近井改造對(duì)低滲透稠油油藏有效動(dòng)用半徑的影響

陳民鋒， 陳 璐， 王兆琪， 張琪琛

(中國石油大學(xué) (北京) 石油工程學(xué)院， 北京 102249)

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近井改造對(duì)低滲透稠油油藏有效動(dòng)用半徑的影響

陳民鋒， 陳 璐， 王兆琪， 張琪琛

(中國石油大學(xué) (北京) 石油工程學(xué)院， 北京 102249)

低滲透稠油油藏具有原油粘度高和啟動(dòng)壓力梯度的雙重特性，油藏儲(chǔ)量的有效動(dòng)用受到很多因素的影響，而儲(chǔ)層近井改造是提高產(chǎn)量和儲(chǔ)量動(dòng)用程度的有效措施.基于低滲儲(chǔ)層基本滲流特征，分析了油藏彈性能量開發(fā)中的不穩(wěn)定滲流過程，并采用穩(wěn)定逐次逼近法求解包含啟動(dòng)壓力梯度項(xiàng)的滲流方程；考慮啟動(dòng)壓力梯度和改造措施對(duì)近井儲(chǔ)層物性的影響，建立低滲透油藏衰竭開發(fā)過程中，滿足油井開井日產(chǎn)油量要求的儲(chǔ)量有效動(dòng)用半徑的求解方法.結(jié)合實(shí)際油田情況，分析了油井產(chǎn)量變化及其影響因素，研究了不同儲(chǔ)層近井改造規(guī)模條件下，油藏儲(chǔ)量極限動(dòng)用、有效動(dòng)用半徑的變化規(guī)律.研究表明，對(duì)于低滲透稠油油藏，要綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的要求，確定儲(chǔ)量有效動(dòng)用的范圍，才能合理部署油藏開發(fā)井網(wǎng).

低滲透稠油油藏； 啟動(dòng)壓力梯度； 儲(chǔ)層改造； 極限動(dòng)用半徑； 有效動(dòng)用半徑

0 引言

隨著常規(guī)油氣資源的不斷減少，低滲透稠油油藏已經(jīng)逐漸成為國內(nèi)外油田開發(fā)的一個(gè)重要發(fā)展方向.然而此類油藏兼具稠油和低滲透的特性，原油粘度高且具有明顯的啟動(dòng)壓力梯度，油藏儲(chǔ)量的有效動(dòng)用受到很多條件的限制.

由于低滲透稠油油藏原油粘度高、滲流阻力大，注水開發(fā)時(shí)水驅(qū)油效率低，開發(fā)效果差；若采取蒸汽驅(qū)等常規(guī)熱采方式開發(fā)，配套措施與設(shè)備等投資過大，難以滿足經(jīng)濟(jì)開發(fā)的需求.當(dāng)油藏的儲(chǔ)層厚度較大、原始地層壓力較高時(shí)，通常利用天然能量，采取衰竭開發(fā)，并輔助其他增產(chǎn)措施(如壓裂、酸化、井筒降粘等)的方式，以保證油藏的開發(fā)效益.而在開采方式和開發(fā)井型一定的情況下，如何考慮油藏滲流特點(diǎn)和增產(chǎn)措施的影響，充分動(dòng)用油藏儲(chǔ)量，確定合理的開發(fā)井距，是提高衰竭式開發(fā)效果的關(guān)鍵問題[1-7].

一般來講，在給定壓差條件下，儲(chǔ)層中滲流速度為零處所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)量動(dòng)用半徑即低滲透油藏的極限井距；根據(jù)極限井距可以確定低滲透油藏的開發(fā)井距[8-10].但這種確定開發(fā)井距的方法存在明顯的弊端：一方面，當(dāng)壓力波傳播到邊界以前，油井日產(chǎn)油量已低于經(jīng)濟(jì)界限水平，不滿足開井條件，無法有效動(dòng)用邊界附近區(qū)域的儲(chǔ)量；另一方面，儲(chǔ)層近井改造措施的實(shí)施改變了地下流場的分布，需要考慮儲(chǔ)層物性的變化，來確定油井的儲(chǔ)量動(dòng)用范圍.

