強底水砂巖油藏水平井含水上升模式及不同開發階段下產水規律影響因素
——以塔河油田九區為例

劉學利, 鄭小杰, 馬新平, 王晶, 劉蕊, 劉麗娜, 竇蓮, 陳鑫

(1.中國石化西北油田分公司，烏魯木齊 830011；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，西安 710016；3.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610059)

強底水砂巖油藏在開發中遇到的最大問題就是底水錐進，水錐一旦形成，就會加速底水錐進速度，油井含水率快速上升，底水突破后就會形成暴性水淹，最終導致油井過早關井，從而嚴重影響油藏的開發。由于水平井比直井泄油面積大，生產壓差小等特點，從而降低了底水的錐進速度，延緩了底水錐進、增長了無水采油期[1-3]。但是在底水油藏的水平井開發中，由于該類油藏具有非均質性比較大、底水活躍、地層原油黏度高等特點，導致油藏開發過程中的油水界面會以脊狀錐進，其垂直于水平井水平段方向的剖面形態與直井油水界面所形成的水錐很相像[4-6]。文獻[7]研究表明，底水油藏水平井含水上升規律影響因素主要有地質因素和開發因素兩個方面。文獻[8]應用數值模擬計算的結果回歸俞啟泰水驅特征曲線，求得反映水平井見水特征的參數。文獻[9]以油藏數值模擬為手段，結合正交設計試驗極差分析法，研究了水平段長度、無因次水平段避水高度和生產壓差對水淹規律的綜合影響。文獻[10]利用數值模擬方法確定了水錐動態對不同儲層參數的敏感性，然后利用模擬結果建立簡化的水錐預測模型。文獻[11]利用碎屑巖油藏水淹樣品結合水淹模式特征，研究并分析了油層水淹影響因素。文獻[12]對影響氣井采收率的因素分別進行了單因素與多因素分析，然后建立灰色關聯度+回歸分析機器學習新模型，結合生產實例驗證模型可行性。文獻[13]總結了在大數據、人工智能等現代技術發展推動下，建設智能化油田的應用現狀及進展，包括基于油藏工程方法及大數據分析技術的油藏管理優化。文獻[14]結合隨鉆測量參數與井底壓力變化，結合相關熱力圖，建立了井底壓力趨勢預測模型。目前研究主要是簡單的將各種影響因素進行油藏工程分析和數值模擬進行定性分析，但是這些方法目前都未將整個油藏的開發階段分階段進行研究，導致分析結果不夠全面。

針對上述問題，對強底水砂巖油藏中不同含水上升模式的水平井不同生產階段的含水上升規律及其影響因素進行分析，從而細化不同生產階段時期需要重點關注的影響因素，并利用灰色關聯法及機器學習方法進一步定性分析不同區域不同生產階段各影響因素與含水上升規律的關聯度，同定性分析相結合分析油藏含水上升規律的主控因素，為強底水砂巖油藏水平井含水上升規律的研究，后期調整治理以及剩余油開采提供一定的理論依據。

1 區塊概況

塔河油田九區三疊系下油組油藏所屬的構造位置位于塔里木盆地東北坳陷區沙雅隆起阿克庫勒凸起南部，下油組為本區主要產層段，主要為辮狀河三角洲沉積，巖性為淺灰色細砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖互層，局部夾深灰色泥巖。油藏類型屬于中孔、中高滲、強底水、受構造影響的砂巖孔隙型未飽和油藏[15]。

目前，油藏總井數51口，直井15口，水平井31口，斜井5口，開井47口，日產液水平3 760.1 t/d，日產油水平392.60 t/d，區塊綜合含水89.56%，累產液量1 117.93×104t，累積產油303.17×104t，采出程度35.91%，區塊整體處于中液、低油、特高含水階段，主要依靠天然能量開發。按照區塊日產油量可以將整個開發階段分為：試采階段、產量上升階段、高產階段和遞減階段；按區塊含水變化可以將整個開發階段分為：低含水階段(<20%)、中含水段(20%～60%)、高含水階段(60%～80%)和特高階段(>80%)，如圖1所示。

