致密油藏水平井注水吞吐效果評價方法

邸士瑩，程時清，代 力，李旺東，繆立南，劉 琦

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆 塔里木 843399；3.延長油田股份有限公司，陜西 靖邊 718500；4.中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163458；5.中國石油吐哈油田分公司，新疆 哈密 839000)

0 引 言

致密油藏注水吞吐初期增油效果顯著，成為接替衰竭開采、補充地層能量的有效開發方式[1-2]，注水吞吐開發效果評價也逐漸備受重視，因此，確定評價指標及評價方法至關重要。常規油藏注水吞吐的評價指標和評價方法已經比較完善；閔田才等[3]選取水驅油效率、水驅波及系數等指標，采用實際資料與理論曲線對比的方法，較好地評價了開發效果；李斌等[4]、蘇彥春等[5]選取含水上升率等6項評價指標，應用于渤海海域27個油田或單元；繆飛飛等[6]、李芳玉等[7]、李承龍等[8]針對特低滲油藏水平井開發特點，引入注水見效周期、水平段產液率2個新的評價指標，采用虛擬開發等方法，構建了特低滲透油藏水平井綜合評價體系。張繼風等[9]認為模糊綜合評判法在理論和應用上最為成熟。但上述評價指標不適用于致密油藏水平井多周期注水吞吐效果評價。致密油藏受天然裂縫發育復雜、油藏動態監測手段有限等諸多因素的限制[10-11]，水平井注水吞吐開發效果評價指標和評價方法鮮有研究[12-20]，目前尚無成熟的指標體系。因此，通過引入裂縫發育程度系數等參數，提出了10項評價指標，運用模糊數學法構建了致密油藏水平井注水吞吐開發效果評價方法。

1 致密油藏注水吞吐效果評價指標

某致密油藏M區塊是以火山灰沉積為主的凝灰巖致密油藏，主要受二疊紀末期發育的古洼地與火山機構控制。M區塊為構造-巖性復合型油藏，油藏埋深為1 840～2 725 m，地層壓力系數為1.013，油藏地層溫度為65.3 ℃。天然裂縫發育，凝灰巖整體為中性潤濕/油濕，儲層平均孔隙度為17.71%，平均滲透率為0.063 mD。2015年開始采用水平井注水吞吐方式采油，截至2019年7月，注水吞吐達120井次，其中56口井已經吞吐3～6個周期，條形井網分布，井距為200～400 m。分析該區塊的生產動態特征，綜合考慮地質特征、壓裂工藝和吞吐工作制度等多種因素，研究致密油藏水平井注水吞吐開發評價指標。

1.1 縫網發育系數

致密儲層中天然微細裂縫不僅是原油的儲集空間，還是重要的原油滲流通道。天然裂縫的發育程度影響水平井產能，在相同壓裂參數情況下，天然裂縫越發育，水平井產能越高。壓裂返排初期，僅返排出靠近井筒的壓裂縫中的壓裂液，天然微細裂縫中的壓裂液幾乎不能排出。隨著返排時間的延長，部分天然微細裂縫的壓裂液被返排出來。返排的總壓裂液減去進入壓裂裂縫中的壓裂液，即為從天然裂縫返排的壓裂液。壓裂液滯留量與壓裂縫和天然微細裂縫組成的縫網體積密切相關，反映了縫網發育程度。

在壓裂過程中，過高的延伸壓力使壓裂液從壓裂裂縫進入周圍的天然裂縫中，地層吸液能力增加，天然微細裂縫不斷向前擴展及溝通。由圖1可知，裂縫相互溝通形成的縫網越復雜，裂縫導流能力越強，水平井的產量隨之增加；加砂量越大，壓裂裂縫越長，越容易溝通天然裂縫，壓裂水平井產量增幅越大。

圖1 3類儲層縫網發育程度示意圖Fig.1 The schematic diagram of the development degree of the fracture network of the three types of reservoirs

為了量化裂縫的發育程度，引入縫網發育系數，考慮壓裂返排率和壓裂后產量增加倍數，依據現場實際經驗可得每個參數各占50%權重。文中提出的縫網發育系數表達式為：

(1)

