楊 勇,胡 罡,田選華
(1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營257015;2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院,廣東茂名525000;3.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川成都610059)
·油氣采收率·
水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏機理
楊 勇1,胡 罡2*,田選華2,3
(1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營257015;2.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院,廣東茂名525000;3.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川成都610059)
中國老油田已陸續(xù)進入開發(fā)中后期,大量剩余油受儲層強非均質(zhì)性的影響而滯留于地下,成為實現(xiàn)老油田穩(wěn)產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。高含水條件下剩余油潛力區(qū)預(yù)測是一項高度綜合性的研究難題,對其相關(guān)領(lǐng)域的理論與實踐研究一直在持續(xù)發(fā)展,但對剩余油富集機制的研究卻涉及較少,而油水滲流規(guī)律研究是低滲透油藏水驅(qū)開發(fā)的關(guān)鍵。為此,針對貝克萊-列維爾特驅(qū)油理論未考慮油水重率差和毛管壓力的問題,基于流體勢原理和油氣運移成藏理論,考慮水濕油藏水包油和油包水2種狀態(tài),從油藏流體受力分析入手,運用達西定律首次推導(dǎo)出水驅(qū)油藏流體運移過程中的滲流速度、剩余油再富集成藏速度公式,明確了水驅(qū)油藏不同開發(fā)階段剩余油再富集成藏機理。研究結(jié)果表明,水動力存在與否對水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度具有較大影響,且剩余油再富集成藏速度隨著空氣滲透率、含水飽和度和油水密度差的增加而增大,隨著水動力壓力梯度、原油粘度和地層傾角的增加而減小。礦場試驗證實,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏機理是合理、實用的。
水驅(qū)油藏 剩余油 再富集 油氣運移成藏 機理
剩余油一般是指經(jīng)一、二次采油后,油藏進入高含水開發(fā)后期剩余的可動資源量,是一個動態(tài)變化量[1-11]。開發(fā)實踐證實,原來已經(jīng)強采強注的強水淹或特強水淹而停采的油層或區(qū)域,由于地下動態(tài)條件的變化,經(jīng)過一段時間后,剩余油在該油層或區(qū)域可以再次聚集,且重新開采一般可以獲得較好的開發(fā)效果[1-18],這種情況可以稱為油氣重新運移聚集或再聚集、再富集[11,19]。為了研究油氣重新運移、聚集或再聚集、再富集機理,針對貝克萊-列維爾特驅(qū)油理論未考慮油水重率差和毛管壓力的問題,筆者基于流體勢原理和油氣運移成藏理論,考慮水濕油藏水包油和油包水2種狀態(tài),從油藏流體受力分析入手,運用達西定律推導(dǎo)出水驅(qū)油藏水驅(qū)油全過程中的油水滲流速度公式、剩余油再富集成藏速度公式,明確了水驅(qū)油藏不同開發(fā)階段剩余油再富集成藏機理,以期為水驅(qū)油藏開發(fā)后期的挖潛與提高采收率,尤其為特高含水低效開發(fā)油藏的戰(zhàn)略調(diào)整、停產(chǎn)與半停產(chǎn)油藏的產(chǎn)能恢復(fù)以及廢棄油藏的再度開發(fā)等指明方向[1,9,11-23]。
在水驅(qū)油藏內(nèi)部,決定油、氣、水分布及其運動狀態(tài)的作用力主要有水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力(外摩擦力、內(nèi)摩擦力、相摩擦力)5種,其中水動力中的人工注水驅(qū)動壓力是可以人為控制的,其他作用力可以根據(jù)其特征加以合理利用[19,21-23]。
1.1 水驅(qū)油藏流體運移過程中的滲流速度
考慮油藏不同位置處含油飽和度的分布情況,單位體積孔隙中原油受到的浮力[20]和重力可以分別表示為
則單位體積孔隙中原油受到的浮力與重力之差為
單位體積孔隙中原油沿豎直方向受到的浮力梯度與重力梯度之差為
根據(jù)達西定律,原油沿豎直方向和地層傾角方向運移的滲流速度可以分別表示為
假定油相相對滲透率不存在各向異性,則式(5)和式(6)可以分別表示為
將式(4)代入式(7)和式(8),即可建立水驅(qū)油藏單位體積孔隙中原油沿豎直方向和地層傾角方向的滲流速度與含油飽和度的關(guān)系式
水驅(qū)油藏單位體積孔隙中水沿豎直方向和地層傾角方向的滲流速度與含水飽和度的關(guān)系式可以分別表示為
考慮含水飽和度和含油飽和度對單位體積孔隙中原油和水所受到浮力的影響,分別以在油藏含水飽和度小于等于含油飽和度位置處和油藏含水飽和度大于含油飽和度位置處2種情況分析水驅(qū)油藏單位體積孔隙中原油和水沿豎直方向和地層傾角方向的滲流速度與含水飽和度的關(guān)系。