圖1 塔河九區開發數據圖(截至2020年4月1日)

工區主要存在以下問題：①工區生產近20年仍主要依靠天然底水能量進行開采，調剖堵水措施的實施效果不一，且目前處于特高含水期，產油量遠低于產水量，提高采收率和進一步調剖堵水的增產措施亟待實施；②水平井含水上升規律與直井含水上升規律存在差異，直接使用直井的分析結果不利于后續措施的實施；③油藏影響因素未根據生產階段進行分析，導致生產中后期油藏增產措施實施的參考依據仍然為開采初期的結論。針對上述問題，在目標區域里選取31口正在生產的水平井進行定性和定量研究，確定了該區水平井含水上升模式以及不同生產階段條件下的水平井含水上升主控因素，為后續工藝措施的實施提供了依據。

2 區域含水上升模式

基于對塔河九區底水砂巖油藏含水上升變化特征，對各井的含水率變化曲線形態進行了劃分，可劃分為4種主要含水上升模式：爬坡型、階梯型、開井水淹型和快速水淹型，如圖2所示。

圖2 塔河九區典型含水上升模式圖

前人主要是對九區生產井目前的含水上升模式進行了統計，未進行分階段研究，主要統計了不同生產階段條件下的各井的含水上升類型，如圖3所示。根據統計結果可以發現，隨著生產進行，高產水井越來越多，含水上升類型為低含水型的井逐漸向爬坡型和階梯型轉變，造成的主要原因為底水整體抬升，因此生產初期及中期的影響因素不再完全適用于現階段的研究，故需要針對生產后期特高含水階段的含水上升規律的影響因素進行重新分析。

圖3 塔河九區不同生產階段含水上升模式統計圖

3 水平井不同生產階段含水上升規律主控因素定性分析

影響水平井含水上升變化的因素非常多，且不同生產階段時的影響因素會發生一定的變化，從而導致水平井的含水上升主控因素復雜多變，而前人研究并未根據生產階段對含水上升的影響因素進行分析，故根據區塊水平井不同生產階段條件下的含水上升規律進行了研究，確定了區塊水平井不同生產階段時的含水上升主控因素。

3.1 水平井井段與古河道方向的夾角影響

根據三疊系下油組沉積時期的沉積物源方向分析和沉積水動力條件分析，得出其水動力條件較強，主要為河道沉積，北部河道薄，南部河道寬而厚，砂體連片分布，古河道方向主要來自南西-北東向。

根據沉積相圖4結合古河道方向，發現水平井井段與古河道方向的夾角越小，含水上升類型更傾向于含水上升緩慢的爬坡型或階梯型，初期也有較長的無水采油期；而水平井井段與古河道方向夾角越大，含水上升類型更傾向于快速水淹型。產生的主要原因為古河道方向的沉積相分布較為均勻，非均質性弱；垂直于古河道方向的沉積相帶分布不均，復雜多變，非均質性相對較強，導致水平井生產井段處的滲透率變化大，易形成高滲通道從而形成水竄。隨著生產的進行，產水越來越高，古河道方向與水平井井段夾角大小對含水上升變化的影響也逐漸減小，但是其可以指導后續工藝措施實施的位置。

圖4 塔河油田9區水平井井段與古河道夾角圖

3.2 沉積相的影響

三疊系下油組沉積時期發育了水進型辮狀河三角洲平原沉積，工區以砂壩和河道為主，河道、間灣相對發育比較少，沉積相平面分布特征研究認為：①物源方向來自北東向南西方向延展；②河道經歷多期擺動，造成縱向和平面上相拼接及復雜的砂泥拼接關系。根據區塊四個不同生產階段的生產井含水上升類型變化情況，在沉積相平面展布圖中劃分出4個主要含水類型的分布范圍，如圖5～圖8所示。

