低滲透油藏CO2驅(qū)氣竄通道識(shí)別方法

張世明

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

CO2驅(qū)是一種能夠大幅提高原油采收率的三次采油方法，是中國低、特低滲透等致密油藏最具潛力的一種開發(fā)方式［1-3］。氣竄是CO2驅(qū)開發(fā)過程中面臨的最大問題［4-5］。目前，國內(nèi)對(duì)氣竄識(shí)別和氣竄類型的認(rèn)識(shí)相對(duì)統(tǒng)一，對(duì)氣竄通道體積計(jì)算方法的研究則方興未艾。常用的氣竄識(shí)別方法有4 種：PVT參數(shù)擬合圖版法、井間示蹤劑檢測法、生產(chǎn)氣油比經(jīng)驗(yàn)法和微地震動(dòng)態(tài)監(jiān)測法［6-8］。依據(jù)氣竄位置一般將氣竄類型劃分為垂向竄、側(cè)向竄和混向竄［9-10］。氣竄通道體積計(jì)算方法主要包括理論計(jì)算、數(shù)值模擬和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)3 種類型。其中，劉義剛等從不同思路提出的理論計(jì)算方法各具代表性［11-20］，但在實(shí)際應(yīng)用過程中考察因素較多、計(jì)算量偏大。數(shù)值模擬方法受人為建模水平的影響較大，在實(shí)際研究過程中很少采用。生產(chǎn)動(dòng)態(tài)方法是最簡單、快捷的方法，但現(xiàn)有方法的準(zhǔn)確性相對(duì)較差。

筆者結(jié)合產(chǎn)出氣體中CO2含量動(dòng)態(tài)變化特征，分析氣竄類型及成因，明確見氣時(shí)間初始點(diǎn)的確定方法，給出基于產(chǎn)出氣體中CO2含量的氣竄識(shí)別方法和氣竄類型劃分依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，借鑒現(xiàn)有生產(chǎn)動(dòng)態(tài)方法的研究思路，提出一種新的低滲透油藏CO2驅(qū)氣竄通道參數(shù)動(dòng)態(tài)反演方法。該方法利用物質(zhì)守恒原理計(jì)算注入端和產(chǎn)出端的氣竄通道體積，通過氣竄通道體積交會(huì)圖對(duì)氣竄通道體積進(jìn)行校正，從而消除單井產(chǎn)液比例系數(shù)或井網(wǎng)形狀因子等不確定因素對(duì)氣竄通道體積計(jì)算結(jié)果的影響，以確保氣竄通道參數(shù)動(dòng)態(tài)反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 氣竄識(shí)別方法及判別標(biāo)準(zhǔn)

1.1 氣竄類型劃分

對(duì)于CO2驅(qū)開發(fā)油藏，當(dāng)井組中有油井出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)出氣體中CO2的含量就會(huì)異常升高。因此，通過監(jiān)測產(chǎn)出氣中CO2含量的動(dòng)態(tài)變化特征，可以判斷被監(jiān)測油井是否發(fā)生氣竄。

通過對(duì)大量實(shí)際井組CO2含量監(jiān)測結(jié)果的分析和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)出氣體中CO2含量的動(dòng)態(tài)變化曲線通常表現(xiàn)出2種特征：一種表現(xiàn)為短時(shí)間劇烈波動(dòng)，一種表現(xiàn)為長時(shí)間內(nèi)緩慢抬升。因此，根據(jù)產(chǎn)出氣體中CO2含量的高低，將CO2驅(qū)油井的氣竄類型劃分為2類：明顯氣竄（Ⅰ類氣竄）和微弱氣竄（Ⅱ類氣竄）。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以產(chǎn)出氣體中CO2的含量分別達(dá)到6%和0.5%，作為劃分明顯氣竄和微弱氣竄的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

