大慶外圍特低滲透油藏非線性滲流周期注水研究

王玫珠，楊正明，王學武，陳玥，于榮澤，4

（1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；4.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心，河北 廊坊 065007）

大慶外圍特低滲透油藏非線性滲流周期注水研究

王玫珠1，2，楊正明2，王學武2，陳玥3，于榮澤2，4

（1.中國科學院滲流流體力學研究所，河北 廊坊 065007；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；3.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；4.國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心，河北 廊坊 065007）

大慶外圍某特低滲透試驗井區(qū)平面非均質性嚴重，周期注水利于驅動低滲透區(qū)原油。由于特低滲透油藏壓力敏感性強，文中根據(jù)非線性滲流規(guī)律，進行數(shù)值模擬研究，優(yōu)化周期注水方式。采用礦場實際數(shù)據(jù)，選取矩形五點井網，建立平面非均質模型，分析“增注—減注”方式與“增注—停注”方式的含水率、采出程度、有效驅動體系的建立及地層壓力保持情況。結果表明，“增注—減注”方式比“增注—停注”方式采出程度高、驅油波及系數(shù)大、低滲區(qū)非線性及儲層傷害影響小。分析結果對低/特低滲透油藏注水開發(fā)具有指導意義。

特低滲透油藏；非線性滲流；周期注水；注水方式；數(shù)值模擬

由于層間矛盾突出，常規(guī)注水開發(fā)將大大降低原油采收率［1］。為了解決常規(guī)注水的不完善性，前蘇聯(lián)學者М·л·Сургучев提出了周期注水的方案［2］，在此基礎上，國內外學者對于周期注水的機理、適用性等進行了實驗室研究［3-7］、數(shù)學模型研究［2，8-13］和礦場試驗［14-16］。上述研究主要針對中高滲透油藏的層間矛盾展開，對于特低滲透油藏的周期注水研究尚少，而特低滲透油藏由于孔隙結構復雜，存在非線性滲流規(guī)律和應力敏感性強等不同于中高滲透油藏的特征［16-19］，因此有必要對特低滲透油藏的周期注水方式進行研究。

本文針對特低滲透油藏的儲層特征和滲流特征，對其周期注水方式及注水方案進行了研究，并提出了“增注—減注”的周期注水方式，相比于傳統(tǒng)的“增注—停注”方式，既能降低由于應力敏感性而產生的儲層傷害，又能充分發(fā)揮周期注水的作用效果。

1 非線性數(shù)值模擬理論

研究表明，流體在特低滲透油藏中的流動不再是達西流動，也不是擬線性流動，而是存在啟動壓力梯度的非線性滲流（見圖1）。特低滲透油藏滲流分為2段：AB段，非線性滲流段；BC段，擬線性滲流段。其中A點為最小啟動壓力梯度，B點為臨界啟動壓力。

圖1 滲流規(guī)律曲線示意

特低滲透巖心梯度非線性滲流實驗表明，地層某一點的視滲透率不為常數(shù)，其隨壓力梯度的變化而變化（見圖2）。

圖2 視滲透率與壓力梯度關系曲線

對于低、特低滲透巖心，驅動壓力梯度較小時，滲流曲線出現(xiàn)明顯的非線性特征，巖心的有效滲透率隨壓力梯度的變化而變化，當壓力梯度增加到臨界啟動壓力梯度后，滲透率逐漸趨于恒定。因此，滲流方程修正為

式中：v為滲流速度，m/s；K*為視滲透率，μm2；p為壓力，MPa；μ為黏度，mPa·s。

根據(jù)滲透率與壓力梯度的關系，擬合得到視滲透率與絕對滲透率的關系方程：

式中：K為絕對滲透率，μm2；a為曲線彎曲段的影響因子，a＞0；b為擬啟動壓力梯度模型中擬啟動壓力梯度的倒數(shù)。

當a≥1.0時，曲線過原點，最小啟動壓力梯度為0，得到過原點非線性滲流模型；0＜a＜1.0時，最小啟動壓力梯度為 1-（ ）a/b，為存在最小啟動壓力梯度的非線性滲流模型；a=0時，模型簡化為擬啟動壓力梯度模型。a=0，b→+∞，擬啟動壓力梯度不存在，流體與固體作用非常弱，退化成達西滲流模型。a，b值通過與實驗數(shù)據(jù)擬合得到（見圖3）。