圖5 塔河油田九區T2a1-1小層不同生產階段下含水類型與沉積微相平面分布關系圖

圖6 塔河油田九區T2a1-2小層不同生產階段下含水類型與沉積微相平面分布關系圖

圖8 塔河油田九區T2a1-4小層不同生產階段下含水類型與沉積微相平面分布關系圖

從圖5～圖8中可以看出，北部S95井區上產階段、高產階段及遞減階段含水上升變化較緩的區域主要分布于三角洲河道，三角洲砂壩和間灣區域的井在所有生產階段及側緣大部分生產階段都屬于開井水淹型和快速水淹型含水上升規律。但是南部TK918井區規律完全不同于北部的S95井區，整體井區的含水上升速度較快。由此可以得出：沉積條件較好的三角洲河道有利于生產的進行，底水錐進的速度較緩，但是不同井區間相同沉積環境的含水變化不一致說明沉積相展布規律非含水變化唯一條件，還需要結合其他地質條件進行研究。隨著生產的不斷進行，整個塔河9區的含水率逐漸升高，底水抬升也越來越高，沉積相展布對區塊含水上升的抑制作用逐漸減弱，直至區塊處于特高含水期以后，生產井的含水變化和沉積相展布基本沒有關聯。但沉積相中三角洲河道主要以砂質沉積為主，其非均質性較弱，是儲層流體流動的優質區域，后期在實施堵水調剖工藝時可以參考沉積相帶的展布，選取河道和側緣部分的區域，能夠更加有利于工藝的實施。

3.3 避水高度的影響

塔河油田九區構造位置和避水高度變化基本一致，位于構造位置較高的井，其避水高度相對較高，反之亦然，整個區域構造位置分布為北部S95井區靠近斷裂帶附近的構造位置高及西北部具有局部構造高點，南部TK918井區整體構造位置低。根據不同生產階段生產井的含水上升變化情況，在構造圖中劃分4個主要含水類型的分布范圍，如圖9所示。

從圖9中可以看出，北部S95井區上產階段含水上升變化較緩的區域主要分布于中部構造較高部位，高產階段和遞減階段的含水上升變化較緩的區域主要分布于中部構造較高部位、構造中部位以及西部和東部的構造局部高點，且生產井的生產初期含水變化情況與避水高度和構造位置具有良好的對應關系，即避水高度和構造位置越高，初期含水上升變化越緩慢，無水采油期越長，反之亦然，說明構造位置和避水高度對油藏初期生產具有很大的影響。南部TK918井區由于整體的構造位置和避水高度較低，含水上升類型主要以快速水淹型和開井水淹型為主，結合前文的沉積相展布可以確定，生產初期沉積相展布和避水高度及構造位置共同影響了區域生產井的產水變化。

圖9 塔河油田九區不同生產階段下含水類型與構造位置和避水高度關系圖

但是隨著生產的進行，區域底水抬升越來越高，生產井見水以后，含水上升速度加快，生產后期不同構造位置和避水高度的生產井逐漸進入高含水階段，含水率變化基本一致，其影響效果日漸減低。所以構造位置和避水高度在生產前期可以作為主要的影響因素進行分析，并且可以得出構造位置越高避水高度相對越高，含水上升變化越緩慢，但是在生產后期構造位置和避水高度對生產井含水變化影響較小，故后期工藝措施實施可以不將構造位置和避水高度作為主要影響因素考慮。

3.4 儲層非均質性的影響

儲層非均質性是指在儲層平面及層間滲透率分布的不均一性，根據巖心常規物性數據和測井解釋成果表的相關數據，統計巖心和測井資料從而獲取非均質參數。塔河九區儲層整體非均質性較弱，部分位置非均質性強，結合沉積相圖認為其主要分布于側緣和間灣處。

