水平井注水生產動態特征研究

張潔，劉鳳霞，柴世超，陳維余

（1.中國海洋石油有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

水平井注水生產動態特征研究

張潔1，劉鳳霞2，柴世超1，陳維余2

（1.中國海洋石油有限公司天津分公司，天津300452；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

為了研究水平井注水的生產動態特征，以渤海BZ油田為例，對比分析了水平井與直井注水在霍爾曲線、注入壓力、日注水量、視吸水指數四個參數的不同特征。研究發現，水平井注水初期井筒類似于一個“壓力腔”，它的存在導致水平井與直井注水生產動態的差異。如霍爾曲線形態典型不同；水平井注水壓力低于直井，且低壓持續時間是直井的1.8倍，壓力爬升時間是直井的12倍；在相同注水壓力條件下，每米地層厚度水平井注水強度是直井的3倍；水平井注水吸水差異大于直井，視吸水指數級差倍數是直井的9倍。針對上述特點，分析認為水平井井型和井筒內復雜的滲流流動是水平井與直井注水差異的根本原因。

水平井；壓力腔；霍爾曲線；注水壓力；日注水量；視吸水指數

水平井注水技術是在上世紀90年代提出的一種新興技術。成功的水平井注水先例證明，水平井注水技術是解決低滲透油藏［1］、裂縫性油藏和稠油油藏開發的有效手段之一。關于水平井注水方面的研究，目前多數還是在水平井注水井網設計、油藏適用條件、水平井注采優勢、水平井水驅效果影響因素等方面。而對于水平井注水注入生產動態特征分析，水平井注水井筒滲流規律，多分支井注水井間干擾，水平井注采井網的整體部署及產量預測的理論研究較少［2-5］。因此，水平井注水技術作為21世紀油氣田開發中最有潛力的一項技術，還有很多關鍵技術難題亟待解決［6］。

本文以渤海BZ油田開發的水平注水井為目標，分別從霍爾曲線、注入壓力、日注水量、視吸水指數四個參數方面研究水平井注水與直井注水的生產特征。研究表明，水平井在注水開發初期存在一個“壓力腔”效應，致使水平注水井在注入過程中的動態特征與直井表現出明顯的差異。

1 BZ油田地質開發簡介

渤海BZ油田位于渤海南部海域，于2009年3月投產，主要以水平井開發為主，定向井為輔。油田為一繼承性發育并被斷層復雜化的斷塊油田。主要含油層系發育于新近系明化鎮組下段，共分為六個油組，22個小層［7］。油田范圍內明下段屬于淺水三角洲沉積，主力含油層段具有高孔高滲的儲集物性特征，但每個小層的平面滲透率級差較大。油田地層原油為飽和油藏，溶解氣油比中等、原油粘度中等。地層水為NaHCO3水型，總礦化度1483～6596 mg/L［8］。渤海灣BZ28-2S、BZ26-3、BZ34-1N油田油藏地質參數情況見表1。

表1 BZ26-3/BZ28-2S/BZ34-1N油田油藏地質參數Table1 Reservoir Geological Parameters of BZ26-3/BZ28-2S/BZ34-1N Oilfield

2 水平井注水生產特征分析

以BZ28-2S、BZ26-3、BZ34-1N油田水平注水井為目標，與直井注水生產特征對比，從霍爾曲線、注入壓力、日注水量、視吸水指數四個參數分析水平注水井的注入生產特征。在特征分析中發現水平井因水平段較長，類似一個逐漸填充的“壓力腔”，注水初期井筒內存在一定的低壓期，隨著壓力逐漸累積，逐漸向地層擴散，當“壓力腔”逐漸填充，注水壓力才開始緩慢上升。“壓力腔”的存在會影響注水壓力在井底的變化，導致水平井與直井注水生產特征的差異。

2.1 霍爾曲線

霍爾曲線圖表示霍爾積分與累積注入量之間的關系，研究發現，水平注水井與直井的霍爾曲線圖存在明顯不同［9］。

水平注水井的霍爾曲線圖表現為二次函數關系（見圖1），注入前期壓力較低，曲線前段部分斜率很小，有的接近水平，隨著累積注入量的增加，斜率變大，曲線逐漸上翹。因此水平注水井霍爾曲線可以看作兩個直線段組成：一個是低壓階段，斜率很低、接近水平的直線；另一個是高壓階段，斜率很高的直線，這條直線類似于常規直井霍爾曲線。霍爾曲線各直線段斜率反映注水井在注入過程中阻力的變化。水平注水井由于“壓力腔”的存在，注水初期壓力低，注入阻力小。隨著后期壓力的不斷累積，注入過程中的阻力也不斷增大。

