基于井溫的超深斷溶體油藏油井動用深度計算

顧 浩，尚根華，李慧莉，王 強，朱蓮花，趙 銳，康志江，李王鵬

(1.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

近年來，中石化在塔里木盆地油氣勘探獲得重大突破，發現Z油田超深碳酸鹽巖斷溶體油藏(目的層埋深大于6 000 m)[1-3]，其為一種特殊的縫洞型油藏，具有斷控巖溶特征，T74界面(中奧陶統一間房組頂面地震反射界面)深度超過7 200 m，目前完鉆井垂深約為7 600 m，井底地層靜溫為150～165 ℃，地層壓力系數為1.12～1.20。奧陶系中—下統碳酸鹽巖受多期次構造擠壓、拉張等作用后沿深斷裂帶發育一定規模破碎帶，縫洞儲集體的發育和形成受斷裂破碎、溶蝕影響，油氣主要沿通源深大斷裂垂向運移、充注成藏，剖面上具有明顯穿層性，縱向連通性好[4-5]，油井生產時井底下方儲集體中的油氣會沿斷裂高導流通道向井底流動。為表征油井縱向動用范圍，類比低滲透油藏、稠油油藏油井平面動用范圍表征參數——動用半徑[6-7]，提出斷溶體油藏油井“動用深度”概念。動用深度是指斷溶體油藏油井生產時井底下方流體開始向上流動的位置與井底的垂向距離，完鉆井底垂深與油井動用深度之和即為斷溶體油藏油井縱向動用位置對應的總深度。計算斷溶體油藏油井動用深度的意義在于判斷油柱高度、計算儲量、制訂合理生產制度。目前，關于斷溶體油藏油井動用深度計算鮮有報道。常規砂巖油藏多層合采常用產液層位表征油井縱向動用位置，確定油井產液層位的方法主要為產液剖面法、溫壓法、示蹤劑法和井溫法等[8-9]，但由于斷溶體油藏油井縱向動用位置位于井底下方，因此，上述方法在確定斷溶體油藏油井動用深度時存在一定局限性。以Z油田為例，利用大量油井流溫、靜溫測試資料，對比分析Z油田超深斷溶體油藏流溫、靜溫特征，提出超深斷溶體油藏油井動用深度計算方法，針對流溫、靜溫滿足不同溫度-深度關系，分別建立油井動用深度控制方程，并開展實例分析。

1 超深斷溶體油藏溫度特征

Z油田W9井完鉆垂深為7 630 m，完鉆層位為奧陶系一間房組，T74界面深度為7 370 m。2017年8月開始投產，已多次測量流溫和靜溫，最大測試深度分別達到7 555 m和7 550 m，是目前Z油田測溫深度最深、測溫點與井底距離最近的生產井。因此，分析W9井測溫數據對掌握Z油田超深斷溶體油藏溫度特征具有重要參考意義。

圖1為W9井流溫與靜溫測試結果對比，圖1b為圖1a中測溫深度超過7 000 m的2組流溫與靜溫測試結果局部放大。由圖1可知，W9井流溫、靜溫具有以下3種特征：①無論油嘴直徑如何變化，同一深度流溫均高于靜溫；②當深度一定時，油嘴直徑越大，流溫越高；③當深度較小時，流溫與靜溫變化趨勢一致，曲線斜率差別小，隨深度增加，流溫與靜溫之差整體呈減小趨勢，當深度超過6 500 m時，靜溫曲線斜率基本不變，流溫隨深度增加緩慢，曲線呈“凸”形變化。

圖1 Z油田W9井流溫與靜溫測試結果Fig.1 The testing results of flow temperature and static temperature of Well W9 in Z Oilfield

特征③表明Z油田超深斷溶體油藏油井在生產過程中，井底附近流溫梯度下降。為進一步證明該現象普遍存在，根據Z油田其他油井測溫數據，繪制靜溫梯度-深度、流溫梯度-深度關系曲線(圖2)。由圖2可知：①隨深度增加，靜溫梯度先減小后增加再減小，深度小于5 000 m時，靜溫梯度主要為0.017～0.022 ℃/m；深度為5 500～6 100 m時靜溫梯度達到最低值(0.013 ℃/m)，深度為6 100～7 000 m時靜溫梯度主要為0.015～0.021 ℃/m，當深度超過7 000 m時，靜溫梯度略有下降；②流溫梯度變化同樣呈現分段性特征，當深度大于6 500 m時，流溫梯度呈明顯下降趨勢，表明斷溶體油藏油井在生產過程中，井底附近流溫梯度減小。

圖2 Z油田靜溫梯度-深度、流溫梯度-深度關系Fig.2 The relationship between static temperature gradient and depth and between flow temperature gradient and depth in Z Oilfield

