氣頂邊水油藏剩余油分布及采收率提高的實驗研究

葛麗珍， 朱志強(qiáng)， 王永平， 孟智強(qiáng)， 張占女

(中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300459)

0 引 言

氣頂邊水油藏在開發(fā)過程中存在氣頂和邊水兩種能量的相互博弈及平衡[1-2]，由于氣頂和邊水能量差異及油藏本身的非均質(zhì)性，開采過程中油藏內(nèi)氣油、油水界面的運(yùn)移非常復(fù)雜[3]，這類油藏在開發(fā)后期剩余油分布規(guī)律認(rèn)識難度大,目前研究以水驅(qū)后微觀剩余油為主[4-8]。關(guān)于氣頂邊水油藏后期挖潛的研究，多集中在油藏中氣頂?shù)淖R別[9-11]、水平井井網(wǎng)優(yōu)化[12-14]、以及注氣提高采收率等方面[15-19]，氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)提高采收率研究相對較少。由于氣、液流度及密度差異，氣驅(qū)和水驅(qū)等不同開發(fā)方式下油藏采收率差異很大[20]，因此開展氣頂邊水油藏的剩余油分布規(guī)律及提高采收率實驗研究對此類型油藏剩余油挖潛具有重要意義?；诖?，筆者以渤海錦州25-1南油田為例，開展氣頂邊水油藏物理模擬開發(fā)實驗，明確在氣頂和邊水雙重作用下的剩余油分布規(guī)律及形成原因，指導(dǎo)油藏后續(xù)提高采收率策略的制定。

1 油田概況

錦州25-1南油田位于渤海遼東灣海域，其沙河街組為典型的氣頂邊水稀油油藏。油藏天然能量較強(qiáng)，氣頂指數(shù)為1.5～2.0，邊水倍數(shù)約為40。平面上油環(huán)跨度窄，約為400 m，常規(guī)面積井網(wǎng)難以部署，基于此特征，在油環(huán)中部署一排水平井開發(fā)(圖1)。

油田自2009年投產(chǎn)，開發(fā)過程中由于氣頂和邊水能量差異，呈現(xiàn)出不同的生產(chǎn)特征。開發(fā)初期由于氣頂能量較強(qiáng)，采油井表現(xiàn)為產(chǎn)能高、壓力高的特征；2010年采油井開始?xì)飧Z，氣油比大幅上升，大量氣頂氣被采出，油藏壓力下降，氣驅(qū)油特征減弱，邊水能量相對增強(qiáng)，邊水開始推進(jìn)，采油井開始見水；2012年采油井含水上升加快，水竄較嚴(yán)重，油井產(chǎn)能遞減大，油藏壓力急劇降低；2020年以后油藏壓力低于原始壓力的60%，采出程度達(dá)到30%以上，油井產(chǎn)能低，氣竄、水竄均較嚴(yán)重，油藏急需尋求進(jìn)一步挖潛的策略或方向。

2 一維氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)實驗

通過一維填砂管模型來評價氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)開發(fā)后提高采收率的效果。

2.1 實驗

由于氣液密度差較大，設(shè)計水平、垂直兩種填砂管模型進(jìn)行對比實驗，了解氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)后采收率提高幅度及重力作用的影響。填砂管尺寸為φ38 mm×400 mm，采用不同目數(shù)的砂粒填充，以達(dá)到需求的滲透率和孔隙度。實驗用油為模擬油，黏度3.5 mPa·s，氣驅(qū)介質(zhì)采用天然氣，實驗流程如圖2所示。

圖2 一維物理模擬實驗流程Fig. 2 Flow of one-dimensional physical simulation experiment

實驗過程為首先進(jìn)行模型飽和水模擬地層壓力，約16 MPa。其次進(jìn)行油驅(qū)水，建立束縛水飽和度，并計算原始含油飽和度。然后采用模擬油藏氣頂?shù)臍馄窟M(jìn)行氣驅(qū)油實驗，氣瓶壓力隨著氣體采出不斷下降，氣驅(qū)油至無油采出，記錄油體積、氣油比及壓力等。最后在氣驅(qū)結(jié)束后繼續(xù)開展水驅(qū)油實驗，至無油采出，記錄油、水體積等。

