水驅(qū)油藏高含水期耗水條帶表征指標及分級方法

崔傳智，韓興源，邴紹獻，黃迎松，李偉忠，劉麗杰，吳忠維

（1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東青島 266580；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；3.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

水驅(qū)油藏儲層非均質(zhì)性導致驅(qū)替不均衡［1］，從而形成高耗水條帶［2-4］。高耗水條帶是指經(jīng)過長期注水開發(fā)，由于滲透率和含水飽和度大幅提高、油水流動能力差異不斷增大而形成的吸水能力明顯高于臨近區(qū)域、注入水循環(huán)效率低下的區(qū)域［5-10］。中國關(guān)于高耗水條帶的研究可追溯至20 世紀80 年代，包括高滲透通道、大孔道等研究。劉曉彤等在綜合考慮油水井多種生產(chǎn)動態(tài)調(diào)整措施對大孔道評價影響的基礎(chǔ)上，運用模糊綜合評判方法建立了一套大孔道動態(tài)評價方法［11］。羅超等研究了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延9油組注水開發(fā)前后儲層的特征，分析了注水開發(fā)后大孔道發(fā)育情況，從層內(nèi)、平面、微觀和層間非均質(zhì)性等4個方面，厘清了儲層非均質(zhì)性對大孔道發(fā)育的控制機理［12］。WANG 以巖心分析測試和測井解釋資料為基礎(chǔ)，研究了儲層層間非均質(zhì)性和平面非均質(zhì)性發(fā)育特征，明晰了耗水條帶形成的物性基礎(chǔ)［13］。吳忠維等在分析大孔道內(nèi)高速非達西滲流特征基礎(chǔ)上，依據(jù)高速非達西滲流識別標準，建立了大孔道識別標準，并在考慮注水開發(fā)過程中滲透率隨沖刷孔隙體積倍數(shù)變化的基礎(chǔ)上，建立了用于定量描述大孔道的油藏數(shù)值模擬方法［14］。HENG 等依據(jù)生產(chǎn)過程中不同時期取心井資料和生產(chǎn)井動、靜態(tài)資料等，分析了高滲透通道形成的原因和條件，得出巖體松散、石油黏度高、注水強度高是高滲透通道形成的主要原因，并指出高滲透通道形成的關(guān)鍵條件是儲層非均質(zhì)性［15］。崔傳智等分析礦場示蹤劑資料，認為大孔道中流體流動為高速非達西滲流，并在此基礎(chǔ)上建立存在大孔道的儲層滲流模型，研究了大孔道對產(chǎn)能的影響［16］。濮孟蕾運用數(shù)值模擬方法探索了高含水期油田發(fā)生的低效無效循環(huán)現(xiàn)象的原因［17］。以上研究主要包括耗水條帶、大孔道、高滲透通道等的表征方法、形成機理、形成時機以及基于統(tǒng)計的發(fā)育程度評價等方面的研究，但在耗水條帶的表征指標方面存在參數(shù)難以獲得和礦場難以應用的問題。

為此，筆者從耗水條帶的定義出發(fā)，提出了基于油藏數(shù)值模擬結(jié)果易獲得的儲層滲透率、原油黏度、含水飽和度的耗水條帶表征指標，從技術(shù)（滲流能力）、經(jīng)濟等角度出發(fā)，建立了耗水條帶發(fā)育程度分級方法，后將其運用于某油田實際區(qū)塊，認識了該區(qū)塊耗水條帶分級及分布特征，該研究為水驅(qū)油藏進一步制定開發(fā)對策提供有力支撐。

1 耗水條帶表征指標

從高耗水條帶定義可知：高耗水條帶的核心是油水流動能力差異變大，外在表現(xiàn)為吸水能力明顯高于臨近區(qū)域、注入水循環(huán)效率低下的條帶。為了定量研究耗水條帶的發(fā)育程度，提出擬耗水率的概念即生產(chǎn)單位原油所需的注入水量。

根據(jù)擬耗水率的定義，在注采平衡的條件下，結(jié)合達西公式可得：

根據(jù)（1）式可知，擬耗水率與油水兩相滲透率及油水黏度有關(guān)，結(jié)合Willhite 相對滲透率曲線表征公式［18］：

將（2）式和（3）式代入（1）式，可得：

根據(jù)崔傳智等的研究成果［19］，對于勝利油區(qū)河流相沉積的中高滲透油藏，（4）式中的相應系數(shù)（束縛水飽和度和殘余油飽和度、水相相對滲透率端點值、水相指數(shù)及油相指數(shù)）與儲層滲透率的關(guān)系分別為：