式中：Fn為縫網發育系數；Rfb為返排率，%；a為歸一化系數，當取最大返排率值時(30%～40%)a為0，取最小返排率時a為1；Qr為壓裂前累計產油量，m3；Qe為加砂量預估產量，m3。

壓裂主裂縫、次生裂縫和與壓裂縫溝通的天然微細裂縫組成了復雜裂縫網，用SRV區表征裂縫發育區域，USRV區表征裂縫不發育區域，將儲層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(圖1)。壓裂初期，水平井動用區域主要是拉鏈式壓裂裂縫、次生裂縫，天然裂縫處于原始狀態；此時水平井動用區域是USRV區，Fn<0.33，屬于Ⅲ類儲層(圖1)。隨著壓裂液的注入，井底壓力增加，天然裂縫擴展，導流能力增大，地層吸液能力增加，此時0.330.60，水平井動用區域均為SRV區，屬于I類儲層(圖1)。

根據式(1)計算M區塊56口井縫網發育系數，其中31口井平均縫網發育系數為0.69，屬于Ⅰ類儲層，前3 a平均單井累計產油量為8 546.12 m3；16口井平均縫網發育系數為0.53，屬于Ⅱ類儲層，前3 a平均單井累計產油量為4 431.92 m3；9口井平均縫網發育系數為0.32，屬于Ⅲ類儲層，前3 a平均單井累計產油量為2 774.05 m3(表1)。

表1 3類儲層縫網特征Table 1 The fracture network characteristics of three types of reservoirs

由表1可知，近井地帶天然裂縫發育良好，天然裂縫與人工縫、誘發的次生裂縫相互連通形成縫網，裂縫導流能力高。因此，Ⅰ類儲層油井累計產油量高；Ⅲ類儲層天然裂縫發育較差，儲層導流能力差，油井累計產油量低。

1.2 壓裂液凈入地量

天然裂縫或微細裂縫擴展后，注入的壓裂液進入這些裂縫，并進入基質孔隙置換原油，分析壓裂液凈入地量有助于分析注入地下體積，優化壓裂工藝。巖心實驗表明，壓裂液可以改善潤濕性，有利于發揮滲吸作用，提高注水吞吐效果。由于儲層中豐富的黏土礦物遇水膨脹，導致壓裂液被大量吸入。如果裂縫和基質間的壓差足夠大，壓裂液進入到基質中，此時基質中的流體包括原始流體和注入的壓裂液。

因此，壓裂液凈入地量作為致密油藏開發效果重要評價指標，不容忽視。定義壓裂液凈注入地下體積公式為：

Vnet=Vwin+Vfrc-Vo/Bo-Vw

(2)

式中：Vwin為注入水體積，m3；Vfrc為進入地層壓裂液體積，m3；Vo為地面原油體積，m3；Bo為原油體積系數，m3/m3；Vw為采出水體積，m3；Vnet為凈注入地下體積，m3。

根據式(2)計算M區塊51口井壓裂液凈入地量，其中23口井壓裂液凈入地量大于1.0×104m3，前3 a平均單井累計產油量為8 662.7 m3，產量高，劃分為Ⅰ類；15口井壓裂液凈入地量為0.50×104～1.00×104m3，前3 a平均單井累計產油量為4 581.20 m3，產量較高，劃分為II類；13口井壓裂液凈入地量小于0.50×104m3，前3 a平均單井累計產油量為2 754.05 m3，產量低，劃分為Ⅲ類。

1.3 注水吞吐有效注水率

影響致密油藏注水吞吐開發效果因素較多，其中吞吐期間注水量影響較大。大量特低滲透和致密油藏開發實踐表明存在大量無效注水，注入水并沒有完全轉化為驅替能量。采用物質平衡方法計算有效注水量。

注水吞吐有效注水率是指吞吐期間有效累計注水量與實際累計注水量的比值，下面采用物質平衡方法計算有效注水率。

(3)

