氣頂邊水油藏初期合理采油速度三維物理模擬實(shí)驗(yàn)*

葛麗珍 孟智強(qiáng) 朱志強(qiáng) 祝曉林 王永平

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

氣頂邊水油藏在未開采條件下，其油氣水構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的水動力系統(tǒng)[1],但是一旦油環(huán)區(qū)投入開采，其地層壓力下降，氣頂氣和邊底水將向井底運(yùn)移[2]。由于該類型油藏受到氣頂氣和邊底水的雙重作用[3]，早期合理的工作制度制定尤為重要[4-5]。若生產(chǎn)制度制定不合理，造成油井過早見水見氣[6-7]，導(dǎo)致油井氣竄或暴性水淹[8]，極有可能減少油田可采年限[9]，造成區(qū)塊最終采收率難以達(dá)到預(yù)期指標(biāo)[10]。目前已有很多關(guān)于該類型油藏采油速度與穩(wěn)產(chǎn)期、遞減率、采收率方面的研究[11-16]，均以油藏工程方法和數(shù)值模擬方法為主，如陽曉燕 等[15]通過油藏工程方法研究了采油速度與采收率關(guān)系；張迎春 等[16]利用數(shù)值模擬的方法研究了不同采油速度下大氣頂油藏開發(fā)效果。前人通過數(shù)值模擬方法對合理采油速度的研究有一定指導(dǎo)意義，但在實(shí)際油氣藏開發(fā)中仍存在一些無法考慮的因素，如不同生產(chǎn)壓差下油氣水相對滲流能力存在差異、不同沖刷倍數(shù)條件下儲層物性會發(fā)生改變，而這些因素對合理采油速度的分析影響較大[17-18]，有必要通過物理模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。本文以渤海JZ油田大氣頂油環(huán)油藏A為原型，通過填砂建立了大型氣頂油環(huán)三維可視化物理模型，利用該模型開展了天然能量自噴采油實(shí)驗(yàn)，研究了開發(fā)早期不同采油速度對氣頂油環(huán)油藏開發(fā)效果的影響，從而為礦場應(yīng)用提供了可靠性的指導(dǎo)意見。

1 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用大型三維可視化模型(圖1)模擬氣頂邊水油藏開發(fā)過程。實(shí)驗(yàn)裝置由三維可視化模型、注油系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、注氣系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、氣-液分離系統(tǒng)、靈敏氣體流量計(jì)和壓力檢測系統(tǒng)組成。在實(shí)驗(yàn)裝置外圍同時(shí)可以連接適當(dāng)容積大小的中間容器，用于模擬不同氣頂指數(shù)和邊底水條件的油藏。該實(shí)驗(yàn)裝置能夠連續(xù)監(jiān)測生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以模擬氣頂邊水窄油環(huán)油藏全壽命開發(fā)過程。

圖1 氣頂邊水油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)三維可視化模型

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

1.2.1相似準(zhǔn)數(shù)群建立

以幾何相似、物性相似、生產(chǎn)動態(tài)相似和壓力相似為基本原則，利用量綱分析法和方程分析法，選取整個(gè)滲流數(shù)學(xué)模型中涉及到的物理量對相似準(zhǔn)數(shù)群進(jìn)行組合、簡化，得到氣頂邊水油藏三維物理模擬相似準(zhǔn)則群(表1)。

表1 氣頂邊水油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)相似準(zhǔn)數(shù)群及物理意義

1.2.2實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)JZ油田大氣頂油環(huán)油藏A實(shí)際參數(shù)，根據(jù)推導(dǎo)得到的相似準(zhǔn)數(shù)群，設(shè)計(jì)三維物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置。油藏原型長度為2 350 m，寬度為335 m，儲層厚度為135 m，油藏傾角為15°，氣頂指數(shù)為2.2，水體倍數(shù)為5倍，地層原油黏度為3.1 mPa·s，水平井垂向位置位于油柱高度下1/3。根據(jù)幾何相似，設(shè)計(jì)三維物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置尺寸為1.0 m×0.3 m×0.1 m(圖2),采用氮?dú)馄亢虸SCO柱塞泵模擬氣頂和水體能量，氣頂指數(shù)為2.2，水體倍數(shù)為5倍。實(shí)驗(yàn)用油為煤油，黏度為3.84 mPa·s。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水平井位于油柱高度下1/3的位置。

