復(fù)雜斷塊油藏注氣驅(qū)地質(zhì)溢油風(fēng)險(xiǎn)分析：以Q油田為例

路 強(qiáng)，張 雨，尹彥君，王中華，陳秋月

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300450)

Q油田位于渤海西部海域，表現(xiàn)為復(fù)雜斷塊油氣田特征，油田于2004年4月投產(chǎn)，采用衰竭式開采，生產(chǎn)期間地層壓力下降快，產(chǎn)量持續(xù)遞減。2015年開始，油田呈現(xiàn)當(dāng)年現(xiàn)金流為負(fù)、不能收回當(dāng)年生產(chǎn)操作成本的狀態(tài)，2016年5月油田臨時(shí)關(guān)停，關(guān)停前采出程度僅為9.44%。為提高資源利用率，充分動(dòng)用地下剩余儲(chǔ)量資源，必須改變油田開發(fā)方式，因此提出注氣驅(qū)[1]的方式挖潛該油田。Q油田斷層分布廣泛，是影響油田注氣的重要因素。在油田注氣開發(fā)過程中，地層壓力發(fā)生變化，引起巖石性質(zhì)和地應(yīng)力改變，可能會(huì)造成斷層失穩(wěn)[2]。因此，斷層是本區(qū)地質(zhì)溢油的主要風(fēng)險(xiǎn)，需要開展斷層封閉性研究[3-7]，保障合理注氣[8]，避免發(fā)生溢油事故。

1 油田區(qū)域的斷層分布情況

Q油田分布區(qū)內(nèi)正斷層發(fā)育，油田區(qū)域被海四斷層分割為東塊(上升盤)和西塊(下降盤)，海四斷層兩盤被眾多次級(jí)斷層復(fù)雜化[9](見圖1)。

海四斷裂下降盤被一系列呈近EW向分布的次級(jí)斷裂分割，構(gòu)造上傾方向受海四斷裂所遮擋，形成了眾多的斷塊構(gòu)造，是Q油田主要的油藏分布區(qū)。在沙河街地層內(nèi)，主要斷裂系統(tǒng)基本一致，F(xiàn)2/F3、F7、F9和F11為通天斷層(斷層縱向上近于延伸至海底)(見圖2)。海四斷裂上升盤在地層的構(gòu)造上傾的方向上缺乏近南北向斷層的遮擋，該區(qū)有利的斷塊構(gòu)造相對(duì)不發(fā)育。

2 油田注氣方案

W4井區(qū)剩余儲(chǔ)量最大、井網(wǎng)相對(duì)完善，由F7、F8斷層和海四斷層遮擋形成，優(yōu)選W4井區(qū)開展注氣方案設(shè)計(jì)。W4井區(qū)開發(fā)層系為沙二段，采油井W4井轉(zhuǎn)注氣，W5井復(fù)產(chǎn)采油。方案設(shè)計(jì)注入井最大井底壓力為34.87 MPa，注入井附近壓力場(chǎng)顯示距離井底30 m處地層壓力為28.79 MPa(見圖3)。

3 斷層風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 開發(fā)層系與斷層的位置關(guān)系

W4井南鄰F8斷層，F(xiàn)8斷層面北傾，W4井點(diǎn)自淺至深(從沙二段Ⅰ到Ⅴ油組)逐漸靠近斷層F8，其中沙二段Ⅰ油組距離最遠(yuǎn)(約為72 m)，沙二段Ⅴ油組距離斷層最近，約為30 m。

由于W4井距F8斷層較近，在注水壓力過大時(shí)，有可能造成封閉斷層F8的開啟，油氣沿層縱向進(jìn)入其它層位儲(chǔ)層之中。但F8斷層未與海四斷裂相交，也未與其它通天斷層相交，因此，只要保持合理的注入壓力，地層壓力保持在合理水平，F(xiàn)8斷層開啟造成的溢油風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.2 斷層封閉性分析

斷層封閉性研究是油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從不同的側(cè)面對(duì)斷層的封閉性問題進(jìn)行了探索，并逐步由定性研究向定量研究發(fā)展[10-15]。

3.2.1 斷層封閉性定性分析

從油氣分布看，斷層將油田切割成多個(gè)斷塊，不同斷塊有獨(dú)立的油水系統(tǒng)。生產(chǎn)動(dòng)態(tài)顯示，不同斷塊壓力變化不同，斷塊間不存在壓力變化聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象(見表1)。因此，海四斷層及近EW向分布的次級(jí)斷層現(xiàn)今狀態(tài)是封閉的。

通天斷層F7距離注入井W4距離大于200 m，由圖4可知，斷層附近壓力小于25 MPa，小于W4斷塊原始地層壓力(26.63 MPa)，因此注采方案設(shè)計(jì)的注入壓力，不會(huì)造成斷層F7開啟。

表1 斷層兩側(cè)最大壓差統(tǒng)計(jì)表

由于W4井距F8斷層較近，最小間距為30 m，由圖4注入井附近壓力場(chǎng)分布可知，距離井底30 m 處地層壓力為28.79 MPa，參考表3中壓力值，F(xiàn)8斷層不會(huì)開啟。另外，F(xiàn)8斷層未與海四斷層相交，也未與其它通天斷層相交，因此F8斷層開啟造成的溢油風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.2.2 斷層緊閉指數(shù)