3.4.1 夾層的影響

夾層是造成儲層流體運動非均質的主要因素之一，工區為辮狀河三角洲平原沉積，夾層多有沉積時期的水動力變化沉積和成巖作用形成，由于沉積時期河道擺動變化頻繁多數泥巖沉積被破壞，夾層未能連片，其中最主要的為高阻鈣質夾層和低阻泥質夾層兩種。根據不同生產階段生產井的含水上升變化情況，在4個單砂層夾層展布圖中劃分出不同生產階段下的4個主要含水類型的分布范圍，如圖10～圖13所示。

從圖10～圖13中可以看出，結合各個單井測井曲線識別開采初期的油水界面及縱向上夾層分布，T2a1-4小層基本已經被底水覆蓋，T2a1-3小層在部分區域還具有較多剩余油其余大部分已被底水侵入，故分析夾層影響水平井含水上升變化主要考慮T2a1-1和T2a1-2的夾層。北部S95井區不同生產階段的含水上升變化較緩的區域主要分布于中部，該區域鈣質夾層展布較多，零星分布泥質夾層，對于相同含水上升類型的井，具有夾層遮擋的井的無水采油期更長，含水上升速度也更加緩慢。以TK910H和TK911H為例，兩口井的投產時間和構造位置相近，但是油水界面上有夾層的TK911H井相比于油水界面上無夾層的TK910H井的無水采油期更長，含水上升速度也較為緩慢。隨著生產的進行，底水逐漸抬升，生產井見水后，含水上升速度逐漸加快，底水繞過夾層流向生產井，夾層的遮擋作用逐漸減弱，直至底水抬升至井底達到高含水階段，至此夾層的遮擋作用基本失效，故認為夾層在生產中期是影響底水抬升的最關鍵因素。但是隨著底水逐漸淹沒過夾層形成繞流以后，夾層對儲層中的剩余油分布卻具有較大的影響，底水繞流過夾層以后會在夾層頂部形成較多的剩余油，是后期流場調節等工藝措施實施的重要參考依據。綜上，夾層對底水抬升及水平井含水上升變化的影響主要體現在生產中期對底水的遮擋作用，以及生產后期的剩余油分布，為后續工藝措施實施增產提供了一定的指導作用。

圖10 塔河油田九區T2a1-1小層不同生產階段下含水類型與夾層平面分布關系圖

圖11 塔河油田九區T2a1-2小層不同生產階段下含水類型與夾層平面分布關系圖

圖13 塔河油田九區T2a1-4小層不同生產階段下含水類型與夾層平面分布關系圖

3.4.2 層內滲透率影響

應用滲透率突進系數來確定層內滲透率變化從而確定儲層非均質性變化，在4個單砂層滲透率突進系數圖中劃分出不同生產階段下的4個主要含水類型的分布范圍，如圖14～圖17所示。可以看出，從下到上第四單砂體的非均質性最弱，往上逐漸變強，結合之前沉積相部分的分析，可以發現高產階段及遞減階段的含水上升變化較緩的區域主要分布于中部非均質性中等的三角洲河道，非均質性強的西部和東部在大部分生產階段都屬于開井水淹型和快速水淹型含水上升規律其沉積相分布主要為三角洲砂壩、間灣以及部分側緣區域。所以非均質性對生產初期含水上升變化的影響較弱，但是一但采取生產工藝措施以后，非均質性越弱的區域，工藝措施效果越好，控液排水受效時間越長，故層內滲透率變化是生產中后期實施工藝措施的主要參考因素。

圖14 塔河油田九區T2a1-1小層不同生產階段下含水類型與滲透率突進系數分布關系圖

圖15 塔河油田九區T2a1-2小層不同生產階段下含水類型與平面滲透率分布關系圖

圖16 塔河油田九區T2a1-3小層不同生產階段下含水類型與平面滲透率分布關系圖

圖17 塔河油田九區T2a1-4小層不同生產階段下含水類型與平面滲透率分布關系圖

4 水平井不同生產階段含水上升規律主控因素定量分析

4.1 灰色關聯法

灰色關聯分析法[16]能夠為一個系統的變化趨勢提供度量，且適用于在動態分析里得出多個因素的影響權重，能較好地處理方案評估與排序過程中的模糊性和人為綜合判斷的灰色分析性質，即主觀性，為方案排序的定量化提供有力的支撐，從而推導出這個系統變化時所體現的規律，這樣就得到了權重最大的影響因素，為后續的結果分析做了鋪墊。以A、B、C1區塊的生產井不同生產階段含水上升規律與可量化影響因素分析關聯性。