明顯氣竄通常由裂縫或連續(xù)網(wǎng)絡(luò)通道引起，因此，產(chǎn)出氣中CO2含量高，易于發(fā)覺和判別。微弱氣竄產(chǎn)出氣中初始CO2含量較低，通常不易發(fā)覺和判別，但在很長一段時(shí)間內(nèi)，CO2含量都呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢。這表明地層中雖然沒有裂縫或連續(xù)網(wǎng)絡(luò)通道，但開發(fā)井組間由于生產(chǎn)壓差的作用，導(dǎo)致注采井間產(chǎn)生了貫通效應(yīng)。因此，對(duì)于微弱氣竄，雖然產(chǎn)出氣中的CO2含量不高，但是不能忽略。

1.2 見氣時(shí)間判斷

氣竄時(shí)間是指見氣時(shí)間點(diǎn)至氣竄結(jié)束時(shí)的整個(gè)時(shí)間段，是CO2驅(qū)氣竄通道幾何參數(shù)反演的一個(gè)關(guān)鍵因素，它將直接影響氣竄體積計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)大量實(shí)際井組產(chǎn)出氣體中CO2含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，見氣時(shí)間點(diǎn)不能簡單地認(rèn)為是CO2含量第一次達(dá)到6%或0.5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。由于氣竄速度快、產(chǎn)出氣體中CO2含量波動(dòng)大等因素，需要選取一個(gè)合理的見氣時(shí)間點(diǎn)，作為判斷穩(wěn)定氣竄特征及氣竄類型的依據(jù)。結(jié)合產(chǎn)出氣體中CO2含量動(dòng)態(tài)曲線的變化特征，將見氣時(shí)間點(diǎn)的判斷方法分為2種：對(duì)于單調(diào)變化型曲線，見氣時(shí)間點(diǎn)選取為CO2含量第一次達(dá)到6%或0.5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，氣竄結(jié)束時(shí)間點(diǎn)選取為CO2含量的平均值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)；對(duì)于非單調(diào)變化型曲線，見氣時(shí)間點(diǎn)選取為CO2含量第一次達(dá)到6%或0.5%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，氣竄結(jié)束時(shí)間點(diǎn)選取為CO2含量的半坡值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

1.3 氣竄識(shí)別判斷標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)氣竄類型劃分標(biāo)準(zhǔn)和見氣時(shí)間判斷方法，提出氣竄識(shí)別判斷標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 氣竄識(shí)別判斷標(biāo)準(zhǔn)Table1 Gas channeling identification and evaluation criteria

2 氣竄通道參數(shù)反演方法

根據(jù)物質(zhì)守恒原理，利用開發(fā)過程中的實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即可反演出氣竄通道體積和氣竄通道橫截面積等氣竄通道幾何參數(shù)，其中氣竄通道體積是研究氣竄程度的重要參數(shù)，也是確定氣竄通道橫截面積的依據(jù)。

2.1 氣竄通道體積

利用生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)反演氣竄通道體積時(shí)，存在2 個(gè)方面的物質(zhì)守恒：一是氣竄通道體積與注入體積相當(dāng)，二是氣竄通道體積與產(chǎn)出體積相當(dāng)。氣竄通道體積物質(zhì)守恒原理如圖1所示。

圖1 氣竄通道體積物質(zhì)守恒原理示意Fig.1 Schematic diagram of mass conservation of gas channeling volume

注入端計(jì)算方法 依據(jù)注入端內(nèi)注入氣體體積與氣竄通道體積相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)守恒原理，氣竄通道體積的表達(dá)式可以寫為：

產(chǎn)出端計(jì)算方法 依據(jù)產(chǎn)出端的物質(zhì)守恒，氣竄通道體積的表達(dá)式為：

當(dāng)注采井均為直井時(shí)，a為0.25；當(dāng)注采井為一個(gè)直井一個(gè)水平井時(shí)，a為0.5；當(dāng)注采井均為水平井時(shí)，a為0.5（圖2）。

圖2 注采井間流體波及范圍形狀因子示意Fig.2 Shape factor of fluid swept volume between injection wells and production wells

體積校正方法 實(shí)際計(jì)算過程中，無論是利用注入端物質(zhì)守恒計(jì)算得到的氣竄通道體積，還是利用產(chǎn)出端物質(zhì)守恒計(jì)算得到的氣竄通道體積，都存在一定程度的計(jì)算誤差。這是由于C和a是理想狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果，沒有考慮由于儲(chǔ)層平面以及縱向非均質(zhì)性導(dǎo)致的流體波及形狀和范圍的不規(guī)則性。因此，需要對(duì)注入端和產(chǎn)出端計(jì)算得到的氣竄通道體積進(jìn)行校正。

