高含水油田“二三結合”提高采收率評價理論模型研究

趙平起,張家良,劉同敬,倪天祿,喻 洲,張 津,王 強

(1.中國石油大港油田公司,天津 300280;2.中國石油大學(北京) 克拉瑪依校區(qū)石油學院,新疆 克拉瑪依 834000)

2012年中石油首次提出針對國內老油田開發(fā)對策接替升級的整體控制、層系細分、平面重組、立體優(yōu)化、深部調驅、“二三結合”的技術路線,2014年明確提出“將二三結合作為老油田可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇”的指導方針,闡述了“二三結合”的技術思路與技術內涵[1]?！岸Y合”是指將二次開發(fā)精細水驅采油與三次采油層系井網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化部署,立足當前水驅模式、精細挖潛,適時轉入三次采油,實現(xiàn)總體采收率最大化和經(jīng)濟效益最優(yōu)化[1-3]。

近年來,大慶油田、遼河油田、勝利油田、大港油田等國內多個高含水期老油田相繼開展了“二三結合”試驗項目,油藏類型涉及中高滲透砂巖油藏、低滲透砂巖油藏、多層雙高砂巖油藏、特殊巖性油藏、復雜斷塊油藏等,采用“二三結合”開發(fā)模式后均取得了一定效果[4-12]。因此,大港油田自2013年在港西三區(qū)開展“二三結合”先導試驗取得成功后,將“二三結合”開發(fā)模式推廣應用于整個大港復雜斷塊油田[13]。

針對處于高含水階段的老油田,“二三結合”開發(fā)模式一方面將其低成本的水驅采油潛力發(fā)揮到極致,另一方面結合適宜的三次采油技術,可實現(xiàn)油田開發(fā)水平和總體效益的最優(yōu)化,在中低油價下有助于保持長期良好的經(jīng)濟效益[14-16]。因此,采收率作為衡量油藏開發(fā)效果和經(jīng)濟效益的重要指標,是“二三結合”開發(fā)方案設計和效果評價過程中,必不可少的重要環(huán)節(jié)[17-20]。由于“二三結合”是近年來國內首創(chuàng)的開發(fā)理念和模式,因此,目前尚沒有針對“二三結合”開發(fā)特點的提高采收率評價理論模型。

針對現(xiàn)有提高采收率評價理論模型針對性較強、不適用于“二三結合”開發(fā)模式的情況,基于三次采油提高采收率機理,利用廣義油藏工程方法,建立表征油藏屬性、滲流特性、時變特性的高含水油田“二三結合”提高采收率評價理論模型,為評價和預測“二三結合”開發(fā)效果以及老油田經(jīng)濟有效開發(fā)提供科學依據(jù)與技術支撐。

1 現(xiàn)有提高采收率評價方法分析

采收率計算、預測、評價至少包括兩種用途：開發(fā)優(yōu)化層面和潛力評價層面,需要選用不同的采收率概念。其中,開發(fā)優(yōu)化層面選用標定采收率,是具體技術、經(jīng)濟、時間內的采出程度,側重于近-中期調整;有技術限制和物理界限,無經(jīng)濟限制和時間限制,因此又稱為技術采收率。潛力評價層面選用標定采收率,是具體技術、經(jīng)濟下的采出程度,側重于中-遠期規(guī)劃;既有技術限制和物理界限,也有經(jīng)濟限制和時間限制,因此又稱為經(jīng)濟采收率。

根據(jù)目前行業(yè)規(guī)范《石油可采儲量計算方法》(SY/T 5367—2010)和標準,將國內外現(xiàn)有的提高采收率評價方法歸納為3大類,不同方法的適用階段和適用條件不同,詳細內容見表1。

