氣頂邊水油藏天然能量開發(fā)界面運(yùn)移規(guī)律研究

岳寶林 祝曉林 劉 斌 陳存良 王欣然

中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459

0 前言

氣頂邊水油藏作為一種特殊的油藏類型,其滲流機(jī)理較常規(guī)油藏的滲流機(jī)理更為復(fù)雜,氣頂與邊水系統(tǒng)在成藏過程中已形成動(dòng)力學(xué)平衡,開發(fā)過程中,伴隨著油環(huán)區(qū)投入開采,其地層壓力下降,氣頂氣與邊底水向井底推進(jìn),過早的氣竄與水錐均對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生不利的影響[1-3]。伴隨著水平井的廣泛應(yīng)用,海上油田以平行于油氣水界面的方式部署水平井開發(fā)氣頂邊水油藏取得了較好的成效[4-6]。合理的水平井垂向位置設(shè)計(jì)和開發(fā)方式可以使氣頂氣與邊底水均衡驅(qū)替以延遲氣頂與邊水的突進(jìn),優(yōu)化開發(fā)效果[7-9]。目前,對(duì)此類油藏的研究以數(shù)值模擬為主[10-14],該方法對(duì)氣頂邊水油藏的開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義,但模擬結(jié)果與礦場實(shí)踐仍然存在較大的差別[14-18],如數(shù)值模擬中油氣與油水界面推進(jìn)都比較穩(wěn)定,而實(shí)際生產(chǎn)跟蹤中有明顯沿高滲條帶舌進(jìn)造成快速氣竄與水竄的現(xiàn)象[19]。本文以典型的大氣頂窄油環(huán)油藏錦州X油藏為研究對(duì)象,應(yīng)用填砂建立二維可視化物理模型,開展天然能量開發(fā)模擬實(shí)驗(yàn),研究氣頂氣、邊底水推進(jìn)特征,應(yīng)用油藏工程方法[20]完成油氣界面運(yùn)移距離計(jì)算,從而為油田開發(fā)提供重要參考。

1 研究區(qū)油田概況

錦州X油藏是具有大氣頂、窄油環(huán)、弱邊水等典型特征的砂巖油藏,由于天然能量較強(qiáng),以天然能量水平井開發(fā)為主,見圖1。在開發(fā)過程中同時(shí)受氣頂與邊水雙相驅(qū)替,油環(huán)跨度窄,流體界面運(yùn)移復(fù)雜,開發(fā)難度大。經(jīng)過不斷摸索和研究,當(dāng)前的開發(fā)方式初期取得了較好的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益,但隨著油藏進(jìn)入中晚期,開發(fā)矛盾越來越突出,氣竄對(duì)單井產(chǎn)油量的影響日益嚴(yán)重,剩余油分布零散且研究手段有限,油田挖潛難度大。需要明確今后的能量驅(qū)動(dòng)方式,了解界面運(yùn)移規(guī)律,評(píng)價(jià)當(dāng)前開發(fā)方式的合理性,提出改進(jìn)方法。

圖1 錦州X油藏水平井布井示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal well layout in JZ-X reservoir

2 氣頂邊水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過二維物理模擬驅(qū)替實(shí)驗(yàn)進(jìn)行錦州X油藏天然能量開發(fā)驅(qū)油模擬,觀察氣頂與底水驅(qū)油過程,對(duì)比氣竄與水錐對(duì)開發(fā)效果的影響,評(píng)價(jià)當(dāng)前井網(wǎng)適應(yīng)性,研究原油采收率的影響因素,為后續(xù)開發(fā)方式選擇提供依據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

應(yīng)用模型規(guī)格為500 mm×500 mm×40 mm(內(nèi)部尺寸)的大型可視化二維物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置開展相關(guān)研究,見圖2。實(shí)驗(yàn)用氣為天然氣,無色(不易染色);實(shí)驗(yàn)用油為煤油或標(biāo)準(zhǔn)黏度油(透明),通過油溶性染色劑染成紅色;實(shí)驗(yàn)用水為按照地層水離子組成配制模擬的地層水(透明),通過水溶性染色劑染成藍(lán)色或綠色。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置與模擬示意圖Fig.2 Experimental device and simulation diagram

2.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

以幾何相似(油環(huán)長度與寬度之比、油環(huán)長度與厚度之比、氣頂指數(shù)、油藏傾角),物性相似(油水密度比、油氣密度比、初始飽和度場、氣相體積系數(shù)),生產(chǎn)動(dòng)態(tài)相似(產(chǎn)量與地質(zhì)儲(chǔ)量之比)為原則,對(duì)目標(biāo)油藏原型進(jìn)行剖面模型化,見圖3。

