張吉磊,羅憲波,張運(yùn)來(lái),何逸凡,周焱斌
(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津300459)
注水作為油田高效開(kāi)發(fā)的重要手段,對(duì)保持地層壓力和油田穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要,在國(guó)內(nèi)外油田得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)于底水油藏注水,眾多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了大量的研究[1-7]。鄭小杰等[8]對(duì)地層能量相對(duì)不強(qiáng)的底水油藏進(jìn)行了注水開(kāi)發(fā)可行性論證,認(rèn)為底水油藏注入水波及范圍小,采出水主要為地層水,驅(qū)油效果不明顯。程秋菊等[9]利用數(shù)值模擬、流線模擬和虛擬示蹤劑技術(shù)等方法對(duì)底水油藏注入水的驅(qū)替路徑進(jìn)行了研究,認(rèn)為底水油藏大部分注入水優(yōu)先流向底水區(qū),表現(xiàn)出補(bǔ)充底水能量的作用。張吉磊等[10]針對(duì)隔夾層發(fā)育的底水油藏,提出了依托隔夾層分段注水技術(shù),提高了夾層發(fā)育稠油底水油藏注入水的驅(qū)油效果。
與直接投注注水井相比,轉(zhuǎn)注井具有較長(zhǎng)的生產(chǎn)歷史,已形成優(yōu)勢(shì)滲流通道,導(dǎo)致轉(zhuǎn)注后注入水沿優(yōu)勢(shì)滲流通道直接流入底水,形成無(wú)效水循環(huán)?,F(xiàn)有的對(duì)底水油藏轉(zhuǎn)注井注水的研究均未考慮長(zhǎng)期大液量沖刷引起的儲(chǔ)層物性變化,如何提高底水油藏轉(zhuǎn)注井注入水的驅(qū)油效果,一直是底水油藏注水未能突破的難點(diǎn)。眾多學(xué)者針對(duì)如何抑制采油井底水錐進(jìn)進(jìn)行了大量的研究。李傳亮[11]提出對(duì)采油井打隔板抑制底水錐進(jìn)。劉彥成等[12]利用李傳亮提出的隔板理論,推導(dǎo)出堵劑注入的合理位置。范鳳英[13]針對(duì)次生底水油藏采油井底部采用化學(xué)凝膠移動(dòng)式彈性隔板堵底水。吳長(zhǎng)胤等[14]利用聚合物樹(shù)脂凝膠體系為主體開(kāi)展了重復(fù)封堵技術(shù)研究。黃凱等[15]利用壓降漏斗原理,提出了壓降漏斗法封堵大孔道技術(shù)。劉玉章等[16-17]通過(guò)在優(yōu)勢(shì)滲流通道利用側(cè)鉆水平井進(jìn)行置膠成壩,實(shí)現(xiàn)了液流轉(zhuǎn)向。針對(duì)底水油藏轉(zhuǎn)注井如何擴(kuò)大注水波及體積的研究還處于探索階段。
筆者考慮注水井轉(zhuǎn)注前后長(zhǎng)期大液量沖刷下儲(chǔ)層物性的變化,對(duì)直接投注注水井與轉(zhuǎn)注井注水流線的差異進(jìn)行分析,進(jìn)一步探討通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)注井滲透率錐體型變化帶底部進(jìn)行“置膠成壩”以擴(kuò)大轉(zhuǎn)注井注水波及體積,進(jìn)而提高底水油藏轉(zhuǎn)注井水驅(qū)效率,改變稠油底水油藏轉(zhuǎn)注井注水驅(qū)油效果差的現(xiàn)狀,以期為相似油田的高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。
