改質(zhì)水驅(qū)砂巖油藏生產(chǎn)動態(tài)預(yù)測方法

王高峰，張志升，楊承偉，陳振波，王敬瑤，張金良

（1．提高石油采收率國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油勘探開發(fā)研究院），北京 100083；2．延長油田股份有限公司，陜西安塞 717400；3．中國石油長慶油田公司，陜西西安 710018）

提高石油采收率技術(shù)根據(jù)驅(qū)替介質(zhì)類型的不同，可分為化學(xué)驅(qū)、氣驅(qū)和改質(zhì)水驅(qū)三類；根據(jù)驅(qū)替機(jī)理的不同，可分為驅(qū)油效率提高型、波及體積擴(kuò)大型和混合型三類。其中，驅(qū)油效率提高型采油技術(shù)包括二氧化碳驅(qū)、表面活性劑驅(qū)、改質(zhì)水驅(qū)等；波及體積擴(kuò)大型采油技術(shù)包括聚合物驅(qū)、高滲油藏頂部注氣等；混合型采油技術(shù)包括三元復(fù)合驅(qū)、聚-表二元驅(qū)、泡沫復(fù)合驅(qū)等[1-2]。

改質(zhì)水包括低礦化度水、離子匹配水、活化水、超級水、設(shè)計(jì)水及智能水等[3]。改質(zhì)水驅(qū)通過調(diào)整注入水中離子、分子及礦化度等水質(zhì)參數(shù)，改變注入水物理化學(xué)性質(zhì)，從而改善巖石潤濕性、巖石對原油的吸附性等一系列巖石-鹽水-原油間的相互作用，實(shí)現(xiàn)提高驅(qū)油效率和采收率的目的[4-6]。與常規(guī)水驅(qū)相比，改質(zhì)水驅(qū)技術(shù)內(nèi)涵更為豐富；與化學(xué)復(fù)合驅(qū)等三次采油方法相比，改質(zhì)水驅(qū)具有低成本優(yōu)勢。作為一種“2.5次”采油技術(shù)，改質(zhì)水驅(qū)是國際大石油公司近年來提高采收率技術(shù)攻關(guān)的熱點(diǎn)[7-13]。英國石油公司恩迪科特油田改質(zhì)水驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)預(yù)計(jì)提高采收率7%以上[11-13]，并聯(lián)合康菲、雪佛龍和殼牌公司在北海Clair Ridge油田啟動了第一個(gè)海上低礦化度水驅(qū)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)增油500×104t；科威特AAR Energy石油公司在Greater Burgan油田實(shí)施低礦化度水驅(qū)試驗(yàn)的桶油成本僅增加10美元[14-17]；沙特阿美石油公司在Kindom碳酸鹽巖油藏進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)顯示，低礦化度水驅(qū)比常規(guī)水驅(qū)提高采收率7%～10%。鑒于國際上改質(zhì)水驅(qū)良好的技術(shù)效果及較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，目前，特別是在低油價(jià)時(shí)期，我國有必要加快研發(fā)改質(zhì)水驅(qū)技術(shù)，以進(jìn)一步提高符合條件油藏的水驅(qū)采收率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。

目前改質(zhì)水驅(qū)研究主要為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，針對性的數(shù)值模擬技術(shù)尚不完善[2]。本文根據(jù)油藏工程基本原理，結(jié)合改質(zhì)水驅(qū)提高采收率的主要機(jī)理和油田開發(fā)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，開展改質(zhì)水驅(qū)生產(chǎn)指標(biāo)預(yù)測理論方法研究，獲得改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)油量和含水率的變化規(guī)律，為提高改質(zhì)水驅(qū)開發(fā)方案質(zhì)量和評價(jià)其生產(chǎn)效果提供一種簡明實(shí)用的油藏工程新方法。

1 理論依據(jù)

1.1 改質(zhì)水驅(qū)采收率計(jì)算方法

將轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)的油藏視為新油藏。假設(shè)基于新油藏地質(zhì)儲量（轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)剩余地質(zhì)儲量）的常規(guī)水驅(qū)和改質(zhì)水驅(qū)的采收率分別為ERcwn和ERTwn，基于轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)剩余油飽和度的常規(guī)水驅(qū)和改質(zhì)水驅(qū)的驅(qū)油效率分別為EDcwn和EDTwn。根據(jù)“水驅(qū)波及系數(shù)為水驅(qū)采收率與水驅(qū)油效率之比”的油藏工程基本原理可得到常規(guī)水驅(qū)波及體積系數(shù)EVcw為：

