姬塬地區(qū)長8超低滲油藏注水井欠注規(guī)律研究

薛建強, 成友友, 王爾珍, 隋 蕾, 曹建軍, 黃寶杰, 薛 濤, 呂杰堂

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安 710018； 3.西安石油大學石油工程學院，西安 710065；4.西部低滲-特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心，西安 710065； 5.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院沉積礦產(chǎn)分院，鄭州 450000； 6.中國環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測院，北京 100081)

姬塬地區(qū)長8超低滲油藏是鄂爾多斯盆地的重點開發(fā)區(qū)塊之一[1-2]，其開發(fā)方式以注水開發(fā)為主。在多年開發(fā)之后，大量注水井在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了實際注水量遠小于配注量(即注水井欠注)的狀況，造成地層能量不足、油井產(chǎn)量遞減快等問題，嚴重影響到油藏的可持續(xù)性發(fā)展。通過對注水井欠注原因的解釋及解決方法的提出對于推動油藏的開發(fā)意義重大。造成注水井欠注的原因具有多樣性，并且不同因素造成注水井欠注的機理不一樣[3-4]。根據(jù)注水井的欠注機理，結(jié)合姬塬油田地區(qū)長8超低滲油藏的實際特征，造成該油藏注水井欠注的潛在原因包括儲層物性特征、流體性質(zhì)和注水工藝等方面，明確不同因素對注水井欠注的影響程度及其機理，是下一步有針對性地提出治理對策的前提[5-7]。因此，從姬塬油田的基本地質(zhì)特征入手，在系統(tǒng)分析油田欠注現(xiàn)狀及規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出有效驅(qū)動滲透率和地層結(jié)垢量計算方法，實現(xiàn)對儲層物性、地層結(jié)垢量和注入水水質(zhì)等對欠注影響的準確評價。針對上述影響因素及欠注井特征，確定合理的增注工藝，指導現(xiàn)場施工，極大地提高了注水井的成功率。該研究對姬塬油田地區(qū)長8油藏欠注規(guī)律的認識及欠注的治理具有重要指導意義，同時也能為具有相同問題的油藏開發(fā)提供借鑒和指導。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地作為中國第二大沉積盆地，盆地內(nèi)部油氣資源豐富，目前主產(chǎn)區(qū)位于鄂爾多斯盆地的長慶油田油氣當量已經(jīng)躍居中國第一位[8-9]。鄂爾多斯盆地作為一個構(gòu)造簡單的多旋回型克拉通盆地，主要由晉西擾褶帶、陜北斜坡、天環(huán)凹陷、西緣掩沖帶、渭北隆起、伊盟隆起等6個二級構(gòu)造單元組成[10-11]。陜北斜坡在地質(zhì)構(gòu)造上表現(xiàn)為寬緩的向西傾的單斜構(gòu)造，平均坡度小于1°，含油氣層主要位于中生界三疊系的延長組地層中，以巖性油藏為主[12-14]。姬塬油田在區(qū)域構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中段西部，構(gòu)造為寬緩的西傾單斜(圖1)，開發(fā)對象為長8油層組的超低滲油藏(圖2)。研究區(qū)長8油層組以三角洲前緣亞相的水下分流河道沉積為主，砂體分布范圍廣，砂體厚度為10～40 m(圖3)[15]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元劃分Fig.1 Basic geological structure units of Ordos Basin

圖3 姬塬地區(qū)長8油層組砂體厚度Fig.3 Sand body isothickness map of Chang 8 Formation in Jiyuan area

開發(fā)數(shù)據(jù)表明，姬塬地區(qū)長8油藏探明地質(zhì)儲量約為4.7×108t，占整個鄂爾多斯盆地長8油藏探明儲量的60.2%，開發(fā)潛力巨大。姬塬地區(qū)長8油藏主要的開發(fā)區(qū)塊有池97、池46、黃3、黃57、羅1、羅228、耿73、耿271、白32等。整個地區(qū)的油藏開發(fā)受注水開發(fā)過程中注水井欠注的影響較大。