油藏的有效動(dòng)用半徑是指一定開發(fā)條件下，油藏能夠在經(jīng)濟(jì)上獲得收益的最大開發(fā)井距；對(duì)于衰竭開發(fā)而言，儲(chǔ)量的有效動(dòng)用半徑就是油井的有效泄油半徑[11-14].本文首先分析低滲透稠油油藏彈性能量開發(fā)下的不穩(wěn)定滲流過程，建立考慮儲(chǔ)層近井改造影響下，滿足油井開井日產(chǎn)油量要求的儲(chǔ)量有效動(dòng)用半徑的求解方法；結(jié)合實(shí)際油田情況，在認(rèn)識(shí)油井產(chǎn)量變化及其影響因素的基礎(chǔ)上，研究了低滲透稠油儲(chǔ)量極限動(dòng)用半徑、有效動(dòng)用半徑的變化規(guī)律.

1 開發(fā)過程及其滲流方程基本解

1.1 儲(chǔ)量動(dòng)用過程分析

由于存在啟動(dòng)壓力梯度，在壓力傳播規(guī)律等方面低速非達(dá)西滲流與達(dá)西滲流明顯不同.隨著衰竭開發(fā)的進(jìn)行，壓力波從生產(chǎn)井點(diǎn)A處不斷向外傳播，儲(chǔ)層動(dòng)用范圍逐漸增大，而驅(qū)替壓力梯度逐漸減小.假設(shè)儲(chǔ)層外邊界足夠大，當(dāng)驅(qū)替壓力梯度小于儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度后，滲流速度為零，在儲(chǔ)層平面方向上達(dá)到“流動(dòng)界限”[15-18]，油井壓力波傳播過程如圖1所示.

圖1 壓力波在低滲透儲(chǔ)層中的傳播過程

在衰竭開發(fā)方式下，隨著生產(chǎn)時(shí)間的增加，壓降漏斗的范圍不斷擴(kuò)大和加深，油井井底流壓從原始地層壓力Pe不斷下降，直至最后達(dá)到Pwf.在油井持續(xù)生產(chǎn)過程中，儲(chǔ)層中半徑為rc處(圖1中C)即為低滲透油藏的極限動(dòng)用半徑，在極限動(dòng)用半徑以外，驅(qū)替壓力梯度小于啟動(dòng)壓力梯度，儲(chǔ)量無法動(dòng)用.然而，油田實(shí)際開發(fā)時(shí)，要求在整個(gè)開采過程中，油井日產(chǎn)油量要始終大于油田規(guī)定的開井產(chǎn)量界限，即存在一個(gè)有效動(dòng)用半徑.在有效動(dòng)用半徑rb(圖1中B)處，油井產(chǎn)量等于經(jīng)濟(jì)極限日產(chǎn)油量時(shí)的動(dòng)用半徑，而油藏開發(fā)井距應(yīng)小于或等于2rb.

低滲透稠油油藏開采過程中，常采用酸化、酸壓等儲(chǔ)層近井改造的措施，來提高油井產(chǎn)量.儲(chǔ)層改造措施的實(shí)施改變了地下滲流場，使得儲(chǔ)量極限動(dòng)用半徑、有效動(dòng)用半徑都產(chǎn)生了不同的變化，進(jìn)而對(duì)油藏開發(fā)井距的確定產(chǎn)生影響.

設(shè)油井實(shí)施近井改造措施的有效作用半徑為rm(圖1中M)，近井改造后儲(chǔ)層流動(dòng)能力的變化及影響如圖2所示.

圖2 近井改造后儲(chǔ)層滲透率分布示意圖

(1)油井實(shí)施近井改造措施后，近井儲(chǔ)層滲透率增加；而隨距井距離增加，儲(chǔ)層滲透率逐漸減小到初始儲(chǔ)層滲透率；

(2)油井實(shí)施近井改造措施后，近井儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度大幅度降低，甚至趨于零；而隨距井距離增加，則逐漸增加到初始啟動(dòng)壓力梯度；

(3)由于近井改造措施的有效作用半徑rm一般較小，在這一范圍內(nèi)的滲透率、啟動(dòng)壓力梯度大小，可以用有效作用半徑內(nèi)滲透率、啟動(dòng)壓力梯度的平均值(面積加權(quán)平均)來等效；

(4)在有效作用半徑rm內(nèi)，儲(chǔ)層滲透率為k1，啟動(dòng)壓力梯度為G1，近井改造有效半徑處壓力為Pm；在有效作用半徑rm外，儲(chǔ)層滲透率為k2，啟動(dòng)壓力梯度為G2；

(5)不同的近井改造措施，其作用半徑和儲(chǔ)層改造程度不同，使得油井在開采過程中，壓力傳播規(guī)律和儲(chǔ)量動(dòng)用半徑都有不同的變化.