從圖3 可見：①落在紅線下的點(diǎn)，V竄inj＞V竄pro，表明單井依據(jù)注入端物質(zhì)守恒計(jì)算得到的氣竄通道體積，大于依據(jù)產(chǎn)出端物質(zhì)守恒計(jì)算得到的氣竄通道體積。說明該井計(jì)算過程中，C取值偏大，或者a取值偏小。②落在紅線以上的點(diǎn)，V竄inj＜V竄pro，表明單井依據(jù)注入端物質(zhì)守恒計(jì)算得到的氣竄通道體積，小于依據(jù)產(chǎn)出端物質(zhì)守恒計(jì)算得到的氣竄通道體積。說明該井計(jì)算過程中，C取值偏小，或者a取值偏大。由此可見，需要對(duì)V竄inj和V竄pro進(jìn)行校正，消除C或者a對(duì)氣竄通道體積計(jì)算結(jié)果的影響。

圖3 氣竄通道體積校正方法示意Fig.3 Schematic diagram of correction method of gas channeling volume

以圖3 中任意實(shí)際點(diǎn)N為例，說明氣竄通道體積的校正思路及計(jì)算方法，具體為：①以（0，0）點(diǎn)為起點(diǎn)，做一個(gè)以（0，0）點(diǎn)和N點(diǎn)為斜邊的直角三角形，則V竄inj和V竄pro分別為該直角三角形的兩條直角邊對(duì)應(yīng)的數(shù)值。②根據(jù)勾股定理，得到該直角三角形斜邊的數(shù)值。③以該直角三角形斜邊的數(shù)值為依據(jù)，在紅線上找到斜邊數(shù)值相等的點(diǎn)N'。

由于N'點(diǎn)所對(duì)應(yīng)V竄inj和V竄pro在數(shù)值上是相等的，消除了C或者a對(duì)氣竄通道體積計(jì)算結(jié)果的影響。因此，將N'點(diǎn)作為N點(diǎn)的校正點(diǎn)，N'點(diǎn)所在直角三角形的2 條直角邊所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，即為校正后的氣竄通道體積。氣竄通道體積的最終表達(dá)式為：

2.2 氣竄通道橫截面積

在氣竄通道幾何參數(shù)中，常用的氣竄通道橫截面積參數(shù)包括氣竄通道孔隙橫截面積和氣竄通道巖石橫截面積。

氣竄通道孔隙橫截面積 根據(jù)氣竄通道體積，得到氣竄通道孔隙橫截面積的表達(dá)式為：

氣竄通道巖石橫截面積 根據(jù)氣竄通道體積，得到氣竄通道巖石橫截面積的表達(dá)式為：

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 單井氣竄特征判斷

依據(jù)氣竄識(shí)別判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)產(chǎn)出氣中CO2含量變化特征（圖4），某油田1口實(shí)際氣竄單井M井截至目前共發(fā)生2 次氣竄：1 次微弱氣竄和1 次明顯氣竄。具體氣竄特征判斷依據(jù)見表2。

依據(jù)氣竄識(shí)別判斷標(biāo)準(zhǔn)給出的見氣時(shí)間點(diǎn)確定方法，找出見氣時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的日期，具體確定方法及確定結(jié)果詳見表3。

3.2 氣竄通道幾何參數(shù)計(jì)算

利用（1）—（6）式，依次求解出氣竄通道幾何參數(shù)。從表4 可以看出：M 井微弱氣竄階段雖然產(chǎn)出CO2含量較低，但是由于產(chǎn)出時(shí)間長，氣竄通道體積和氣竄通道橫截面積的反演結(jié)果均顯著高于明顯氣竄的反演結(jié)果，前者約為后者的兩倍。

圖4 M井產(chǎn)出氣體中CO2含量變化曲線Fig.4 Variation curve of CO2content in produced gas in Well M

表2 M井氣竄特征判斷結(jié)果Table2 Evaluation results of gas channeling characteristics in Well M