2 儲層礦物及物性特征

巖石學特征和儲層物性是決定油藏注水開發(fā)的重要影響因素，明確油藏的巖石學和儲層物性對于姬塬地區(qū)長8油藏的注水開發(fā)意義重大[16-19]。巖心照片結(jié)合電鏡掃描結(jié)果表明，在姬塬地區(qū)長8超低滲油藏中巖性以灰色、灰褐色長石砂巖為主，含有少量巖屑質(zhì)長石砂巖(圖4)，砂巖粒度以細粒、細～中粒為主。儲層填隙物含量為14.9%，高嶺石含量較高，主要發(fā)育粒間孔和長石溶孔。壓汞實驗結(jié)果表明，姬塬地區(qū)長8油藏的孔隙組合類型以小孔細喉為主，孔喉分選性差(圖5)，平均中值半徑僅0.17 μm。儲層孔隙度主要集中在6.0%～16.1%，平均9.7%，滲透率主要集中在(0.1～2.3)×10-3μm2，平均0.57×10-3μm2，為典型的低孔、特-超低滲油藏。巖石的儲層敏感性分析實驗表明，姬塬地區(qū)長8油藏的儲層敏感性整體上表現(xiàn)為中等-弱水敏、中等偏弱-弱速敏、中等-弱堿敏、中等-弱酸敏、弱鹽敏，注水過程中存在較為明顯的水敏和速敏傷害，儲層潤濕性為中性-偏親油性。

總體上，姬塬地區(qū)長8超低滲油藏為典型低孔、超低滲油藏，儲層具有粒度細、填隙物含量高、孔喉半徑小，局部地區(qū)具有水敏、速敏作用強和儲層偏親油等特征，上述因素都是造成注水井欠注的潛在原因。

圖4 姬塬地區(qū)巖石礦物成分Fig.4 Rock mineral components of Jiyuan area

圖5 姬塬地區(qū)典型巖心壓汞曲線Fig.5 Mercury injection curves of typical samples from Jiyuan area

3 長8超低滲油藏欠注特征

姬塬地區(qū)長8超低滲油藏面臨嚴重的欠注問題。目前該油藏有采油井3 420口，注水井1 620口，油藏平均日配注量3.56×104m3/d，而實際注水量僅3.21×104m3/d，日欠注量達0.35×104m3/d,欠注率為9.6%。長8油藏的欠注問題具有以下特征。

(1)欠注井數(shù)多，涉及范圍廣。自2012年以來，姬塬地區(qū)欠注井數(shù)呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，2018年欠注井數(shù)已達110口(圖6)，平面上廣泛分布于池46、池97、羅1、羅228等近10個區(qū)塊(圖7)，整體欠注形勢較為嚴峻。

圖6 姬塬地區(qū)欠注井數(shù)隨時間變化曲線Fig.6 Under-injection well numbers of Jiyuan Oilfield changing with time

圖7 姬塬地區(qū)主要區(qū)塊欠注井數(shù)統(tǒng)計Fig.7 Under-injection well numbers of main blocks from Jiyuan Oilfield

(2)欠注時間長，欠注程度高。從欠注動態(tài)看，長期欠注井和后期欠注井占比分別為59%和41%，大多數(shù)注水井從投注以來就出現(xiàn)欠注情況。根據(jù)欠注井的欠注量大小，將欠注程度分為輕微欠注井(20%≤欠注率<40%)、一般欠注井(40%≤欠注率<60%)、嚴重欠注井(60%≤欠注率<80%)和完全欠注井(欠注率≥80%)。姬塬地區(qū)長8超低滲油藏輕微欠注井數(shù)基本維持穩(wěn)定。近年來嚴重欠注井和完全欠注井迅速增加(圖8)，表明油藏欠注程度正在逐漸加劇。

圖8 姬塬地區(qū)欠注程度隨時間變化Fig.8 Under-injection degrees of Jiyuan Oilfield changing with time

(3)欠注原因復雜，治理難度大。長8超低滲油藏的儲層、流體、工藝等因素都是造成注水井欠注的潛在原因，不同井的欠注原因有所不同，判定困難，使治理措施有效率低、有效期短，治理效果不理想。

