基于優(yōu)勢(shì)水流通道的減氧空氣吞吐注氣量?jī)?yōu)化方法研究

郭小哲，田 凱，曹玉峰，高旺來(lái)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油吐哈油田分公司魯克沁采油廠，新疆 鄯善 838202)

0 引言

魯克沁三疊系深層稠油近1億t儲(chǔ)量，埋深約3 000 m，儲(chǔ)層滲透率50～500 mD，地下原油黏度150～500 cp，歷經(jīng)20年的開(kāi)發(fā)，形成注水開(kāi)發(fā)配套技術(shù)。由于較低的油水流度比及較高的儲(chǔ)層非均質(zhì)，許多單井控制儲(chǔ)量采出程度普遍低于15%，但含水已高達(dá)80%以上，水驅(qū)效果急待改善[1-3]。

以抑水增油為主要作用機(jī)理的減氧空氣吞吐顯示出較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，從2016—2018年共實(shí)施井次約369口，據(jù)綜合效果評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)，其中實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果的占71.8%，單井增油250 t以上，有效值120天以上，換油率8 t/104m3以上，投入產(chǎn)出比大于1的占80%。減氧空氣吞吐有效地提高了水驅(qū)后的采出程度，為油藏的進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)發(fā)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

減氧空氣介于空氣與氮?dú)庵g，其10%以下含氧量低于空氣的氧成份比例，又不是純氮?dú)?，在獲取時(shí)可通過(guò)壓縮空氣進(jìn)行減氧處理，或者應(yīng)用純氮?dú)饧幼⒖諝饨笛跆幚?，相?duì)于注空氣降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，比注氮?dú)鉁p少了制氣成本，在吞吐過(guò)程中，三者的機(jī)理基本相似，因此，減氧空氣吞吐具有明顯優(yōu)勢(shì)[4-5]。

目前的研究多集中在減氧空氣驅(qū)油機(jī)理的研究[4-7]，減氧空氣吞吐研究較少，其滲流規(guī)律認(rèn)識(shí)及增油機(jī)理也多借助于N2、CO2和天然氣吞吐等研究[8-14]，深層稠油減氧空氣吞吐的研究還較少，特別是注氣量的選取依據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在著較大困惑，缺乏研究報(bào)道[15-16]。該文從優(yōu)勢(shì)水流通道的界定和定量計(jì)算入手，借助填砂管實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同滲透率級(jí)差、小層有效厚度及井距的注氣量?jī)?yōu)化方法，為現(xiàn)場(chǎng)制定減氧空氣方案提供參考。

1 注氣量?jī)?yōu)化的原因和思路

從減氧空氣吞吐增油機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果兩個(gè)方面，說(shuō)明注氣量的關(guān)鍵是優(yōu)勢(shì)水流通道中進(jìn)氣比例，并由此引出注氣量?jī)?yōu)化的思路。

1.1 減氧空氣吞吐增油機(jī)理

減氧空氣吞吐的作用機(jī)理是注入氣優(yōu)先進(jìn)入高水淹通道，稱(chēng)為優(yōu)勢(shì)水流通道，分散相的氣泡或者氣體段塞占據(jù)和切割水相，再生產(chǎn)時(shí)，氣體隨水流動(dòng)通過(guò)孔隙喉道時(shí)產(chǎn)生變形力，增加水流阻力，迫使水流轉(zhuǎn)向，進(jìn)入到低水淹區(qū)，驅(qū)替該區(qū)域原油，從而擴(kuò)大水的波及體積，實(shí)現(xiàn)抑水增油[17]。

由增油機(jī)理可知，減氧空氣吞吐注氣量的關(guān)鍵是優(yōu)勢(shì)水流通道的體積。當(dāng)注氣量較小時(shí)，不足以在優(yōu)勢(shì)水流通道中產(chǎn)生有效的堵水作用；當(dāng)注氣量較大時(shí)，雖然氣體在優(yōu)勢(shì)水流通道中充分存在，但更多的氣體進(jìn)入到低水淹區(qū)，如此會(huì)把該區(qū)域的油推向儲(chǔ)層深處，不利于增油，而且如果與其他井或者高滲區(qū)形成氣竄通道則會(huì)大大降低吞吐效果。