圖3 油藏模型圖Fig.3 Reservoir model diagram

錦州X油藏滲透率285×10-3μm2、孔隙度31.6%、原始含油飽和度0.67、束縛水飽和度0.33、油藏溫度68 ℃、油藏壓力16 MPa、油層寬度700 m、原油黏度3 mPa·s、油層厚度10 m、隔夾層厚度3 m、水平井部署于油柱高度下1/3處、水平井長度400 m、油層傾角15°。依據(jù)512的比例系數(shù)完成模型參數(shù)設(shè)計(jì):油層厚度5.9 cm,隔夾層厚度1.7 cm,水平井長度28.2 cm。該模型填砂厚度為4.2 cm,可以計(jì)算油層體積為770 mL,氣頂和邊水部分的模型體積均為503 mL。根據(jù)孔隙度和含油飽和度計(jì)算油層內(nèi)油的體積為160 mL,氣頂內(nèi)氣體體積為505 mL×31%=157 mL,氣頂指數(shù)為2的情況下,氣瓶中氣體體積為163 mL,邊水體積倍數(shù)為40倍的情況下,邊水模擬氣瓶體積213 mL,邊水體積部數(shù)為5倍的情況下,邊水模擬氣瓶體積26 mL,依據(jù)實(shí)際油田3%的采油速度計(jì)算模型產(chǎn)油量為0.1 mL/min。

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

制作填砂模型,進(jìn)行油水染色,先飽和水,再飽和油,模型的氣頂端通過一口(或多口)井與儲(chǔ)氣罐相連,通過調(diào)整儲(chǔ)氣罐的體積模擬合適的氣頂指數(shù)。將儲(chǔ)氣罐與裝水的中間容器相連,通過儲(chǔ)氣罐體積來模擬邊水的能量及其衰竭過程。以 0.1 mL/min 恒速采油模擬油田開發(fā),進(jìn)行油氣水計(jì)量和界面特征的記錄。

2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

油環(huán)受氣頂與邊水的雙重影響,由于氣黏度遠(yuǎn)低于油、水黏度,一般認(rèn)為氣竄速度大于水竄速度,水平井部署于油柱高度下1/3處。對(duì)油藏的氣頂指數(shù)與油藏體積認(rèn)識(shí)確定性較高,而邊底水倍數(shù)的認(rèn)識(shí)存在一定不確定性,對(duì)強(qiáng)邊水(40倍)和弱邊水(5倍)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.6 流體產(chǎn)出

強(qiáng)邊水:200 min時(shí)氣體產(chǎn)量急劇增加,之后伴隨著邊底水突破,油井附近壓力得到補(bǔ)充,氣竄現(xiàn)象得到一定緩解,采氣速度下降。隨后含水逐步增加,邊底水能量下降,采氣速度逐漸升高,采油速度逐漸降低,最終采出油量81.3 mL,見圖4-a)。

弱邊水:200 min時(shí)氣體產(chǎn)量急劇增加,見水后采氣速度有所降低,在1 200 min含水達(dá)到100%,最終采油量51.8 mL,見圖4-b)。

a)強(qiáng)邊水模型產(chǎn)出計(jì)量圖a)Output measurement chart of strong edge water

不同邊底水能量下,氣頂推進(jìn)速度基本相同,200 min 左右發(fā)生氣竄,弱邊水的見水時(shí)間要長很多。

2.7 產(chǎn)出特征

強(qiáng)邊水:氣油比最高到4 000 m3/m3,無水采油期短,含水上升快,最終采收率42%,見圖5-a)。

弱邊水:氣油比最高到10 000 m3/m3,無水采油期長,含水上升慢,最終采收率26%,見圖5-b)。

a)強(qiáng)邊水模型產(chǎn)出特征圖a)Characteristics of strong edge water

因氣黏度遠(yuǎn)低于油、水黏度,氣驅(qū)效果要遠(yuǎn)差于水驅(qū)效果。

2.8 界面特征

觀察驅(qū)替過程中油水界面變化,由于氣頂不動(dòng)用,伴隨著開發(fā)的進(jìn)行,壓力的降低,氣體體積膨脹并沿模型頂部侵入油環(huán),油氣界面有明顯的下移現(xiàn)象,見圖6。同時(shí),由于邊水體積變化較小,水侵入主要以水錐的形式發(fā)生,油水界面運(yùn)移不明顯。