2 超深斷溶體油藏溫度特征分析

針對Z油田超深斷溶體油藏流溫、靜溫的特征，從熱損失、油井動用深度和傳熱方式差異3個方面進行解釋分析。

礦場在測試靜溫前通常關井7 d以上，關井期間井筒流體與周圍地層進行充分熱交換，二者達到熱平衡后開展靜溫測試，因此，測得的井筒沿程流體靜溫能真實反映不同埋深下地層溫度。而在測試流溫時，油井處于開井生產狀態，從地層中產出的高溫流體在井筒內向上流動過程中流速較快，井筒熱流體未向周圍地層充分散熱就被采出地面，因此，在相同深度測得的流溫高于靜溫，且油嘴直徑越大，產量越高，流體流速越快，井筒沿程熱損失就越少[10]，導致同一深度測得的流溫越高。該解釋適用于常規砂巖層狀油藏，對于超深斷溶體油藏，除上述原因外，油井動用深度差異會進一步加劇上述現象。測試靜溫時，流體不流動，油井動用深度為0 m；而測試流溫時，由于斷溶體油藏上下儲集體縱向連通性好，油井生產過程中熱流體除來自井底外，井底下方儲集體中溫度更高的流體也會流動，向井筒供液時增加井筒流體溫度，也會導致流溫比靜溫高，且油嘴直徑越大，井底流壓越小，油井動用深度越大，相同深度下流溫越高。

斷溶體油藏油井在生產過程中，井底壓力低，井底下方儲集體中溫度更高的流體在壓差作用下流向井底，井底附近流溫主要受井底下方高溫流體強迫對流影響。強迫對流換熱能力強、熱量傳遞快[11-18]，因此，越靠近井底下方高溫流體的流溫梯度越小。隨著流體逐漸向上流動，井底下方高溫流體強迫對流影響逐漸減弱，井筒熱流體向周圍地層傳熱影響程度逐漸增大。通過建立井筒-地層耦合傳質傳熱數學模型[12]，可得到油井生產時流溫與靜溫關系：

(1)

式中：Tf和Tei分別為流溫和靜溫，K；rto為油管外半徑，m；Uto為基于油管外半徑的總傳熱系數，W/(m2·K)；f(t)為地層導熱時間函數；λe為地層導熱系數，W/(m·K)；dQ/dD為單位時間、單位長度的井筒熱損失，W/m。

忽略地層導熱系數變化，式(1)兩側同時對深度求導，得到流溫梯度與靜溫梯度關系：

(2)

式中：Gf和Gei分別為流溫梯度和靜溫梯度，K/m。

隨著流體逐漸向上流動，溫度變化以井筒熱流體向周圍地層徑向傳熱為主，流溫下降程度取決于井筒熱損失速度，而式(1)表明，當流速、井筒結構、材質及地層導熱系數等一定時，熱損失速度與流溫靜溫差成正比，因此，當深度較小時，流溫與靜溫變化趨勢一致，曲線斜率(溫度梯度)差別小。此外，式(2)中等式右側第1項很小，也可解釋流溫梯度與靜溫梯度較接近。

3 超深斷溶體油藏油井動用深度計算

3.1 模型建立

圖3為超深斷溶體油藏油井動用深度示意圖，井底垂深為DA，井底下方不同位置存在儲集體，如儲集體B垂深為DB。當油嘴直徑一定時，在一段時間內油井處于穩定生產狀態，產量不變，礦場測試可獲得穩定的流溫數據。假設在該時間段內井底下方流體從儲集體B開始向井底流動(動用深度為ΔH)，則儲集體B處在臨界位置，在臨界位置上方，動用深度均小于ΔH，流速大于0，流溫高于靜溫；在臨界位置，流速等于0，流溫與靜溫相同；在臨界位置下方，流體不流動。

圖3 超深斷溶體油藏油井動用深度示意圖Fig.3 The schematic diagram of oil well productiondepth in ultra-deep fault-karst reservoir

在某一深度段，流溫、靜溫與深度滿足以下關系：

Tf=f1(D)

(3)

Tei=f2(D)

(4)

式中：D為垂深，m；f1、f2分別為流溫、靜溫與垂深的函數。

由于儲集體B是井底下方流體開始向井底流動的臨界位置，流溫與靜溫相等，即：

f1(DB)=f2(DB)

(5)

式中：DB為儲集體B垂深，m。

根據式(5)可求取儲集體B垂深 ，再結合實鉆井底垂深 ，即可計算油井動用深度：

ΔH=DB-DA

(6)