渤海Q油田位于渤海中部海域,是典型的大型河流相稠油底水油藏。油藏埋深淺,儲(chǔ)層膠結(jié)疏松,物性好,平均孔隙度為35%,平均滲透率為3 000 mD,屬高孔、高滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)層巖性主要為中—細(xì)砂巖及粉砂巖,石英、長(zhǎng)石及巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為43%~50%,28%~34%和15%~21%。填隙物主要為雜基和膠結(jié)物,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~20%,平均為14%,其中雜基以泥質(zhì)為主,主要為伊/蒙混層,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%,另見(jiàn)伊利石、高嶺石及少量綠泥石。膠結(jié)物主要為成巖早期階段形成的菱鐵礦,質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1%以?xún)?nèi)。地層原油黏度為260 mPa·s,底水水體倍數(shù)為10~30倍。油藏地層壓力為11.30 MPa,油田的壓力系數(shù)為0.99~1.03;油藏溫度為 60.0℃,地溫梯度為3.50℃/100 m,屬于正常溫度和壓力系統(tǒng)。地層原油密度為0.882~0.936 g/cm3,飽和壓力為4.06~9.94 MPa。地層水為NaHCO3型,氯離子質(zhì)量濃度約為230 mg/L,平均礦化度約為4500 mg/L,pH值在7左右。
渤海Q油田于2002年投產(chǎn),初期利用定向井天然能量開(kāi)發(fā)稠油底水油藏,導(dǎo)致含水率上升快,產(chǎn)量遞減幅度大。綜合調(diào)整方案設(shè)計(jì)通過(guò)改變井型,采用“定向井注水+水平井采油”的注水開(kāi)發(fā)方式改善開(kāi)發(fā)效果。目前已轉(zhuǎn)注定向注水井34口,階段注采比為1.0,累計(jì)注采比為0.7,地層能量穩(wěn)中略有提升。轉(zhuǎn)注前平均產(chǎn)液量為400 m3/d,累計(jì)產(chǎn)出液為140萬(wàn)m3;轉(zhuǎn)注后平均注水量為800 m3/d,累計(jì)注入水160萬(wàn)m3,水平采油井平均產(chǎn)液量為1 000 m3/d,累計(jì)產(chǎn)出液150萬(wàn)m3,但是定向井轉(zhuǎn)注后,驅(qū)油效果差,僅流壓緩慢上升,注入水主要表現(xiàn)出補(bǔ)充能量的作用。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明:對(duì)于正韻律儲(chǔ)層而言,大部分注入水主要表現(xiàn)為補(bǔ)充底水能量的作用[4]。根據(jù)實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征,結(jié)合流線模擬方法,對(duì)底水油藏注入水的波及體積進(jìn)行了分析,得出大部分注入水主要流向底水區(qū)(圖1),用于補(bǔ)充底水能量,再通過(guò)采油井提液產(chǎn)出,造成注入水的無(wú)效循環(huán),導(dǎo)致驅(qū)油效果不明顯。
圖1 轉(zhuǎn)注井注入水流向示意圖Fig.1 Schematic diagram of injected water flow direction in transfer injection well
根據(jù)渤海Q油田油藏地質(zhì)參數(shù),建立流線理論模型,研究正韻律稠油底水油藏直接投注注水井和油井轉(zhuǎn)注井的水驅(qū)波及體積,分析轉(zhuǎn)注井與直接投注注水井注入水的流線分布特征。
網(wǎng)格選取 50×50×20,長(zhǎng)度為 10 m×10 m×1 m,水平滲透率為3000 mD,Kv/Kh取0.1,孔隙度取30%,巖石和流體性質(zhì)取渤海Q油田實(shí)際參數(shù)。生產(chǎn)井水平段長(zhǎng)度為300 m,注采井距為200 m,油層厚度為12 m,采油井工作制度設(shè)置產(chǎn)油量為60 m3/d,產(chǎn)液量為800 m3/d,直接投注注水井注水量為800 m3/d,轉(zhuǎn)注井轉(zhuǎn)注前以產(chǎn)液量600 m3/d生產(chǎn)5 a,轉(zhuǎn)注后注水量為1 000 m3/d。