4 注水井欠注的影響因素

姬塬油田最為突出的特征是儲層物性差，直接影響了注水井的注入能力；除此之外，姬塬油田注水過程中還廣泛存在著注水水質(zhì)不達標以及與地層水不配伍等問題，引起儲層滲透率傷害，從而進一步增加注水難度。

4.1 儲層物性

儲層因素是造成注水井欠注的主要原因，姬塬地區(qū)長8超低滲油藏由于儲層粒度細、孔喉半徑小，使得滲流過程中存在明顯的流動邊界層作用，表現(xiàn)出較高的啟動壓力梯度[20-21]，姬塬地區(qū)的啟動壓力梯度可用式(1)計算。

G=0.060 8K-1.152 2

(1)

式(1)中：G為儲層啟動壓力梯度，MPa/m；K為儲層滲透率，10-3μm2。

為了更直觀地反映啟動壓力梯度對注水井欠注的影響，通過運用有效驅(qū)動滲透率來表示特定儲層物性及井網(wǎng)條件下，能夠形成有效滲流體系的最小滲透率值，計算方法[22]為

(2)

式(2)中：Keff為儲層有效驅(qū)動滲透率，10-3μm2；pinj為注水井井底流壓，MPa；pwf為生產(chǎn)井井底流壓，MPa；μo和μw分別為原油和注入水黏度，mPa·s；R為注采井距，m；rw為井筒半徑，m；a、b為滲流常數(shù)。

根據(jù)上述模型計算出姬塬地區(qū)的有效驅(qū)動滲透率基本為(0.25～0.36)×10-3μm2，黃3、羅1、羅228等區(qū)塊有效驅(qū)動滲透率相對較高。

圖9 姬塬地區(qū)欠注程度與滲透率的關(guān)系Fig.9 The relationship between under-injection degree and permeability of Jiyuan Oilfield

圖9所示為依據(jù)式(2)計算的有效驅(qū)動滲透率與欠注程度的關(guān)系，可看出姬塬地區(qū)長8超低滲油藏有效驅(qū)動滲透率反映出的物性與注水井欠注之間的相互關(guān)系：當滲透率小于0.3×10-3μm2時，欠注程度與滲透率呈現(xiàn)出明顯的負相關(guān)關(guān)系；滲透率大于0.3×10-3μm2后，二者相關(guān)性減弱。

分析其原因是當滲透率小于0.3×10-3μm2時，儲層啟動壓力梯度急劇增加，小于儲層有效驅(qū)動滲透率，注水井難以形成有效注水，從而造成欠注問題。研究結(jié)果表明,滲透率是姬塬地區(qū)欠注的決定性因素，表現(xiàn)為滲透率小于0.3×10-3μm2時注水井開始普遍欠注，此時注水井欠注程度較高，欠注動態(tài)多表現(xiàn)為長期欠注特征。

4.2 地層結(jié)垢

(3)

(4)

利用上述結(jié)垢量計算公式，計算出姬塬地區(qū)長8超低滲油藏的BaSO4、SrSO4結(jié)垢量遠高于CaCO3，前者結(jié)垢量為2 800～3 500 mg/L，后者僅為120～250 mg/L。綜合結(jié)垢量以及欠注程度開展結(jié)垢量對姬塬地區(qū)欠注影響的分析，結(jié)果表明，姬塬地區(qū)長8超低滲油藏欠注程度整體上與結(jié)垢量呈正相關(guān)，且當結(jié)垢量大于2 000 mg/L時，欠注程度隨結(jié)垢量上升趨勢十分顯著(圖10)。

根據(jù)欠注井注水程度與結(jié)垢量的分析，同時結(jié)合部分典型井進行驗證，結(jié)果表明，在姬塬地區(qū)長8油藏中，地層結(jié)垢引起的欠注均表現(xiàn)為后期欠注特征。欠注程度基本集中在0.45～0.52，說明結(jié)垢也是造成姬塬地區(qū)長8超低滲油藏欠注的重要原因。

圖10 姬塬地區(qū)欠注程度與結(jié)垢量的關(guān)系Fig.10 The relationship between under-injection degree and the amount of scaling of Jiyuan area

4.3 注入水水質(zhì)