表1 采收率評價方法及適用條件

2 “二三結合”提高采收率評價理論模型構建

“二三結合”采收率屬于潛力評價層面的概念,既有技術限制和物理界限,也有經(jīng)濟限制和時間限制。在國內外現(xiàn)有的3大類采收率評價方法中,沒有現(xiàn)成的理論模型可以采用,亟須一套針對“二三結合”開發(fā)特點的提高采收率評價模型,用于精確指導、科學評價“二三結合”開發(fā)實踐。綜合分析3類評價方法的構建思路和適用條件,本文采用靜態(tài)法構建“二三結合”提高采收率評價理論模型,基于無因次分析理念,通過理論公式法進行構建。

2.1 參數(shù)符號含義

計算所用參數(shù)如下：

2.2 相似準則和參數(shù)篩選

根據(jù)國內眾多老油田“二三結合”的開發(fā)特點和開發(fā)實踐,對比分析常規(guī)開發(fā)方式下的提高采收率評價方法[17-19],篩選出7項對“二三結合”采收率影響較大的關鍵相似準則及參數(shù),作為構建“二三結合”提高采收率評價理論模型的基礎,詳細內容見表2。

表2 “二三結合”提高采收率理論模型關鍵參數(shù)

2.3 提高采收率主控因素表征

“二三結合”提高采收率的作用機理主要包括3個方面：流度控制、改善微觀滲流、降低界面張力,流度比、相對滲透率、微觀驅油效率、井網(wǎng)密度體現(xiàn)了二次開發(fā)和三次采油的作用機理和過程[17-20]。在明確作用機理、表征機制的基礎上,根據(jù)表2確定的基本相似準則和關鍵參數(shù),從滲流力學和油藏工程角度出發(fā),對比分析油氣田開發(fā)過程中常用的采收率分析評價模型,創(chuàng)建表征油藏屬性、滲流特性、時變特性對采收率影響的“二三結合”采收率評價理論模型。

“二三結合”提高采收率的主控因素及作用過程的函數(shù)表征見表3。

表3 “二三結合”提高采收率主控因素及作用過程表征

2.4 提高采收率評價理論模型建立

表3中針對“二三結合”提高采收率主控因素及作用過程所建立的表征函數(shù),第1、2項因素為主體,第3、4項因素是校正,第5、6項因素是過程。借鑒波及參數(shù)計算模型、胡斯努林模型、井間水驅油模型、井網(wǎng)影響模型,基于無因次分析理念,從滲流力學和油藏工程的角度,構建“二三結合”提高采收率評價的基礎理論模型?！岸Y合”提高采收率評價基礎理論模型的表征函數(shù)為

“二三結合”提高采收率評價理論模型應用的約束條件為：井間注采對應關系相對穩(wěn)定,人工注水驅動指數(shù)相對較大(數(shù)值大于0.5)、水驅占優(yōu)的油藏。

2.5 多層非均質已開發(fā)油藏模型修正

鑒于實際油藏大多為多層,且“二三結合”開發(fā)前已經(jīng)開發(fā)多年,地下多相流體分布不均,因此需要針對全藏儲層非均質程度、多相不均勻狀況的表征。

目前儲層非均質評價的常用參數(shù)包括滲透率的變異系數(shù)、突進系數(shù)、級差、洛倫茲系數(shù)等,從不同角度開展儲層非均質評價,其中洛倫茲系數(shù)法的應用日益增多。一方面,洛倫茲系數(shù)法得出的結論與其他參數(shù)規(guī)律基本一致,且洛倫茲曲線能夠更加直觀地反映儲層的非均質程度;另一方面,洛倫茲系數(shù)介于0～1,適合用作理論模型的修正系數(shù)。

因此,針對多層非均質已開發(fā)油藏的“二三結合”提高采收率評價理論模型,構建全藏滲透率洛倫茲系數(shù),表征多層油藏的非均質程度。開發(fā)過程中油藏流體分布的影響可以疊加流度表征,利用洛倫茲系數(shù)法原理,構造流度洛倫茲系數(shù),從而實現(xiàn)對已開發(fā)油藏多相流體分布不均特性的量化表征。