1.1.1 在油藏含水飽和度小于等于含油飽和度位置處
在油藏Sw≤So位置處,油藏處于油包水狀態(tài),其SLW=SLO=Sw,則式(9)和式(10)可以分別表示為
在這種情況下,水在重力和浮力的共同作用下豎直向下運移,則式(11)和式(12)可以分別表示為
由式(4)可知,單位體積孔隙中原油沿豎直方向受到的浮力梯度與重力梯度之差始終大于或等于0。
此時,水驅(qū)油藏中原油的運移僅受到水動力、毛管壓力和摩擦力的控制,而水驅(qū)油藏中水在沿豎直方向的運移受到水動力和摩擦力的控制,沿地層傾角方向的運移則受到水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力共5種作用力的控制。
1.1.2 在油藏含水飽和度大于含油飽和度位置處
在油藏So<Sw位置處,油藏處于水包油狀態(tài),其SLW=SLO=So,則式(9)—式(12)可以分別表示為
而式(23)和式(24)則保持不變。
此時,水驅(qū)油藏中原油和水的運移均受到水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力5種作用力的控制。
當(dāng)Sk≤Sw<1時,水驅(qū)油藏中的油相由連續(xù)相變?yōu)椴糠诌B續(xù)相,進而變?yōu)榉沁B續(xù)相,孤立的油柱、油珠運移至孔喉處會導(dǎo)致賈敏效應(yīng)增強,使毛管壓力由水驅(qū)動力轉(zhuǎn)變?yōu)樗?qū)阻力[24-25],則式(21)—式(24)可以變換為
此時,水驅(qū)油藏中原油沿豎直方向運移僅受到水動力和摩擦力的控制;沿地層傾角方向則受到水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力5種作用力的控制,而水驅(qū)油藏中水的運移則始終受到水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力5種作用力的控制。
1.2 水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度
根據(jù)流體勢原理與油氣運移成藏理論[1,9,21],只要油層中存在低勢閉合區(qū),原油和水即會在合力的作用下向低勢閉合區(qū)運移、滯留及分異,剩余油將在低勢閉合區(qū)重新聚集,形成新的剩余油聚集區(qū)。
油田開發(fā)實踐證實,剩余油再富集成藏周期是最值得關(guān)注的指標(biāo)。對油層而言,剩余油再富集成藏周期取決于再富集成藏的速度,而再富集成藏速度等于油層中原油上浮速度與水下沉速度之和,其中水是否下沉是剩余油再富集成藏的關(guān)鍵??v觀水驅(qū)油藏水驅(qū)油的全過程,水動力存在與否對剩余油再富集成藏速度具有較大的影響。
1.2.1 不考慮水動力條件
如果不考慮水動力條件,即油藏處于靜置狀態(tài),根據(jù)式(13)和式(14)、式(17)和式(18)、式(23)—式(30),可以分5種情況分析水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度。
此時,剩余油再富集成藏速度與毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。隨著空氣滲透率、油水密度差和儲層相對滲透率的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向的剩余油再富集成藏速度加快;隨著油水密度差、空氣滲透率的增大,原油粘度和地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。隨著油水密度差、含水飽和度和空氣滲透率的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向的剩余油再富集成藏速度加快;隨著油水密度差和空氣滲透率的增大,原油粘度和地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
由式(35)—式(38)可知,水驅(qū)油藏中沿豎直方向和地層傾角方向原油和水的滲流方向是相同的,均處于上浮狀態(tài),即油水在浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度的共同作用下向低勢閉合區(qū)運移,油水分離困難,即此時剩余油難以再富集成藏。因此,在這種情況下探討剩余油再富集成藏速度的意義不大。
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。隨著油水密度差、含水飽和度和空氣滲透率的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向的剩余油再富集成藏速度加快;隨著油水密度差、含水飽和度和空氣滲透率的增大,原油粘度和地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
第5種情況,當(dāng)Sk≤Sw<1時,水驅(qū)油藏中沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度可以分別表示為