此外，儲(chǔ)層的滲透率、滲透率級(jí)差、有效厚度、地層壓力等物性參數(shù)也是影響注氣量的重要因素。在一定注氣速度的情況下，注氣壓力會(huì)越來(lái)越高，受注氣設(shè)備的額定功率的限制，當(dāng)注氣壓力達(dá)到界限值(一般35～40 MPa)時(shí)停止注氣轉(zhuǎn)入悶井待產(chǎn)，此時(shí) ，若儲(chǔ)層物性差(滲透率低、有效厚度小、地層壓力高)，注氣量會(huì)受到更大的影響。

1.2 減氧空氣吞吐實(shí)際效果

現(xiàn)場(chǎng)減氧空氣吞吐的實(shí)際施工過(guò)程中，注氣量往往根據(jù)儲(chǔ)層厚度和滲透率進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算，約為(20～60)×104m3。圖1為魯克沁油藏369口(次)的減氧空氣吞吐井的注氣量與增油量、換油率之間的關(guān)系圖。由圖1可知，注氣量與增油量、換油率的相關(guān)性較差，低的注氣量也能實(shí)現(xiàn)高的增油量和換油率，而高的注氣量也有許多并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。因此，注氣量雖然受厚度、滲透率、級(jí)差等影響，但有效作用部分主要集中在進(jìn)入優(yōu)勢(shì)水流通道的分散氣體，進(jìn)一步說(shuō)明了以優(yōu)勢(shì)水流通道為主的注氣量?jī)?yōu)化更具有針對(duì)性。

圖1 注氣量與增油量、換油率關(guān)系Fig.1 Relationship between gas injection volume，oil increase and oil change rate

1.3 注氣量?jī)?yōu)化的思路

注入氣體是否進(jìn)入了優(yōu)勢(shì)水流通道并在其中發(fā)揮堵水作用是減氧空氣吞吐效果顯現(xiàn)的關(guān)鍵，因此，注氣量的優(yōu)化步驟為:

1)判別優(yōu)勢(shì)水流通道并進(jìn)行定量計(jì)算。優(yōu)勢(shì)水流通道的判別應(yīng)用數(shù)值模擬與含水率方程相結(jié)合的方法，首先確定優(yōu)勢(shì)水流通道的界限含水飽和度，然后得到井間連通通道占井間滲流區(qū)域的比例，最后設(shè)計(jì)出優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙體積的計(jì)算方法。

2)確定優(yōu)勢(shì)水流通道注入氣體孔隙體積倍數(shù)。注入氣在優(yōu)勢(shì)水流通道中占據(jù)的最優(yōu)比例通過(guò)填砂管實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

3)計(jì)算層間吸氣指數(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬方法分析不同滲透率級(jí)差下等厚度儲(chǔ)層的低滲層吸氣基數(shù)，作為不同厚度條件下高滲層和低滲層吸氣指數(shù)計(jì)算的依據(jù)，再由優(yōu)勢(shì)水流通道優(yōu)化氣量反推注氣總量，根據(jù)地層壓力和溫度進(jìn)行折算，最終得到地面注氣量的優(yōu)化結(jié)果。

4)結(jié)果驗(yàn)證。通過(guò)與數(shù)值模擬注氣量?jī)?yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法的可靠性。

2 優(yōu)勢(shì)水流通道的計(jì)算

對(duì)優(yōu)勢(shì)水流通道的研究很多[18-22]，該文認(rèn)為優(yōu)勢(shì)水流通道中的含水較高、滲流阻力小、水流動(dòng)速度快是油井含水0.9以上的主要來(lái)源通道，通過(guò)孔隙中的流量含水率也達(dá)到0.9以上，由此，應(yīng)用孔隙中的含水飽和度進(jìn)行優(yōu)勢(shì)水流通道判別既易理解又相對(duì)簡(jiǎn)單。

根據(jù)油水兩相滲流理論[23]，可以通過(guò)相滲曲線確定含水率曲線，其公式為:

(1)

式中:fw為含水率；μw為水的黏度，cp；μo為油的黏度，cp；krw為水的相對(duì)滲透率；kro為油的相對(duì)滲透率。

取現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層參數(shù):低滲層滲透率100 mD，高滲層滲透率300 mD，地下油黏度為300 cp，地下水黏度為1 cp，油水相對(duì)滲透率曲線如圖2所示，由式(1)得到如圖3所示的含水率曲線圖。

圖2 油水相對(duì)滲透率曲線圖Fig.2 Oil-water relative permeability curve

圖3 含水率與含水飽和度關(guān)系圖Fig.3 Relationship between water content and water saturation