文獻(xiàn)調(diào)研[18-19]結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大液量沖刷后,儲(chǔ)層中膠結(jié)物被帶出,蒙脫石、伊/蒙混層等黏土礦物減少,導(dǎo)致填隙物含量減少,面孔率增大,使孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。儲(chǔ)層孔隙度增大8%~10%,滲透率增大50%~200%,孔喉半徑中值增大60%~90%。結(jié)合實(shí)鉆過(guò)路井資料統(tǒng)計(jì),強(qiáng)水洗(沖刷)部位的平均滲透率較原始滲透率增大了2倍,尤其是在注水井周?chē)涂拷ㄏ虿捎途赘浇?,較原始滲透率增大了5倍以上。儲(chǔ)層物性的變化規(guī)律主要表現(xiàn)為:水錐外儲(chǔ)層滲透率處于原始狀態(tài);水錐內(nèi)平面上定向井井點(diǎn)底部滲透率增幅最大,靠近水錐邊部增幅逐漸減?。豢v向上,底部滲透率增幅最大,靠近油層頂面,滲透率增幅最小。
選取渤海Q油田90多塊巖心,模擬在不同驅(qū)替倍數(shù)下儲(chǔ)層物性的變化規(guī)律,回歸出滲透率變化倍數(shù)MK隨驅(qū)替倍數(shù)R之間的變化關(guān)系。
模型中轉(zhuǎn)注井水錐滲透率的設(shè)置滿(mǎn)足滲透率變化倍數(shù)與驅(qū)替倍數(shù)之間的變化關(guān)系[式(1)—(2)]。從注入水流線分布模擬結(jié)果(圖2)可看出,直接投注注水井沿井筒流線分布較均勻,水錐分布較大[圖2(a)],而轉(zhuǎn)注井由于受到長(zhǎng)期大液量的沖刷,井筒底部已經(jīng)形成優(yōu)勢(shì)滲透通道,或儲(chǔ)層物性變化帶,轉(zhuǎn)注后注入水仍然沿滲流通道流入底水中,流線分布主要集中在轉(zhuǎn)注井井筒中下部[圖2(b)],導(dǎo)致轉(zhuǎn)注井的注入水波及體積遠(yuǎn)小于直接投注注水井波及體積。
因此,轉(zhuǎn)注井注入水驅(qū)油效果差的原因是定向井轉(zhuǎn)注后注入水受正韻律及大液量沖刷的影響,注入水在“錐體型變化帶—底水區(qū)—生產(chǎn)井波及區(qū)”形成“U”形管式無(wú)效循環(huán)。
圖2 注入水流線模擬示意圖Fig.2 Simulation diagram of streamline of injected water
根據(jù)轉(zhuǎn)注井注入水驅(qū)油效果差的原因,提出了“置膠成壩”技術(shù)擴(kuò)大轉(zhuǎn)注井注水波及體積[16-17](圖3)。其原理是利用化學(xué)堵劑[20-21],對(duì)轉(zhuǎn)注井井筒附近的滲透率錐體型變化帶底部進(jìn)行封堵,改變“U”形管竄流形態(tài),迫使注入水流向未波及區(qū),擴(kuò)大注入水波及體積。
圖3“置膠成壩”后注入水流向示意圖Fig.3 Schematic diagram of injected water flow direction after“gel dam”
通過(guò)建立理論模型,對(duì)轉(zhuǎn)注井“置膠成壩”的壩體厚度、時(shí)機(jī)和極限驅(qū)油井距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析,其中默認(rèn)轉(zhuǎn)注井水錐半徑為“置膠成壩”的壩體寬度,超過(guò)水錐半徑,由于水錐外部?jī)?chǔ)層物性較水錐內(nèi)部差,壩體難以建立。
3.2.1 壩體厚度
壩體厚度的優(yōu)選是“置膠成壩”能否實(shí)施的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)因素,壩體厚度過(guò)大,則無(wú)法滿(mǎn)足油藏注水量的需求,同時(shí)需要投入的化學(xué)劑量較大,經(jīng)濟(jì)效益差。因此,方案設(shè)計(jì)油層厚度為12 m,注采井距為200 m,井組內(nèi)水平生產(chǎn)井含水率為80%,選取壩體厚度分別為0 m,1 m,2 m和4 m,通過(guò)流線模擬技術(shù),研究不同壩體厚度對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量的影響。