將改質(zhì)水驅(qū)波及體積修正因子定義為改質(zhì)水驅(qū)波及體積系數(shù)EVTw與常規(guī)水驅(qū)波及體積系數(shù)之比：

式中：η為改質(zhì)水驅(qū)波及體積修正因子。

新油藏的改質(zhì)水驅(qū)采收率等于新油藏的改質(zhì)水驅(qū)油效率與改質(zhì)水驅(qū)波及體積系數(shù)之積：

轉(zhuǎn)改質(zhì)水驅(qū)后可采出的油量為一定值。顯然，基于轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)剩余儲量改質(zhì)水驅(qū)采收率和基于原始地質(zhì)儲量的改質(zhì)水驅(qū)采收率ERTw之間存在關(guān)系：

式中：Soi和So分別為原始與轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)的平均含油飽和度，%。

聯(lián)立式（1）和式（4），整理得基于原始地質(zhì)儲量的改質(zhì)水驅(qū)采收率計(jì)算式為：

不論對于常規(guī)水驅(qū)還是改質(zhì)水驅(qū)，轉(zhuǎn)驅(qū)后可采出的油量均為定值，則基于轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)含油飽和度的常規(guī)水和改質(zhì)水的驅(qū)油效率可分別寫作：

根據(jù)原始含油飽和度的改質(zhì)水驅(qū)油效率和常規(guī)水驅(qū)油效率的定義可得：

式中：EDTw和EDcw分別為轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)改質(zhì)水和常規(guī)水的驅(qū)油效率（基于原始含油飽和度），%。

聯(lián)立式（6）和式（9），并整理得：

將式（10）帶入式（5）可得：

1.2 改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量預(yù)測方法

現(xiàn)將油藏剖分為一系列網(wǎng)格，將轉(zhuǎn)驅(qū)后的開發(fā)周期劃分為一系列時(shí)間步長；在時(shí)間步長內(nèi)注入水能夠完全波及網(wǎng)格，則該時(shí)間步長內(nèi)油藏整體采出程度增量近似等于相應(yīng)網(wǎng)格的采收率。由于式（11）對于油藏整體以及任意網(wǎng)格的采收率計(jì)算都適用，則該式可用于研究油藏整體采出程度的變化情況?；谠嫉刭|(zhì)儲量的改質(zhì)水驅(qū)采出程度為：

式中：ti為轉(zhuǎn)驅(qū)后的時(shí)間步長，a；RTw為基于原始地質(zhì)儲量的改質(zhì)水驅(qū)采出程度，%；RvTw為基于原始地質(zhì)儲量的改質(zhì)水驅(qū)采油速度，%；Gi為油藏剖分的系列網(wǎng)格。

若常規(guī)水持續(xù)注入，基于剩余地質(zhì)儲量的常規(guī)水驅(qū)采出程度為：

式中：Rcwn為基于轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)剩余地質(zhì)儲量的常規(guī)水驅(qū)采出程度，%；Rvcwn為基于轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)剩余地質(zhì)儲量的常規(guī)水驅(qū)采油速度，%。

聯(lián)立式（11）和式（13），并整理得：

根據(jù)前述采油速度的涵義，式（14）兩端同乘以原始地質(zhì)儲量 VpSoi后可得：

式中：Vp為油藏孔隙體積，m3；QoTw為ti時(shí)間內(nèi)改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量水平，m3/d；Qocw為同期的常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量水平（假設(shè)不注改質(zhì)水而繼續(xù)注入常規(guī)水時(shí)油藏的整體產(chǎn)量，可根據(jù)常規(guī)水驅(qū)遞減規(guī)律進(jìn)行預(yù)測），m3/d。

改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)可定義為改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量與“同期的常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量”之比：

式中：FTw為改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)。

上式對時(shí)間求導(dǎo)數(shù)可以得到改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量絕對遞減率為：