圖2 三維物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2 物理模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮到海上平臺壽命有限，需要盡早獲得產(chǎn)量，因此相同地質(zhì)油藏特征條件下海上油田的采油速度一般高于陸上油田，其選取原則為保證3～5年穩(wěn)產(chǎn)期，海上輕質(zhì)油油藏開發(fā)初期平均采油速度為4%左右。

對于氣頂邊水油藏，考慮JZ油田大氣頂油環(huán)油藏A實(shí)際開發(fā)參數(shù)(初期采油速度2.7%～6.0%)，以油環(huán)為主要開采目標(biāo)，設(shè)置了2個(gè)室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行不同初始采油速度條件下的對比。方案1：恒定采油速度(5%)進(jìn)行生產(chǎn)，模擬氣頂壓力下降，當(dāng)產(chǎn)油速率降低到一定程度時(shí)，一次性放大生產(chǎn)壓差，隨時(shí)間記錄生產(chǎn)特征；方案2：恒定采油速度(3%)進(jìn)行生產(chǎn)，其余同方案1。方案1、2的初始生產(chǎn)壓差分別為0.02 MPa和0.015 MPa，產(chǎn)油量較低時(shí)生產(chǎn)壓差均調(diào)整為0.04 MPa。這2個(gè)方案的氣頂壓力、邊水體積和邊水驅(qū)替速度設(shè)置條件均一致，只有前期的初始生產(chǎn)壓差不同。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

三維物理模擬裝置填砂腔內(nèi)逐層均勻填入80目的石英砂，通過頂蓋和耐油的密封膠將填砂腔密封，并驗(yàn)證填砂腔的氣密性。受重力作用，模型高低部位壓實(shí)程度略有差異，具有一定非均質(zhì)性。在三維物理模型填砂腔中布置3口模擬井，分別為1口水平采油井(位于油環(huán)中下部)、1口定向注氣井(位于氣頂頂部)、1口水平注水井(位于邊水下部)。待驗(yàn)證氣密性良好后，3口井分別注入相應(yīng)流體形成氣頂邊水油環(huán)油藏(先注入水，再注入模擬油，最后注入氣體)，且每次注入均需靜止一段時(shí)間，使油氣水通過重力分異完全分層。氣頂能量通過外接氣瓶控制氣頂壓力為0.22 MPa，模擬氣頂指數(shù)為2.2的大氣頂油藏；水體能量通過外接中間容器和ISCO柱塞泵，保持恒定水侵量為0.2 mL/min模擬水體倍數(shù)為5倍的弱邊水。連接和檢查好相應(yīng)的管線，然后按照2種實(shí)驗(yàn)方案開始進(jìn)行水平井自噴開采氣頂油環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

大氣頂油藏以天然氣頂能量驅(qū)動為主，由于油氣黏度差異大，氣驅(qū)油過程中易發(fā)生氣相黏性指進(jìn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為大氣竄通道竄進(jìn)。分析認(rèn)為，采油速度對氣相黏性指進(jìn)的影響是導(dǎo)致開采特征出現(xiàn)差異的主要原因。

3.1 不同采油速度的開采指標(biāo)特征

3.1.1產(chǎn)油速率和遞減率特征

圖3是各方案產(chǎn)油速率隨時(shí)間的變化曲線，可以看出：方案1、2的初始產(chǎn)油速率分別為3.0、1.8 mL/min，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間分別為195、666 min；與方案1相比，方案2的采油速度降低了40%，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間延長了241.5%。由此可見，方案1初始采油速度高，遞減率大，高采油速度伴隨較大遞減率，因此降低采油速度能夠減緩該類油藏遞減情況。

