塔河碳酸鹽巖縫洞型油藏注氮氣效果評價

陳園園，劉學利，楊占紅，郭 臣，鄧 鵬

（1.中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011；2.西南石油大學，四川成都 610500）

塔河油田縫洞型油藏是以溶洞為主要儲集體類型的油藏，由于溶洞內流體流動規律符合管流流動特征[1–2]，前期注水替油取得了較好的效果，后期隨著油水界面的抬升，注水替油效果逐漸變差，高部位剩余油難以采出。為此，2012 年在TK404 井開展了注氮氣先導試驗，隨后進行了大規模推廣，截至2018 年底，塔河油田縫洞型油藏注氮氣規模超過600 口井，注氮氣年增油量達到了75×104t[3]。

單井注氮氣替油過程中，替油效果主要結合地質特征，采用動態分析方法對油井響應時間及響應效果進行分析，重點對周期增油量、方氣換油率等增油效果和效益評價指標進行評判[4–5]。隨著注氮氣規模的擴大和剩余油類型的增多，注氣效果的差異化逐漸明顯，有效評價單井注氮氣效果，找出主要影響因素并制定出后期治理對策是注氮氣規模開發過程中面臨的重要課題。為此，本文通過建立評價指標體系、評價指標界限以及綜合評價方法，形成了一套注氣效果評價技術流程，為縫洞型油藏注氮氣效果評價提供了理論依據。

1 注氣效果評價指標體系

1.1 注氣效果評價指標

縫洞型油藏注入氮氣進行三次開發，通常有補充地層能量、控制油水界面以及重力分異形成人工氣頂而置換頂部剩余油的功能[6–7]，各項功能之間具有一定的內部關聯性，并非獨立存在。注氣狀況、注采連通程度、注采平衡狀況以及增油效果效益在不同的維度對注入氮氣的各項功能進行表征。本文以注氣效果評價四個維度為基礎，依據不同維度的評價目標，將礦場常用的注氣效果評價指標進行了分類歸納：①注氣狀況評價維度主要評價注入氮氣利用、含水變化以及油井產能；②注采連通程度評價維度主要評價縫洞單元的井網完善程度以及注入氮氣的波及狀況；③注采平衡評價維度主要反映油藏注氮氣開發過程中注采關系以及注采平衡狀況；④效果效益評價維度主要評價油藏注入氮氣的替油效果以及效益狀況（表1）。

1.2 指標體系構建的科學性原則

指標體系構建的科學性原則為全面性、動態性、獨立性以及實用性[8]，結合各個指標對其所屬維度的表征準確度，篩選出表征意義準確且具有較強可操作性的效果評價指標。其中，全面性是指能夠全面反映目前狀況下注入氮氣的波及狀況、替油狀況以及經濟效益等多個方面的綜合情況；動態性是指能夠反映生產井在不同的注氣開發階段、不同注入輪次下的生產狀況以及產能趨勢；獨立性是指各個指標之間需要有較強的獨立性，確保相同的評價維度不會使用多個評價指標進行重復性評價；實用性是指所選指標統計較為方便、可靠性較強，結合現有礦場數據情況，選擇能夠通過數學或油藏工程方法精確計算的指標。

表1 注氣效果評價常用指標

1.3 注氣效果評價指標體系

在注氣效果評價常用指標的基礎上，結合指標體系構建的科學性原則，針對縫洞型油藏注氣狀況、注采連通狀況、注采平衡狀況以及效果效益四個維度的評價目標，分別予以分析：

（1）注氣狀況評價維度。該維度通過存氣率和含水變化率來表征注入氮氣的利用效率以及對生產井的影響。存氣率是油藏儲存氮氣與注入氮氣總量的比值，既反應了注入氮氣的利用效率，也反應了縫洞體的封存能力[9]；含水變化率反映了油藏綜合開發水平，同時也利于在不同的注氣單井之間進行開發水平的橫向比較[10–11]。

（2）注采連通狀況評價維度。該維度通過氣驅動用程度表征縫洞型油藏在復雜的儲集空間下注氣井和采油井之間的連通狀況。氣驅動用程度是通過計算注氣見效井數與縫洞單元總井數之比來反應注入氮氣的波及范圍，進而表征注采單元內的注采連通狀況。

（3）注采平衡評價維度。該維度通過累計注采比和能量保持程度表征注氣過程中儲集體內物質平衡狀況。累計注采比是油田注氣開發中最常用的評價注采平衡關系的指標之一，可以直接反映地下能量補充程度以及地下虧空情況[12]；能量保持程度是指注氣開發后與油藏未開發時的地層能量之比，可以直接反映注氣后儲層壓力保持情況。

（4）效果效益評價維度。該維度通過提高采出程度、平均日增油水平以及方氣換油率表征油藏注氣后的增油效果以及效益狀況。提高采出程度、平均日增油水平以及方氣換油率分別從整體開發水平、輪次注氣增油效果以及輪次注氣增油效益的角度，對注氣后的效果效益進行全面評價。

2 指標體系界限劃分方法

2.1 動態聚類分析方法

目前，劃分指標界限常規方法有專家打分法、等分法等主觀類方法，其中，專家打分法極大地依賴于個人經驗，而等分法是按照指標最大值和最小值之間的距離進行等分，難以從數據自身結構關系進行科學地劃分[13–14]。