2.5.1 全藏滲透率洛倫茲系數(shù)

2.5.2 全藏流度洛倫茲系數(shù)

2.5.3 “二三結合”全藏流度洛倫茲系數(shù)

考慮“二三結合”開發(fā)的特殊性,需要考慮二次采油和三次采油的影響,分別構造二次采油和三次采油的流度洛倫茲系數(shù)?？紤]多層理論油藏模型,擬合“二三結合”前的含水和采出程度,得到校正后的Ki典型分布和分層注水等效突破狀況,作為初值和初始狀態(tài)。

1)二次開發(fā)井網(wǎng)加密影響。顯式計算加密后的含水,更新擬合加密后的含水和采出程度,得到加密校正后的Ki典型分布和分層注水等效突破狀況,作為后續(xù)計算的初值和狀態(tài)。分層流度參照水驅油深度,按照串聯(lián)等值滲流阻力法計算,此時全藏流度洛倫茲系數(shù)：

2)三次采油對流度的影響。以化學驅為例,將整個化學驅過程劃分為若干個階段,按照驅替劑的物化參數(shù)和活塞式水(化學劑)驅油理論,計算每個階段分層水(化學劑)驅油深度。分層流度按照水(化學劑)驅油深度,按照串聯(lián)等值滲流阻力計算,此時全藏流度洛倫茲系數(shù)為

基于二次開發(fā)和三次采油的流度洛倫茲系數(shù),構造“二三結合”提高采收率評價理論模型的流度洛倫茲系數(shù),直接與模型中原非均質系數(shù)相乘,校正計算結果,其計算公式為

(6)

3 “二三結合”提高采收率評價理論模型求解與應用

3.1 基礎理論模型參數(shù)求解

3.1.1 求解參數(shù)B、C、D

以大港某油藏實際開發(fā)動態(tài)參數(shù)和五點井網(wǎng)為例,用數(shù)學曲線擬合方法,討論B、C、D3個參數(shù)的取值范圍和求解過程。

波及系數(shù)是近井含水飽和度的增凸函數(shù)(一階二階導數(shù)都為正),當近井含水率fw(Swe)=0時,根據(jù)表3中給出的面積波及系數(shù)EA的函數(shù)關系,可以得到式(7)：

利用含水率和波及系數(shù)關系曲線,可以計算出B。此時,EA=0.35,反求出B=0.458 3。

對于C和D,因為只有兩個未知數(shù),計算時可借助含水率和波及系數(shù)關系曲線,任意選取兩個點為基準點組成一個二元一次方程組進行求解。例如,當M=6時,選取(0.55,0.457 8)和(0.95,0.768 6)這兩個點為基準點,面積波及系數(shù)EA的函數(shù)關系可簡化為

對式(8)進行求解得到C=0.171 1,D=-0.787 2。

3.1.2 求解參數(shù)F

“二三結合”開發(fā)模式的實施對象通常為老油田,因此,很容易獲得目標油藏的采收率與滲透率變異系數(shù)關系曲線。求取參數(shù)F的過程,實質上就是擬合這條關系曲線的過程。由于采收率和滲透率變異系數(shù)的取值范圍都是0～1的正數(shù),因此可以將關系曲線轉為對數(shù)坐標,使其線性化以簡化擬合過程。

根據(jù)采收率ER與滲透率變異系數(shù)Vk關系曲線可以得到

將式(9)化簡后兩邊同時取對數(shù),即可得到

ln(1-ER)=FlnVk

(10)

從式(10)中可以看出,式(10)相較于式(9)為線性關系,擬合更為簡單。依據(jù)式(10)繪制出ln(1-ER)和lnVk關系曲線,擬合曲線得到的斜率即為參數(shù)F。以大港某油藏實際采收率與滲透率變異系數(shù)關系為例,擬合ln(1-ER)和lnVk關系曲線,得到F=3。