由圖3可得到含水率為0.9時(shí)對(duì)應(yīng)的含水飽和度為0.48，即，儲(chǔ)層中通過(guò)含水飽和度達(dá)到0.48的孔隙時(shí)，總液體流量的含水率可達(dá)0.9以上。

應(yīng)用油藏?cái)?shù)值模擬軟件進(jìn)行一口注水井和一口采油井生產(chǎn)模擬，構(gòu)造網(wǎng)格數(shù)為30×30×3的概念模型，x方向和y方向網(wǎng)格步長(zhǎng)Dx=Dy=5 m，z方向網(wǎng)格步長(zhǎng)Dz=10 m(儲(chǔ)層厚度30 m)；縱向上中間層滲透率為300 mD，上下兩層滲透率都為100 mD，層間級(jí)差為3。當(dāng)油井含水達(dá)0.9時(shí)，中間高滲層含水飽和度分布如圖4所示。

圖4 高滲層含水飽和度分布Fig.4 Water saturation distribution of high permeability layer

圖4顏色區(qū)域顯示了含水大于0.48的網(wǎng)格塊，兩井間被該網(wǎng)格塊充滿的區(qū)域?yàn)閮?yōu)勢(shì)水流通道區(qū)域，則定義優(yōu)勢(shì)水流通道系數(shù)α為優(yōu)勢(shì)水流通道區(qū)域?qū)挾菳與井距L(假設(shè)井間控制區(qū)域?yàn)檎叫?之間的比例，即:

(2)

式中:α為優(yōu)勢(shì)水流通道系數(shù)；B為優(yōu)勢(shì)水流通道區(qū)域?qū)挾?，m；L為井距，m。

該模型中井距為150 m，優(yōu)勢(shì)水流通道區(qū)域?qū)挾葹?5 m，則優(yōu)勢(shì)水流通道系數(shù)α為0.1。

對(duì)于不同滲透率巖石的相滲數(shù)據(jù)及注采規(guī)模，油井含水達(dá)0.9時(shí)形成的優(yōu)勢(shì)水流通道系數(shù)變化不大，因此，確定優(yōu)勢(shì)水流通道的孔隙體積Vφ為:

Vφ=αL2hkhφk

(3)

式中:Vφ為優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙體積，m3；hkh為高滲層有效厚度，m；φk為高滲層孔隙度。

由式(3)計(jì)算出該模型中優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙體積為6 750 m3。3 注氣孔隙體積倍數(shù)的確定

應(yīng)用填砂管實(shí)驗(yàn)?zāi)M水驅(qū)、注減氧空氣及再生產(chǎn)過(guò)程，保持產(chǎn)液量不變，不同時(shí)段的驅(qū)替壓力變化如圖5所示。

圖5 填砂管吞吐實(shí)驗(yàn)驅(qū)替壓力變化圖Fig.5 Displacement pressure change diagram of the huff and puff test with sand-filled pipe

注氣后再生產(chǎn)出現(xiàn)峰值壓力，注氣后生產(chǎn)末期壓力高于水驅(qū)末期壓力，再生產(chǎn)初期含水由原來(lái)的0.9降到0.36，以上三點(diǎn)說(shuō)明減氧空氣在孔隙中增大了水相滲流阻力，增加了油的流動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)了抑水增油作用。

設(shè)定不同的注氣量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果對(duì)比如表1所示。各項(xiàng)吞吐效果參數(shù)并不是隨著注氣量的增加而增大的，當(dāng)注氣量在0.2 PV時(shí)，峰值壓力及末期壓力最大，說(shuō)明該注氣規(guī)模下減氧空氣產(chǎn)生的堵水作用最強(qiáng)，反映到產(chǎn)出油、采收率增量等增油指標(biāo)上，其值也最優(yōu)。經(jīng)過(guò)6組不同滲透率的填砂管實(shí)驗(yàn)，0.2 PV注氣量都表現(xiàn)為最優(yōu)，因此，在實(shí)際單井注氣量?jī)?yōu)化時(shí)，基于優(yōu)勢(shì)水流通道體積的注氣孔隙體積倍數(shù)Qig確定為0.2 PV。

表1 不同注氣量吞吐效果對(duì)比Table 1 Comparison of the huff and puff effect of different gas injection volumes