1.2 滲流方程及其基本解

對(duì)于上述衰竭開發(fā)的不穩(wěn)定滲流過程，采用穩(wěn)定逐次逼近的方法進(jìn)行求解，即對(duì)于某一時(shí)刻，壓力分布特征用穩(wěn)態(tài)的方法來描述，非穩(wěn)態(tài)過程用一系列不同的穩(wěn)態(tài)過程來逼近.

1.2.1 滲流方程的建立

考慮近井改造、啟動(dòng)壓力梯度影響時(shí)，在油井極限動(dòng)用半徑內(nèi)，即驅(qū)替壓力梯度始終大于啟動(dòng)壓力梯度，流體的滲流方程組如下[10-13]：

第一部分，在近井改造有效半徑以內(nèi).

(1)

第二部分，在近井改造有效半徑以外.

(2)

考慮啟動(dòng)壓力梯度的影響，滲流速度應(yīng)滿足：

(3)

其中:Pe為原始地層壓力，MPa；Pwf為油井井底流壓，MPa；Pm為近井改造作用半徑處的壓力，MPa；rw為井半徑，m；re為給定的邊界半徑，m；rm為近井改造有效作用半徑，m；k1為近井改造范圍內(nèi)滲透率，10-3μm2；k2為近井改造范圍外滲透率，10-3μm2；h為有效厚度，m；μ為流體粘度，mPa·s.

在不同位置處，啟動(dòng)壓力梯度表達(dá)式為：

(4)

其中:G1、G2為近井改造有效作用半徑內(nèi)、外的平均啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m.

1.2.2 壓力分布及產(chǎn)量表達(dá)式

在近井改造范圍的內(nèi)、外邊界處，壓力、滲流速度相等，可得到考慮儲(chǔ)層改造、啟動(dòng)壓力梯度影響時(shí)，方程組(1)、(2)的解.

在近井改造有效半徑以內(nèi)，rw

(5)

(6)

在近井改造有效半徑以外，rm≤r

(7)

(8)

則油井的產(chǎn)量公式為：

(9)

其中：k1、k2為近井改造有效作用半徑內(nèi)、外的平均滲透率，10-3μm2.

2 近井改造下油井的有效動(dòng)用半徑

2.1 油藏基本參數(shù)

LH油田屬低滲透稠油油藏，油藏儲(chǔ)層厚度較大、天然能量充足，在開發(fā)初期滿足衰竭開發(fā)的條件.油藏基本參數(shù)如下：油藏原始地層壓力為15.0 MPa；生產(chǎn)壓差為10.0 MPa；儲(chǔ)層原始滲透率為30×10-3μm2；儲(chǔ)層有效厚度為60 m；原油粘度為100 mPa·s；由油井的日產(chǎn)收益等于油井日生產(chǎn)支出計(jì)算得到單井經(jīng)濟(jì)極限日產(chǎn)油量Qom為1.0 m3.

根據(jù)油藏實(shí)際特征和實(shí)驗(yàn)所測結(jié)果，在實(shí)例分析中，主要取值情況如下：主體區(qū)域流度為0.1～1.0(10-3μm2/mPa·s)，啟動(dòng)壓力梯度為0.01～0.1 MPa/m.

基于公式(5)、(7)、(9)，研究儲(chǔ)層改造措施實(shí)施前后，油井產(chǎn)量、動(dòng)用半徑變化規(guī)律，并確定不同條件下油藏有效開發(fā)井距.

2.2 措施實(shí)施前后產(chǎn)量變化分析

存在啟動(dòng)壓力梯度條件下，考慮近井改造措施的影響，油井產(chǎn)量隨動(dòng)用半徑的變化如圖3所示.

儲(chǔ)層改造后油井產(chǎn)量與改造前油井產(chǎn)量之比，稱為產(chǎn)量增大倍數(shù).在不同條件下，產(chǎn)量增大倍數(shù)隨動(dòng)用半徑的變化如圖4所示.

其中，儲(chǔ)層改造有效作用半徑rm=10 m；k1=90×10-3μm2，k2=30×10-3μm2；措施實(shí)施后，近井等效啟動(dòng)壓力梯度降低到初始值0.01倍.