3.1.3 求解參數(shù)E、G、H

對于E、G、H這3個參數(shù)可采用類似于求解B、C、D的方法,給出其可供選擇的一個參數(shù)與胡斯努林公式對比得出。以大港某油藏實際油藏流體參數(shù)為例,當?shù)叵略宛ざ圈蘯=5 mPa·s,儲層平均滲透率K=200×10-3μm2,M=6時,說明E、G、H這3個參數(shù)的具體求解過程。

常用的改進胡斯努林公式表征了采收率與儲層參數(shù)和井網(wǎng)密度之間的關系,其函數(shù)表達式為

將式(11)中的原油黏度μo替換為油水流度比M,對比式(11)與式(1)的公式形式,可以建立如下等式關系：

代入油田實際參數(shù)求解式(12),得到a=0.777,E=0.214。

同理,將改進的胡斯努林公式指數(shù)部分與式(1)指數(shù)部分的公式形式進行對比,代入油田實際參數(shù)求解得到H=0.148,G=1.095。

3.1.4 求解參數(shù)A

將前面計算得到的B、C、D、F、E、G、H各參數(shù)的數(shù)值代入式(1)化簡可得

(13)

式(1)所建立的采收率計算公式中,A所起的作用為最后的歸一化。用改進的胡斯努林公式計算采收率和式(13)作比較,得出A的取值,作為實際油藏參數(shù)不夠準確、利用水驅指標校正時的調整系數(shù)。

3.2 評價理論模型驗證與應用

以大港油田實際油藏參數(shù)為例,對“二三結合”提高采收率評價理論模型進行求解和驗證。通過對比該實際油藏在水驅開發(fā)階段的油田綜合含水到90%后,分別采取后續(xù)水驅開發(fā)、二次加密開發(fā)、二次開發(fā)+聚合物驅的“二三結合”開發(fā)、二次開發(fā)+三元復合驅的“二三結合”開發(fā)共4種不同的開發(fā)方式下,評價理論模型的計算采收率與油藏數(shù)值模擬的模擬采收率之間的差異程度,來驗證“二三結合”提高采收率評價理論模型的可靠性。對比結果如圖1所示。

圖1 不同開發(fā)方式下兩種采收率預測方法對比

從圖1可以看出,該油藏常規(guī)水驅階段結束后,二次開發(fā)+聚合物驅和二次開發(fā)+三元復合驅這2種“二三結合”開發(fā)方式的計算采收率與模擬采收率總體吻合程度較好,“二三結合”提高采收率評價理論模型具有一定的可靠性,但其可靠程度及適用性,還需要通過誤差分析來進一步驗證。

鑒于兩種“二三結合”開發(fā)方式下的最低含水率差異較大,對計算采收率與模擬采收率的誤差分析,無法采用對比相同含水率下的采出程度的方法來實現(xiàn)。因此,依據(jù)圖1所示的含水率與采出程度對應關系曲線,通過分析相同采出程度條件下對應含水率的誤差,來間接實現(xiàn)分析不同預測方式下的采收率誤差的目的。相同采出程度條件下對應含水率的誤差分析結果如圖2所示。

圖2 誤差分析結果

從圖2可以看出,“二三結合”開發(fā)的三次采油方式對評價模型計算結果的準確性有一定影響,二次開發(fā)+聚合物驅的誤差結果明顯小于二次開發(fā)+三元復合驅的誤差結果。其中,二次開發(fā)+聚合物驅的誤差值范圍為0%～3%,二次開發(fā)+三元復合驅的誤差值范圍為-1%～10%。表明“二三結合”開發(fā)方式越復雜,評價模型計算結果的誤差越大,準確性越差,但誤差尚在工程允許的范圍內。這是因為“二三結合”開發(fā)方式越復雜,涉及的開發(fā)機理及影響因素就越多,在評價模型計算過程中確定參數(shù)取值的難度就越大,由此導致計算結果與模擬結果的誤差偏大。