4 吸氣指數(shù)的確定

減氧空氣吞吐時(shí)，注入氣優(yōu)先進(jìn)入高滲層的優(yōu)勢(shì)水流通道，增加水流阻力以擴(kuò)大波及體積，達(dá)到抑水增油目的，但仍有部分氣體會(huì)進(jìn)入到低滲層非優(yōu)勢(shì)水流通道中。以兩層等厚模型進(jìn)行低滲層吸氣基數(shù)(低滲層吸氣基數(shù)是兩層厚度相等時(shí)低滲層吸氣量與總注氣量的比值)的數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同滲透率級(jí)差低滲層吸氣基數(shù)圖Fig.6 Inhalegas base of low permeability layer with different permeability contrast

由圖6可知，滲透率級(jí)差越大，低滲層吸氣基數(shù)越低，進(jìn)入高滲優(yōu)勢(shì)水流通道的氣量也就越多。對(duì)曲線進(jìn)行冪指數(shù)擬合，得到公式為:

(4)

式中:β為低滲層吸氣基數(shù)；Ik為滲透率級(jí)差。

不同厚度儲(chǔ)層的吸氣指數(shù)(不同厚度時(shí)各層吸氣量與總注氣量的比)在此吸氣基數(shù)上進(jìn)行厚度求權(quán)，即:

(5)

(6)

式中:βh為高滲層吸氣指數(shù)；βl為低滲層吸氣指數(shù)；hkl為低滲層有效厚度，m。

由此，對(duì)于中間高滲層、上下低滲層，滲透率級(jí)差為3的模型，高滲層吸氣指數(shù)為0.763，低滲層吸氣指數(shù)為0.237。

5 注氣量?jī)?yōu)化與檢驗(yàn)

基于優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙體積的注氣量?jī)?yōu)化公式設(shè)計(jì)為:

(7)

式中:Vgsc為地面條件下優(yōu)化注氣量，m3；Bg為氣體體積系數(shù)，m3/m3，28 MPa/80 ℃地層條件下約為0.003 87 m3/m3。

由此得到一注一采概念模型的最優(yōu)注氣量為45.69×104m3。

為了驗(yàn)證該注氣量的吞吐效果，在概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同注氣量的數(shù)值模擬。當(dāng)采油井含水0.9時(shí)，開(kāi)始注入減氧空氣，注入速度為4.5×104m3/d，悶井7天后以原產(chǎn)液量規(guī)模繼續(xù)生產(chǎn)，模擬得到的結(jié)果如圖7所示。以換油率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，注氣量在45×104m3附近時(shí)，換油率達(dá)到12.75 m3/104m3最高值，此方案的有效期為171天，增油574 m3，也是各方案中最好的，因此，數(shù)值模擬結(jié)果與優(yōu)化計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了方法的可靠性。

圖7 不同注氣量與換油率的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.7 Correspondence between different gas injection volume and oil change rate

為了進(jìn)行不同措施井的注氣量設(shè)計(jì)參考，用該文方法計(jì)算出的優(yōu)化注氣量如表2所示。

表2 不同參數(shù)的井優(yōu)化注氣量參照表Table 2 Reference table for gas injection volume optimization of wells with different parameters

由表2可知，井距越大、儲(chǔ)層越厚，優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙體積則越大，需要的注氣量也相應(yīng)越大。又由計(jì)算方法可知，滲透率級(jí)差越大，所需注氣量變小。表2中200 m井距的方案，滲透率級(jí)差為6時(shí)，優(yōu)化注氣量達(dá)到105.87×104m3，實(shí)則是井距和儲(chǔ)層厚度產(chǎn)生的結(jié)果。

6 結(jié)論

1)優(yōu)勢(shì)水流通道的存在是油井含水高的主要原因，減氧空氣吞吐增效的關(guān)鍵是氣體合理封堵優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙中水的流動(dòng)，最優(yōu)的注氣量依賴優(yōu)勢(shì)水流通道孔隙體積的大??；

2)依據(jù)注采關(guān)系確定的井間優(yōu)勢(shì)水流通道，與由于平面非均質(zhì)的高滲帶形成的優(yōu)勢(shì)水流通道有差異，但后者除了較難確定外，還存在很大的不確定性；

3)低滲層吸氣量能占到總注氣量的20%～30%，若注氣厚度較大時(shí)，進(jìn)入優(yōu)勢(shì)水流通道的氣體堵水作用會(huì)被消弱，建議適當(dāng)選擇針對(duì)性強(qiáng)的小層進(jìn)行吞吐措施；

4)理論設(shè)計(jì)注氣量是施工方案的重要參考，由于增油機(jī)理復(fù)雜，影響因素很多，因此，實(shí)際操作過(guò)程中可適當(dāng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及歷史井效果進(jìn)行調(diào)整。