從不同壩體厚度注入水流線模擬結(jié)果(圖4)可以看出:當(dāng)壩體厚度為1 m時(shí),注入水流線沿井筒分布呈現(xiàn)“底密上疏”的特征[圖4(a)],底部注入水易竄流到底水中,實(shí)際起驅(qū)油作用的注入水占比相對(duì)較小;當(dāng)壩體厚度為2 m時(shí),注入水流線沿井筒分布呈“均勻推進(jìn)”的特征[圖 4(b)],注入水波及體積最大;當(dāng)壩體厚度為4 m時(shí),注入水流線沿井筒分布呈“均勻推進(jìn)”的特征[圖4(c)],但由于吸水厚度減小,平面推進(jìn)能量相對(duì)較弱,無(wú)法克服重力的影響,致使靠近生產(chǎn)井上部剩余油無(wú)法波及。
圖4 不同壩體厚度注入水流線模擬示意圖Fig.4 Simulation diagram of streamline of injected water with different dam thickness
從不同壩體厚度與累計(jì)產(chǎn)油量的關(guān)系曲線(圖5)可以看出,“置膠成壩”初期,隨著壩體厚度的增大,累計(jì)產(chǎn)油量逐漸增加,當(dāng)壩體厚度為4 m時(shí),累計(jì)產(chǎn)油量增幅最大。其原因是“置膠成壩”封堵了原有的滲流通道,迫使注入水流向未波及區(qū),提高了轉(zhuǎn)注井的注水效率。當(dāng)壩體厚度為4 m時(shí),中后期增油量逐漸減緩,這主要是由于隨著壩體厚度的增加,初期注入水驅(qū)油效果明顯,后期由于壩體厚度過(guò)大,剩余油層厚度無(wú)法滿(mǎn)足注水量的需求。相對(duì)于整個(gè)開(kāi)發(fā)階段,當(dāng)壩體厚度為2 m時(shí),開(kāi)發(fā)效果最優(yōu),與未進(jìn)行“置膠成壩”相比,累計(jì)增油量幅度達(dá)到45%,其原因是一方面對(duì)滲透率錐體型變化帶進(jìn)行了有效封堵,另一方面剩余油層厚度能夠滿(mǎn)足注水量的需求,兩者達(dá)到協(xié)同效應(yīng),使注水效率最大化。
3.2.2 “置膠成壩”時(shí)機(jī)優(yōu)選
方案設(shè)計(jì)油層厚度為12 m,注采井距為200 m,壩體厚度設(shè)置為2 m,分別在水平井不同含水時(shí)期(80%,90%和95%),對(duì)轉(zhuǎn)注井進(jìn)行“置膠成壩”。通過(guò)流線模擬技術(shù),研究不同“置膠成壩”時(shí)機(jī)對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量的影響。
圖5 不同壩體厚度與累計(jì)產(chǎn)油量關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between accumulated oil production and different thicknesses of dam
從不同“置膠成壩”時(shí)機(jī)注入水流線模擬結(jié)果(圖6)和不同置膠成壩時(shí)機(jī)與累計(jì)產(chǎn)油量關(guān)系曲線(圖7)可以看出,隨著含水率的增加,“置膠成壩”的效果逐漸變差,當(dāng)含水率為95%時(shí),注入水波及效果最差。這是由于含水率越高,水脊內(nèi)的沖刷越嚴(yán)重,縱向上底水的推進(jìn)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面上注入水的推進(jìn)速度。因此,“置膠成壩”越早實(shí)施,轉(zhuǎn)注井注入水驅(qū)油效果越明顯。
3.2.3 極限驅(qū)油井距優(yōu)選
方案設(shè)計(jì)油層厚度為12 m,“置膠成壩”時(shí)機(jī)為井組水平井含水率80%,壩體厚度設(shè)置為2 m,分別在不同極限注采井距(150 m,200 m,250 m和300 m)條件下,通過(guò)流線模擬技術(shù),研究不同極限驅(qū)油井距條件下“置膠成壩”對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量的影響。