圖3 擬合a，b值曲線

通過擬合得到的非線性滲流規(guī)律下的滲流方程為連續(xù)光滑方程，數(shù)值計算中能夠實現(xiàn)全隱式求解。根據(jù)相應的假設條件、數(shù)學方程、邊界條件和初始條件，利用塊中心七點有限差分法對非線性滲流數(shù)學模型進行差分離散，引入無因次滲透率系數(shù)對絕對滲透率進行修正，建立了非線性滲流數(shù)值模型，并利用交替迭代求解方法進行數(shù)值求解。

2 周期注水方式

傳統(tǒng)的“增注—停注”注水方式，在停注階段沒有供給地層能量，使特低滲透儲層產生壓敏性傷害［20］。針對特低滲透油藏的儲層特征和滲流特征，在考慮低滲透非線性滲流規(guī)律和應力敏感性的同時，考慮了重力和毛管力，應用編制的非線性滲流數(shù)值模擬軟件，對特低滲透油藏的周期注水方式進行了研究，提出了“增注—減注”周期注水方式，通過數(shù)值模擬對比2種注水方式。

采用某低滲透油田實際數(shù)據(jù)，儲層有效厚度為5 m，孔隙度為13%，頂層深度為1 600 m。設計平面非均質模型，建立300 m井距5點井網單元地質模型，分為4個不同滲透率區(qū)域，儲層滲透率分別為：10.0×10-3，3.0×10-3，1.0×10-3，0.5×10-3μm2，4口生產井 Pro1，Pro2，Pro3，Pro4分別設置在4個滲流區(qū)域，中間設置1口注水井（Inj）。考慮人工壓裂措施，人工裂縫半縫長45 m，利用等效導流能力方法模擬人工裂縫。模擬時間為5 a，生產井恒定井底壓力10 MPa生產，水井定注入量注入，注水周期為2個月，“增注—減注”周期注水方式增注周期注水量15 m3/d，減注周期注水量5 m3/d；“增注—停注”周期注水方式增注周期注水量20 m3/d，停注周期不注水。

圖4為2種周期注水方式下采出程度隨生產時間的變化曲線，可以看出：隨著生產的進行，“增注—停注”方式采出程度低于“增注—減注”方式。這是由于隨著生產的進行，“增注—減注”方式仍可保證較充足的能量補充，利于驅動低滲區(qū)原油。

圖4 采出程度曲線

圖5為2種周期注水方式下含水率與采出程度的關系曲線，可以看出：無水采油期以后，相同采出程度下“增注—停注”方式含水率高。這是由于“增注—停注”方式對儲層產生壓敏性傷害，注入水進入低滲層阻力增大，更容易沿高滲透層突進，注入水波動幅度越大，沿較高滲透率儲層突進越厲害。

圖5 含水率隨采出程度變化曲線

圖6為模擬時間5 a時“增注—停注”方式與“增注—減注”方式剩余油飽和度分布。

由圖可以看出：在相同注水量條件下，采取 “增注—減注”方式，低滲透區(qū)含油飽和度低，說明這種方式利于驅動低滲區(qū)原油，能夠改善儲層非均質性造成的注水波及效率低的問題，油水前緣向前推進得比較均勻；2種周期注水方式對較高滲透率區(qū)域的驅掃效果相近。

圖6 剩余油飽和度分布

圖7為模擬時間5 a時“增注—停注”與“增注—減注”方式的壓力梯度分布。

由圖可以看出：“增注—停注”方式的注水井井底壓力梯度明顯大于“增注—減注”方式，前者停注階段對地層能量沒有補充，周期注水停注之后儲層滲透率下降，造成復注困難，更多的能量被消耗在建立有效驅動體系上，需要更多的能量驅動低滲透層，注水效率降低。采用“增注—減注”方式，Pro4井與注入井之間形成連通的壓力梯度區(qū)，視滲透率遠大于“增注—停注”方式，降低了非線性滲流及儲層傷害的影響，增大了注水波及效率。

圖7 壓力梯度分布

圖8為“增注—停注”與“增注—減注”方式的地層壓力對比曲線。由圖可知：“增注—停注”方式壓力波動幅度加大，但并不都是有效波動，對于低滲透儲層，考慮到壓敏性傷害的影響，應在保證一定的能量補充條件下，增大壓力波動驅動低滲透儲層。

