渤海油田水平井出水特征及控水效果評價方法

龔 寧，李 進，陳 娜，張啟龍，徐 濤

(1.海洋石油高效開發國家重點實驗室，天津 300459； 2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459； 3.中國石油渤海鉆探工程公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

水平井在渤海油田的應用規模不斷擴大，但含水率上升問題日益嚴重，部分油田含水率高達90%[1-5]。高含水問題已成為渤海油田低產低效井和長停井的首要成因，穩油控水迫在眉睫[6-9]。隨著技術的發展，渤海油田先后采用了變密度篩管、中心管、流量控制閥(ICD)等控水技術，但整體呈現控水成本高、有效期短、成功率低的特點[10-12]。主要原因在于現有控水技術缺乏對水平井出水規律、特征和影響因素的認識與研究，同時，缺乏對注水效果的后續評估的手段和技術，控水效果難以保證。目前，關于水平井出水規律的研究主要是依據含水率隨時間變化的曲線形態判斷出水類型及特征[4，8，13-16]。在控水效果評價方面，前期控水措施的評價以與鄰井對比為主，后期控水措施的評價主要以措施前后的產液量和含水率對比為主，缺少綜合量化評價手段[17-21]。為此，針對渤海油田水平井出水規律特征和控水效果評價開展了技術攻關，以期為實現渤海油田3 000×104t穩產目標提供技術支持。

1 水平井出水規律及特征分析

以渤海某高含水油田(CD1、CD6)為例，統計121口水平井生產數據。以單井為研究對象，采用含水率曲線法，統計分析水平井出水規律。由于各井的投產時間不同，需將累計產油量做歸一化處理，以無因次累計產油量為橫坐標、含水率為縱坐標繪圖[13]。從分析結果來看，渤海油田水平井出水規律主要歸納為4種類型：凸型、直線型、S型、和凹型。

(1) 凸型(圖1)。井數為63口，占總井數的52.0%，為最主要的出水規律。由圖1可知：該類型水平井基本不存在無水產油期，投產后立即見水，且中、低含水期含水率上升較快，含水率和累計產油量滿足對數函數關系。當含水率達到70%時，可采出油井總產量的30%左右；主要產油期為中、高含水階段(含水率為70%～90%)，可采出近70%的產量。

(2) 直線型(圖2)。井數為24口，占總井數的19.8%。由圖2可知：該類型水平井投產即高含水，沒有無水采油期，投產初期含水率均在75%以上，平均在2～5個月左右含水率快速上升至90%；含水率與累計產油量滿足線性關系，主要采油階段為高含水階段。

圖1 凸型水平井出水規律曲線

圖2 直線型水平井出水規律曲線

(3) S型(圖3)。井數為21口，占總井數的17.4%。由圖3可知：該類型水平井具有較長的無水采油期，無水采油期為3～17個月；含水率5%以內，采出總產量的30%～50%；見水后含水迅速上升，含水率70%為曲線拐點，此后含水上升速度變緩，含水率與累計產油量滿足六次多項式關系。

(4) 凹型(圖4)。井數為13口，占總井數的10.7%。由圖4可知：該類型水平井具有一定的無水采油期，無水采油期為4～16個月，平均為9個月；在中、低含水期采出大部分原油，當含水率達到60%時，可采出油井總產量的60%～90%，含水率與累計產油量滿足三次多項式關系。

圖3 S型水平井出水規律曲線

圖4 凹型水平井出水規律曲線

2 出水影響因素及關聯度研究

2.1 出水影響因素分析

研究表明[1，5，8，13-16]，影響水平井出水的因素主要包括三大類：地質因素、工程因素和開采因素。地質因素是導致水平井出水的先天因素，主要包括水平段滲透率級差、油水黏度比、隔夾層情況等因素；工程因素主要指水平井軌跡指標，主要包括水平井避水高度，水平段長度等，屬于后天可控因素；開采因素指投產后的生產因素，主要包括產液量、生產壓差、鉆完井污染等，也屬于后天可控因素。在進行水平井出水影響因素分析時，可將上述多種開采因素指標歸結為一個綜合性的開采指標，即采液強度[21-22]。

2.2 影響因素灰色關聯度分析

采用灰色關聯度理論[8，23-28]，分析水平井出水類型和各影響因素的關系。將描述含水率上升速率的水油比導數作為參考序列，將滲透率級差、采液強度、避水高度、油水黏度比及水平段長度作為比較序列。按照式(1)計算比較序列和參考序列之間的關聯度。

(1)

式中：ξi(k)為參考序列與比較序列的關聯度；xi(k)為比較序列；y(k)為參考序列；ξ為分辨系數，一般取0.5；i為所分析的影響因素個數；k為分析統計樣本量。

以最為主要的凸型出水類型為例進行關聯度分析，確定渤海油田水平井出水影響因素指標分析序列(表1)。

首先，對表1中的數據進行無量綱化處理，計算出兩級最小差和兩級最大差分別為0.01和3.20，然后應用式(1)計算灰色關聯度(表2)。

表1 渤海油田水平井出水影響因素指標分析序列

表2 灰色關聯度計算結果與評價

由表2可知，對于凸型水平井，避水高度和水平段長度是影響出水的主因，其次為采液強度、滲透率級差和油水黏度比。

2.3 關聯度分析結論及控水措施建議

采用上述分析方法，對直線型、凹型和S型水平井進行影響因素關聯度分析，并分析了其出水的主要原因和措施建議(表3)。

表3 影響因素關聯度分析結果

由表3可知，采液強度對4種類型水平井的影響都比較大。海上油田生產以強注強采為主，高采液強度表示生產壓差較大，容易導致含水率快速上升，因此，制訂合理的生產制度和生產壓差對水平井有效控水尤為關鍵。此外，水平井軌跡對于凸型、凹型、S型井來說影響也比較大，主要體現在避水高度和水平段長度2個因素。對于直線型水平井而言，除采液強度影響外，油水黏度比和滲透率級差的影響也較大，水平井軌跡的影響相對較小。

