改質水驅砂巖油藏生產動態預測方法

王高峰，張志升，楊承偉，陳振波，王敬瑤，張金良

（1．提高石油采收率國家重點實驗室（中國石油勘探開發研究院），北京 100083；2．延長油田股份有限公司，陜西安塞 717400；3．中國石油長慶油田公司，陜西西安 710018）

提高石油采收率技術根據驅替介質類型的不同，可分為化學驅、氣驅和改質水驅三類；根據驅替機理的不同，可分為驅油效率提高型、波及體積擴大型和混合型三類。其中，驅油效率提高型采油技術包括二氧化碳驅、表面活性劑驅、改質水驅等；波及體積擴大型采油技術包括聚合物驅、高滲油藏頂部注氣等；混合型采油技術包括三元復合驅、聚-表二元驅、泡沫復合驅等[1-2]。

改質水包括低礦化度水、離子匹配水、活化水、超級水、設計水及智能水等[3]。改質水驅通過調整注入水中離子、分子及礦化度等水質參數，改變注入水物理化學性質，從而改善巖石潤濕性、巖石對原油的吸附性等一系列巖石-鹽水-原油間的相互作用，實現提高驅油效率和采收率的目的[4-6]。與常規水驅相比，改質水驅技術內涵更為豐富；與化學復合驅等三次采油方法相比，改質水驅具有低成本優勢。作為一種“2.5次”采油技術，改質水驅是國際大石油公司近年來提高采收率技術攻關的熱點[7-13]。英國石油公司恩迪科特油田改質水驅先導試驗預計提高采收率7%以上[11-13]，并聯合康菲、雪佛龍和殼牌公司在北海Clair Ridge油田啟動了第一個海上低礦化度水驅項目，預計增油500×104t；科威特AAR Energy石油公司在Greater Burgan油田實施低礦化度水驅試驗的桶油成本僅增加10美元[14-17]；沙特阿美石油公司在Kindom碳酸鹽巖油藏進行的現場試驗顯示，低礦化度水驅比常規水驅提高采收率7%～10%。鑒于國際上改質水驅良好的技術效果及較強的抗風險能力，目前，特別是在低油價時期，我國有必要加快研發改質水驅技術，以進一步提高符合條件油藏的水驅采收率，實現經濟高效開發。

目前改質水驅研究主要為室內實驗，針對性的數值模擬技術尚不完善[2]。本文根據油藏工程基本原理，結合改質水驅提高采收率的主要機理和油田開發的實際經驗，開展改質水驅生產指標預測理論方法研究，獲得改質水驅產油量和含水率的變化規律，為提高改質水驅開發方案質量和評價其生產效果提供一種簡明實用的油藏工程新方法。

1 理論依據

1.1 改質水驅采收率計算方法

將轉驅時的油藏視為新油藏。假設基于新油藏地質儲量（轉驅時剩余地質儲量）的常規水驅和改質水驅的采收率分別為ERcwn和ERTwn，基于轉驅時剩余油飽和度的常規水驅和改質水驅的驅油效率分別為EDcwn和EDTwn。根據“水驅波及系數為水驅采收率與水驅油效率之比”的油藏工程基本原理可得到常規水驅波及體積系數EVcw為：

將改質水驅波及體積修正因子定義為改質水驅波及體積系數EVTw與常規水驅波及體積系數之比：

式中：η為改質水驅波及體積修正因子。

新油藏的改質水驅采收率等于新油藏的改質水驅油效率與改質水驅波及體積系數之積：

轉改質水驅后可采出的油量為一定值。顯然，基于轉驅時剩余儲量改質水驅采收率和基于原始地質儲量的改質水驅采收率ERTw之間存在關系：

式中：Soi和So分別為原始與轉驅時的平均含油飽和度，%。

聯立式（1）和式（4），整理得基于原始地質儲量的改質水驅采收率計算式為：

不論對于常規水驅還是改質水驅，轉驅后可采出的油量均為定值，則基于轉驅時含油飽和度的常規水和改質水的驅油效率可分別寫作：

根據原始含油飽和度的改質水驅油效率和常規水驅油效率的定義可得：

式中：EDTw和EDcw分別為轉驅時改質水和常規水的驅油效率（基于原始含油飽和度），%。

聯立式（6）和式（9），并整理得：

將式（10）帶入式（5）可得：

1.2 改質水驅產量預測方法

現將油藏剖分為一系列網格，將轉驅后的開發周期劃分為一系列時間步長；在時間步長內注入水能夠完全波及網格，則該時間步長內油藏整體采出程度增量近似等于相應網格的采收率。由于式（11）對于油藏整體以及任意網格的采收率計算都適用，則該式可用于研究油藏整體采出程度的變化情況?；谠嫉刭|儲量的改質水驅采出程度為：