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。隨著油水密度差、含水飽和度和空氣滲透率的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向的剩余油再富集成藏速度加快;隨著油水密度差、含水飽和度和空氣滲透率的增大,原油粘度和地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
1.2.2 考慮水動力條件
如果考慮水動力條件,即油藏始終處于動態(tài)變化中,根據(jù)式(13)和式(14)、式(17)和式(18)、式(23)—式(30),可以分5種情況分析水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度。
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。當(dāng)1時,隨著水動力梯度、油水密度差和空氣滲透率的增大,流體粘度和地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快;當(dāng)1時,隨著油水密度差和空氣滲透率的增大,地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。當(dāng)時,隨著水動力梯度、油水密度差、含水飽和度和空氣滲透率的增大,地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快;當(dāng)1時,隨著油水密度差、含水飽和度、空氣滲透率的增大,地層傾角的減小,沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。當(dāng)1時,隨著水動力梯度、油水密度差、含水飽和度、空氣滲透率和地層傾角的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快;當(dāng)K μ1時,隨著含水飽和度、空氣滲透率、地層傾角的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
第5種情況,當(dāng)Sk≤Sw<1時,水驅(qū)油藏中原油在豎直方向和地層傾角方向始終處于上浮狀態(tài),而水的運移方向則不明確,僅在時,水才處于下沉狀態(tài)。即當(dāng),水驅(qū)油藏剩余油才可能再富集成藏。水驅(qū)油藏中沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度可以分別表示為
此時,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏速度與水動力、浮力、重力、毛管壓力和摩擦力梯度相關(guān)。當(dāng)1時,隨著水動力梯度、油水密度差、含水飽和度、空氣滲透率和地層傾角的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快;當(dāng)1時,隨著含水飽和度、空氣滲透率、地層傾角的增大,原油粘度的減小,沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度加快。
為了驗證水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏機理的合理性與實用性,選取勝利油區(qū)東辛油田辛1斷塊沙一段4砂組油藏開展礦場試驗。該單元石油地質(zhì)儲量為119×104t,油層厚度為7.5m,地層傾角為12.5°,含油條帶長度為3.6 km,寬度為100~250m,原始狀態(tài)下單元水體體積約為含油體積的10倍,天然水體活躍。油藏孔隙度為25%,豎直方向和地層傾角方向的滲透率分別為204×10-3和464×10-3μm2,地層原油粘度為10.0mPa·s,地層原油密度為0.907 g/cm3。
礦場試驗前,單元開井1口(辛18-1井),生產(chǎn)層位為沙一段4砂組4,5和8小層,產(chǎn)液量為28m3/ d,產(chǎn)油量為1.1 t/d,綜合含水率為96.2%,動液面深度為444m,采出程度為48%,基本處于近技術(shù)廢棄狀態(tài)。2008年4月,在原始含油邊界之外利用相鄰區(qū)塊8口報廢的油水井上返注水,最高單井注水量超過500m3/d,在累積注水量為15×104m3后,2008 年10月扶停辛1-22井,2009年2月扶停辛104井,自噴生產(chǎn)且綜合含水率分別降至55%和88%,其中辛1-22井累積停產(chǎn)7.5 a,停產(chǎn)前綜合含水率為96.6%;辛104井累積停產(chǎn)8 a,停產(chǎn)前綜合含水率為97.6%。隨后在構(gòu)造高部位補孔上返辛1-34、辛100 斜44、辛9斜78和辛100斜54井,扶停辛18-1井,均自噴生產(chǎn)且綜合含水率大幅下降。實施礦場試驗以來,單元產(chǎn)油量由0.5 t/d增至57.9 t/d,累積增油量為5.43×104t,累積回注油田污水量為287×104m3,提高采出程度4.2%,獲得了較好的經(jīng)濟效益,且減排油田污水效果顯著。