直井注水井霍爾曲線圖為一條近似線性的直線（見圖2），注水壓力隨著累積注入量的增加而不斷增加。區別于水平注水井的是直井霍爾曲線前期沒有一個低壓累積的過程，注水壓力高于水平注水井。

圖1 水平井注水井霍爾曲線Fig.1 The Hall Curve of Horizontal Injection Wells

圖2 直井注水井霍爾曲線Fig.2 The Hall Curve of Vertical Injection Wells

2.2 注入壓力

水平注水井、直井注水井投注后注水壓力均會出現三個階段，分別為低壓階段、壓力爬升階段和高壓階段。對比兩種注水井階段特征，水平注水井因“壓力腔”效應明顯表現出低壓持續時間長、壓力爬升階段持續時間長、高壓階段注入壓力低的特點，在形體上，水平井壓力曲線類似于傾斜的“S”型，而直井類似于“廠”字型（見圖3、圖4）。

圖3 BZ油田水平井注水井注入壓力曲線Fig.3 Injection Well Pressure Curve of Horizontal Wells in BZ Oilfield

圖4 BZ油田直井注水井注入壓力曲線Fig.4 Injection Well Pressure Curve of Vertical Wells in BZ Oilfield

根據水平井和直井注入壓力曲線的不同特征表現，進一步分析水平井與直井在各階段的壓力倍數關系（見表2）。分析結果表明：水平注水井起始壓力低于直井，最低為0，平均為0.3 MPa，為直井的0.12倍；水平井低壓階段壓力低于直井，平均為0.35 MPa，為直井的0.13倍；水平井高壓階段壓力低于直井，平均為8.85 MPa，為直井的0.82倍。水平井壓力上漲倍數為52.85，直井僅為4.76；水平井低壓持續時間較直井長，平均為418 d，是直井的1.8倍；壓力爬坡時間比直井長，平均為425.5 d，為直井12倍。

表2 BZ油田水平井與直井注水井注入壓力分析Table2 Injection Pressure Analysis Between Horizontal Injection Wells and Vertical Injection Wells in BZ Oilfield

2.3 日注水量

理論上，相同油藏注水壓力條件下，單位厚度的油層水平井注水井的日注水量高于直井。以水平注水井較多的BZ28-2S油田為例，BZ28-2S油田直井注水為多個砂體合注，注水層段多；水平井注水井為單砂體注水。為了快速直觀對比兩者的注水量大小，本文進行了簡化處理，水平井注水厚度根據相鄰直井的厚度、結合有效厚度等值圖計算，直井注水厚度為射開層段垂厚［10］。表3、表4分別為BZ28-2S油田水平注水井和直井注水井的注水情況。

表3 BZ28-2S油田水平井注水井注水情況Table3 Water Injection of Horizontal Injection Wells in BZ28-2S Oilfield

表4 BZ28-2S油田直井注水井注水情況Table4 Water Injection of Vertical Injection Wells in BZ28-2S Oilfield

由表3，表4可知，盡管直井注水井的注水層段多，在相同注入壓力條件下，每米地層厚度水平井注水井的平均日注水量為34.4 m3/(m·d），直井為11.28 m3/(m·d），水平井的注水強度為直井的3倍。

2.4 視吸水指數曲線

視吸水指數的大小反映注水井的吸水能力。水平注水井視吸水指數曲線波峰數少，波峰值差異大，早期突現單個高波峰，視吸水指數值高達上千，后期近似一條直線，視吸水指數低至幾十（見圖5）。

圖5 水平注水井視吸水指數曲線Fig.5 Apparent Water Injectivity Index Curve of Horizontal Injection Wells

圖6 直井視吸水指數曲線Fig.6 Apparent Water Injectivity Index Curve of Vertical Injection Wells