從（4）式至（9）式可知，擬耗水率與儲層滲透率、油水黏度、含水飽和度有關(guān)，其反映了油水流動能力差異，且參數(shù)易于獲取，極易運用于實際礦場。

2 耗水條帶分級方法

2.1 技術(shù)角度的耗水條帶發(fā)育程度分級方法

取某油田實際區(qū)塊，其參數(shù)主要包括：滲透率為548 mD，原油黏度為36.49 mPa·s，水黏度為0.576 3 mPa·s，運用（4）式，可得擬耗水率與含水飽和度的關(guān)系（圖1）。從圖1a 中可知，當含水飽和度大于0.72 時，擬耗水率呈指數(shù)增加，水相滲流能力急劇變強、油相滲流能力急劇變?nèi)?，認為此時形成了極端耗水條帶（擬耗水率大于30 568 m3/m3）。從擬耗水率與含水飽和度半對數(shù)坐標上的關(guān)系（圖1b）可知，擬耗水率隨含水飽和度的增加先呈線性增加，再偏離直線上翹，且上翹程度隨著含水飽和度的增加而增加；當擬耗水率偏離直線段時（含水飽和度大于0.58），油水滲流能力發(fā)生相對變化，認為此時形成高耗水條帶（擬耗水率大于150 m3/m3）。

圖1 擬耗水率與含水飽和度的關(guān)系Fig. 1 Relationship between pseudo-water-consumption rate and water saturation

為進一步揭示高耗水條帶形成時機的內(nèi)在原因，運用（2）式與（3）式可得水油相相對滲透率比與含水飽和度在半對數(shù)坐標上的關(guān)系（圖2）。從圖2可知，水油相相對滲透率比隨含水飽和度的增加，先呈線性降低，再偏離直線向下翹，且向下翹趨勢越來越大；偏離直線段時的含水飽和度為0.58，即水油相相對滲透率比拐點所對應的擬耗水率偏離直線段時刻，也就是表示油水流動能力變化導致擬耗水率偏離直線。

圖2 水油相相對滲透率比與含水飽和度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between relative permeability ratio of water-oil phase and water saturation

從以上分析可知，基于研究區(qū)塊油藏的物性參數(shù)，在技術(shù)角度（滲流能力），擬耗水率小于150 m3/m3時為低耗水條帶，擬耗水率為150～30 568 m3/m3時為高耗水條帶，擬耗水率大于30 568 m3/m3時為極端耗水條帶。由于擬耗水率與儲層滲透率、油水黏度有關(guān)，因此高耗水條帶、極端耗水條帶的具體界限隨儲層滲透率、油水黏度的變化而變化。

2.2 經(jīng)濟角度的耗水條帶發(fā)育程度分級方法

基于擬耗水率定義（產(chǎn)出單位原油所需的注入水量），在經(jīng)濟平衡條件下，產(chǎn)出單位原油時，收益（綜合收益率與油價乘積）等于支出（注入水量與水費用乘積，其中水費用包括工業(yè)用水價格與水處理費用），因此可得等式：

根據(jù)油田生產(chǎn)成本的各項經(jīng)濟指標，當稅率為0.95 時，工業(yè)用水價格為4 元/t，水處理成本為40 元/t時，結(jié)合（10）式可得不同油價時對應的經(jīng)濟極限耗水率（圖3）。從圖3 可知，隨著原油價格增加，經(jīng)濟極限耗水率呈線性增加；當原油價格為2 500 元/t時所對應的經(jīng)濟極限耗水率為54 m3/m3。從以上分析可知，從經(jīng)濟角度可將耗水條帶分為經(jīng)濟與非經(jīng)濟2級，其中經(jīng)濟極限耗水率小于54 m3/m3為經(jīng)濟耗水條帶，大于54 m3/m3為非經(jīng)濟耗水條帶。

圖3 不同油價所對應的經(jīng)濟極限耗水率Fig. 3 Economic limit water consumption rate corresponding to different oil prices