圖3 油井產(chǎn)量與動(dòng)用半徑關(guān)系曲線

圖4 改造后油井產(chǎn)量增大倍數(shù) 與動(dòng)用半徑關(guān)系

由圖3、圖4可以看出：

(1)在油藏衰竭開發(fā)過程中，隨著壓力波的不斷傳播，儲(chǔ)量動(dòng)用半徑不斷增大，而油井產(chǎn)量逐漸降低；在生產(chǎn)壓差一定時(shí)，啟動(dòng)壓力梯度越大，油井產(chǎn)量遞減得越快，儲(chǔ)量極限動(dòng)用半徑越小.

(2)儲(chǔ)層改造措施實(shí)施后，油井產(chǎn)量有較大程度的提高；啟動(dòng)壓力梯度越大，改造后的油井產(chǎn)量增大倍數(shù)越大.隨著動(dòng)用半徑逐漸擴(kuò)大，油井產(chǎn)量增大倍數(shù)是呈先增大后逐漸降低，在改造半徑處(本圖曲線的改造半徑為10 m)達(dá)最大，之后油井產(chǎn)量增大倍數(shù)逐漸降低，但在接近極限動(dòng)用半徑附近時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn).

(3)不同生產(chǎn)壓差和啟動(dòng)壓力梯度條件下，油井極限動(dòng)用半徑均有所不同；近井儲(chǔ)層改造后，油井有效動(dòng)用半徑有較大幅度的提高，單井產(chǎn)量也在一定程度上增大.

2.3 油井儲(chǔ)量動(dòng)用半徑變化分析

存在啟動(dòng)壓力梯度條件下，油井儲(chǔ)量動(dòng)用半徑與啟動(dòng)壓力梯度變化關(guān)系如圖5所示.

其中，儲(chǔ)層改造有效作用半徑rm=10 m，k1=90×10-3μm2，k2=30×10-3μm2；措施實(shí)施后，近井等效啟動(dòng)壓力梯度降低到初始值0.01倍.

圖5 儲(chǔ)量動(dòng)用半徑與啟動(dòng)壓力梯度關(guān)系

以儲(chǔ)層改造前的極限動(dòng)用半徑為基準(zhǔn)值，儲(chǔ)層改造后極限、有效動(dòng)用半徑與這個(gè)基準(zhǔn)值之比，稱為動(dòng)用半徑的變化倍數(shù).

不同條件下，動(dòng)用半徑變化倍數(shù)隨啟動(dòng)壓力梯度的變化如圖6所示.

由圖5、圖6可以看出：

(1)低滲透稠油油藏中啟動(dòng)壓力梯度的存在，大大增加了滲流阻力，縮小了儲(chǔ)量能夠有效動(dòng)用的范圍；啟動(dòng)壓力梯度越大，油井極限動(dòng)用半徑、有效動(dòng)用半徑就越小.

(2)為保證油藏的經(jīng)濟(jì)極限開發(fā)效益，油藏儲(chǔ)量有效動(dòng)用半徑rb要小于相同條件下的極限動(dòng)用半徑rc，未采取儲(chǔ)層改造措施時(shí)，比值rb/rc一般在0.8左右；且隨著啟動(dòng)壓力梯度的增加rb/rc越來越大；

(3)在儲(chǔ)層采取改造措施后，油井極限動(dòng)用半徑、有效動(dòng)用半徑都增大；而改造后的有效動(dòng)用半徑增大幅度更為明顯，其動(dòng)用半徑變化倍數(shù)在0.9～1.0.

圖6 不同啟動(dòng)壓力梯度對(duì)動(dòng)用 半徑變化倍數(shù)的影響

由于極限動(dòng)用半徑的計(jì)算相對(duì)簡單，實(shí)際油田開發(fā)中，為確定油藏的合理開發(fā)井距，可首先由驅(qū)替壓力梯度和啟動(dòng)壓力梯度求得儲(chǔ)層的極限動(dòng)用半徑，再乘以系數(shù)0.9得到有效動(dòng)用半徑.

2.4 改造程度對(duì)動(dòng)用范圍的影響

設(shè)儲(chǔ)層實(shí)施改造措施后，k1=90×10-3μm2，k2=30×10-3μm2，近井等效啟動(dòng)壓力梯度降低到初始值0.01倍.則油井有效動(dòng)用半徑變化倍數(shù)，隨儲(chǔ)層改造有效作用半徑的變化如圖7所示.

