大傾角油藏重力作用對注水時機影響研究

程大勇，蔡 暉，朱志強，劉 東，孟智強

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引 言

當油藏地層傾角較大時，重力作用明顯，對注水開發(fā)影響很大。前人已開展過重力作用對滲流機理和注水效果影響的研究。賈紅兵[1]通過建立層狀油藏重力滲流數(shù)學模型和機理模型，研究了重力作用對滲流機理的影響，指導油田優(yōu)化注水工作；李波等[2]通過物理模擬實驗研究了砂巖油藏合理注水時機，認為泡點壓力達87%時為較合理的注水時機；楊文新[3-4]等開展了壓敏效應與注水時機的研究。但目前重力作用對滲流機理的影響研究多側重于理論或實驗研究[5-11]，而油田實際注水時機的選擇更依賴于油田實際壓力資料和數(shù)值模擬的結果[12-14]。針對上述問題，引入重力抑制彈性能量膨脹理論，定量計算重力作用導致注水時機提前的時間，建立不同傾角的油藏數(shù)值模型進行對比實驗，研究重力作用對注水開發(fā)的影響。

1 注水時機提前的理論研究

油藏本身具有一定的彈性能量，當壓力降低時彈性能量釋放，即彈性驅動。當?shù)貙觾A斜角度不同時，彈性能量受到重力作用的壓迫不同，重力作用越強，壓迫的彈性能量越多。假設一無邊底水油藏，當原始地層壓力下降后，油藏釋放彈性能量采油量為：

NPe=NCtBoi(pi-pj)/Boj

(1)

當?shù)貙觾A斜時，重力作用抑制的彈性儲量為：

NG=NCoρgLsinαBoi/Boj

(2)

由于重力作用影響，注水時機相應提前的時間為：

T=NG/q=NCoρgLsinαBoi/(Bojq)

(3)

式中：NPe為油藏釋放彈性能量采油量，104m3；N為石油地質儲量，104m3；Ct為油藏綜合壓縮系數(shù)；Boi為原始地層壓力下原油體積系數(shù)，MPa-1；pi為原始地層壓力，MPa；pj為目前地層壓力，MPa；Boj為目前地層壓力下的原油體積系數(shù)，MPa-1；NG為重力抑制的彈性能量采油量，104m3；Co為原油壓縮系數(shù)，MPa-1；ρ為地面原油密度，g/cm3；g為重力加速度，9.8 m/s2；L為油藏的寬度，m；α為地層傾角，°；T為注水時機提前時間，d；q為日產(chǎn)油量，m3/d。

式(3)可計算重力作用導致注水時機提前的時間。當?shù)貙觾A角增大時，重力作用增強，注水時機提前越多，即重力作用影響下注水時機提前的時間與地層傾角正相關。

2 注水時機數(shù)值模擬研究

2.1 機理模型的建立

為研究重力作用對注水時機和注采比的影響，應用PETREL軟件建立地質模型，并轉化為Eclipse能夠運行的油藏模型，網(wǎng)格數(shù)為80×20×15，網(wǎng)格步長為25 m×25 m×2 m，地層傾角分別為0、15、25 °，高部位6口采油井，低部位5口注水井，井距為400 m，注采井網(wǎng)呈交錯排狀(圖1)。地下原油黏度為50.0 mPa·s，地層水黏度為0.5 mPa·s，相對滲透率曲線及PVT等參數(shù)選取油田實測值。

2.2 單因素分析

以油藏采收率作為開發(fā)效果的評價指標，通過對比實驗，研究不同地層傾角下重力作用對注水開發(fā)效果的影響，注水因素包括注水時機和注采比。進行注水時機和注采比的單因素分析，發(fā)現(xiàn)注水時機和注采比均表現(xiàn)為非單調性，在某區(qū)間內(nèi)采收率取得極大值。注水時機單因素分析表明，當?shù)貙訅毫ο陆抵溜柡蛪毫Ω浇鼤r轉注水開發(fā)，效果最好。注采比單因素分析表明，注采比為1時效果最好。