2.3 耗水條帶發(fā)育程度分級影響因素分析

運用表1中的參數(shù)及建立的耗水條帶發(fā)育程度綜合分級方法，開展其影響因素分析?；诒? 中的類型Ⅰ數(shù)據(jù)，運用（2）式和（3）式可計算得到儲層的相對滲透率，再將該相對滲透率代入擬耗水率計算（1）式中，可得到擬耗水率隨含水飽和度的變化關(guān)系，從而獲得技術(shù)角度的耗水條帶發(fā)育程度分級，結(jié)合經(jīng)濟角度的耗水條帶發(fā)育程度分級，最終可獲得耗水條帶發(fā)育程度綜合分級結(jié)果（圖4）。從圖4 可知，類型Ⅰ對應油藏的耗水條帶可分為4 個等級：擬耗水率大于175 438 m3/m3時形成極端耗水條帶；擬耗水率大于54 m3/m3小于175 438 m3/m3時，為非經(jīng)濟高耗水條帶；擬耗水率大于51 m3/m3小于54 m3/m3時，為經(jīng)濟高耗水條帶；擬耗水率小于51 m3/m3時，為經(jīng)濟低耗水條帶。同理可得，類型Ⅱ與類型Ⅲ所對應油藏耗水條帶發(fā)育程度綜合分級結(jié)果（表2）。

圖4 類型I對應油藏的耗水條帶發(fā)育程度綜合分級結(jié)果Fig. 4 Comprehensive grading results of development degree of water-consumption zones corresponding to type I reservoirs

表1 不同類型油藏物性參數(shù)Table1 Physical property parameters of different types of reservoirs

從表2 可知，對于類型Ⅰ與類型Ⅱ?qū)筒氐暮乃畻l帶可分為經(jīng)濟低耗水條帶、經(jīng)濟高耗水條帶、非經(jīng)濟高耗水條帶及極端耗水條帶4 級。對類型Ⅲ對應油藏，由于技術(shù)方法計算獲得的擬耗水率小于60 m3/m3時為低耗水條帶，而在當前油價下的經(jīng)濟極限耗水率為54 m3/m3，因此該類型耗水條帶為經(jīng)濟低耗水條帶、非經(jīng)濟低耗水條帶、非經(jīng)濟高耗水條帶及極端耗水條帶4級。

表2 不同類型油藏耗水條帶發(fā)育程度綜合分級結(jié)果Table2 Comprehensive grading results of development degree of water-consumption zones in different types of reservoirs

基于這3種不同的油藏，分析儲層滲透率、原油黏度因素對耗水條帶形成的影響。對比類型Ⅰ與類型Ⅱ可知，保持其他條件不變時，隨著原油黏度的降低，極端耗水條帶形成時所對應的擬耗水率變小，發(fā)育加快。對比類型Ⅰ與類型Ⅲ可知，在其他物性參數(shù)相同時，隨著滲透率的降低，經(jīng)濟高耗水條帶消失，同時出現(xiàn)非經(jīng)濟低耗水條帶，高耗水條帶形成時所對應的擬耗水率變大，但極端耗水條帶形成時所對應的擬耗水率變小。

3 實例應用

以勝利油區(qū)孤島油田A 區(qū)Ng3-4 單元為例，開展耗水條帶劃分與演化規(guī)律研究。研究區(qū)位于孤島油田披覆背斜構(gòu)造西翼，為高孔、高滲透、常溫、常壓油藏，構(gòu)造平緩，地層傾角為1.5°～2°。研究區(qū)面積為3.26 km2，地質(zhì)儲量為1 074×104t，孔隙度為32.7%～35.6%，滲透率為544～1 830 mD，原油黏度為500～2 500 mPa·s，原始地層壓力為12.35 MPa，原油飽和壓力為9.25 MPa，地層壓力為10.7 MPa。生產(chǎn)井網(wǎng)為200 m×230 m，北東向行列正對井網(wǎng)。從1976 年3 月投入生產(chǎn)，截至目前油藏綜合含水率為98.1%，采出程度為52.3%?；谘芯繀^(qū)的物性及井網(wǎng)，建立數(shù)值模擬模型。模擬水驅(qū)開發(fā)過程，獲得含水率隨采出程度的變化關(guān)系（圖5）。由圖5 可知，數(shù)值模擬中，綜合含水率為98.47%時的采出程度為53.2%，與該單元實際綜合含水率為98.1%時的采出程度為52.2%相近，說明所建立的數(shù)值模擬模型能夠較好地反映該單元的實際開發(fā)狀況。