式中：Ir為注水吞吐有效注水率，%；Wia為實際累計注水量，m3；N為原始石油地質儲量，m3；Np為累計產油量，m3；Wf為壓裂液注入量，m3；Wp為累計產水量，m3；Bo為地層原油體積系數，m3/m3；Boi為原油原始體積系數，m3/m3；Bw為地層水體積系數，m3/m3；CB為綜合壓縮系數，MPa-1；Δp為截至目前的油藏平均壓降，MPa。

將實測的平均地層壓力、累計產油量、累計產水量、油水的體積系數、當前實測地層壓力和原始地層壓力代入物質平衡方程中，通過式(3)計算出有效注水量。注水吞吐有效注水率是指吞吐期間有效注水量與實際注水量的比值。

根據式(3)計算M區塊56口井注水吞吐有效注水率。有效注水率大于60.0%有18口井，平均單井年產油量為2 861.11 m3/a，產量高，劃分為Ⅰ類；有效注水率為40.0%～60.0%有22口井，平均單井年產油量為1 527.06 m3/a，產量較高，劃分為Ⅱ類；有效注水率小于40.0%有16口井，平均單井年產油量為928.18 m3/a，產量低，劃分為Ⅲ類。M區塊2017年7月至2018年9月有效注水率保持在50%左右，2019年吞吐液量顯著升高，但注水吞吐有效注水率降至40.5%，表明無效注水增加(表2)。

表2 M區塊注水吞吐有效注水率Table 2 The effective water injection rate of water-flood stimulation in Block M

1.4 注水吞吐油水置換率

致密油藏注入水將原油從基質和裂縫中置換出來，同時恢復地層壓力，補充地層能量。注水階段，注入水沿裂縫進入低滲透儲層，由于基質系統滲透率極低，基質系統與裂縫系統的滲透率存在較大的差別，注入水先流入裂縫并向前推進。裂縫中的水在滲吸作用下由天然裂縫進入基質中(圖2a)。悶井階段，注入水不斷滲吸侵入基質，裂縫壓力逐漸降低。在壓力梯度和毛管力的共同影響下，將其中的剩余油驅替到裂縫中(圖2b)。采油階段，水平井底附近天然裂縫中原油流向壓裂裂縫，進而流入井筒，裂縫系統中的壓力繼續下降，基質中的剩余油持續從天然裂縫流向壓裂裂縫(圖2c)。

圖2 注水吞吐過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of water-flood stimulation process

為了評估注水吞吐置換能力，引入注水吞吐油水置換率的概念，定義注水吞吐油水置換率為單井累計增油量與累計注水量的比值，其計算公式為：

F=No/Ei

(4)

式中：F為注水吞吐置換率，%；No為單井累計增油量，m3；Ei為單井累計注水量，m3。

根據式(4)計算M區塊56口井注水吞吐油水置換率。其中22口井注水吞吐油水置換率大于5%，吞吐置換出原油4 489.03 m3，產量高，劃分為Ⅰ類；20口井注水吞吐油水置換率為2%～5%，吞吐置換出原油3 285.00 m3，產量較高，劃分為Ⅱ類；14口井注水吞吐油水置換率小于2%，吞吐置換出原油2 759.35 m3，產量低，劃分為Ⅲ類。

1.5 吞吐周期產量遞減率

分析M區塊1～4周期吞吐月產液及含水數據(圖3)，發現多周期吞吐后增油效果變差，特別是第4周期吞吐單井月產油小于100 m3/月，吞吐效果逐漸變差。

圖3 典型井注水吞吐井開采曲線Fig.3 The production curve of typical well with water-flood stimulation

吞吐周期產量遞減對致密油多周期注水吞吐效果影響較大，目前沒有可供參考的評價標準。引入吞吐周期產量遞減率的概念：

Dj=(Qj-Qj+1)/Qj

(5)

式中：Dj為注水吞吐周期產量遞減率，%；Qj為注水吞吐第j周期產油量，m3；Qj+1為注水吞吐第j+1周期產油量，m3。

根據式(5)計算M區塊56口井吞吐周期產量遞減率。其中20口井吞吐周期產量遞減率小于30%，劃分為Ⅰ類；24口井吞吐周期產量遞減率為30%～45%，劃分為Ⅱ類；12口井吞吐周期產量遞減率大于45%，劃分為Ⅲ類。