2.2 實驗結(jié)果及分析

水平填砂管模型實驗結(jié)果如圖3a所示?？梢钥闯觯涸?.6PV時模型發(fā)生氣竄，氣油比快速增加，產(chǎn)油量下降較快，采收率γ曲線上升變緩；在1.2PV時氣驅(qū)油采收率達(dá)到24%，此時氣竄嚴(yán)重，油采收率η基本不再提高；而后轉(zhuǎn)注水開發(fā)，氣油比下降，油采收率又逐步提高；在1.6PV時含水突破，油采收率增幅變緩；最終油采收率提高到54%，表明氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)后提高采收率空間巨大，達(dá)到30%。

垂直填砂管模型實驗結(jié)果如圖3b所示，可以看出，氣驅(qū)油采收率能夠達(dá)到66%，與水平填砂管相比，采收率提高較多，分析主要原因是氣、油密度差異大，導(dǎo)致重力分異，氣易聚集在填砂管上面，驅(qū)替更均勻，導(dǎo)致采收率較高。氣驅(qū)基本不出油時轉(zhuǎn)注水開發(fā)，水驅(qū)油采收率進(jìn)一步提高到86%，氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)后仍有較大采收率提高空間，達(dá)到20%。

圖3 一維物理模擬實驗結(jié)果Fig. 3 Results of one-dimensional physical simulation experiments

兩組實驗均表明氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)后油的采收率仍有較大的提高空間，可為該類油藏后續(xù)提高采收率指出方向；另一方面重力作用在氣驅(qū)油過程中起到很大的作用，實際油藏開發(fā)過程中應(yīng)盡量利用重力作用提高油藏采收率。

3 氣頂邊水油藏模擬開發(fā)實驗

利用大型物理模擬實驗設(shè)備開展氣頂邊水油藏模擬開發(fā)實驗，以了解不同階段的開發(fā)特征，認(rèn)識油、氣、水三相滲流規(guī)律和剩余油分布規(guī)律，為后續(xù)進(jìn)一步提高油藏采收率打下基礎(chǔ)。

3.1 實驗

大型物理模擬實驗流程圖與一維填砂管模型類似，將填砂管替換為大型三維模型(圖4)，該模型可通過隔板建立不同滲透率的填砂模型，右側(cè)連接氣瓶來模擬氣頂?shù)拇笮。ㄟ^調(diào)整氣瓶的體積模擬不同的氣頂指數(shù)，左側(cè)通過氣瓶和裝滿水的中間容器來模擬邊水，當(dāng)模擬邊水倍數(shù)較大，用氣瓶代替大邊水的彈性能。模型各參數(shù)按照實際油藏參數(shù)通過相似原則進(jìn)行制作，采油井預(yù)先布置在油環(huán)中，根據(jù)不同流體的性質(zhì)進(jìn)行染色。通過顏色區(qū)分油、氣、水三相，以便實現(xiàn)可視化；實驗用氣為氮?dú)?，無色；實驗用油為標(biāo)準(zhǔn)黏度油，通過油溶性染色劑染成紅色；實驗用水為按照地層水離子組成配制模擬地層水，通過水溶性染色劑染成黃色。

圖4 大型物理三維模型Fig. 4 Large physical 3D model

3.2 實驗過程

根據(jù)油田實際儲層特征及滲透率分布設(shè)計實驗將模型分為3層，分別是頂部、中部和底部，滲透率分別為100、500和200 mD。實驗中模擬氣頂指數(shù)為2.0，邊水倍數(shù)為40。由于氣頂能量相對較大，模型中模擬水平采油井距離邊水距離較近，如圖5中黑線所示的位置。對油、水進(jìn)行染色，不同區(qū)域(油環(huán)、邊水、氣頂)分別進(jìn)行飽和，并計量飽和流體體積，如圖5所示，剖面為實驗開始前的初始狀態(tài)，中部紅色為油區(qū)，底部黃色為邊水區(qū)，頂部白色為氣頂區(qū)，模型中初始飽和油的體積為199 mL。