根據(jù)研究區(qū)的油水相對滲透率曲線可知,油藏停產(chǎn)時,綜合含水率為97.1%時對應(yīng)的含水飽和度為62.5%??紤]辛1斷塊沙一段4砂組在重新開發(fā)前處于近技術(shù)廢棄狀態(tài),因此可以認(rèn)為水動力壓力梯度為0,油藏處于靜置狀態(tài),選用式(39)和式(40)計算得到沿豎直方向和地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度分別為5.65×10-5和7.71×10-5cm/s。以該油藏油水邊界處計算,沿豎直方向的剩余油再富集成藏周期約為1.26~3.14 a,平均為2.49 a;沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏周期約為4.11~10.28 a,平均為7.20 a。在油藏靜置時間內(nèi),油藏大部分區(qū)域基本完成剩余油再富集成藏,在構(gòu)造高部位形成新的剩余油再富集油藏,這也是近技術(shù)廢棄油藏辛1斷塊沙一段4砂組重新獲得開發(fā)效益的根本原因。
針對貝克萊-列維爾特驅(qū)油理論未考慮油水重率差和毛管壓力的問題,基于流體勢原理和油氣運移成藏理論,考慮水濕油藏水包油和油包水2種狀態(tài),從油藏流體受力分析入手,運用達西定律首次推導(dǎo)出水驅(qū)油藏水驅(qū)油全過程的油水滲流速度公式、剩余油再富集成藏速度公式,明確了水驅(qū)油藏不同開發(fā)階段剩余油再富集成藏機理。研究結(jié)果表明,剩余油再富集成藏速度隨著空氣滲透率、含水飽和度和油水密度差的增加而增大,隨著水動力壓力梯度、原油粘度和地層傾角的增加而減小。對于近技術(shù)廢棄油藏,先期大排量注水增加油藏水動力壓力梯度促使油水向低勢閉合區(qū)運移、滯留、聚集,后期油藏靜置促使油藏油水分離成藏是該類油藏實現(xiàn)再度開發(fā)的有效途徑。礦場試驗表明,水驅(qū)油藏剩余油再富集成藏機理是合理、實用的,特別是在計算剩余油再富集成藏周期、預(yù)測周期注采開發(fā)油藏注采周期等方面更為合理、簡便、準(zhǔn)確。研究成果為特高含水階段低效開發(fā)油藏、周期注采開發(fā)油藏的效益開發(fā),停產(chǎn)與半停產(chǎn)油藏的產(chǎn)能恢復(fù)及廢棄油藏的再度開發(fā)等指明了方向。
符號解釋:
Fb——單位體積孔隙中原油受到的浮力,N;ρw——地層水密度,g/cm3;g——重力加速度,m/s2;SLW——單位體積孔隙中原油排開水的體積;G——單位體積孔隙中原油受到的重力,N;ρo——地層原油密度,g/cm3;So——含油飽和度;Fd——單位體積孔隙中原油受到的浮力與重力之差,N;Δh——流體在浮力與重力共同作用下的運移距離,m;vov——沿豎直方向的原油滲流速度,cm/s;Kv——沿豎直方向的油層空氣滲透率,10-3μm2;Krov——沿豎直方向的油相相對滲透率;μo——地層原油粘度,mPa·s;——水動力壓力梯度,MPa/m;α——地層傾角,(°);Δpcowv——沿豎直方向的油水界面毛管壓力差,Pa;Δhowv——沿豎直方向油水界面水上升的高度差,m;vof——沿地層傾角方向的原油滲流速度,cm/s;Kf——沿地層傾角方向的油層空氣滲透率,10-3μm2;Krof——沿地層傾角方向的油相相對滲透率;Δpcowf——沿地層傾角方向的油水界面毛管壓力差,Pa;Δhowf——沿地層傾角方向油水界面水上升的高度差,m;Kro——油相相對滲透率;vwv——沿豎直方向水的滲流速度,cm/s;Krw——水相相對滲透率;μw——地層水粘度,mPa·s;SLO——單位體積孔隙中水排開原油的體積;Sw——含水飽和度;vwf——沿地層傾角方向水的滲流速度,cm/s;Sk——油水相對滲透率的比值與含水飽和度的函數(shù)關(guān)系在高含水階段出現(xiàn)下彎時的含水飽和度,其表達式為,其中c為高含水階段油水相對滲透率的比值與含水飽和度的函數(shù)關(guān)系式的回歸系數(shù)[24-25];vv——沿豎直方向的剩余油再富集成藏速度,cm/s;vf——沿地層傾角方向的剩余油再富集成藏速度,cm/s。
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編輯 鄒瀲滟
Reservoir form ingmechanism of remaining oil re-enrichment in water flooding reservoir
Yang Yong1,Hu Gang2,Tian Xuanhua2,3
(1.Research Institute of Exploration and Development,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying City,Shandong Province,257015,China;2.Faculty of Petroleum Engineering,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming City,Guangdong Province,525000,China;3.State Key Laboratory ofOiland GasReservoirGeology and Exploitation,Chengdu University ofTechnology,Chengdu City,Sichuan Province,610059,China)