式（16）和式（17）顯示了改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量和常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量之間的一一對應(yīng)關(guān)系：改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量與同期的常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量之比恒等于改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)。聯(lián)合常規(guī)水驅(qū)遞減規(guī)律和改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)可在理論上把握改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量，由于常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量是長期摸索確定的合理值[18-20]，改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)為固定值，則改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量可被唯一確定。

根據(jù)產(chǎn)量（相對）遞減率定義可得：

式中：DoTw為改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量年遞減率，%；Docw為常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量年遞減率，%。

聯(lián)立式（16）和式（19），整理可得：

上式表明，改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量遞減率和常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量遞減率是相等的。

1.3 改質(zhì)水驅(qū)含水率預(yù)測方法

研究表明，礦化度對于水相黏度影響很小，一般不超過 10%[16-17]，對于波及系數(shù)的改變可以忽略不計(jì)，故改質(zhì)水驅(qū)對波及體積和注采壓力系統(tǒng)的影響均比較微弱。據(jù)此，改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)液量近似等于常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)液量：

式中：QLTw為改質(zhì)水驅(qū)油藏或油井產(chǎn)液量，t/d；QLcw為常規(guī)水驅(qū)油藏或油井產(chǎn)液量，t/d。

根據(jù)含水率的定義可得：

式中：fwTw為改質(zhì)水驅(qū)含水率，%；fwcw為常規(guī)水驅(qū)含水率，%。

聯(lián)立式（16）、（21）、（22）和（23）得：

將式（24）代入式（25）整理得：

由于改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)恒大于1.0，根據(jù)式（26）可知，fwTw恒小于fwcw。

1.4 改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)工程計(jì)算方法

對于砂巖油藏，改質(zhì)水驅(qū)提高原油采收率的主要機(jī)制是通過改變儲層潤濕性、調(diào)節(jié)pH值和降低巖石-流體界面張力等來提高驅(qū)油效率，從而達(dá)到提高采收率的目的，而非通過擴(kuò)大波及體積來提高采收率。由于改質(zhì)水驅(qū)和常規(guī)水驅(qū)的殘余油飽和度均可視為定值，則轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)的驅(qū)油效率、初始（油藏未動用時(shí)）驅(qū)油效率和轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)的常規(guī)水驅(qū)采出程度三者之間存在固定關(guān)系。由前述可知，改質(zhì)水和常規(guī)水的黏度接近，改質(zhì)水對流度比的改變不大，故改質(zhì)水驅(qū)波及體積修正因子η可近似取值1.0。由此，將式（8）、（9）帶入式（16）可得：

波及區(qū)采出程度高于油層整體采出程度。關(guān)于波及區(qū)大小主要存在兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為波及系數(shù)等于采收率與驅(qū)油效率之比，實(shí)際波及系數(shù)嚴(yán)格等于理論波及系數(shù)；另一種認(rèn)為實(shí)際波及系數(shù)大于理論波及系數(shù)，實(shí)際水驅(qū)波及系數(shù)接近1.0。第二種觀點(diǎn)來自于對油藏實(shí)際加密效果的分析，即具有初始產(chǎn)狀的加密井比例極低，很難準(zhǔn)確預(yù)測和鉆遇，故波及區(qū)域幾乎遍及整個(gè)油層，該觀點(diǎn)更加貼近實(shí)際。因此，可將實(shí)際波及系數(shù)表示為理論波及系數(shù)與剩余波及系數(shù)的加權(quán)之和：

式中：EV0為理論波及系數(shù)，%；ω為權(quán)值，0＜ω＜1.0。

權(quán)值反映了理論波及區(qū)域之外的儲量動用程度，受控于油田開發(fā)時(shí)間、油藏非均質(zhì)性以及井網(wǎng)砂體匹配程度等因素，注水時(shí)間越長，注采調(diào)整累積作用越大，權(quán)值越大；權(quán)值還反映了剩余油分布的均勻程度，剩余油分布越均勻，權(quán)值越大。對于高采出程度成熟油藏，剩余油呈現(xiàn)“高度分散，相對富集”的格局[21-22]，可認(rèn)為剩余油分布總體上是均勻的，推薦ω=1.0。