圖6 不同“置膠成壩”時(shí)機(jī)下注入水流線模擬示意圖Fig.6 Simulation diagram of streamline of injected water with different water cut
圖7 不同“置膠成壩”時(shí)機(jī)與累計(jì)產(chǎn)油量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between accumulated oil production and different water cut
從不同注采井距“置膠成壩”注入水流線模擬結(jié)果(圖8)可以看出,注采井距越小,“置膠成壩”效果越好。當(dāng)注采井距為150 m時(shí),注入水流線呈“近活塞式驅(qū)油”的特征,驅(qū)油效果最好[圖8(a)];當(dāng)井距為200 m時(shí),注入水流線呈“均勻推進(jìn)”的特征,注入水與底水達(dá)到協(xié)同效應(yīng),波及體積達(dá)到最大化[圖8(b)];當(dāng)注采井距大于200 m時(shí),注入水重新形成了滲流通道,無(wú)法波及到采油附近中上部的剩余油[圖 8(c),(d)]。
從不同注采井距“置膠成壩”與未“置膠成壩”累計(jì)產(chǎn)油量對(duì)比(圖9)可以看出,當(dāng)注采井距為150 m時(shí),累計(jì)產(chǎn)油量提高幅度為14.6%,這是由于注水井的水錐半徑與水平井的水脊半徑之和遠(yuǎn)大于注采井距,注入水處于驅(qū)油狀態(tài),只在井間頂部富集少量剩余油,“置膠成壩”后,累計(jì)產(chǎn)油量提高幅度較??;當(dāng)注采井距為200 m時(shí),累計(jì)產(chǎn)油量增幅最大,達(dá)到45.0%,這是由于“置膠成壩”后,增加了注入水水平方向的驅(qū)替,使注入水與底水達(dá)到協(xié)同效應(yīng),波及體積達(dá)到最大;當(dāng)注采井距大于200 m,隨著井距的增加,“置膠成壩”的效果逐漸變差,累計(jì)產(chǎn)油量提高幅度僅為4.0%左右,這是由于井距過(guò)大,注入水受正韻律及重力作用影響重新形成新的優(yōu)勢(shì)滲流通道,導(dǎo)致注入水主要流向底水區(qū),無(wú)法波及到采油井附近中上部的剩余油。因此,“置膠成壩”的極限驅(qū)油注采井距為200 m。
圖8 不同注采井距“置膠成壩”注入水流線模擬示意圖Fig.8 Simulation diagram of streamline of injected water with different injection-production well spacing
圖9 不同注采井距“置膠成壩”與未“置膠成壩”累計(jì)產(chǎn)油量對(duì)比Fig.9 Comparison of accumulated oil production between gel dam with different injection-production well spacing and non-gel dam
3.3.1 油層厚度對(duì)壩體厚度的影響
方案設(shè)計(jì)井組水平井含水率為80%,井距為200 m,研究了不同油層厚度(8 m,10 m,12 m,14 m,16 m,18 m和 20 m)條件下,不同壩體厚度(0 m,1 m,2 m,3 m和4 m)對(duì)累計(jì)產(chǎn)油量的影響,得出了不同油層厚度下“置膠成壩”的最佳壩體厚度圖版(圖10)。從圖10可以看出,隨著油層厚度的增加,“置膠成壩”的最佳壩體厚度逐漸增加,當(dāng)油層厚度為8~14 m時(shí),實(shí)施“置膠成壩”的最佳壩體厚度為2 m;當(dāng)油層厚度為14~20 m時(shí),最佳壩體厚度為3~4 m。
圖10 不同油層厚度下“置膠成壩”的最佳壩體厚度圖版Fig.10 Optimum thickness chart of gel dam with different reservoir thickness
3.3.2 含水率對(duì)壩體厚度的影響