直井注水井視吸水指數曲線波動平緩，波峰多，視吸水指數值較均勻，整體波動較小（見圖6）。這種特征說明水平注水井在注水前后期吸水差異大，初期注水壓力低，吸水能力強，后期隨著注水壓力慢慢上漲，吸水能力大幅降低，并逐漸趨于穩定。而直井注水井在整個注水過程中吸水差異變化不大，吸水能力均勻。

根據水平井和直井視吸水指數曲線的不同特征表現，進一步分析水平井與直井視吸水指數倍數關系（見表5），分析結果表明：水平井最高視吸水指數平均為7 173.3 m3/(d?MPa），最低視吸水指數平均為20.9 m3/(d?MPa），最高與最低視吸水指數相差311.4倍；直井最高視吸水指數平均為325.2 m3/(d?MPa），最低視吸水指數平均為10.1 m3/(d?MPa），最高與最低視吸水指數相差33.8倍。說明水平井注水井吸水差異大于直井，視吸水指數級差倍數是直井的9倍。

3 原因分析

3.1 水平井特殊的井型結構導致井筒“壓力腔”效應

眾所周知，水平井擁有較長的水平井段，在低滲透、裂縫性油藏、稠油油藏和薄油層中可以充分發揮水驅油優勢。優勢之一是對注水壓力的要求降低，特征分析也表明水平井注水壓力明顯低于直井，水平井注水時壓力降不會集中在某一點，而是分散在比較長的泄油井段上，壓力降較小，在水平井注水初期，井筒內任意一點的壓力較低，此時可將井筒看作一個“壓力腔”，它可以快速分散壓力至地層，隨著累積注入量的不斷增加，“壓力腔”的壓力在維持一段時間后才逐漸緩慢上升。

表5 水平注水井與直井注水井視吸水指數倍數關系Table5 The Relation ofApparent Water Injectivity Between Horizontal Injection Wells and Vertical Injection Wells

水平注水井裸眼井筒內任意一點在油藏中的壓力分布可利用格林函數法和迭加原理導出［11,12］。通過數學模型求解，可知對長度為L、至地層底部邊界距離為Zw的一口水平井的任意點的壓力分布：

式中Pi為油藏初始壓力，μ為粘性系數，k為油藏的水平滲透率，h為油藏厚度，Zw為水平井在油藏中距底部的距離，q(x,t)是水平井在時刻單位長度的產量。η，ηz的意義如下：

通過水平井筒壁上的壓力分布公式可知，在油藏條件一定的情況下，水平井的壓力分布與水平井段長度L密切相關。注水壓力分布在井筒內比較長的水平段上，注水初期，“壓力腔”內有足夠的泄壓空間，隨著注入水不斷向地層流入，累積注入量到一定程度，“壓力腔”逐漸充滿后，井筒內壓力開始上升［13］。圖7為裸眼完井水平井井筒壓力分布物理模型。

圖7 水平井井筒壓力分布物理模型Fig.7 The Physical Model of Horizontal Wellbore Pressure Distribution

定向井或直井在實際生產中，在每一口井的井底附近，基本都呈平面徑向流。直井注水井在滲流力學中，可以看作向四周發散流線的點源，設有一水平均質等厚的圓形地層，已知地層半徑Re，水井半徑Rw，井底供給壓力Pw，邊緣油井壓力為Pe，油層厚度為h，地層滲透率為K，液體的粘度為μ。在以上條件下注入水向地層滲流時地層內任意一點的壓力分布為：

從直井注水井壓力分布公式可知，從水井到油井之間的壓力分布成對數函數關系，從整個地層來看，壓降面像一個漏斗狀的曲面。注水壓力在井底附近下降得很慢，在油井附近變陡，說明液體從水井流到油井井底，能量大部分消耗在油井井底附近。所以在直井注水初始壓力較高，它是隨著壓力傳播距離的增大而降低，因此在直井注水壓力曲線中初期低壓階段的壓力都要明顯高于水平注水井。

3.2 水平井注水復雜的滲流流動

注入水從垂直井段進入水平井筒，然后從水平井筒向地層滲流經歷了復雜的流動過程。注入水在井筒內管流與油藏滲流互為邊界條件、相互影響和相互制約，它們構成了一個完整的水動力學系統。另外，當注入水進入井筒后，井筒內除了沿井筒方向的流動外，還有流體沿徑向的流出，從跟端到趾端，井筒內流體質量不斷增加，這兩種流動互相影響，構成了復雜的井筒變質量流［14］。