圖6 二維物理模擬實(shí)驗(yàn)圖Fig.6 Two dimensional physical simulation experiment image

3 實(shí)際油田界面運(yùn)移預(yù)測

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場動(dòng)態(tài)跟蹤可知,氣竄是影響氣頂邊水油藏開發(fā)效果的主要因素,對(duì)油氣界面運(yùn)移規(guī)律的研究是該類油田開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),該類油田氣頂和油區(qū)是一個(gè)統(tǒng)一的水動(dòng)力系統(tǒng),開發(fā)前處于壓力平衡狀態(tài),伴隨著開發(fā)的進(jìn)行,氣頂與油區(qū)產(chǎn)生壓降,氣頂體積膨脹,油氣界面出現(xiàn)下移,以物質(zhì)平衡方程與氣體狀態(tài)方程為基礎(chǔ),推導(dǎo)氣體侵入油環(huán)體積為:

(1)

式中:VGO為氣體侵入油環(huán)體積,m3;VG為原始狀態(tài)下氣頂體積,m3;NG為原始狀態(tài)下氣頂氣儲(chǔ)量,m3;NGi為某階段氣頂氣儲(chǔ)量,m3;BG為原始狀態(tài)下氣頂氣體積系數(shù);BGi為某階段氣頂氣體積系數(shù);NPG為某階段累積產(chǎn)氣量,m3;NPO為某階段累積產(chǎn)油量,m3;RS為溶解氣油比,m3/m3;p為原始狀態(tài)地層壓力,MPa;pi為某階段地層壓力,MPa。

將實(shí)際油藏抽提為一個(gè)帶有同樣地層傾角的平行六面體,油氣水分布與原區(qū)塊油氣水分布相同,儲(chǔ)量分布等同,見圖7。同時(shí)對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率、飽和度采用平均值處理,氣侵高度為:

(2)

式中:HGO為氣侵高度，m;LOG為模型側(cè)面長度(模擬油氣界面長度),m;W為模型正面長度(模擬井距),m;φ為油層孔隙度，小數(shù)；Swc為束縛水飽和度;Sor為束縛油飽和度;α為地層傾角,(°)。

圖7 模型示意圖Fig.7 Model diagram

選擇錦州X油藏3井區(qū)I油組開展油藏工程方法計(jì)算,選取儲(chǔ)層及流體靜態(tài)參數(shù)(油儲(chǔ)量、氣儲(chǔ)量、氣頂指數(shù)、孔隙度、巖石壓縮系數(shù)、油柱高度、水體倍數(shù)、油藏原始?jí)毫?、原始溶解氣油?、流體生產(chǎn)參數(shù)(累積產(chǎn)氣與地層壓力關(guān)系、采油速度、采氣速度)、流體高壓物性參數(shù)(原油體積系數(shù)、氣相體積系數(shù)、溶解氣油比),計(jì)算油氣界面垂直運(yùn)移距離，見表1。

表1 錦州X油藏油氣界面垂直運(yùn)移距離計(jì)算表

截至2020年底,油氣界面垂直下移距離13.4 m,油柱高度33.0 m,水平井部署在油柱高度下1/3處,距離原始油氣界面垂直距離22.0 m,該油田2015年通過補(bǔ)充采氣井實(shí)現(xiàn)油氣同采的方式,預(yù)測2035年油氣界面整體推移至油井處。表明當(dāng)前氣頂體積雖然膨脹侵入油環(huán),但通過采氣控制氣侵速度,可以使油氣界面運(yùn)移周期與油田開發(fā)周期基本一致,以油氣同采的方式優(yōu)化油田開發(fā)。對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的部分氣竄井,可采用暫停關(guān)井的方式恢復(fù)油氣界面,緩解氣竄。

4 結(jié)論

1)開展二維物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M氣頂邊水油藏天然能量開發(fā),隨著壓力的降低,氣體體積膨脹并沿模型頂部侵入油環(huán),油氣界面有明顯的下移現(xiàn)象。同時(shí),由于邊水體積變化較小,水侵入主要以水錐的形式發(fā)生,油水界面運(yùn)移不明顯。

2)因氣黏度遠(yuǎn)低于油、水黏度,氣驅(qū)效果要遠(yuǎn)低于水驅(qū)效果,發(fā)生氣竄后會(huì)嚴(yán)重影響開發(fā)效果。

3)錦州X油藏通過補(bǔ)充采氣井,氣頂膨脹得到有效控制,緩解了油氣界面侵入速度,預(yù)測油氣界面運(yùn)移周期與油田開發(fā)周期基本一致,表明油氣同采的方式有利于該類油藏高效、合理開發(fā)。