圖1 不同傾角地質模型

2.3 響應曲面分析

油田開發(fā)過程中，注水時機和注采比之間存在相互影響。響應曲面法能夠綜合各因素間的相互作用，在保證準確度的前提下，減少設計方案個數(shù)。注水時機的選取借鑒物理模擬實驗[12]。采用Design-Expert軟件進行響應曲面設計(表1)，考慮因素為注水時機和注采比，響應值為采收率。以0 °傾角地層為例，響應曲面共設計13種方案，結合運算結果，繪制采收率關于注水時機和注采比的響應曲面(圖2)，由圖2可知，采收率取得最大值區(qū)域對應注水時機為0.47，即飽和壓力附近，對應注采比為1.00。同理計算地層傾角為15 °和25 °的情況。15 °傾角地層采收率取得最大值區(qū)域對應注水時機為0.27，即低于飽和壓力但高于地飽壓力之間，對應注采比為1.00；25 °傾角地層采收率取得最大值區(qū)域對應注水時機為0.19，即地飽壓力中間值附近，對應注采比為1.00。

表1 響應曲面參數(shù)設計

圖2 0°傾角地層注水時機和注采比響應曲面

通過對比不同地層傾角的模擬結果(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)隨著地層傾角增大，重力作用增強，采收率最大區(qū)域向邊部遷移，即向注水時機提前的位置遷移，而對注采比的影響并不敏感。對于地層傾角較大的油藏，注水時機應適當提前一些，這與理論研究結果一致。

3 應用效果

JZ油田位于渤海遼東灣海域，由多個斷塊構成，是具有多套油氣水系統(tǒng)的層狀構造油藏。油田構造較陡，地層傾角為8～20 °，存在較強的重力作用。開發(fā)過程中，不同地層傾角的油藏壓力存在差異，且與地層傾角存在明顯的負相關。即地層傾角越大，壓力系數(shù)越低，原因為地層傾角大，存在較強的重力作用。

圖3 不同傾角地層采收率響應曲面(投影)

JZ油田于2011年12月投入開發(fā)，采用低部位注水、高部位采油的排狀交錯井網(wǎng)。為充分利用地層能量，減緩含水上升速度，先期投產(chǎn)的區(qū)塊(2井區(qū)Ⅱ油組、3井區(qū)Ⅱ/Ⅲ油組、4井區(qū)Ⅱ/Ⅲ油組)采取先衰竭至飽和壓力再注水保壓的策略，4井區(qū)Ⅱ/Ⅲ油組因工程原因延遲注水約2個月。試驗區(qū)(6井區(qū)Ⅱ/Ⅲ油組)考慮了重力作用對注水時機影響，利用式(3)進行合理注水時機的定量計算，在試驗區(qū)地層壓力降至飽和壓力前，提前32 d實施注水。油田5 a的注水實踐表明，試驗區(qū)實施提前注水后，得到了更好的開發(fā)效果，實現(xiàn)了油井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。一方面，與未實施提前注水的區(qū)塊相比，試驗區(qū)平均單井產(chǎn)量提高10%以上。試驗區(qū)21口采油井，平均單井初期日產(chǎn)油達112 m3/d，比相鄰未實施提前注水區(qū)塊油井提高18 m3/d(表2)，采收率提高0.9個百分點。另一方面，未實施提前注水的區(qū)塊油井產(chǎn)量遞減率為13.3%～18.4%，試驗區(qū)僅為8.2%。

表2 JZ油田各區(qū)塊注水開發(fā)效果對比

4 結 論

(1) 引入重力作用抑制彈性能量釋放理論，實現(xiàn)重力作用導致注水時機提前的定量計算，重力作用影響下，油藏地層傾角越大，注水時機應越提前。

(2) 研究成果應用于JZ油田6井區(qū)Ⅱ/Ⅲ油組，提前32 d實施注水，與未實施提前注水的區(qū)塊相比，試驗區(qū)平均單井產(chǎn)量提高10%以上，綜合遞減率僅為8.2%。

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