姬塬地區(qū)存在一定數(shù)量采出水回注的區(qū)塊，采出水水質(zhì)普遍難以符合標準，特別是注入水中的懸浮物和油污容易造成近井地帶堵塞，導致注水井注入困難，因此分析注入水水質(zhì)與欠注程度的關(guān)系具有十分重要的意義。

通過對注入水水質(zhì)與欠注程度的相關(guān)性分析(圖11)，可以看出姬塬地區(qū)長8超低滲油藏的注入水水質(zhì)與欠注程度存在正相關(guān)性。當懸浮物濃度和含油量之和大于70 mg/L時，水質(zhì)與欠注程度的相關(guān)性更高。在實際應用過程中，通過對典型井的治理發(fā)現(xiàn)，注入水水質(zhì)對欠注的影響具有一定的周期性，酸化措施后有所減緩，但有效期較短，孔喉半徑小、物性差的儲層受水質(zhì)影響更為明顯。

圖11 姬塬地區(qū)欠注程度與懸浮物含量及含油量的關(guān)系Fig.11 The relationship between under-injection degree and the amount of suspended matter and oil content of Jiyuan area

通過對欠注程度與儲層物性、地層結(jié)垢和注入水水質(zhì)之間的相互關(guān)系分析,結(jié)果表明：在姬塬地區(qū)長8超低滲油藏中儲層物性是影響欠注程度的最主要因素，且其欠注井往往表現(xiàn)為欠注程度高且長期欠注的特征；其次地層結(jié)垢和注入水水質(zhì)差也是造成欠注的重要原因，該類井一般為后期欠注特征，欠注程度較低。準確判別具體欠注井的原因是下一步有針對性開展治理措施的基礎(chǔ)，對于推動姬塬地區(qū)長8超低滲油藏的開發(fā)具有重要的意義。

5 欠注治理對策

針對不同類型的欠注影響因素分析及其對應的具體特征，結(jié)合姬塬地區(qū)長8超低滲油藏的實際生產(chǎn)情況，并綜合近年來的增注工藝技術(shù)探索和實踐，逐步形成了姬塬地區(qū)長8超低滲油藏的欠注井治理技術(shù)。結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場應用，總結(jié)提出了以下5種主體欠注井增注工藝體：不加砂酸壓、聯(lián)作類措施、復合酸酸化、緩速酸硫酸鹽解堵和深部酸化，不同工藝的適應范圍如表1所示。

表1 姬塬地區(qū)增注工藝體系及其適應性Table 1 The injection increasing technologies and their flexibility in Jiyuan area

近年來以上的增注工藝體系在姬塬地區(qū)長8超低滲油藏共實施水井增注措施39井次，措施有效率為88.2%，平均單井日增注13 m3/d，實施措施后平均油壓降低2.1 MPa，措施效果十分顯著，有效緩解了姬塬地區(qū)的注水井欠注問題，為長8超低滲油藏的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了有力支撐。

6 結(jié)論

(1)姬塬地區(qū)長8油層組作為典型超低滲油藏，注水井存在著嚴重的欠注問題，具有欠注井數(shù)多、涉及范圍廣、欠注時間長、程度高和欠注原因復雜等突出特點。

(2)依據(jù)油藏特征，結(jié)合注水井欠注機理，明確儲層物性、地層水結(jié)垢和注入水水質(zhì)差是造成姬塬地區(qū)欠注的主要原因：儲層物性對欠注程度的影響主要表現(xiàn)為儲層滲透率小于0.3×10-3μm2時，因低于儲層有效驅(qū)動滲透率而造成水井欠注，表現(xiàn)為長期欠注且欠注程度高的特征；地層水結(jié)垢和注入水水質(zhì)差對欠注程度的影響主要表現(xiàn)為地層結(jié)垢量大于2 000 mg/L或注入水中懸浮物和含油量大于70 mg/L時，引起注水井欠注，常表現(xiàn)為后期欠注特征。

(3)針對不同因素下欠注井的具體特征，提出了不加砂酸壓、聯(lián)作類措施、復合酸酸化、緩速酸硫酸鹽解堵和深部酸化等5種增注工藝體系，在姬塬地區(qū)長8超低滲油藏實施后有效率達88.2%，能夠有效治理該地區(qū)注水井欠注問題。