圖5 含水率隨采出程度的變化關(guān)系Fig. 5 Variation curve of water cut with recovery

依據(jù)研究區(qū)物性參數(shù)與建立的耗水條帶發(fā)育程度綜合分級方法，獲得耗水條帶發(fā)育程度綜合分級結(jié)果：擬耗水率大于30 771 m3/m3時為極端耗水條帶；擬耗水率為54～30 771 m3/m3時為非經(jīng)濟高耗水條帶；擬耗水率為39～54 m3/m3時為經(jīng)濟高耗水條帶；擬耗水率小于39 m3/m3時為經(jīng)濟低耗水條帶。再基于研究區(qū)油藏數(shù)值模擬結(jié)果，運用各網(wǎng)格的物性參數(shù)，計算出各網(wǎng)格的擬耗水率；最后依據(jù)研究區(qū)耗水條帶發(fā)育程度綜合分級結(jié)果，對研究區(qū)目前（綜合含水率98.1%時）耗水條帶發(fā)育程度進行綜合分級。從圖6 可知，極端耗水條帶主要分布于水井附近，發(fā)育面積較??；非經(jīng)濟高耗水條帶包裹極端耗水條帶，發(fā)育面積其次；經(jīng)濟高耗水條帶包裹非經(jīng)濟高耗水條帶，且發(fā)育面積較大；經(jīng)濟低耗水條帶分布于驅(qū)替效率較低區(qū)域，發(fā)育面積較大。

圖6 井網(wǎng)耗水條帶發(fā)育程度分布（綜合含水率為98.1%時）Fig. 6 Distribution of development degree of waterconsumption zones in current well pattern（with a water cut of 98.1%）

從耗水條帶發(fā)育程度演化規(guī)律（圖7）可知，隨著開發(fā)的進行（綜合含水率從90%增加至95%），極端耗水條帶、非經(jīng)濟高耗水條帶及經(jīng)濟高耗水條帶發(fā)育面積逐漸變大，同時經(jīng)濟低耗水條帶發(fā)育面積逐漸變??；當開發(fā)至綜合含水率為98.47%時，儲層極端耗水條帶與非經(jīng)濟高耗水條帶顯著發(fā)育。

圖7 耗水條帶發(fā)育程度演化規(guī)律Fig. 7 Evolution laws of development degree of water-consumption zones

4 結(jié)論

通過引入耗水條帶表征指標，形成了耗水條帶發(fā)育程度分級方法，并將其運用于某油田實際區(qū)塊，認識研究區(qū)目前的耗水條帶發(fā)育程度及其分布特征。通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著原油黏度降低，高耗水條帶和極端耗水條帶形成時所對應的擬耗水率變小，發(fā)育快；隨著滲透率的降低，經(jīng)濟高耗水條帶消失，同時出現(xiàn)非經(jīng)濟低耗水條帶，高耗水條帶形成所對應的擬耗水率變大，但極端耗水條帶形成時對應的擬耗水率變小。研究區(qū)目前的極端耗水條帶主要分布于水井附近，發(fā)育面積較?。环墙?jīng)濟高耗水條帶包裹極端耗水條帶，發(fā)育面積其次；經(jīng)濟高耗水條帶包裹非經(jīng)濟高耗水條帶，且發(fā)育面積較大；經(jīng)濟低耗水條帶分布于驅(qū)替效率較低區(qū)域，發(fā)育面積較大。

符號解釋

H——擬耗水率，m3/m3；

I——經(jīng)濟極限耗水率，m3/m3；

K——滲透率，mD；

Kro——油相相對滲透率，無因次；

Krw——水相相對滲透率，無因次；

Krwi——水相相對滲透率端點值，無因次；

m——油相指數(shù)；

n——水相指數(shù)；

Pi——水的處理費用，元/t；

Po——原油價格，元/t；

Ps——人工成本等費用，元；

Pw——工業(yè)用水價格，元/t；

Qi——累積產(chǎn)液量，m3；

Qo——累積產(chǎn)油量，m3；

Qw——累積產(chǎn)水量，m3；

Sor——殘余油飽和度，無因次；

Sw——含水飽和度，無因次；

Swc——束縛水飽和度，無因次；

α——稅率，無因次；

μo——原油黏度，mPa·s；

μw——水黏度，mPa·s。