式中：ΔH為超深斷溶體油藏油井動用深度，m；DA為井底垂深。

3.2 油井動用深度控制方程

為確定ΔH，需要建立流溫-深度、靜溫-深度關系。根據流溫梯度、靜溫梯度變化特征，可初步設定：在某一深度范圍內，當溫度梯度隨深度不變或變化較小時，溫度與深度之間可視為線性關系；當溫度梯度隨深度逐漸增加或逐漸減小時，溫度與深度之間呈非線性關系。

3.2.1 溫度-深度線性關系

溫度-深度線性關系在不同地區、不同油藏十分普遍，當地層巖性發生較大變化，溫度-深度關系曲線出現拐點，可以分段表征線性關系，針對每一段對溫度梯度進行處理。從某一深度開始，假設流溫-深度、靜溫-深度分別滿足以下線性關系：

(7)

(8)

將儲集體A、B所在流溫、靜溫及深度均代入式(7)、(8)，再結合式(6)，最終可得到超深斷溶體油藏油井動用深度控制方程：

(9)

式中：Tf,A、Tei,A分別為儲集體A處流溫、靜溫，℃。

當井底流溫與靜溫相等時，ΔH為0，表明流體來自井底。對于常規砂巖油藏多層合采，若測試段流溫等于靜溫，表明流體來自本層。

3.2.2 溫度-深度非線性關系

根據Z油田超深斷溶體油藏流溫、靜溫特征可知：井底附近靜溫梯度略有下降，流溫梯度隨深度逐漸減小，因此，若考慮溫度梯度變化，可將溫度-深度表征為非線性關系，以二項式為例進行說明。

從某一深度開始，流溫-深度、靜溫-深度滿足以下關系：

Tf=a1D2+b1D+c1

(10)

Tei=a2D2+b2D+c2

(11)

式中：a1、a2、b1、b2、c1、c2為相關系數。

聯立式(5)、(10)、(11)得到超深斷溶體油藏油井動用深度控制方程：

(a1-a2)DB2+(b1-b2)DB+c1-c2=0

(12)

由式(12)求取DB后，代入式(6)即可計算超深斷溶體油藏油井動用深度。

4 實例應用

以Z油田W9井為例，開展算例分析。Z油田超深斷溶體油藏油井生產未見水，目前礦場主要依據油井進入T74界面以下深度判斷油柱高度，由于井底下方仍可能存在純油段，因此，該方法結果偏小。采用文中方法進行計算，考慮到圖1b中2組流溫、靜溫測試數據十分接近，因此，分別取二者平均值作為平均流溫和平均靜溫，最終計算結果如表1所示。由表1可知：在目前Φ4.5 mm油嘴生產條件下，W9井動用深度約為52～62 m，對應T74界面以下深度312～322 m。雖然該結果不一定為準確的油柱高度，但其結果更接近真實值，比礦場方法的誤差小。目前，斷溶體油藏儲量計算主要是利用地球物理雕刻法確定縫洞體規模，并分別對縫洞孔隙度、含油飽和度進行賦值，其中一個關鍵參數是油柱高度(或雕刻深度)。基于文中提出的油井動用深度計算方法確定油柱高度可為斷溶體油藏儲量計算提供重要依據，其儲量計算結果遠大于礦場方法所得結果。后期Z油田部分鉆井進入T74界面以下深度已超過500 m，油井生產仍未見水，因此，超深斷溶體油藏油柱高度判斷方法仍需進一步完善。

表1 W9井動用深度(Ф4.5mm油嘴)計算結果與礦場方法對比Table 1 The comparison of calculation results of production depth of Well W9 (Ф4.5mm nozzle) and oil field method

5 結論與建議

(1) 對于Z油田超深斷溶體油藏，無論油嘴直徑如何變化，同一深度流溫均高于靜溫；當深度一定時，油嘴直徑越大，流溫越高；當深度較小時，流溫與靜溫變化趨勢一致，曲線斜率基本相同；隨深度增加，流溫與靜溫差整體呈減小趨勢；當深度超過6 500 m時，靜溫曲線斜率變化不顯著，流溫增幅逐漸減小，曲線呈“凸”形變化。

(2) 超深斷溶體油藏油井生產過程中，井底下方儲集體中溫度更高的流體也會流動，向井筒供液，井筒流體溫度升高，井底附近流溫主要受井底下方高溫流體強迫對流影響；隨著流體逐漸向上流動，井筒熱流體向周圍地層傳熱逐漸占據主導。

(3) 基于超深斷溶體油藏溫度特征認識，建立超深斷溶體油藏油井動用深度計算方法，實例計算表明，Z油田W9井在目前Φ4.5 mm油嘴生產條件下動用深度為52～62 m。

(4) 超深斷溶體油藏油井動用深度與巖石物性、流體性質、油井生產制度(如油嘴直徑、井底流壓)等密切相關，且隨生產時間發生變化，斷溶體油藏油井動用深度影響因素、變化規律有待進一步研究。