圖5 模型初始剖面Fig. 5 Cross-section of experimental at initial state

實驗過程中采油井采用0.1 mL/min的速度進(jìn)行模擬開發(fā)，隨著壓力的下降，氣頂和邊水逐漸推進(jìn)，油井發(fā)生氣竄和水侵，記錄不同時間段內(nèi)油、氣及水的采出量，并通過錄像觀察氣侵和水侵特征及剩余油分布特征，結(jié)果如圖6所示。氣侵和水侵后油區(qū)紅色變淺，表明油被驅(qū)替采出。

圖6 衰竭開發(fā)實驗結(jié)果剖面Fig. 6 Cross-section of exhaustion development experiment at end state

3.3 衰竭開發(fā)實驗結(jié)果分析

為減少誤差，采用累計曲線進(jìn)行分析，實驗結(jié)果如圖7所示，根據(jù)曲線特征整個衰竭開發(fā)過程大體可分為4個階段。

第一階段為開發(fā)初期：由于氣頂和邊水能量充足，且氣頂能量相對較強(qiáng)，氣頂驅(qū)為初期主要驅(qū)動方式，油在氣頂膨脹的作用下被采出，累產(chǎn)油Vy曲線線性增加，這一階段持續(xù)時間一般相對較短。

第二階段為氣竄階段：實驗約120 min后氣竄發(fā)生，產(chǎn)氣量迅速增加，實驗過程中大量氣體攜帶油通過油井產(chǎn)出，產(chǎn)油量仍線性增加。從圖6可以看出，中間高滲透率層(500 mD)顏色變化最為明顯，表明該層發(fā)生氣竄，且氣竄對儲層物性較敏感，天然氣更容易沿著滲透率高的儲層發(fā)生氣竄；頂部低滲透率層(100 mD)也在氣頂?shù)淖饔孟掳l(fā)生氣驅(qū)油；從圖6中也可以看出，大約有一半的儲層被氣驅(qū)動作用明顯，顏色變淺；而底部中滲透率層(200 mD)氣驅(qū)特征不明顯，顏色變化相對較小，分析主要原因為氣體相對較輕，油氣密度差較大，在重力的作用下，氣體多聚集于儲層頂部和中部，導(dǎo)致底部氣驅(qū)能量較少，為剩余油主要富集區(qū)域。

第三階段為水竄階段：隨著氣竄的持續(xù)發(fā)生，氣頂壓力進(jìn)一步下降，邊水能量相對變強(qiáng)，并開始抑制氣竄的發(fā)生，實驗300 min后油井開始產(chǎn)水，且累產(chǎn)水增加較快，產(chǎn)氣量明顯減少，累產(chǎn)氣Vq曲線上升緩慢，表明此階段水驅(qū)油為主要驅(qū)動方式。從圖7可以看出，中間及底部高中滲透率層顏色變黃，邊水侵入，含水率開始增加；頂部低滲透率層水侵較弱，油動用程度差，存在部分剩余油富集。

圖7 氣頂邊水油藏衰竭開發(fā)模擬實驗結(jié)果Fig. 7 Simulation results of exhaustion development experiment with gas cap edge water reservoir

第四階段為衰竭末期階段：相對于氣體來說，水體的壓縮性很小，油井采出邊水后，水體能量下降很快，無法抑制氣竄的發(fā)生，此時氣頂和邊水能量存在微妙的平衡及相互博弈，由于氣頂及邊水均到達(dá)油井，此時隨著壓力下降，產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量增加較快，油井產(chǎn)油量很小，累產(chǎn)油曲線上升緩慢，最終油采出量為66.8 mL，采出程度達(dá)到33.6%。