式中：ti為轉驅后的時間步長，a；RTw為基于原始地質儲量的改質水驅采出程度，%；RvTw為基于原始地質儲量的改質水驅采油速度，%；Gi為油藏剖分的系列網格。

若常規水持續注入，基于剩余地質儲量的常規水驅采出程度為：

式中：Rcwn為基于轉驅時剩余地質儲量的常規水驅采出程度，%；Rvcwn為基于轉驅時剩余地質儲量的常規水驅采油速度，%。

聯立式（11）和式（13），并整理得：

根據前述采油速度的涵義，式（14）兩端同乘以原始地質儲量 VpSoi后可得：

式中：Vp為油藏孔隙體積，m3；QoTw為ti時間內改質水驅產量水平，m3/d；Qocw為同期的常規水驅產量水平（假設不注改質水而繼續注入常規水時油藏的整體產量，可根據常規水驅遞減規律進行預測），m3/d。

改質水驅增產倍數可定義為改質水驅產量與“同期的常規水驅產量”之比：

式中：FTw為改質水驅增產倍數。

上式對時間求導數可以得到改質水驅產量絕對遞減率為：

式（16）和式（17）顯示了改質水驅產量和常規水驅產量之間的一一對應關系：改質水驅產量與同期的常規水驅產量之比恒等于改質水驅增產倍數。聯合常規水驅遞減規律和改質水驅增產倍數可在理論上把握改質水驅產量，由于常規水驅產量是長期摸索確定的合理值[18-20]，改質水驅增產倍數為固定值，則改質水驅產量可被唯一確定。

根據產量（相對）遞減率定義可得：

式中：DoTw為改質水驅產量年遞減率，%；Docw為常規水驅產量年遞減率，%。

聯立式（16）和式（19），整理可得：

上式表明，改質水驅產量遞減率和常規水驅產量遞減率是相等的。

1.3 改質水驅含水率預測方法

研究表明，礦化度對于水相黏度影響很小，一般不超過 10%[16-17]，對于波及系數的改變可以忽略不計，故改質水驅對波及體積和注采壓力系統的影響均比較微弱。據此，改質水驅產液量近似等于常規水驅產液量：

式中：QLTw為改質水驅油藏或油井產液量，t/d；QLcw為常規水驅油藏或油井產液量，t/d。

根據含水率的定義可得：

式中：fwTw為改質水驅含水率，%；fwcw為常規水驅含水率，%。

聯立式（16）、（21）、（22）和（23）得：

將式（24）代入式（25）整理得：

由于改質水驅增產倍數恒大于1.0，根據式（26）可知，fwTw恒小于fwcw。

1.4 改質水驅增產倍數工程計算方法

對于砂巖油藏，改質水驅提高原油采收率的主要機制是通過改變儲層潤濕性、調節pH值和降低巖石-流體界面張力等來提高驅油效率，從而達到提高采收率的目的，而非通過擴大波及體積來提高采收率。由于改質水驅和常規水驅的殘余油飽和度均可視為定值，則轉驅時的驅油效率、初始（油藏未動用時）驅油效率和轉驅時的常規水驅采出程度三者之間存在固定關系。由前述可知，改質水和常規水的黏度接近，改質水對流度比的改變不大，故改質水驅波及體積修正因子η可近似取值1.0。由此，將式（8）、（9）帶入式（16）可得：