圖7 不同改造半徑下油井有效動(dòng)用半徑變化

設(shè)儲(chǔ)層實(shí)施改造措施后，有效作用半徑rm=10 m，k1為初始滲透率的倍數(shù)，k2=30×10-3μm2，近井等效啟動(dòng)壓力梯度降低到初始值0.01倍.則油井有效動(dòng)用半徑變化倍數(shù)，隨近井滲透率增大倍數(shù)的變化如圖8所示.

對(duì)比圖7、圖8可以看出：

(1)當(dāng)確定近井滲透率的大小時(shí)，隨著儲(chǔ)層改造有效作用半徑的增大，油井有效動(dòng)用半徑倍數(shù)初期呈快速增大的態(tài)勢；而當(dāng)儲(chǔ)層改造有效作用半徑超過5 m后，逐漸呈線性增大趨勢.

(2)當(dāng)確定儲(chǔ)層改造有效作用半徑時(shí)，隨著儲(chǔ)層改造近井滲透率、滲透率增大倍數(shù)的增大，油井有效動(dòng)用半徑初期呈快速增大的態(tài)勢；而當(dāng)近井滲透率增大倍數(shù)超過5時(shí)，油井有效動(dòng)用半徑增幅逐漸減緩，并趨于一定值.

(3)綜合對(duì)比，在進(jìn)行儲(chǔ)層近井改造措施時(shí)，在保證近井儲(chǔ)層滲透率有一定程度提高的前提下，應(yīng)盡量提高儲(chǔ)層改造的作用半徑，這樣就可以最大限度地提高油井的有效動(dòng)用半徑.

圖8 不同改造程度下油井有效動(dòng)用半徑變化

3 結(jié)論

通過以上研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)為確定低滲透稠油油藏的衰竭開發(fā)階段和合理注采井距，要綜合考慮油井儲(chǔ)量的極限動(dòng)用半徑和有效動(dòng)用半徑的差別和變化特點(diǎn).

(2)低滲透稠油油藏啟動(dòng)壓力梯度的存在，主要影響了滲流阻力和壓力波傳播規(guī)律，使得單井能夠有效動(dòng)用的儲(chǔ)量范圍明顯縮??；為保證油藏的經(jīng)濟(jì)極限開發(fā)效益，儲(chǔ)量有效動(dòng)用半徑要小于相同條件下的極限動(dòng)用半徑，且儲(chǔ)層未采取改造措施時(shí)，比值rb/rc一般在0.8左右.

(3)采取儲(chǔ)層近井改造措施，可以改變儲(chǔ)層地下滲流場分布，提高油井產(chǎn)量，在實(shí)際油藏開發(fā)中，應(yīng)盡量增大儲(chǔ)層改造的有效作用半徑，來大幅度提高油井的有效動(dòng)用半徑.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

The effect of near wellbore stimulation on effective drainage radius in low-permeable heavy-oil reservoirs

CHEN Min-feng, CHEN Lu, WANG Zhao-qi, ZHANG Qi-chen

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249， China)

High viscosity of crude oil and threshold pressure gradient are two major features of low-permeable heavy-oil reservoirs. Porous flow mechanism in low-permeable heavy-oil reservoirs is not in line with darcy flow because of the existence of threshold pressure gradient,and the effective drive of these reservoirs is constrained by a number of conditions.The near wellbore reservoir stimulation are effective measures to improve production and effective drainage volume. Based on characteristics of porous flow in low-permeable heavy-oil reservoirs,the unsteady flow drived by natural elastic energy was studied and the method of steady-state successive approach to unsteady-state solution was adopted to solve the flow equations which take into account the influence of threshold pressure gradient.Considering the effect of threshold pressure gradient and stimulation measures on near wellbore reservoir properties,a calculation method for drainage radius of low permeability reservoirs with threshold pressure gradient was presented,which satisfies daily oil production for well startup.Combining with the practical oil field,the change of production in oil well and its influencing factors were analyzed and the variations of limit drainage radius and effective drainage radius was studied under the condition of different near wellbore stimulation scale.The results indicate that the proper deployment of well pattern for low-permeable heavy-oil reservoirs depends on the determination of effective drive volume with considering engineering and economic factors.

low-permeable heavy-oil reservoirs； threshold pressure gradient； reservoir stimulation； limit drainage radius； effective drainage radius

2016-05-06

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB250905)

陳民鋒(1971-)，男，河南清豐人，副研究員，博士，研究方向：油氣田開發(fā)

1000-5811(2016)05-0103-06

TE348

A