水平井注水壓力低于直井，這與注入水在水平井井筒和地層內的流動有關，因為水平井優勢之一是水驅前緣可近似為線性驅動，因此當有多相同時流動時，流度比條件越不利，水平井的優勢越明顯［15］。通過調研，結合本文研究成果，驗證了水平井注入水在井筒或地層內的復雜滲流流動導致了水平井與直井注水生產動態特征的差異。水平井注入水在井筒或地層內的流動分析如下：在水平井流動達到擬穩態前會經過2個線性流動階段，首先是注入水沿水平井井筒內的流動，可看成是單向流流動。若水平井段遠大于地層厚度，或者垂向和水平滲透率之比很小，這個階段流體向水平井井筒X方向的流動可認為是線性的。隨著注入水的不斷注入，注入水沿井筒z方向和y方向呈橢圓狀向地層內流入，此階段可看作早期的徑向流階段。當注入水從井筒注入地層時，注水井中會產生熱裂縫現象，而水平井注水可以在注水層段最大幅度產生多種不同的裂縫，使其注水的水驅前緣近似為線性驅動,并且具有很好的穩定性。流體在井筒和地層內的2個線性流動導致了水平井注水壓力低于直井。

4 結論

（1）水平注水井由于井型的特殊性，在注水開發前期井筒類似于一個“壓力腔”，致使水平注水井存在一個低壓累積的過程。它的存在最終導致了水平井與直井注水生產特征的差異。

（2）水平注水井霍爾曲線線性回歸為二次函數。按注水開發時段不同曲線可看作為兩個近線性的直線段組成；而直井霍爾曲線僅為一條近線性直線。

（3）水平井注水壓力低于直井，且低壓持續時間是直井的1.8倍，壓力爬升時間是直井的12倍。形態上，水平井壓力曲線類似于傾斜的“S”型，直井類似于“廠”字型

（4）相同油藏注水壓力條件下，單位厚度的油層水平井注水井的日注水量高于直井。以BZ28-2S油田為例，水平井的注水強度為直井的3倍。

（5）水平井注水時吸水差異大于直井，視吸水指數級差倍數是直井的9倍。水平井視吸水指數曲線波峰少，早期易突現單個高波峰，后期近似一條直線，直井曲線波動平緩，波峰多，視吸水指數值較均勻。

（6）水平井的井型和井筒內復雜的滲流流動是水平井與直井注水生產差異的根本原因。在薄儲層，大井距條件下，水平井泄壓井段長，注水壓降小；水平井注水井筒內的線性驅動。

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Study on Dynamic Performance of Horizontal Wells in Water Flooding

ZHANG Jie1,LIU Feng-xia2,CHAI Shi-chao2,Chen Wei-yu2
（1.China National Offshore Oil Co.,Ltd.Tianjin Branch,Tianjin 300452，China；2.CNOOC Energy Development Co.,Ltd.Engineering and Technology Branch,Tianjin 300452，China）

In order to research the production dynamic performance of horizontal wells in water flooding,taking Bohai BZ oilfield as an example,different characteristics of the Hall curve,injection pressure,daily water injection rate and apparent water injectivity index of the horizontal wells and vertical wells were comparatively analyzed.The results show that horizontal wellbore is similar to a"pressure cavity"in early water injection,which leads to different injection production performance of horizontal wells and vertical wells.The injection pressure of horizontal wells is lower than that of vertical wells,and the duration of low pressure is 1.8 times that of vertical wells;the pressure climbing time is 12 times that of vertical wells;under the condition of same water injection pressure,the injection intensity of one meter formation thickness of horizontal wells is 3 times that of vertical wells;In the same work statu, the apparent injectivity index of horizontal wells is 9 times that of vertical wells.According to the above characteristics,it’s pointed out that the special well type of horizontal wells and the complex seepage flow in the wellbore are the root cause of the difference of horizontal wells and vertical wells in water injection.

Horizontal wells;Pressure cavity;Hall curve;Injection pressure;Daily water injection rate;Apparent water injectivity index

TE 357

A

1671-0460（2017）03-0461-06

2016-03-27

張潔(1972-)，畢業于石油大學（華東）采油工程專業，長期從事油藏動態研究與管理工作。電話：022-25803215。E-mail: zhangjie10@cnooc.com.cn。