波及區采出程度高于油層整體采出程度。關于波及區大小主要存在兩種觀點：一種認為波及系數等于采收率與驅油效率之比，實際波及系數嚴格等于理論波及系數；另一種認為實際波及系數大于理論波及系數，實際水驅波及系數接近1.0。第二種觀點來自于對油藏實際加密效果的分析，即具有初始產狀的加密井比例極低，很難準確預測和鉆遇，故波及區域幾乎遍及整個油層，該觀點更加貼近實際。因此，可將實際波及系數表示為理論波及系數與剩余波及系數的加權之和：

式中：EV0為理論波及系數，%；ω為權值，0＜ω＜1.0。

權值反映了理論波及區域之外的儲量動用程度，受控于油田開發時間、油藏非均質性以及井網砂體匹配程度等因素，注水時間越長，注采調整累積作用越大，權值越大；權值還反映了剩余油分布的均勻程度，剩余油分布越均勻，權值越大。對于高采出程度成熟油藏，剩余油呈現“高度分散，相對富集”的格局[21-22]，可認為剩余油分布總體上是均勻的，推薦ω=1.0。

實際波及區采出程度與油藏整體采出程度的關系可根據物質平衡得：

式中：Re0為轉驅時基于原始地質儲量的油層整體采出程度，%。

理論波及系數等于基于原始地質儲量的常規水驅采收率與初始水驅油效率之比：

式中：ERcw為轉驅時基于原始地質儲量的常規水驅采收率，%。

聯立式（28）和式（30），整理后得：

將式（31）代入式（27）可得：

式（32）即為改質水驅增產倍數計算式。將該式右端分子和分母同除以初始水驅油效率得到改質水驅增產倍數嚴格計算方法：

式中：R1為改質水和常規水的初始驅油效率之比，%；R2為廣義可采儲量采出程度，%。

根據式（33）可知，改質水驅增產倍數由R1和R2確定，可繪制相應的改質水驅增產倍數圖版（圖1）。由圖可見，隨著采出程度增加，改質水驅增產倍數呈快速增長趨勢。我國中低滲透油藏的R2一般小于0.6（權值ω取1.0），R1取值為1.1～1.3，故改質水驅見效后的油藏整體產量一般不會超過轉驅前常規水驅產量的1.75倍。

圖1 改質水驅增產倍數實用查詢圖版

2 礦場試驗

YS油藏位于吉林油田，儲層平均滲透率為20×10-3μm2，擬實施改質水驅開發。通過巖心驅替實驗測得改質水的初始驅油效率為 65.0%，常規水的初始驅油效率為 50.0%；該油藏目前水驅采出程度為11.63%，采油速度為 0.99%，常規水驅采收率為20.0%。應用本文方法預測改質水驅產量和綜合含水率包括三個步驟：①首先根據遞減規律或同類型油藏水驅開發經驗得到常規水驅產量變化情況；②將常規水和改質水的初始驅油效率以及目前水驅采出程度代入式（32）求出改質水驅增產倍數為 1.391（權值ω=1.0）；③最后根據式（16）將步驟①中得到的常規水驅產量乘以改質水驅增產倍數即得改質水驅產量。類似地，在獲得改質水驅增產倍數后，代入式（26）即可得到改質水驅綜合含水降低值，進而代入式（25）可得改質水驅綜合含水的變化情況（圖2）。改質水驅見效后采油速度將高于常規水驅采油速度，本文方法預測該油藏實施改質水驅見效后的采油速度能達到 1.23%，改質水驅提高采收率幅度約3.0%。

圖2 YS油藏改質水驅綜合含水變化曲線

3 結論

（1）國外改質水驅技術已經取得了良好的技術經濟效果。在低油價時期，發展改質水驅對于我國適合條件的中低滲油藏提高采收率，實現經濟高效開發具有一定的現實意義。

（2）本文提出的改質水驅增產倍數概念為從理論上把握改質水驅產量和含水率等主要生產指標提供了油藏工程依據，為改質水驅開發方案編制和效果評價提供了新途徑。

（3）改質水驅產量水平取決于改質水驅增產倍數和轉驅時的常規水驅產量水平，以及常規水驅產量遞減特征。加大研發具有更高驅油效率的改質水驅油體系是提高改質水驅增油降水效果的內在要求。

致謝：在成文過程中，得到了中國石油勘探開發研究院劉慶杰教授的大力幫助，筆者在此表示感謝。