方案設(shè)計(jì)油層厚度為10 m,井距為200 m,研究了不同含水率(80%,90%和95%)對(duì)壩體厚度的影響。從圖11可看出,含水率對(duì)“置膠成壩”的壩體厚度影響較小,其主要原因是含水率越高,水脊內(nèi)的沖刷越嚴(yán)重,縱向上底水的推進(jìn)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面上注入水的推進(jìn)速度。且隨著含水率的增加,“置膠成壩”的效果逐漸變差,與單因素分析的結(jié)果具有一致性。
圖11 井組含水率對(duì)壩體厚度的影響Fig.11 Influence of well group water cut on dam thickness
渤海Q油田底水油藏是典型的正韻律沉積的砂巖油藏,以E07井為先導(dǎo)試驗(yàn)井組。該井油層厚度為13 m,測(cè)井曲線呈“鐘型”,從自然伽馬和自然電位測(cè)井曲線來(lái)看正韻律特征明顯,測(cè)井解釋泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)8.4%(圖12)。周邊有3口受益油井(E10 H,E26 H和E27 H),注采井距分別為189 m,212 m和231 m。目前井組產(chǎn)油量為73 m3/d,含水率為91.8%。E07井于2002年投產(chǎn),平均產(chǎn)液量為450 m3/d,累計(jì)產(chǎn)出液為184萬(wàn)m3。2014年7月該井轉(zhuǎn)注,轉(zhuǎn)注后平均注水量為1 000 m3/d,累計(jì)注水量為140萬(wàn)m3。通過(guò)數(shù)值模擬分析,該井組剩余地質(zhì)儲(chǔ)量為54萬(wàn)m3,具備實(shí)施“置膠成壩”的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)研究成果,2018年4月,對(duì)轉(zhuǎn)注井E07井實(shí)施“置膠成壩”措施,設(shè)計(jì)壩體厚度為2 m,壩體半徑為75 m。該井在實(shí)施措施后,井組產(chǎn)油量達(dá)到113 m3/d,含水率為91.3%(表1),取得了很好的增油效果。截至2018年12月,該井組已累計(jì)增油0.98萬(wàn)m3,先導(dǎo)試驗(yàn)的成功實(shí)施,證實(shí)“置膠成壩”可以有效擴(kuò)大注入水波及體積,提高了轉(zhuǎn)注井的水驅(qū)效率。
圖12 E07井測(cè)井解釋成果圖Fig.12 Logging interpretation result of well E07
表1 轉(zhuǎn)注井“置膠成壩”措施前后生產(chǎn)現(xiàn)狀對(duì)比Table 1 Comparison of production status before and after the measures of glue dam in transfer injection well
在該技術(shù)的指導(dǎo)下,渤海Q油田預(yù)計(jì)可實(shí)施“置膠成壩”措施10井次,方案實(shí)施后,預(yù)計(jì)增加可采儲(chǔ)量53.2萬(wàn)m3,改變了稠油底水油藏轉(zhuǎn)注井注入水驅(qū)油效果差的現(xiàn)狀。
(1)提出利用“置膠成壩”提高轉(zhuǎn)注井水驅(qū)效率新技術(shù)。壩體厚度、時(shí)機(jī)和極限驅(qū)油井距是影響“置膠成壩”效果的關(guān)鍵因素,“置膠成壩”越早實(shí)施,轉(zhuǎn)注井注入水驅(qū)油效果越明顯,極限驅(qū)油井距為200 m,壩體厚度為2 m時(shí),注入水波及體積最大,開(kāi)發(fā)效果最優(yōu)。
(2)油層厚度和含水率對(duì)壩體厚度的影響非常明顯,隨著油層厚度的增加,“置膠成壩”的最佳壩體厚度逐漸增加,隨著含水率的增加,“置膠成壩”的效果逐漸變差。
(3)先導(dǎo)試驗(yàn)表明,“置膠成壩”技術(shù)可有效擴(kuò)大注入水波及體積,改變了稠油底水油藏轉(zhuǎn)注井注入水驅(qū)油效果差的現(xiàn)狀,提高了轉(zhuǎn)注井的水驅(qū)效率。