圖3 各方案產(chǎn)油速率隨時(shí)間的變化曲線

3.1.2氣油比特征

圖4為各方案氣油比隨采出程度的變化曲線，可以看出：2個(gè)方案均有2個(gè)氣油比快速上升期，這是因?yàn)榇髿忭斢筒匾詺忭斈芰框?qū)油為主，氣油比上升不可避免；方案2采油速度低，相同產(chǎn)油量下氣油比低，無氣竄階段采出程度高，這主要是由于采油速度低，弱化了黏性指進(jìn)，并發(fā)揮了油氣重力分異作用，使氣驅(qū)油推進(jìn)均勻，波及增大，推遲了氣竄通道的形成時(shí)間，增加了無氣竄階段采出程度；擴(kuò)大生產(chǎn)壓差后，壓力降波及范圍擴(kuò)展到未動用油環(huán)區(qū)域，波及增加，2個(gè)方案的氣油比均瞬時(shí)降低；生產(chǎn)末期，方案1的氣油比增長迅速，單位油環(huán)采出程度下耗氣量急劇上升，這是由于方案1在初期高采油速度下形成了較大氣竄通道，因此初期采油速度的大小顯著影響后期氣竄通道的形態(tài)大小。

圖4 各方案氣油比隨采出程度的變化曲線

3.1.3累產(chǎn)氣和氣頂氣利用率特征

從圖5所示的各方案累產(chǎn)氣隨時(shí)間的變化曲線可以看出，2個(gè)方案的最終累產(chǎn)氣基本相同，只是見氣時(shí)刻的不同導(dǎo)致了時(shí)間上的差異，表明不同的生產(chǎn)方式對產(chǎn)氣量的影響并不大。因此，不必過多考慮生產(chǎn)制度對氣頂采收率的影響，如何合理利用氣頂能量驅(qū)油是該類油藏高效開發(fā)的關(guān)鍵。

圖6是各方案油環(huán)采出程度隨累產(chǎn)氣的變化曲線，可以看出：方案1在累產(chǎn)氣1300L后，采出程度基本不再變化；而方案2在累產(chǎn)氣2 200 L后,采出程度才不再變化，說明方案2在擴(kuò)大生產(chǎn)壓差生產(chǎn)后期氣頂氣仍起到了較好的驅(qū)油作用。如果把累計(jì)產(chǎn)氣量看作氣頂能量，在累產(chǎn)氣基本一致的情況下，方案2的開發(fā)方式氣頂能量利用率更好。

圖5 各方案累產(chǎn)氣隨時(shí)間的變化曲線

圖6 各方案采出程度隨累產(chǎn)氣的變化曲線

3.1.4采收率特征

從圖7所示的各方案采出程度隨時(shí)間的變化曲線可以看出，以調(diào)整生產(chǎn)壓差的時(shí)刻為界限，調(diào)整之前方案1采出程度為13.46%，方案2采出程度為19.35%，方案1較方案2降低了5.89個(gè)百分點(diǎn)；調(diào)整之后方案1采出程度提高了16.72個(gè)百分點(diǎn)，方案2采出程度提高了13.79個(gè)百分點(diǎn)；方案1的最終采收率為30.18%，方案2的最終采收率為33.14%。

從采收率特征可以得出，2個(gè)方案采收率差異的決定性因素就在于無氣竄采油階段的采出程度，此階段的采出程度越高，越能保證該類油藏開發(fā)效果，這也說明適當(dāng)降低初期采油速度能夠有效提高氣頂油環(huán)油藏開發(fā)效果。

圖7 各方案采出程度隨時(shí)間的變化曲線

通過對不同采油速度實(shí)驗(yàn)的開采指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)氣頂邊水油藏開發(fā)初期采油速度為3%的開采效果要優(yōu)于5%的開采效果，這是因?yàn)楫?dāng)采油速度相對更小時(shí)，無氣竄采出程度更高，氣頂能量利用率更高，所以采收率更高。低速開發(fā)提高采收率的機(jī)理可通過以下對氣驅(qū)油前緣氣油界面特征分析進(jìn)行說明。