1.6 注水吞吐評價指標及分類界限

在縫網發育系數、壓裂液凈入地量、注水吞吐有效注水率、注水吞吐油水置換率、吞吐周期遞減率5項指標基礎上，同時考慮地層能量保持程度、采油速度、含水率、存水率、水平井單段加砂強度5項常規評價指標，建立致密油藏水平井注水吞吐開發效果評價10項評價指標，并確定取值界限(表3)。

表3 注水吞吐開發效果評價指標及分類取值界限Table 3 The evaluation index and classification value limit of development effect by water-flood stimulation

2 注水吞吐效果評價方法

影響致密油產量的因素眾多，九標度法考慮了諸多因素，因此，應用九標度法建立權重集和模糊判斷矩陣，將指標因素集轉化到分類集，進行模糊計算與類型識別，將評價結果定量化，綜合評判注水吞吐開發效果。

2.1 九標度法評價方法的原理

權重實質是因素對“重要性”的隸屬度，單因素權重的大小將對評價結果產生直接的影響。根據前文選取的10項評價指標，采用九標度法對全部因素兩兩對比，并建立因素權重集，表示為：

U={u1，u2，…，um}

(6)

式中：U為評價指標的集合；um為評價對象；m為評價指標個數。

評語集是對被評價對象的各個評價結果的集合，表示為：

V={v1，v2，…，vn}

(7)

式中：V為評語集，即評價結果集合；vn為評語；n為評價結果的級數。

建立模糊矩陣R，對被評價對象的每個因素um進行量化，即確定單因素對各等級模糊子集的隸屬度，進而得到模糊關系矩陣為：

(8)

式中：R為模糊矩陣；Rm為矩陣中的元素；rmn為單因素評價矩陣，可以看作是因素集U和評價集V之間的一種模糊關系，即影響因素和評價對象之間的“合理關系”。

因素集上各因素評價結果為如下：

(9)

式中：Y為開發判度，通過與評判標準比較，判斷開發效果。

采用以上開發效果評價方法，能夠評價致密油注水吞吐開發效果。

2.2 實例分析

利用上文建立的評價方法評價M區塊水平井注水吞吐效果。結合同類致密油藏注水吞吐實踐，確定了注水吞吐開發效果評判分級界限(表4)。

表4 注水吞吐效果評判分級界限Table 4 The classification limits for water-flood stimulation effect evaluation

根據式(6)～(9)計算M區塊開發判度Y為0.64，屬于Ⅱ類，表明該區塊注水吞吐開發效果較好。評價M區塊51口井，開發效果可知，Ⅰ類井比例達到45.1%，II類井比例占25.5%，Ⅲ類井比例占29.4%，總體開發效果好。將評價結果與實際產量評價結果做誤差分析，實際產量評價開發效果Ⅰ類井比例達到38.8%，Ⅱ類井比例占36.5%，Ⅲ類井比例占24.7%。2種評價結果的符合程度達86.21%，證明該評價體系可以輔助評價開發效果，能夠正確評價M區塊注水吞吐開發效果。

3 結 論

(1)基于壓裂液返排率和壓裂增產倍數，提出了縫網發育系數計算方法，定量表征致密儲層天然裂縫與壓裂裂縫形成的復雜縫網發育程度。

(2)綜合考慮地質特征、壓裂工藝、注水吞吐制度，建立了縫網發育系數、壓裂液凈入地量、吞吐有效注水率、吞吐油水置換率、吞吐周期產量遞減率、地層能量保持程度、采油速度、含水率、存水率、水平井單段加砂強度10項評價指標及分類評價取值界限。

(3)運用九標度法對全部因素兩兩對比，構建模糊判斷矩陣，模糊計算與類型識別，建立注水吞吐開發效果定量化評價方法。M區塊51口井注水吞吐效果評價結果，Ⅰ類井比例達到45.1%。符合率為86.21%，表明文中方法能夠正確評價致密油水平井注水吞吐開發效果。