3.4 剩余油特征

從實驗數(shù)據(jù)和照片資料得知，不同儲層剩余油特征差異明顯，主要是儲層位置、驅(qū)替介質(zhì)的不同及轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致剩余油賦存位置不一致。頂部儲層：由于重力作用，氣體優(yōu)先聚集在儲層頂部，盡管頂部儲層滲透率小，也發(fā)生明顯的氣驅(qū)油，只是由于中部滲透率較大，發(fā)生氣竄后產(chǎn)生層間干擾，頂部儲層氣驅(qū)油效率不高，剩余油富集于氣頂區(qū)下半部分，如圖6中標(biāo)記①所示；后續(xù)的水驅(qū)階段也是由于重力，邊水對于頂部儲層驅(qū)替效果差，剩余油也相對富集，如圖6中標(biāo)記②所示；與初始狀態(tài)相比，顏色變化較??；中部儲層：該層滲透率最大，且飽和度也最大，是開發(fā)的主力油層。初期氣驅(qū)油特征明顯，且最先發(fā)生氣竄，氣驅(qū)后氣頂區(qū)存在部分剩余油，如圖6中標(biāo)記③所示；后續(xù)的邊水驅(qū)階段水驅(qū)效果也較好，下部剩余油較少，如圖6中標(biāo)記④所示。底部儲層：該層滲透率中等，氣驅(qū)階段由于氣頂多作用于中上儲層，該層剩余油整體富集，如圖6中標(biāo)記⑤所示；后續(xù)邊水驅(qū)階段水驅(qū)油效果較好，下部基本無剩余油，如圖6中標(biāo)記⑥所示。整體來看，剩余油主要富集于氣頂區(qū)，以動用氣頂區(qū)剩余油為主要挖潛方向。

3.5 氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)實驗結(jié)果分析

通過衰竭開發(fā)實驗，已經(jīng)明確剩余油分布規(guī)律，此時天然能量已較低，無法進(jìn)一步有效驅(qū)替。為進(jìn)一步提高油采收率，需要人工補(bǔ)充能量，實驗中開展了氣頂區(qū)注水研究，分別對3套儲層氣頂區(qū)轉(zhuǎn)注水實驗研究，氣頂區(qū)注水位置及效果如圖8所示，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖9中⑤階段所示。頂部低滲透層剩余油存在于氣頂區(qū)下部，轉(zhuǎn)水驅(qū)后驅(qū)替油3.3 mL，采收率提高1.7%；中部高滲透層為主力層，且本身含油飽和度大，氣驅(qū)后氣頂區(qū)仍存在不少剩余油，轉(zhuǎn)水驅(qū)后增油量為9.2 mL，采收率的提高幅度為4.6%；底部中滲透層氣頂區(qū)剩余油較多，轉(zhuǎn)注水后驅(qū)替油5.8 mL，采收率提高2.9%；合計氣頂區(qū)轉(zhuǎn)注水后能驅(qū)替油18.3 mL，采收率提高9.2%，提高幅度可觀，為氣頂邊水油藏剩余油挖潛提供了實驗依據(jù)，目前錦州25-1南油田正在開展氣頂區(qū)注水方案研究。

圖8 氣頂區(qū)注水實驗剖面 Fig. 8 Cross-section of water-flood development experiment

圖9 氣頂區(qū)注水實驗數(shù)據(jù)結(jié)果Fig. 9 Simulation results of water-flood development experiment with gas cap edge water reservoir

4 結(jié) 論

(1)氣頂邊水油藏不同的開發(fā)特征主要是由于氣頂、邊水能量差異導(dǎo)致，開發(fā)過程中不同驅(qū)替介質(zhì)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致不同的開發(fā)特征和采收率。

(2)一維實驗結(jié)果表明氣驅(qū)轉(zhuǎn)水驅(qū)后采收率提高的幅度仍較大，且重力作用對其采收率的影響較大。

(3)氣頂邊水油藏開發(fā)后期剩余油分布規(guī)律受控于氣頂邊水能量差異、儲層非均質(zhì)性、重力作用等，主要富集于氣頂區(qū)附近，是主要挖潛方向。

(4)實驗中氣頂邊水油藏氣頂區(qū)注水提高采收率幅度仍較可觀，可為同類型氣頂邊水油藏剩余油挖潛及方案編制提供基礎(chǔ)。