表3 M井各氣竄階段見氣時(shí)間Table3 Gas breakthrough time at each gas channeling stage in Well M

表4 M井氣竄通道幾何參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table4 Inversion results of gas channeling geometric parameters in Well M

由此可見，雖然微弱氣竄的氣竄特征不明顯，但是由于已經(jīng)存在了井間貫通效應(yīng)，且生產(chǎn)時(shí)間較長，導(dǎo)致最終產(chǎn)生的氣竄量很大，因此微弱氣竄階段不能忽略。鑒于在微弱氣竄階段的產(chǎn)出氣體中，CO2的含量在很長時(shí)間內(nèi)都處于相對(duì)較低的狀態(tài)，不易察覺已經(jīng)發(fā)生了氣竄。所以，借助筆者所建立的氣竄識(shí)別判別標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行氣竄識(shí)別，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣竄類型和氣竄程度的定性評(píng)價(jià)，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣竄通道體積和氣竄通道橫截面積的定量計(jì)算。

4 結(jié)論

根據(jù)產(chǎn)出氣體中CO2含量的高低，將CO2驅(qū)發(fā)生氣竄油井的氣竄類型劃分為明顯氣竄（Ⅰ類氣竄）和微弱氣竄（Ⅱ類氣竄）兩類。以產(chǎn)出氣體中CO2的含量分別達(dá)到6%和0.5%，作為劃分明顯氣竄和微弱氣竄的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

明確了見氣時(shí)間的定義，給出了見氣時(shí)間點(diǎn)的判斷方法。對(duì)于單調(diào)變化型曲線，見氣時(shí)間點(diǎn)為氣竄期間內(nèi)CO2含量的平均值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)；對(duì)于非單調(diào)變化型曲線，見氣時(shí)間點(diǎn)為氣竄期間內(nèi)CO2含量的半坡值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。

利用物質(zhì)守恒原理得到注入端和采出端的氣竄通道體積，借助氣竄通道體積交會(huì)圖，消除單井產(chǎn)液比例系數(shù)或井網(wǎng)形狀因子對(duì)氣竄通道體積計(jì)算結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣竄通道體積的校正，得到合理的氣竄通道體積表達(dá)式。

通過對(duì)實(shí)際氣竄單井M 井的分析和計(jì)算表明，該方法具有較強(qiáng)的操作性和實(shí)用性，為后期合理設(shè)計(jì)封堵措施和堵劑用量提供理論依據(jù)。

符號(hào)解釋

V竄inj——根據(jù)注入端計(jì)算得到的氣竄通道體積，m3；V竄pro——依據(jù)產(chǎn)出端計(jì)算得到的氣竄通道體積，m3；L——?dú)飧Z井與注氣井之間的井距，m；Vg注——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前注入的CO2體積，m3；Vw注——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前注入的起泡液體積，m3；C——單井產(chǎn)液比例系數(shù)，為從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前單井平均產(chǎn)液速度qi占注氣井組總產(chǎn)液速度的比例，f；Qg累注——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前的CO2累積注入量，t；ρg——注入的CO2氣體地下密度，g/cm3；Qw累注——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前的起泡液累積注入量，t；ρw——注入的起泡液或產(chǎn)出水的地下密度，g/cm3；Vo產(chǎn)——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前產(chǎn)出的原油體積，m3；Vw產(chǎn)——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前的產(chǎn)出水體積，m3；a——井間平面波及形狀因子，為油水井間波及面積與平面徑向流波及面積的比值，f；Qo累產(chǎn)——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前產(chǎn)出的原油累積產(chǎn)量，t；Qw累產(chǎn)——從開始注氣至氣竄見氣時(shí)間點(diǎn)前的累積產(chǎn)水量，t；ρo——地層原油密度，g/cm3；V竄——?dú)飧Z通道體積，m3；A孔隙——?dú)飧Z通道孔隙橫截面積，m2；A巖石——?dú)飧Z通道巖石橫截面積，m2；?——儲(chǔ)層平均孔隙度，f；Swc——束縛水飽和度，f；Sor——?dú)堄嘤惋柡投?，f；Sgc——?dú)堄鄽怙柡投?，f。