同時也可以看出,對于圖2中所示的兩種“二三結合”開發(fā)方式,誤差偏大的數(shù)值主要產(chǎn)生在“二三結合”開發(fā)早期;在“二三結合”開發(fā)的中期和后期,誤差絕對值普遍小于4%。這是因為在開發(fā)早期“二三結合”的三次采油過程尚不完全,使得相關驅油機理尚沒完全形成,而“二三結合”提高采收率評價理論模型是基于驅油機理完全呈現(xiàn)的條件下建立的,因此對于開發(fā)早期的預測結果誤差較大。

綜上所述,“二三結合”提高采收率評價理論模型的構建方法及公式形式是合理的,具有較好的可靠性和較強的適用性,可以滿足油田對于最終采收率預測的需要。

如圖1所示,通過對比不同開發(fā)方式下“二三結合”提高采收率評價理論模型的計算結果可以看出,“二三結合”開發(fā)方式要明顯好于常規(guī)水驅開發(fā)和二次開發(fā),但“二三結合”的三次采油方式對最終開發(fā)效果有影響。二次開發(fā)+三元復合驅的開發(fā)效果要明顯好于二次開發(fā)+聚合物驅的開發(fā)效果,“二三結合”開發(fā)階段內的含水率下降幅度更明顯,含水率小于90%時對應的采出程度更高,但油藏最終采收率(含水率接近100%)差異不大?！岸Y合”采收率提高幅度的數(shù)值詳見表4。

表4 “二三結合”采收率提高幅度

從表4中看出,在整個開發(fā)期含水率不超過90%的情況下,“二三結合”開發(fā)方式明顯優(yōu)于常規(guī)水驅和二次開發(fā)。其中,二次開發(fā)+聚合物驅相較于常規(guī)水驅采收率提高了69.6%,相較于二次開發(fā)采收率提高了39.3%;二次開發(fā)+三元復合驅相較于常規(guī)水驅采收率提高了121.7%,相較于二次開發(fā)采收率提高了82.1%。二次開發(fā)+三元復合驅相較于常規(guī)水驅和二次開發(fā)的采收率提高幅度,大約是二次開發(fā)+聚合物驅的兩倍。因此,在油藏最終采收率差異不大的情況下,“二三結合”開發(fā)方式中的三次采油方式對于整個開發(fā)期內的含水率控制具有不可忽視的影響。

4 結論

1)在國內外現(xiàn)有的提高采收率評價方法綜合分析與分類的基礎上,提出基于靜態(tài)法構建“二三結合”提高采收率評價理論模型的研究思路,尤其是通過理論公式法構建。

2)基于國內油田“二三結合”的開發(fā)特點和開發(fā)實踐,篩選出7項對“二三結合”采收率影響較大的關鍵相似準則及參數(shù),包括：水油流度比、含水飽和度、含水率、垂向非均質系數(shù)、井網(wǎng)密度、儲層平均滲透率、儲層滲透率與流度比協(xié)同參數(shù)。

3)從滲流力學和油藏工程角度出發(fā),創(chuàng)建表征油藏屬性、滲流特性、時變特性對采收率影響的“二三結合”提高采收率評價理論模型?？紤]多層非均質已開發(fā)油藏的儲層非均質性和油氣水分布不均特性,引入全藏滲透率洛倫茲系數(shù)、全藏流度洛倫茲系數(shù),實現(xiàn)“二三結合”提高采收率評價理論模型的修正。

4)以大港某油藏實際開發(fā)動態(tài)參數(shù)和五點井網(wǎng)為例,給出了“二三結合”提高采收率評價理論模型中系數(shù)參數(shù)(A、B、C、D、E、F、G、H)的求解方法,應用此模型得到該油藏“二三結合”提高采收率預測曲線,通過與數(shù)值模擬結果對比表明模型具有較好的可靠性和較強的適用性。