圖8 地層壓力曲線

3 應用效果

大慶外圍某低滲透井區(qū)，平均空氣滲透率1.33× 10-3μm2，儲層為薄差互層，截至2010年10月底，累計產油1.06×104t，采油速度1.41%，采出程度3.79%。投產采用400 m×150 m菱形井網、反九點面積注水方式開采。模擬區(qū)域10口油井，2口水井，其中1口油井從模擬開始進行轉注。

采用“增注—減注”周期注水方式進行模擬，根據(jù)開發(fā)實際給定注水量，設計10種開發(fā)方案，并比較開發(fā)效果。表1為某井區(qū)油藏各開發(fā)方案開發(fā)指標預測，從表中看出，周期注水方案開發(fā)效果好于不進行周期注水的預測方案。

表1 某井區(qū)油藏各開發(fā)方案開發(fā)指標預測結果

圖9為采出程度與注水周期、工作制度的關系曲線。曲線表明，短增長減的周期注水工作制度，優(yōu)于對稱周期和長增短減的周期注水工作制度；這是由于低滲透儲層注水壓力上升快，壓力在地層中傳播速度慢，短增長減的周期注水工作制度，能更好地達到壓力波動的目的，充分利用毛細管力和彈性力作用，提高波及效率，驅動低滲透儲層。從圖9還可以看出，此井區(qū)注水周期4個月為最佳。

圖9 采出程度與注水周期、工作制度關系曲線

4 結論

1）以考慮非線性滲流的數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值模擬，得到“增注—停注”采出程度低于“增注—減注”注水方式，相同采出程度下含水率高，因此，“增注—減注”優(yōu)于“增注—停注”注水方式。

2）“增注—停注”方式注水井井底壓力梯度大，注水難度大；“增注—減注”方式能向地層中持續(xù)補充能量，避免停注階段低滲透層壓敏性傷害，提高注水效率，采出低滲透區(qū)原油。

3）“增注—減注”方式在低滲透區(qū)注采井間形成連通的壓力梯度，利于低滲區(qū)從非線性滲流向擬線性滲流變化，提高低滲區(qū)的采收率。

4）大慶外圍某低滲透井區(qū)，通過數(shù)值模擬得到“增注—減注”周期注水方式能夠提高井區(qū)采出程度，短增長減的工作制度適用于該低滲透井區(qū)，注水周期4個月效果最好。

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（編輯 李宗華）

Study on cycle water injection considering non-linear flow of ultra-low permeability reservoir in periphery part of Daqing Oilfield

Wang Meizhu1，2,Yang Zhengming2,Wang Xuewu2,Chen Yue3,Yu Rongze2，4
(1.Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics,China Academy of Sciences,Langfang 065007,China;2.Langfang Branch,Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Langfang 065007,China;3.China Petroleum Pipeline Engineering Corporation,Langfang 065000,China;4.National Energy Shale Gas R&D(Experiment)Center,Langfang 065007,China)

The plane heterogeneity is serious in the test area of ultra-low permeability reservoir in periphery part of Daqing Oilfield. The cycle water injection can help to drive crude oil from the low permeability area.Considering the strong pressure sensitivity,this paper followed nonlinear seepage rule and made numerical simulation study to optimize the cycle water injection mode.Using the actual data and five-spot well pattern,this paper established a plane heterogeneity model.The comparative analysis of the cycle injection mode such as increasing water injection and decreasing water injection is done,getting the water cut,recovery rate, pressure gradient and formation pressure.Analysis shows that the recovery degree obtained by increasing water injection and decreasing water injection is higher than that of increasing water injection and stopping water injection,the sweep efficiency of oil displacement is high and the damage of nonlinear flow and stress sensitivity is small,which has an instructive significance for the water injection development of ultra-low permeability reservoir.

ultra-low permeability reservoir;non-linear flow;cycle water injection;water injection mode;numerical simulation

國家科技重大專項“特低滲透油藏有效補充能量開發(fā)技術”（2008ZX05013）

TE341

：A

1055-8907（2012）03-0327-05

2011-08-02；改回日期：2012-02-11。

王玫珠，女，1986年生，在讀碩士研究生，主要從事滲流機理及油藏工程方面的學習研究。E-mail：ihuanying@yahoo.com. cn。

王玫珠，楊正明，王學武，等.大慶外圍特低滲透油藏非線性滲流周期注水研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：327-331. Wang Meizhu，Yang Zhengming，Wang Xuewu，et al.Study on cycle water injection considering non-linear flow of ultra-low permeability reservoir in periphery part of Daqing Oilfield［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：327-331.