實(shí)際波及區(qū)采出程度與油藏整體采出程度的關(guān)系可根據(jù)物質(zhì)平衡得：

式中：Re0為轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)基于原始地質(zhì)儲量的油層整體采出程度，%。

理論波及系數(shù)等于基于原始地質(zhì)儲量的常規(guī)水驅(qū)采收率與初始水驅(qū)油效率之比：

式中：ERcw為轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)基于原始地質(zhì)儲量的常規(guī)水驅(qū)采收率，%。

聯(lián)立式（28）和式（30），整理后得：

將式（31）代入式（27）可得：

式（32）即為改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)計(jì)算式。將該式右端分子和分母同除以初始水驅(qū)油效率得到改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)嚴(yán)格計(jì)算方法：

式中：R1為改質(zhì)水和常規(guī)水的初始驅(qū)油效率之比，%；R2為廣義可采儲量采出程度，%。

根據(jù)式（33）可知，改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)由R1和R2確定，可繪制相應(yīng)的改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)圖版（圖1）。由圖可見，隨著采出程度增加，改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)呈快速增長趨勢。我國中低滲透油藏的R2一般小于0.6（權(quán)值ω取1.0），R1取值為1.1～1.3，故改質(zhì)水驅(qū)見效后的油藏整體產(chǎn)量一般不會超過轉(zhuǎn)驅(qū)前常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量的1.75倍。

圖1 改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)實(shí)用查詢圖版

2 礦場試驗(yàn)

YS油藏位于吉林油田，儲層平均滲透率為20×10-3μm2，擬實(shí)施改質(zhì)水驅(qū)開發(fā)。通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)測得改質(zhì)水的初始驅(qū)油效率為 65.0%，常規(guī)水的初始驅(qū)油效率為 50.0%；該油藏目前水驅(qū)采出程度為11.63%，采油速度為 0.99%，常規(guī)水驅(qū)采收率為20.0%。應(yīng)用本文方法預(yù)測改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量和綜合含水率包括三個(gè)步驟：①首先根據(jù)遞減規(guī)律或同類型油藏水驅(qū)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)得到常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量變化情況；②將常規(guī)水和改質(zhì)水的初始驅(qū)油效率以及目前水驅(qū)采出程度代入式（32）求出改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)為 1.391（權(quán)值ω=1.0）；③最后根據(jù)式（16）將步驟①中得到的常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量乘以改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)即得改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量。類似地，在獲得改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)后，代入式（26）即可得到改質(zhì)水驅(qū)綜合含水降低值，進(jìn)而代入式（25）可得改質(zhì)水驅(qū)綜合含水的變化情況（圖2）。改質(zhì)水驅(qū)見效后采油速度將高于常規(guī)水驅(qū)采油速度，本文方法預(yù)測該油藏實(shí)施改質(zhì)水驅(qū)見效后的采油速度能達(dá)到 1.23%，改質(zhì)水驅(qū)提高采收率幅度約3.0%。

圖2 YS油藏改質(zhì)水驅(qū)綜合含水變化曲線

3 結(jié)論

（1）國外改質(zhì)水驅(qū)技術(shù)已經(jīng)取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在低油價(jià)時(shí)期，發(fā)展改質(zhì)水驅(qū)對于我國適合條件的中低滲油藏提高采收率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）本文提出的改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)概念為從理論上把握改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量和含水率等主要生產(chǎn)指標(biāo)提供了油藏工程依據(jù)，為改質(zhì)水驅(qū)開發(fā)方案編制和效果評價(jià)提供了新途徑。

（3）改質(zhì)水驅(qū)產(chǎn)量水平取決于改質(zhì)水驅(qū)增產(chǎn)倍數(shù)和轉(zhuǎn)驅(qū)時(shí)的常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量水平，以及常規(guī)水驅(qū)產(chǎn)量遞減特征。加大研發(fā)具有更高驅(qū)油效率的改質(zhì)水驅(qū)油體系是提高改質(zhì)水驅(qū)增油降水效果的內(nèi)在要求。

致謝：在成文過程中，得到了中國石油勘探開發(fā)研究院劉慶杰教授的大力幫助，筆者在此表示感謝。