)超過1.2，良好的封閉條件有利于次生氣頂?shù)男纬?，較適合開展煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)。

紅153油藏物性較差，平均孔隙度為6.1%，成像測(cè)井顯示為高導(dǎo)縫特征，張開縫發(fā)育良好［14］。常規(guī)水驅(qū)無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，油藏平均埋深為3 000 m，剩余油飽和度為51%，平均地面原油密度為 0.833 g/cm3，地層原油黏度為 6.12 mPa·s。油藏的規(guī)模和基礎(chǔ)性質(zhì)均符合煙道氣驅(qū)條件。采用FGAGD技術(shù)可提高這類低滲透油藏采收率。該油藏屬于開發(fā)初期，探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量為2 300×104t，截至2017年6月，累積產(chǎn)油量為27.05×104t，采出程度僅為1.2%，有較大開發(fā)潛力。

油藏篩選指數(shù) 將紅153油藏實(shí)際參數(shù)代入（1）式，計(jì)算得到Y(jié)QZS值為9.39，說明該油藏開展煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)在技術(shù)上是可行的。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

根據(jù)煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏可行性論證結(jié)果，新疆油田分公司于2017年12月，在紅153井區(qū)開展了FGAGD技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案 優(yōu)選位于油藏高部位的紅153井作為注氣井，紅153井距油藏頂部75 m，距周圍生產(chǎn)井的生產(chǎn)層段存在75～150 m的避射高度，且該井與高部位主體張裂縫發(fā)育區(qū)的連通情況較好。根據(jù)國外現(xiàn)場(chǎng)開采試驗(yàn)，同時(shí)考慮生產(chǎn)需求和油藏高吸氣特性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)區(qū)單井注氣速度為0.6×104～4.8×104m3/d。油藏原始地層壓力為36 MPa，試驗(yàn)前地層壓力為27 MPa，油層的破裂壓力為54.6 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)井底壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，按最大注氣量為12 000 Nm3/d計(jì)算，注氣壓力約為24.8 MPa，預(yù)計(jì)實(shí)際注氣壓力為24.8～35 MPa，最大注氣壓力為46.1 MPa。

試驗(yàn)效果 采用變流量注氣，實(shí)施煙道氣驅(qū)后，平均日注氣量由6 000 m3/d逐漸提高到48 000 m3/d，實(shí)驗(yàn)井組套壓由0.6 MPa逐漸升高到1.7 MPa，油壓由0.7 MPa逐漸升高到0.9 MPa，實(shí)驗(yàn)井組單井日產(chǎn)油量由9.5 t/d提高到20.3 t/d（圖4），增油效果十分顯著。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果表明，利用所建立的煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選評(píng)價(jià)方法，對(duì)紅153井區(qū)二疊系夏子街組油藏開展的可行性論證結(jié)果符合客觀實(shí)際，是科學(xué)有效的?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該方法在新疆油田厚層低滲透砂礫巖儲(chǔ)層煙道氣重力驅(qū)油藏篩選中具有很好的應(yīng)用前景，可以在后期煙道氣驅(qū)油藏篩選和評(píng)價(jià)過程中廣泛應(yīng)用。

圖2 紅153油藏二疊系夏子街組頂部構(gòu)造Fig.2 Top structural map of P2x in Well Hong153 area

圖3 紅153油藏地層分布特征示意Fig.3 Characteristic Diagram of Stratum Distribution in Hong153 Reservoir

圖4 紅153井注氣量及煙道氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)井組壓力和產(chǎn)油量變化關(guān)系Fig.4 Relationship between gas injection rate of Well Hong153 and pressure and oil production in experimental well group of flue gas drive

3 結(jié)論

利用煙道氣進(jìn)行穩(wěn)定重力驅(qū)是較為成功的一種油田開發(fā)方式。新疆油田在稠油熱采過程中產(chǎn)生了大量煙道氣，氣源附近存在大量高傾角、厚層塊狀油藏，這類油藏實(shí)施煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)對(duì)大幅度提高原油采收率和溫室氣體減排均具有重要意義。

基于國外穩(wěn)定重力驅(qū)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新疆油田的資源現(xiàn)狀，按重要性分級(jí)提出煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，建立油藏篩選評(píng)價(jià)方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例驗(yàn)證了方法的可靠性。

利用所建方法，對(duì)新疆油田紅153油藏開展煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)進(jìn)行了可行性論證，結(jié)果表明該區(qū)塊實(shí)施煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)在技術(shù)上是可行的。目前現(xiàn)場(chǎng)已開展頂部注氣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)井組見到了顯著的增油效果，證實(shí)所論證結(jié)果是正確的。

符號(hào)解釋

YQZS——煙道氣穩(wěn)定重力驅(qū)油藏篩選指數(shù)；Hm——蓋層泥巖厚度，m；Z——完善注采井網(wǎng)單元因子，f；G——油藏規(guī)模（地質(zhì)儲(chǔ)量），107t；So——油藏剩余油飽和度，f；H——油層埋深，km；T——地層傾角可行性參數(shù)，f；L——?dú)庠淳嚯x，km；μo——地層原油黏度，mPa·s；α——地層傾角，（°）；Ho——油層厚度，m。