3.2 不同采油速度氣驅(qū)界面特征

3.2.1對氣油界面形態(tài)的影響

通過三維可視化模型得到不同采油速度下氣驅(qū)油動態(tài)界面形態(tài)。由于氣體黏度較小，且油氣密度差異較大，氣驅(qū)指進(jìn)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，氣體趨向于從上部向油井方向突進(jìn)。2個(gè)方案驅(qū)替至油井見氣時(shí)的氣油界面形態(tài)如圖8所示，可以看出方案1采油速度高，油氣界面從上部向油井方向突進(jìn)，界面形態(tài)彎曲，錐進(jìn)更加明顯，表明高采油速度會加速氣驅(qū)指進(jìn)，使頂部氣竄通道形成快，剩余油富集在邊底部。

圖8 各方案氣驅(qū)油前緣氣油界面形態(tài)

3.2.2對氣油界面移動速度的影響

每隔一定時(shí)間記錄內(nèi)、外氣油界面的運(yùn)移距離，繪制出各方案氣驅(qū)油前緣氣油界面運(yùn)移速度隨時(shí)間的變化關(guān)系(圖9)。從圖9可以看出，方案1采油速度高，內(nèi)、外氣油界面運(yùn)移速度差距隨時(shí)間不斷加大，明顯大于方案2。以調(diào)整生產(chǎn)壓差的時(shí)刻為界限，在擴(kuò)大生產(chǎn)壓差后，方案1內(nèi)、外氣油界面的移動速度差距出現(xiàn)加劇趨勢，這主要是由于初期高采油速度形成了大氣竄通道，擴(kuò)大生產(chǎn)壓差后氣頂氣沿大通道竄流，加劇了內(nèi)、外油氣界面的運(yùn)移速度差。

綜上所述，結(jié)合對開采指標(biāo)特征和氣驅(qū)界面特征的分析表明，降低采油速度生產(chǎn)，采用較小的生產(chǎn)壓差，使氣油界面較為均衡地推進(jìn)，氣驅(qū)波及更大，從而使氣頂油環(huán)油藏?zé)o氣竄階段采出程度高，氣頂氣利用率高，最終采收率高。因此，對于該類氣頂能量較強(qiáng)的氣頂邊水油藏，在開采過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際礦場情況，在開發(fā)初期以3%采油速度進(jìn)行生產(chǎn)，這樣可以更加合理地控制氣油界面的運(yùn)移，防止氣竄通道的過早形成；同時(shí)密切監(jiān)測油藏氣油比，通過氣油比的反應(yīng)調(diào)整采油速度，以期達(dá)到較好的開發(fā)效果。

圖9 各方案氣驅(qū)油前緣氣油界面移動速度

4 現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐

渤海JZ油田A油藏6井區(qū)I油組氣頂能量充足，水體能量較弱，屬于典型的大氣頂弱邊水油藏。該大氣頂油藏整體為一個(gè)斷裂半背斜構(gòu)造，北西高南東低，受遼西1號、2號斷層及內(nèi)部次級斷層分割，為一獨(dú)立開發(fā)單元。該油藏含油氣層系為沙河街組二段，儲層埋深1 650 m，為辮狀河三角洲前緣亞相沉積;測井解釋儲層孔隙度平均26.4%，滲透率平均279 mD，具有中高孔滲的儲集物性特征;油藏原始地層壓力為16.5 MPa，地層原油黏度0.71 mPa·s，原始?xì)庥捅?0 m3/m3。該油藏采用水平井平行流體界面穿多層天然能量開發(fā)，氣頂指數(shù)2.2，邊水水體倍數(shù)為5 倍。

劉員會長在會議致辭中指出，2018年上半年，中國進(jìn)口酒領(lǐng)域出現(xiàn)了資本化、產(chǎn)業(yè)化、專業(yè)化、全球化的新趨勢。進(jìn)口酒不再只是簡單的貿(mào)易行為，而需要全方位的資源集結(jié)。在擁有全球頂級酒莊資源且專業(yè)、全面運(yùn)營能力平臺的同時(shí)，進(jìn)口葡萄酒市場的規(guī)范升級需求更加迫切，如何引導(dǎo)消費(fèi)者正確、便捷地購買到高品質(zhì)的產(chǎn)品，是市場健康有序增長的關(guān)鍵保障。