4.1.1 確定分析數列

通過整理地質資料和工程參數等靜態資料，以含水上升類型為參考數列，各靜態資料為比較數列，計算各靜態資料與含水上升類型的關聯度。統計不同開發階段可量化參數如表1所示。

表1 確認初始放分析數列

4.1.2 數據無量綱化

去除部分數據缺失并先將數據量化后，再用式(1)無量綱化得表2。

表2 各影響因素無量綱化數列統計

(1)

式(1)中：k為待無量綱化影響因素；n為該影響因素值個數；i為1～n的計數值；j為各井代表值下標；xj為無量綱化后該影響因素代表值；yj為該影響因素初始代表值。

4.1.3 計算關聯度

所謂關聯程度[17-18]，實質上是曲線間幾何形狀的差別程度。應用關聯度模型分別對不同生產階段計算比較數列Xi上各點k與參照數列X0參照點的關聯系數，最后求各系數的平均值即Xi與X0的關聯度Ri。

關聯系數ξoi(k)計算公式為

(2)

式中：Δoi為參考數值與各比較數值的絕對差值，稱為兩級最小差值；x0為參考數值；xi為各比較數值；ξoi為比較數列Xi與參照數列X0的關聯系數；Δmin為第一級最小差值，表示在Xi曲線上各相應點與Δoi(k)中各相應點距離的最小值；Δmax為第一級最大差值；ρ為分辨系數，一般取值0.5。

關聯度Ri指比較序列和參考序列之間的關聯程度，可通過式(3)計算得出。表3為各生產階段不同影響因素關聯度統計。

表3 各生產階段不同影響因素關聯度統計

(3)

4.2 機器學習法

4.2.1 熱力圖分析多因素相關性

底水砂巖油藏的含水上升類型受多種因素影響，通過運用Python生成熱力圖(heatmap)從顏色、相關系數r(或稱皮爾森相關系數)兩方面描述各因素與開發階段含水上升類型的相關性：①顏色定性顯示變量間相關性，紅色代表正相關，藍色代表負相關，紅色越深，表示含水上升類型隨因素數值的增加而更具有關聯性；藍色越深，表示含水上升類型隨因素數值的增加而更不具有關聯性；②相關系數r定量描述變量間線性相關性，r>0表明兩者間為正相關性，r<0表明兩者間為負相關性，r=0則兩者間無線性相關性，r的絕對值越大表明該因素對含水上升類型的影響也越大[19]，如表4所示。再繪制研究區單因素與含水上升類型的聯合分布圖，以詳細分析各因素與含水上升類型的相關關系。

表4 相關程度劃分

通過統計分析影響底水砂巖油藏的無量綱化因素，繪制影響開發階段含水上升類型的兩兩相關性散點-柱狀圖，并轉化為熱力圖，如圖18所示。

根據圖18影響因素與含水上升類型熱力圖顯示：高產階段隔夾層展布與構造高低與含水上升類型熱力圖方格為紅色且大部分呈正相關，其中隔夾層展布正相關程度最大(最大相關系數rmax=0.687)；其余影響因素與含水上升類型熱力圖方格為藍色，均呈負相關性，其中水平井水平段長度相關程度最低。

圖18 影響因素與含水上升類型相關性熱力圖

4.2.2 聯合分布圖分析單因素相關性

通過應用seabor軟件包中jointplot函數繪制研究區影響因素與含水上升類型的聯合分布圖[20-21]，詳細分析各影響因素對含水上升類型的影響。通過圖19～圖29所示的散點狀聯合分布圖(后文簡稱為“散點圖”)判斷各因素同含水上升類型的線性正相關性，結合蜂窩狀聯合分布圖(后文簡稱為“蜂窩圖”，“蜂窩”色塊顏色越深，表示兩種變量在該坐標值下的相關性越大)中各色“蜂窩”色塊位置分布，詳細分析各油藏因素及工程因素對含水上升類型的影響。