K–means 聚類分析方法是依據數據之間的相似性進行分類組織的過程[15]。該方法是通過將多個注氣單井的效果評價指標組成數據集合，而后根據集合中相似的對象進行分類的過程（圖1）。同一類對象中彼此具有相似性，而與其他類中的對象彼此又具有相異性。因此，該方法在一定程度上表征了不同單井的注氣效果評價指標之間的油藏工程關系。

圖1 K–means 聚類分析原理

則判

計算重新分類后的各類心：

如果

則轉至上個判定式。

如果

則結束計算。

2.2 評價指標體系分析界限

同一評價維度內的評價指標由于其表征目標相同，可以在其指標間進行相互聚類分析。注氣開發是油、氣、水三相滲流的綜合過程，各個評價指標反應的工程意義不同，但指標之間具有一定程度的油藏內部關聯性。例如，在注采平衡維度中，若縫洞單元注采比偏低，說明其儲層物質虧空較大，其能量保持程度也可能會相對處于較低水平。因此，針對同一維度內的評價指標，可以采用相互聚類的分析方法，通過相似對象與相異對象間的距離確定指標界限。根據注氣效果評價指標體系，可以將同一評價維度內的兩個指標進行聚類分析，如存氣率與含水變化率、累計注采比與能量保持程度等。

對于評價維度內只有單一指標的情況，則應將評價指標與提高采出程度指標進行關聯分析。注氣開發的最終目的是提高剩余油的采出程度，因此，該分類方法利于聚類分析過程中找到相似對象，進而劃定指標界限，如氣驅動用程度與提高采出程度。通過上述分析方法，最終形成了塔河縫洞型油藏注氣效果評價指標體系界限（表2）。

表2 聚類分析方法指標界限劃分成果

3 注氣效果綜合評價

3.1 BP 神經網絡評價方法

BP 神經網絡模型是一種按照誤差逆向傳播訓練的前饋型神經網絡算法。數學理論研究證明，三層神經網絡能夠以較高的精度逼近任何非線性連續函數[16–17]。通過前文注氣效果綜合評價指標體系，建立了注氣效果綜合評價的BP 神經網絡模型（圖2），利用其非線性映射能力，實現了縫洞型油藏的注氣效果綜合評價。

3.2 注氣效果綜合評價成果

以塔河縫洞型油藏203 個注氣單井為研究對象，采用上述注氣效果評價指標體系（表2）、評價指標界限（表3）以及神經網絡評價方法進行分析，得到各單井注氣效果綜合評分。第一輪次注氣開始時，注氣單井平均得分為64 分，大于80 分的高分井占32%；所有輪次注氣結束后，注氣單井平均得分為43 分，大于80 分的高分井占14%，參與評價井最終評分狀況與現場認識吻合率達到了83%。

圖2 神經網絡模型

第一輪次注氣結束后，研究區內高分井相對較多，且高分井與低分井呈現交替分布的狀態，說明注氣后大部分井開始見效，但注入氮氣波及范圍有限，未能形成連片波及；當第四輪次注氣結束后，低分井分布范圍明顯增大，而高分井分布范圍不斷減小，這說明注氣開發后期，現有注氣方案對剩余油的動用能力已明顯不足。

3.3 效果評價低分井

為進一步明確注氣效果未能達到理想狀態的原因，本文從203 個注氣單井中選取了綜合評分最低的10 口注氣單井進行分析（表3）。

表3 注氣井綜合效果評價

將10 口低分井效果評價指標與203 口注氣單井平均水平進行對比分析發現，兩者在存氣率以及累計注采比兩個指標上具有較大差距：70%的單井存氣率大于75.0%，累計注采比為0.22～0.55，注氣效果最好的單井存氣率達到93.0%，累計注采比達到0.12，說明多數井注入的氮氣存留在縫洞體內，對剩余油形成有效地驅替。但注氣效果較差的井，存氣率普遍小于60.0%（圖3a），累計注采比普遍大于0.56（圖3b），說明該區域內溶洞和裂縫構成的復雜 連通狀況造成了注入氮氣難以在替油部位聚集，注入氮氣通過內部滲流通道運移到注入井周圍的溶洞內。因此，注入氮氣的有效性已經成為了制約注氣開發綜合效果的關鍵因素，后續注氣方案設計時，應更多地考慮縫洞體對注入氣體的儲集能力，而非單一的增大注氣量或調整注入速度等參數。

4 結論

圖3 綜合評價效果較差井評價指標

（1）隨著油藏注氣規模的擴大和剩余油類型的增多，單一的評價指標并不能全面反映縫洞型油藏的開發效果，注氣效果評價需要從注氣狀況、注采連通狀況、注采平衡以及效果效益4 個維度進行全面的表征。

（2）第一輪次注氣開始后大部分井開始見效，但注入氮氣的波及范圍有限，未能形成連片波及。注氣效果隨注入輪次的增加而明顯變差，第四輪次注氣結束后，現有注氣方案對剩余油的動用能力已明顯不足。

（3）縫洞型油藏復雜的介質連通狀況造成了注入氮氣難以在替油部位聚集，已成為制約注氣開發效果的關鍵因素，注氣開發方案設計中應將縫洞體對注入氣體的儲集能力作為重要的考量因素。