根據各類型水平井出水主控因素的分析結果，并結合原因分析，給出對應的控水措施建議。凸型水平井：合理設計和控制水平井軌跡，避水高度盡可能大，合理設計水平段長度。凹型水平井：合理制訂生產制度，控制生產壓差，避免高采液強度引起油井含水率快速上升；合理設計水平井軌跡。S型水平井：重點在于水平井軌跡和生產制度的合理制訂，避水高度應盡可能大，同時避免過大的生產壓差，延長無水采油期。直線型水平井：宜選用自動流量控制閥(AICD)進行控水。

3 水平井控水效果量化評價方法研究

基于控水效果分析以及鄰井資料、配產數據對比分析，提出等效增油量和平均增油速率2個控水效果量化評價指標：

ΔQo=∑QΔCt

(2)

(3)

式中：ΔQo為等效增油量，m3；Q為實際日產液，m3/d；ΔC為控水前后含水率變化差值，%；t為控水有效期，d；qo為平均增油速率，m3/a；T為累計生產年限，a。

以等效增油量和平均增油速率作為效果評價指標，建立水平井控水效果量化評價方法，具體步驟如下。

(1) 調研搜集目標井的地質油藏資料、鉆完井資料、配產數據、生產數據等基礎資料，以及用于分析對比的同層位鄰井資料。

(2) 采用3種方法求解式(2)中控水前后含水率變化差值 ：①軟件模擬對比法。采用NETool軟件建模，計算目標井不采用控水措施時的含水率，與該井的實際含水率對比，計算含水率差值 。②鄰井對比法。選擇與目標井同層位且未采取控水措施的生產井作為對比井，將目標井和對比井的含水率進行對比，計算含水率差值 。③配產含水率對比法。將目標井的實際生產含水率和該井原始配產方案的含水率進行對比，計算含水率差值 。

(3) 將含水率差值ΔC1、ΔC2和ΔC3帶入式(2)，計算3種對比方法對應的等效增油量ΔQo1、ΔQo2和ΔQo3，然后帶入式(3)計算對應的平均增油速率qo1、qo2和qo3。

(4) 計算等效增油量、平均增油速率的算術平均值，通過對比數值大小評價水平井控水效果。

4 實例應用

研究成果在渤海CD-X油田23口水平井開發全過程中進行了應用。首先根據原開發方案油藏配產數據，基于含水率曲線法判斷油井出水類型(CD-X油田23口水平井中，凸型水平井為10口、S型水平井為8口、凹型水平井為5口，如圖5所示)，結合各類型水平井出水主控因素分析結論，對油藏開發方案進行優化：凸型和S型水平井的主控因素為避水高度和水平段長度，將避水高度由8 m增至10 m，同時在保證穿過靶點的條件下，優化水平井軌跡和水平段長度，平均水平段長度由420 m降至380 m；凹型水平井的主控因素為采液強度，將單井最大產液量控制在224 m3/d，避免因采液強度過大而造成油井水淹。從該油田投產后前2 a生產情況來看，綜合含水率較周邊同層位水平井含水率降低3.5個百分點，目前含水率均在10%以內，有效指導了該油田的控水方案優化工作。

同時，選取CD-X油田的2口水平井X2H井和X5H井，應用水平井控水效果量化評價方法評價控水效果。2口井生產層位均為館陶組，分別于2017年4月4日和4月6日投產，水平段為Φ215.9 mm裸眼，分別采用Φ177.8 mm變密度篩管和Φ177.8 mm ICD均衡篩管控水。按照上述水平井控水效果量化評價方法，計算3種對比方法(軟件模擬對比法、鄰井對比法和配產含水率對比法)的等效增油量和平均增油速率(表4)。

圖5 CD-X油田單井配產含水率

表4 X2H和X5H井控水效果量化評價結果

由表4可知，X2H井等效增油量為4 789.5 m3，平均增油速率為2 128.7 m3/a，X5H井等效增油量為16 131.3 m3，平均增油速率為6 043.3 m3/a，2口井所采用的控水措施都起到了一定的穩油控水效果。其中，X5H井控水效果更顯著。就這2口井而言，采用ICD均衡篩管控水的X5H井較采用變密度篩管控水的X2H井控水效果更優，主要原因在于ICD均衡篩管能夠在含水率較高的油層產生較大的壓降[29]，從而抑制高含水段的產量，延長無水采油期。

5 結論與建議

(1) 采用單井含水率曲線法分析認為，渤海油田水平井出水規律主要包括凸型、直線型、S型、凹型4種類型，以凸型為主，其中，S型和凹型具有較長的無水采油期。

(2) 基于出水影響因素及機理分析，采用灰色關聯度分析法，研究了各影響因素重要性等級，研究結論可指導新井控水設計，從根源有效解決控水難題。

(3) 采用軟件模擬對比法、鄰井對比法、配產含水率對比法等3種含水率對比方法，建立了以等效增油量和平均增油速率為指標的水平井控水效果量化評價方法。應用表明，該方法可有效評價控水效果，為控水提供指導。