低滲透油田超前注水對開發效果的影響

張承麗， 宋國亮， 魏明國， 殷代印

( 1. 東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學 數學科學與技術學院，黑龍江 大慶 163318； 3. 大慶鉆探工程公司 鉆井二公司，黑龍江 大慶 163413 )

0 引言

低滲透油田[1-4]顯著的特征是存在啟動壓力梯度和壓敏特征[5]，在開發過程中滲流阻力大，壓力傳導能力差，單井產量遞減速度加快，穩產難度加大，而且壓力、產量降低后，恢復起來十分困難，嚴重制約低滲透油田的開發水平.針對低滲透油田流體滲流的特點，在長期的合理開發方式探索過程中，長慶、大慶、吉林、新疆等低滲透油田提出一種改善油藏開發效果的有效注水開發模式，即超前注水[6].超前注水技術能合理地補充地層能量，提高地層壓力，使油井長期保持較高的生產能力，產量遞減明顯減小；同時，能防止原油物性變差，有效保證原油滲流通道的暢通，提高注入水波及體積.

原蘇聯學者多主張超前注水，認為超前注水保持地層壓力，可以獲得較長時間的高產穩產；李亮等[7]以長慶油田三疊系延長組油藏為例，通過超前注水實驗效果對比，得出超前注水能夠防止原油物性變差；車起君等[8]對超前注水提高單井產量機理及作用進行研究，提出超前注水有效壓力驅替系統、超前注水地層壓力保持水平、注水時機；王建華[9]開展超前注水提高產量機理及作用的研究；曾建[10]開展長慶特低滲透油藏超前注水改善開發效果機理的研究.

筆者以朝陽溝油田長10區塊為例，用理論和數值模擬的方法分別研究低滲透油田超前注水對脫氣半徑、原油黏度、無因次采液/采油指數、含水率、原油產量、波及系數和采收率的影響，為有效開發低滲透油田提供指導.

1 原油黏度

1.1 減小脫氣半徑

脫氣半徑計算公式[11]為

(1)

式中：rb為脫氣半徑；pb為飽和壓力；pwf為油井井底流動壓力；c為待定因數(對某一具體區塊為常數)；re為供給半徑；pe為供給邊界壓力；rw為井筒半徑.

應用長10區塊油氣相對滲透率曲線、高壓物性曲線和生產油氣比數據，計算該區塊c=0.005 116，二次平方項可以忽略不計，式(1)簡化為

(2)

脫氣半徑為

(3)

根據式(3)計算不同井底流壓、不同地層壓力下的脫氣半徑(見圖1).由圖1可知，相同地層壓力條件下，井底流壓越大，脫氣半徑越小；井底流壓一定時，隨著平均地層壓力的提高，脫氣半徑減小.

1.2 原油黏度

原油黏度是影響油井產量及采收率的重要因素之一，掌握地層原油的黏度對于油井動態預測和提高采收率等是必要的.長10區塊地層原油黏度隨壓力變化實驗數據見圖2，其中該區塊飽和壓力為4.5 MPa.由圖2可知，當地層壓力高于飽和壓力時，隨著壓力逐漸上升，原油黏度略有增加，但變化不大，壓力增加1 MPa，原油黏度平均僅提高0.03 mPa·s，基本保持不變；當壓力低于飽和壓力時，隨著壓力的下降原油黏度急劇增加，壓力降低1 MPa，原油黏度平均增加1.60 mPa·s.

圖1 長10區塊脫氣半徑與地層壓力關系曲線

圖2 長10區塊原油黏度隨地層壓力變化關系曲線

對于超前注水油藏，在油藏未脫氣部位，壓力升高引起的對開發效果不利影響可以忽略不計；而在油井附近油藏脫氣部位，由于平均地層壓力升高，使脫氣半徑減小，這有利于提高開發效果.反之，如果油井地層壓力下降，脫氣半徑增大，原油黏度大幅度增加，將降低開發效果.

2 無因次采油、采液指數

無因次采液指數表明某一儲層供液能力，而采液指數則表征該層上一口生產井的采液能力.無因次采液指數JDL為

JDL=JL/(JL)fw=0=QL/Qomax,

(4)

QL=Qo+Qw,

(5)

(6)

(7)

式(4～7)中：JL為任一含水飽和度下的采液指數；Qomax為油藏條件下含水率為0時的產油量；QL，Qo，Qw分別為油藏條件下的采液量、產油量和產水量；μo，μw分別為油藏條件下油和水的黏度；S為表皮因數；Δp為生產壓差；K為地層滲透率；Kro為油相相對滲透率；Krw為水相相對滲透率；h為生產層有效厚度；G為啟動壓力梯度；fw為含水率.

將式(5～7)代入式(4)，得無因次采液指數與油水相對滲透率的關系[12]為

(8)

式中：Sw為含水飽和度；Swi為原始含水飽和度.

無因次采油指數JDO為

JDO=JDL(1-fw).

(9)

圖3 長10區塊無因次采液/采油指數與含水率關系曲線

根據長10區塊相對滲透率曲線計算無因次采油/采液指數和含水率(見圖3).由圖3可知，超前注水后，地層壓力從7.3 MPa上升到9.5 MPa，相同含水率條件下，無因次采油/采液指數增大，并且隨著含水率的升高，無因次采液指數先減小，然后增大，含水率達到60%左右，無因次采液指數降到最低，含水率大于60%后，無因次采液指數逐漸增大，最高達到1.3.