圖19 滲透率非均質性與含水上升類型聯合分布圖

圖20 1小層鈣質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖21 1小層泥質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖22 2小層鈣質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖23 2小層泥質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖24 3小層鈣質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖25 3小層泥質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖26 4小層鈣質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖27 4小層泥質隔夾層與含水上升類型聯合分布圖

圖28 井深與含水上升類型聯合分布圖

圖29 水平段長度與含水上升類型聯合分布圖

根據各因素與含水上升規律的聯合分布圖顯示分布擬合曲線呈非正態分布，其中井深(即構造位置高低，r=0.58)以及隔夾層展布(rmax=0.69)與含水上升類型線性正相關程度最大，蜂窩圖中的顏色變化呈現較明顯的線性正相關；而與含水上升類型線性負相關程度最強的為水平井水平段長度(r=-0.54)，同時可以直觀地看出蜂窩圖中“蜂窩”顏色深度分布呈現較為明顯的線性負相關。

4.3 關聯度比較

對比上述分析結果得到不同區塊各生產階段影響因素與含水上升類型關聯度，結果如表5所示。

表5 不同區塊各生產階段影響因素與含水上升類型關聯度

對不同區域不同生產階段各影響因素與含水上升規律的關聯度大小分析可得：①上產階段隔夾層展布和構造位置高低對含水類型影響程度較大，尤其是構造位置(即避水高度)生產初期影響極大；②高產階段隔夾層展布對含水類型影響程度較大；③遞減階段隔夾層展布對含水類型影響程度較大；④各區域不同生產階段滲透率非均質性同含水類型關聯度均不太大。以上結果同3節定性分析結果基本吻合，證明了定量分析方法的可行性。

5 結論

根據不同生產階段時的各影響因素對水平井含水上升變化規律的影響進行了工程分析，并結合灰色關聯法以及機器學習方法進行定量分析，得出以下結論。

(1)生產初期水平井含水上升的變化規律主要受構造位置、避水高度以及水平井井段與古水流方向的夾角大小影響。構造位置和避水高度主要影響底水抬升的高度，構造位置越高，底水需要抬升的高度越高，需求的生產壓差越大；水平井井段與古水流方向的夾角大小主要影響生產段的非均質性強弱，古水流方向上的沉積條件相對穩定非均質性更弱，而垂直于古水流方向的沉積條件越復雜多變造成其非均質性更強。

(2)開采中期含水上升變化規律以層內夾層展布作為主要影響因素及以儲層非均質性作為次要影響因素。夾層的存在會在底水抬升時形成遮擋作用，具有遮擋底水，延緩底水抬升時間以增大底水抬升所需要生產壓差的作用；非均質性的強弱分布主要影響底水在層間層內流動時遇到的阻力，非均質性越弱，底水抬升越均勻也越緩慢，非均質性越強，底水越容易沿高滲透帶竄流形成水淹。

(3)后期流場調節主要受儲層非均質性及沉積相分布影響。沉積相展布是儲層非均質性的來源，河道沉積相為下油組的優勢相，整體非均質性弱，底水抬升的速度緩慢，后期工藝措施應該主要針對河道沉積相附近的井和其他非均質性較弱的井進行實施，其次由于該分布的井的沉積條件，非均質性、孔隙度以及滲透率相對穩定，工藝措施的實施也更具有針對性。

(4)運用灰色關聯方法以及機器學習方法綜合考慮了多種因素對含水上升規律的影響，且定性分析結果與灰色關聯方法吻合良好，且后者數據處理簡單，計算工作量較少，結果簡單易懂，具有很好的實際操作價值，是分析含水上升規律影響因素的有一種有效方法。