周新桂[16]、田輝[12]等人對(duì)此進(jìn)行了定量表征，并提出了斷層緊閉指數(shù)的概念。斷層緊閉指數(shù)(IFT)可以表述為斷面正應(yīng)力σn與斷層帶巖石抗壓強(qiáng)度σc的比值[6-7]，即：

(1)

當(dāng)IFT>1時(shí)，因泥巖變形導(dǎo)致斷層裂縫閉合，斷層呈封閉狀態(tài)[13]，且IFT值越大，封閉性能越好；0≤IFT≤1時(shí)，斷面正應(yīng)力不足以使斷裂帶物質(zhì)發(fā)生擠壓變形，對(duì)斷層封閉性影響較?。籌FT<0時(shí)，表明斷層面正壓力為拉張應(yīng)力，斷層開啟。

對(duì)Q油田注采井組(W4)涉及的斷層緊閉系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如表2所示。

表2 W4井組斷層緊閉系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

從F7、F8斷層緊閉系數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，沙一、沙二、沙三的斷層封閉系數(shù)均大于1，說明目前斷層呈閉合狀態(tài)。

3.2.3 斷層封閉系數(shù)

童亨茂[5]給出了斷層開啟與封閉的一種方法，他認(rèn)為斷層的開啟與封閉性與斷面正壓力和流體壓力的耦合關(guān)系有關(guān)，根據(jù)流體壓力和斷面上的正壓力來(lái)確定斷層的張開與封閉，為此提出斷層封閉系數(shù)的概念：

(2)

當(dāng)If>1時(shí)，斷層封閉，值越大，封閉程度越高；當(dāng)If<1時(shí)，斷層開啟，值越小，開啟程度越大。

其中，σn為斷層在斷面上的正應(yīng)力：

(3)

P為流體壓力：

P=fρwgh

(4)

式中：ρs為上覆巖石的平均密度，g/cm3；h為斷層深度，m；θ為斷層傾角，(°)；μ為泊松比；n為與非線性壓縮有關(guān)的常數(shù)，一般巖石采用0.67；σta、σti為水平方向的構(gòu)造應(yīng)力，MPa；φ為斷層走向與構(gòu)造主壓應(yīng)力夾角，(°)；f為異常壓力系數(shù)；ρw為水的密度，g/cm3。

對(duì)Q油田注采井組對(duì)應(yīng)的斷層進(jìn)行封閉系數(shù)計(jì)算，根據(jù)油田實(shí)際情況，依次對(duì)相關(guān)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行選取，其中：1)在不考慮構(gòu)造應(yīng)力的情況下，成巖作用很好的砂巖一般μ為0.25左右,而含水的泥巖μ可接近0.5[15]，依據(jù)單井測(cè)井解釋數(shù)據(jù)及斷點(diǎn)位置，明確斷層帶處為泥巖，鑒于泥巖的含水性未知，故保守取值μ為0.45；2)由于渤海灣盆地屬于張性盆地，且盆地處于穩(wěn)定期，因此構(gòu)造應(yīng)力較小或?yàn)榱鉡14]，故本次計(jì)算暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力問題。因此(2)式可簡(jiǎn)化為：

(5)

表3 W4井組斷層封閉系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

從F7、F8斷層封閉系數(shù)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，S1、S2、S3的斷層封閉系數(shù)均大于2，說明目前斷層的封閉性高(見表3)。F7、F8斷層斷面的正應(yīng)力處于52.08～61.49 MPa，當(dāng)流體壓力超過該范圍值時(shí)，斷層開啟。為了避免斷層開啟，井組目標(biāo)層段注入流體壓力必須要小于52 MPa，為安全起見，以臨界壓力值的80%為安全值，建議將其控制在40 MPa以下。

通過參考Q油田W6井壓裂記錄、探井地漏數(shù)據(jù)，以及地層系數(shù)折算的方法，確定的最大允許注入壓力為36.4 MPa(見表4)。因此，開發(fā)方案確定的注入壓力值較為安全，不會(huì)造成斷層開啟溢油。

表4 W4井組最大允許注氣壓力計(jì)算表

4 結(jié)論

1)注采井組范圍內(nèi)，F(xiàn)7斷層為通天斷層，注入井距離F7斷層大于200 m，斷層附近壓力小于原始地層壓力，因此F7斷層開啟造成的溢油風(fēng)險(xiǎn)較?。籉8斷層不與通天斷層相交，因此F8斷層不會(huì)發(fā)生溢油。

2)斷層兩側(cè)最大壓差顯示，F(xiàn)7斷層兩側(cè)壓差達(dá)到5.16 MPa時(shí)，F(xiàn)7斷層兩側(cè)斷塊間不存在壓力聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象，F(xiàn)7斷層封閉性良好。

3)通過定量計(jì)算分析，F(xiàn)7、F8斷層的斷層封閉系數(shù)大于2，斷層緊閉系數(shù)大于1，斷層閉合程度高。

4)綜合分析認(rèn)為，只要保持注入壓力小于36.4 MPa，斷層就不會(huì)開啟，更不會(huì)發(fā)生溢油事故。