3 油井含水率

由于啟動壓力梯度的存在，低滲透油藏的水驅開發效果與中、高滲油藏水驅開發效果存在較大差別.低滲透油藏油水兩相基本滲流運動方程[13]為

(10)

(11)

式(10～11)中：Bo為原油體積系數；A為過流面積；L為流體滲流距離；Go為油相啟動壓力梯度；Gw為水相啟動壓力梯度.

根據兩相滲流實驗，相比于油相啟動壓力梯度，水相啟動壓力梯度可以忽略，式(11)可寫為

(12)

根據含水率的定義，有

(13)

圖4 長10區塊采出程度與含水率關系曲線

將式(10)、(12)聯立得到存在啟動壓力條件下fw的表達式為

(14)

根據長10區塊相對滲透率曲線計算采出程度和含水率關系曲線(見圖4).由圖4可知，超前注水后，地層壓力從7.3 MPa上升到9.5 MPa，相同采出程度情況下，含水率降低，采收率從19.89%增加到21.01%，增加1.12%.

4 原油產量

低滲透油藏最顯著的特征是存在啟動壓力梯度和壓敏現象，已有的產量公式不再適用于低滲透油藏[14-15].適合超前注水條件，油藏平均壓力高于原始地層壓力，考慮黏度和滲透率變化的油井產量計算公式為

(15)

式中：αk為壓敏作用下與滲透率相關的變形系數；αμ為壓敏作用下與黏度相關的變形系數；pi為原始地層壓力.

從式(15)可以看出，壓差項中除存在啟動壓力項G(re-rw)外，還存在由壓敏作用和脫氣導致滲透率降低、黏度增加而引起的附加阻力項Δpa，即

Δpa=(αk+αμ)[(pwf-pi)2-(pe-pi)2].

(16)

附加阻力項Δpa的大小與流壓、地層壓力有關，流壓降低壓敏作用加重、脫氣半徑增大，附加阻力增大；地層壓力升高，壓敏作用減輕、脫氣半徑減小，附加阻力減小.基本參數：αk=0.023 MPa-1，αμ=0.035 MPa-1，pwf=2 MPa，pi=7.3 MPa，根據式(16)，油層壓力為7.3 MPa時，附加阻力為0.82 MPa；當油層壓力提高到9.5 MPa時，附加阻力下降到0.67 MPa.根據穩定滲流壓力分布公式，計算不同超前注水時間油井投產后穩定滲流階段壓力和壓力梯度分布曲線(見圖5和圖6).由圖5和圖6可知，超前注水后，油層壓力提高，生產壓差增大，壓力梯度增大，同時附加阻力減小，產量提高，根據式(15)計算不同地層壓力條件下投產初期單井增產幅度(見表1).由表1可知，長10區塊實施超前注水后，如果地層壓力從7.3 MPa升高到9.5 MPa，投產初期增產幅度為27.7%.

圖5 長10區塊不同超前注水時間地層壓力分布曲線

圖6 長10區塊不同超前注水時間壓力梯度分布曲線

表1 長10區塊超前注水不同壓力條件下投產初期單井增產幅度

5 波及系數及采收率

利用MSFLOW數值模擬軟件，采用非達西數值模擬方法，考慮啟動壓力梯度，長10區塊油藏參數見表2，采用反九點注水方式，分別計算同步注水和超前注水2種方案，研究油井投產時平均地層壓力對波及系數和采收率的影響.

表2 長10區塊油藏模型參數

同步注水時，油水井同時投產投注，油藏原始地層壓力為7.3 MPa；超前注水時，只有水井開井，分別模擬油層平均壓力上升到9.5 MPa和11.0 MPa時油井開井生產.油井開井生產后，保持注采平衡，模擬含水率98%，計算水驅波及系數和采收率，計算結果見表3，飽和度場見圖7和圖8.

由表3可知，長10區塊采取同步注水，波及系數為86.30%(有效動用系數為0.863)，采收率為18.60%；采取超前注水，平均地層壓力升高到9.5 MPa時油井投產，波及系數提高到94.24%(有效動用系數為0.942)，有效動用系數增加0.079，采收率提高到20.82%，增加2.22%；平均地層壓力升高到11.0 MPa時油井投產，波及系數提高到96.00%，有效動用系數僅增加0.018，采收率提高到21.32%，增加0.50%.結果表明，對于滲透率為7×10-3μm2的油藏，當超前注水使平均地層壓力升高到9.5 MPa以后，有效動用系數已經達到0.942，絕大部分區域驅動壓差已能夠克服啟動壓力梯度，繼續提高平均地層壓力，波及系數和采收率增加幅度不大.

表3 200 m井距不同平均地層壓力條件下波及系數與采收率計算結果

圖7 長10區塊地層壓力9.5 MPa飽和度場變化

圖8 長10區塊地層壓力11.0 MPa飽和度場變化

6 結論

(1)對于超前注水油藏由于平均地層壓力升高，使脫氣半徑減小，有利于提高開發效果；反之，如果油井地層壓力下降，脫氣半徑增大，原油黏度大幅度增加，將降低開發效果.

(2)實施超前注水，無因次采液指數、采油指數略有增加，含水率低于60%時，無因次采液指數下降；含水率高于60%時，無因次采液指數逐漸上升，最高達到1.3.

(3)超前注水后，地層壓力從7.3 MPa上升到9.5 MPa，相同采出程度情況下，含水率降低.

(4)實施超前注水后，如果地層壓力從7.3 MPa升高到9.5 MPa，投產初期增產幅度為27.7%，提高采收率2.22%；有效動用系數增加0.079.