由于生產(chǎn)的需要，JZ油田A油藏6井區(qū)I油組初期采油速度為6.0%，油井投產(chǎn)后表現(xiàn)為初期采油速度高，單井平均日產(chǎn)油達(dá)到267 m3，但氣油比上升快，產(chǎn)量遞減快。通過及時(shí)對區(qū)塊內(nèi)的生產(chǎn)井縮油嘴控制采油速度至3%，該大氣頂油藏氣油比快速上升趨勢得到了有效遏制并逐步降低，取得了較長的穩(wěn)產(chǎn)期及較高的采出程度。區(qū)塊內(nèi)典型生產(chǎn)井B5H井生產(chǎn)曲線如圖10所示，該井于2010年11月投產(chǎn)，初期日產(chǎn)油達(dá)到330 m3/d，生產(chǎn)7個(gè)月后氣油比開始急劇上升，4個(gè)月內(nèi)由126 m3/m3上升至654 m3/m3，表現(xiàn)出明顯的氣竄特征，產(chǎn)量下降至114 m3/d。在此期間通過及時(shí)縮油嘴，由4.6 mm縮小至2.5 mm，油井氣油比逐步下降，最終產(chǎn)量穩(wěn)定在104 m3/d，持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)2年以上，開發(fā)效果變好。目前該大氣頂油藏已生產(chǎn)9年，采出程度達(dá)到29.6%，其中低氣油比階段(小于500 m3/m3)的采出程度達(dá)到18.2%，取得了較好的開發(fā)效果。

圖10 JZ油田大氣頂窄油環(huán)A油藏B5H井開采曲線

5 結(jié)論

1)對于氣頂能量較強(qiáng)的氣頂邊水油藏，初期高采油速度開發(fā)易使氣油界面沿儲層上部竄進(jìn)，促進(jìn)了大氣竄通道的早期形成，對開發(fā)產(chǎn)生不利影響。

2)氣頂邊水油藏?zé)o氣竄采出程度的大小決定了油藏開發(fā)效果的好壞，盡可能延長無氣竄采油期是該類油藏取得較高采收率的關(guān)鍵。

3)三維物理模擬實(shí)驗(yàn)及礦場生產(chǎn)實(shí)踐表明，開發(fā)初期以3%左右采油速度開發(fā)氣頂邊水油藏，可以更加合理地控制油氣界面的運(yùn)移，防止氣竄通道的過早形成，并通過密切監(jiān)測油藏氣油比，根據(jù)氣油比的反應(yīng)調(diào)整采油速度，使油藏開發(fā)初期穩(wěn)定生產(chǎn)不氣竄，能夠取得較好的開發(fā)效果。

變量解釋

η—相似準(zhǔn)數(shù)；

L1、L2、H—油環(huán)長度、寬度、高度，m；

m—?dú)忭斨笖?shù)，f；

θ—地層傾角，(°)；

ρo、ρw、ρg分別—油、水、氣密度，kg/m3；

Kro、Krw—油相、水相相對滲透率；

μo、μw—地層條件下油、水黏度，mPa·s；

Soi—原始含油飽和度，f；

Bg、Bgi—?dú)庀囿w積系數(shù)、原始?xì)庀囿w積系數(shù)；

Z、Zi—?dú)庀酄顟B(tài)因子、原始?xì)庀酄顟B(tài)因子；

p、pi—地層壓力、原始地層壓力，MPa；

K—油層滲透率，mD；

Δp—生產(chǎn)壓差，MPa；

t—生產(chǎn)時(shí)間，d；

φ—孔隙度，f；

Sor—?dú)堄嘤惋柡投?，f；

Swc—束縛水飽和度，f；

D—油井直徑，m；

Hp—油井射孔段厚度，m；

qo、qw、qg—油、水、氣相產(chǎn)量，m3/d；

N—地質(zhì)儲量，104m3；

g—重力加速度，m/s2；

pc—毛管壓力，MPa。