Old oilfields in China have successively entered into middle to late stage of oil production.Affected by strong reservoir heterogeneity,large amounts of remaining oils are still in the subsurface and provide an important material foundation for a long-term stable yield in old oilfields.It is a highly integrated and difficult research problem to predict potential areas of remaining oil under high water cut condition.The theoretical and practical prediction have never ceased but with fewer researches on enrichment mechanism of remaining oils.Research on oil-water flow rule is the key ofwater flooding in the low-permeability reservoirs.Oil-water rate difference and capillary force is not considered in Buckley-Leverettprinciple.Based on the theory of fluid potential energy and petroleum migration and accumulation,the for mulae of oil-water seepage velocity and reservoir forming velocity of remaining oil re-enrichment in the whole fluid migration course of water flooding were deduced first in consideration of two states,oil in water and water in oil,in water-wet reservoir by means of force analysis using Darcy’s Law.The reservoir forming mechanism of remaining oil re-enrichment at different development stages in the water flooding reservoir was proposed.The research results show that the hydrodynamic force has a big impact on the remaining oil re-enrich mentvelocity in water flooding reservoir,and the remaining oil re-enrichment veloci-ty increases with the increase of air permeability,water saturation and oil-water density difference,and it decreases with the increase of hydrodynamic pressure gradient,crude oil viscosity and dip angle.The field application indicates that the mechanism of remaining oil re-enrichmentin the water flooding reservoir is reasonable and practical.
water flooding reservoir;remaining oil;re-enrichment;petroleum migration and accumulation;mechanism
TE341
A
1009-9603(2015)04-0079-08
2015-05-12。
楊勇(1971—),男,河南遂平人,教授級高級工程師,博士,從事油氣田開發(fā)研究及管理工作。聯(lián)系電話:(0546)8533696,E-mail:yangyong.slyt@sinopec.com。
*通訊作者:胡罡(1978—),男,湖北英山人,高級工程師,碩士。聯(lián)系電話:(0668)2923009,E-mail:hugdput@126.com。
國家科技重大專項“斷塊油田特高含水期提高水驅(qū)采收率技術(shù)”(2011ZX05011-003)。